一种LED驱动电源芯片的制作方法

本实用新型涉及一种集成电路，尤其涉及一种LED驱动电源芯片。

背景技术：

经历几代LED照明技术，相比于传统LED照明方案，现有LED驱动技术已经大大减少了成本，而这一方向作为LED照明产业加速发展的优点之一，也将继续深入，并成为本领域技术人员亟待解决的问题。

图1示出了现有技术中的一种BUCK型LED驱动电路，其包括：由二极管D1-D4构成的整流桥、输入电容Cin、续流二极管D5、输出电容Cout、输出假负载R1、LED负载、电感L、功率MOS管Q1、采样电阻Rcs、稳压电容Cvcc和驱动芯片10(即，控制器)，其中，驱动芯片10具有5个引脚：引脚gate、hv、cs、gnd和vcc。

如图2所示，上述驱动芯片10具体包括：高压供电模块101、cs峰值检测比较器CMP、退磁检测模块102、逻辑模块103和驱动模块104，其中，高压供电模块101用于将输入线电压的几百伏的高压HV降为芯片内部器件可以直接处理的供电电压VCC。通常得到的供电电压VCC分别两种情况：1、供电电压VCC通常比较高，不能为内部低压器件直接使用，需要二次降压处理后得到内部低压器件可以直接使用的工作电压vdda，再给低压电路供电；然而，当功率MOS管与该IC封装在一起时，通常合封的功率MOS管的阈值电压比IC中的管子的阈值高，且其耐压值也比IC中的管子耐压值高，而在保证功率MOS管栅极电压小于其栅极耐压值的前提下，尽可能的增大其栅极电压可有利于降低功率管导通阻抗，从而提高电源效率，因此，此时功率MOS管的驱动电压仍然是供电电压VCC；2、供电电压VCC较低，可以直接用于向低压器件供电，同时也作为功率MOS管的电源。

然而，无论是上述哪种情况，都需要外接一个稳压电容Cvcc，以保证芯片电源的稳定性，即，既要避免芯片内部模拟电路出现异常，数字电路逻辑错误，又要保证驱动能力的足够。而引脚vcc本身以及外接的稳压电容Cvcc，都会增加系统成本，同时外接的稳压电容Cvcc所占的PCB电路板的面积也会增加系统成本。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种LED驱动电源芯片，以在节省引脚vcc与引脚vcc外围的稳压电容的前提下保证LED驱动芯片的正常工作，从而降低芯片及系统成本。

本实用新型所述的一种LED驱动电源芯片，其具有引脚hv，并包括：内部电路、高压供电模块和驱动模块，其中，所述高压供电模块包括：

第一场效应管，其漏极连接至所述引脚hv，其栅极接地；

第二场效应管，其漏极与所述第一场效应管的漏极相连，其栅极接地，其源极向所述内部电路输出一供电电压；

第二开关管，其漏极与所述第一场效应管的源极连接；

第五开关管，其漏极与所述第一场效应管的源极连接，其栅极与所述第二开关管的源极连接，其源极向所述驱动模块向所述驱动模块输出一驱动电压；

第一电阻，其一端与所述第一场效应管的源极连接，其另一端与所述第二开关管的栅极连接；

第一钳位电路，其连接在所述第二开关管的栅极与源极之间；

第二钳位电路，其连接在所述第五开关管的栅极与源极之间；以及

第三钳位电路，其连接在所述第一电阻和第二开关管的相连端与地之间。

在上述的LED驱动电源芯片中，所述第一钳位电路包括：第三开关管和第四开关管，其中，所述第三开关管的源极与所述第二开关管的栅极连接，其栅极与漏极相连至所述第四开关管的源极，该第四开关管的栅极与漏极相连至所述第二开关管的源极。

可选地，在上述的LED驱动电源芯片中，所述第一钳位电路包括：反相齐纳二极管，其负极与所述第二开关管的栅极连接，其正极与所述第二开关管的源极连接。

在上述的LED驱动电源芯片中，所述第二钳位电路包括：依次串联在所述第五开关管的栅极与源极之间的第四电阻和第五电阻，以及第六开关管，其中，所述第六开关管的源极与所述第五开关管的栅极连接，其漏极与所述第五开关管的源极连接，其栅极连接至所述第四电阻和第五电阻之间。

在上述的LED驱动电源芯片中，所述第三钳位电路包括：依次串联在所述第一电阻和第二开关管的相连端与地之间的第二电阻和第三电阻，以及第一开关管，其中，所述第一开关管的漏极连接至所述第一电阻和第二开关管的相连端，其源极接地，其栅极连接至所述第二电阻和第三电阻之间。

由于采用了上述的技术解决方案，本实用新型通过对高压供电模块进行改进，即采用两路独立的场效应管，一路作为芯片中驱动模块的驱动电源，一路作为芯片中其他内部电路的供电电源，从而使得内部电路的供电电源不受功率MOS管开启瞬间的波动影响，由此在现有LED驱动方案的基础上减少了引脚vcc，同时可以省去外围的稳压电容，达到了降低芯片及印制电路板的成本的目的。

附图说明

图1是现有技术中一种BUCK型LED驱动电路的结构示意图；

图2是图1中控制器的内部结构示意图；

图3是采用本实用新型一种LED驱动电源芯片实现的BUCK型LED驱动电路的结构示意图；

图4是本实用新型一种LED驱动电源芯片中高压供电模块的内部电路图；

图5是在外部功率MOS管开启瞬间本实用新型一种LED驱动电源芯片中驱动电压VCC和供电电压VCC1的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。

图3示出了采用本实用新型，即一种LED驱动电源芯片实现的BUCK型LED驱动电路的结构示意图，其中，LED驱动电源芯片的外围电路结构基本与图1所示的现有技术中一种BUCK型LED驱动电路相同，区别在于，图3中的电路相较于图1省去了连接在LED驱动电源芯片的引脚vcc和gnd之间的稳压电容Cvcc。具体来说，本实用新型的一种LED驱动电源芯片，其省去了引脚vcc，而仅具有引脚hv、gate、cs和gnd，且其中引脚hv直接接收LED驱动电路的输入电压Vin；与现有的LED驱动芯片一样，如图2所示，该芯片内部包括：高压供电模块101、退磁检测模块102、逻辑模块103、驱动模块104和cs峰值检测比较器CMP，其中，退磁检测模块102、逻辑模块103、驱动模块104和cs峰值检测比较器CMP的功能均与图1、2所示的现有的LED驱动芯片中的作用原理相同，故此处不再赘述；然而，与现有的LED驱动芯片不同的是，其中：

如图4所示，高压供电模块101具体包括：

第一场效应管Jfet1，其漏极连接至引脚hv，以接收外部输入的高压HV，其栅极接地，其源极输出中间电压VS；

第二场效应管Jfet2，其漏极与第一场效应管Jfet1的漏极相连至引脚hv，以接收外部输入的高压HV，其栅极接地，其源极输出供电电压VCC1；在本实施例中，第二场效应管Jfet2的源极可以与芯片内部除了高压供电模块101和驱动模块104以外的其他所有电路(例如，退磁检测模块102、逻辑模块103)中的传统的LDO降压电路连接，以对供电电压VCC1进一步处理，从而获得可供这些电路内部的低压器件直接使用的工作电压vdda；

第二开关管M2，其漏极与第一场效应管Jfet1的源极连接；

第五开关管M5，其漏极与第一场效应管Jfet1的源极连接，其栅极与第二开关管M2的源极连接，其源极输出驱动电压VCC，以向驱动模块104供电；

第一电阻R1，其一端与第一场效应管Jfet1的源极连接，其另一端与第二开关管M2的栅极连接；

第一钳位电路，其连接在第二开关管M2的栅极与源极之间，以对第二开关管M2的栅源电压进行钳位；在本实施例中，第一钳位电路包括：第三开关管M3和第四开关管M4，其中，第三开关管M3的源极与第二开关管M2的栅极连接，其栅极与漏极相连至第四开关管M4的源极，第四开关管M4的栅极与漏极相连至第二开关管M2的源极；在另一个实施例中，第一钳位电路也可以包括一反相齐纳二极管，其负极与第二开关管M2的栅极连接，正极与第二开关管M2的源极连接；

第二钳位电路，其连接在第五开关管M5的栅极与源极之间，以对第五开关管M5的栅源电压进行钳位；在本实施了中，第二钳位电路包括：串联在第五开关管M5的栅极与源极之间的第四电阻R4和第五电阻R5，以及第六开关管M6，其中，第六开关管M6的源极与第五开关管M5的栅极连接，其漏极与第五开关管M5的源极连接，其栅极连接至第四电阻R4和第五电阻R5之间；当然，第二钳位电路也可以采用其他具有钳位功能的电路结构实现；

第三钳位电路，其连接在第一电阻R1和第二开关管M2的相连端与地之间；在本实施例中，第三钳位电路包括：串联在第一电阻R1和第二开关管M2的相连端与地之间的第二电阻R2和第三电阻R3，以及第一开关管M1，其中，第一开关管M1的漏极连接至第一电阻R1和第二开关管M2的相连端，其源极接地，其栅极连接至第二电阻R2和第三电阻R3之间；当然，第三钳位电路也可以采用其他具有钳位功能的电路结构实现。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型通过两路Jfet，即第一场效应管Jfet1和第二场效应管Jfet2，将线电压HV分别处理成中间电压VS和供电电压VCC1，其中，供电电压VCC1可直接作为芯片内部除了之外的其他所有电路(以下称为内部电路)的供电电源，这些内部电路可以采用传统的LDO等降压方式再对供电电压VCC1进行处理，从而得到可供这些内部电路中低压器件直接使用的稳定的工作电压；中间电压VS在经过进一步处理后所得到的驱动电压VCC可作为向用于驱动功率MOS管Q1栅极的驱动模块104供电的驱动电源。

相比于传统供电电路结构，本实用新型中由于去掉了外部稳压电容Cvcc，驱动电压VCC在功率MOS管Q1开启的瞬间纹波很大，因此不适合给内部电路供电。为此，本实用新型采用独立的一条支路，即第二场效应管Jfet2给内部电路供电，供电电压VCC1不但完全不受驱动电压VCC纹波大的影响，而且供电电压VCC1在即使没有电容稳压的情况下也能保持平稳。具体来说，供电电压VCC1本身的纹波非常小，这是因为芯片的内部电路不会有瞬间大电流，即使是内部数字电路翻转，第二场效应管Jfet2的源极只要有稍微零点几伏电压，第二场效应管Jfet2便可提供足够的供内部数字逻辑翻转所需的电流，由于内部电路功耗低且均匀，因此，供电电压VCC1的纹波非常小。如图5所示的供电电压VCC1的波形，一方面，供电电压VCC1不至于像驱动电压VCC一样纹波很大而使得内部电路的电压余度都不够，另一方面，供电电压VCC1的纹波很小，从而使得内部电路中关键节点电压随供电电压VCC1纹波的波动也更小。

本实用新型采用独立的另一条支路来产生为驱动模块104供电的驱动电压VCC。当驱动模块104没有驱动功率MOS管，即，驱动电源VCC没有负载电流时，第二开关管M2和第五开关管M5均关断，此时，第一场效应管Jfet1输出的电流很小，并且只流过第一电阻R1和第三钳位电路，而由于第一场效应管Jfet1本身的供电能力很强，因此，中间电压VS必定会比较高，且接近第一场效应管Jfet1的关断电压。在本实施例中，第三钳位电路使得第一电阻R1和第二开关管M2的相连端的电压VG为VGS1*(R2+R3)/R3，其中，VGS1表示第一开关管M1的栅源电压；此时，流过第一电阻R1的电流为(VS-VG)/R1，第一电阻R1可用于防止流过第三钳位电路的电流过大。虽然此时第二开关管M2和第五开关管M5均关断，但实际上驱动模块104在驱动完成后可能存在静态电流(几个nA)，该静态电流可由第三、第四开关管M3、M4、第四、第五电阻R4、R5以及驱动模块104在驱动完成后的等效电阻Rdriver决定为VG/(1/gm3+1/gm4+R4+R5+Rdriver)，由于驱动模块104在驱动完成后相当于一个大电阻，因此使得该静态电流非常小。而此时驱动电压VCC则为VG*Rdriver/(1/gm3+1/gm4+R4+R5+Rdriver)，由于Rdriver很大，因此，驱动电压VCC基本与电压VG相等。

当驱动模块104驱动功率MOS管Q1时，在其开启瞬间，驱动模块104会从驱动电源VCC拉一路很大的驱动电流Idriver到功率MOS管Q1的栅极电容上，从而使其栅极电容被驱动电流Idriver充高至驱动电压VCC。在此过程中，由于省去了外部稳压电容Cvcc，驱动电压VCC会突然降低(如图5所示)，而随着驱动电压VCC的降低，第二、第五开关管M2、M5的栅源电压VGS2、VGS5将变大，因此，驱动电流Idriver从第一场效应管Jfet1流向第五开关管M5后再流向驱动模块104，第二开关管M2则作为第五开关管M5栅极的驱动管；由于第一场效应管Jfet1要提供驱动电流Idriver，因此，第一场效应管Jfet1的栅源电压增大，而由于第一场效应管Jfet1的栅极接地，因此中间电压VS降低。由此，流过第一电阻R1的电流也减少，进而导致流过第二、第三电阻R2、R3的电流减少，第一开关管M1关断。此时，第一电阻R1和第二开关管M2的相连端的电压VG是中间电压VS的一个分压：VG＝(R2+R3)*VS/(R1+R2+R3)，第一场效应管Jfet1提供的驱动电流Idriver＝u*Cox*w*(VOffth-VS)²/2L，其中，u为载流子迁移率，Cox为栅氧单位面积电容量，w为沟道宽度，L为沟道长度，VOffth为第一场效应管Jfet1的关断阈值，当VOffth-VS小于等于0时，第一场效应管Jfet1关断，驱动电压VCC＝VG-VGS2-VGS5＝(R2+R3)*VS/(R1+R2+R3)-VGS2-VGS5，通过上述三个约束方程可以粗略计算获得电压VCC、VG和VS。实际功率MOS管Q1开启瞬间为一个动态过程，此过程中驱动电流Idriver先增大后减小，因此，电压VCC、VG和VS随着驱动电流Idriver变化，但始终满足上述约束方程，此方程认为第二、第五开关管M2、M5的栅源电压VGS2、VGS5不变，实际驱动电流Idriver大部分通过第五开关管M5，随着驱动电流Idriver变化，第五开关管M5的栅源电压VGS5正比于驱动电流Idriver开方关系变化，同时也认为此时第三、第四开关管M3、M4不开启。通过调节元器件尺寸，使得功率MOS管Q1被驱动瞬间，驱动电压VCC最低值仍然能保证驱动模块104的工作电压余度和驱动电流大小，以保证期间均工作在饱和区，且驱动电流能很快的将功率MOS管Q1的栅源电容和弥勒电容充满。第三、第四开关管M3、M4作为第二开关管M2栅源电压的钳位电路，使得第二开关管M2不至于由于瞬间驱动电流过大导致的栅源电压过大而达到击穿电压，同理，第四、第五电阻R4、R5和第六开关管M6作为第五开关管M5的栅源电压的钳位电路，避免了第五开关管M5由于瞬间驱动电流过大导致的栅源电压过大而达到击穿电压，从而保证电路工作的可靠性，需要注意的是，第三、第四、第六开关管M3、M4、M6、第四、第五电阻R4、R5在功率MOS管Q1正常工作时不开启。

综上所述，本实用新型在传统的LED驱动基础上外围拓扑结构和高压供电模块相结合的创新，实现了省去引脚vcc与外接稳压电容Cvcc的目的，简化了外围应用，减小了芯片及系统的成本。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。