一种LED双环路控制电路及控制方法与流程

一种led双环路控制电路及控制方法
技术领域
1.本公开涉及线性led(发光二极管，light emitting diode)驱动领域，特别涉及一种led双环路控制电路及控制方法。


背景技术：

2.led光源是一种基于发光二极管的光源，具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点优势被广泛采用。而采用环路积分控制的led驱动更是有着恒流效果好、输出电流精度高、良好的线性调整率和负载调整率等优势被广泛采用。但是，环路积分控制的led驱动也有着明显的缺点，其对输出的瞬时电流不敏感，只保证输出电流平均值稳定，且环路积分的响应速度慢，在超出电路承载能力的环境下，容易出现长时间的大电流，造成电路损坏，影响使用。


技术实现要素：

3.本公开实施例的目的在于提供一种led双环路控制电路及控制方法，以解决现有技术中环路积分控制的led电路瞬态响应速度慢，容易出现故障的问题。
4.为了解决上述技术问题，本公开的实施例采用了如下技术方案：一种led双环路控制电路，包括：电源模块、环路积分控制模块以及led负载，所述电源模块的输入端连接母线，所述环路积分控制模块的输入端与所述电源模块的输出端以及采样电阻的第一端分别连接，所述led负载的第一端连接母线，所述led负载的第二端经过功率管与所述采样电阻的第一端连接，所述采样电阻的第二端接地，还包括：快速响应模块，所述快速响应模块的输入端与所述环路积分控制模块的输出端以及所述采样电阻的第一端分别连接，所述快速响应模块的输出端与所述功率管的栅极连接，所述快速响应模块基于所述环路积分控制模块输出的第一参考值以及所述采样电阻的采样参数驱动功率管的通断。
5.进一步，还包括：欠压锁定模块和带隙基准模块；其中，所述电源模块的输出端与所述欠压锁定模块和所述带隙基准模块分别连接，所述环路积分控制模块的输入端与所述欠压锁定模块的输出端、所述带隙基准模块的输出端以及采样电阻的第一端分别连接；所述快速响应模块的输入端还与所述欠压锁定模块的输出端连接。
6.进一步，所述快速响应模块至少包括运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与所述环路控制模块的输出端连接，用于接收环路控制模块输出的第一参考值，所述运算放大器的第二输入端与所述采样电阻的第一端连接，用于接收所述采样电阻的采样参数，所述运算放大器的输出端与所述功率管的栅极连接；所述运算放大器基于所述第一参考值与所述采样参数之间的对比结果，控制所述功率管。
7.进一步，所述快速响应模块，包括：运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与所述环路控制模块的输出端连接，用于接收环路控制模块输出的第一参考值，所述运算放大器的第二输入端与所述采样电阻的第一端连接，用于接收所述采样电阻的采样参数，所述运算放大器的输出端与所述功率管的栅极连接；比较器，所述比较器的第一输入端与所
述带隙基准模块的输出端连接，用于接收所述带隙基准模块输出的第二参考值，所述比较器的第二输入端与所述采样电阻的第一端连接，用于接收所述采样电阻的采样参数；计时单元，所述计时单元的输入端与所述比较器的输出端串联，所述计时单元的输出端与环路积分控制模块的输入端连接。
8.进一步，所述计时单元至少包括：计时器和振荡模块；所述计时器的输入端与所述比较器的输出端串联，所述计时器的输出端与环路积分控制模块的输入端连接；所述振荡模块与所述计时器串联，用于向所述计时器输入标准时钟信号。
9.进一步，在所述比较器输入的所述采样参数小于所述第二参考值的情况下，所述比较器向所述计时单元输出激活信号；所述计时单元在接收到所述激活信号时开始统计第一时长，在所述第一时长超过预设时长的情况下，所述计时单元向所述环路积分控制模块输出重置信号；所述环路积分控制模块基于所述重置信号，将其输出端输出的第一参考值调整为0；所述运算放大器基于所述第一参考值与所述采样参数之间的对比结果，控制所述功率管。
10.本公开的实施例还提供了一种led双环路控制方法，应用于上述的led双环路控制电路中，包括：获取采样电阻的采样参数；基于所述采样参数和第一参考值的对比结果，控制功率管的通断；其中，所述第一参考值通过环路积分控制模块获取。
11.进一步，所述获取采样电阻的采样参数之后，还包括：在所述采样参数小于第二参考值，并且持续时间大于或等于预设时长的情况下，关断所述功率管；其中，所述预设时长大于或等于桥后母线电压的一个周期。
12.进一步，所述第二参考值通过带隙基准模块获取。
13.本公开实施例的有益效果在于：通过在传统的环路积分控制的led电路中增加快速响应模块，快速响应模块与环路积分控制模块以及采样电阻分别连接，其具有比环路积分控制模块更大的带宽，基于对采样电阻的采样参数的获取，快速响应模块可基于采样参数与第一参考值的实现对功率管的快速通断控制，从而起到对led电路的整体保护作用，提升电路的可靠性。
附图说明
14.图1为现有技术中led控制电路的连接示意图；
15.图2为本公开第一实施例中双环路控制电路的连接示意图；
16.图3为本公开第一实施例中双环路控制电路的另一种连接示意图；
17.图4为本公开第一实施例中双环路控制电路的第一种优选实施方式的连接示意图；
18.图5为本公开第一实施例中双环路控制电路的第二种优选实施方式的连接示意图；
19.图6为本公开第二实施例中双环路控制方法的流程图；
20.图7为本公开第二实施例中双环路控制方法的另一种流程图。
21.附图说明
22.10-电源模块
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20-欠压锁定模块
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30-带隙基准模块
23.40-环路积分控制模块
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50-led负载
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52-电容
24.60-快速响应模块
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70-驱动模块
具体实施方式
25.此处参考附图描述本技术的各种方案以及特征。
26.应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本技术的范围和精神内的其他修改。
27.包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且与上面给出的对本技术的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本技术的原理。
28.通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本技术的这些和其它特性将会变得显而易见。
29.还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本技术进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本技术的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
30.当结合附图时，鉴于以下详细说明，本技术的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
31.此后参照附图描述本技术的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本技术的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本技术模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本技术。
32.本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本技术的相同或不同实施例中的一个或多个。
33.图1示出了现有技术中的一种led控制电路的连接示意图，其主要包括：电源(power)模块10、欠压锁定(uvlo，under voltage lock out)模块20、带隙基准(bandgap)模块30、环路积分控制模块40、led负载50以及驱动模块70，如图1所示，电源模块10的输入端连接母线(市电)，电源模块10的输出端与欠压锁定模块20和带隙基准模块30分别连接，环路积分控制模块40的输入端与欠压锁定模块20的输出端、带隙基准模块30的输出端以及采样电阻r
cs
的第一端分别连接，环路积分控制模块40的输出端经过驱动模块70与功率管q1的栅极连接，led负载50的第一端连接母线(市电)，led负载50的第二端经过功率管q1与采样电阻r
cs
的第一端连接，采样电阻r
cs
的第二端接地；led负载50可以为led灯或led灯组，负载两端还可以并联有滤波用的电容52。
34.在通过图1所示的电路进行led驱动时，电源模块10从母线获取能量(vm)供led控制电路工作；欠压锁定模块20检测电源模块10，当芯片供电电压过低时，欠压锁定模块20发送rest指令复位积分环路控制模块，防止重新上电时控制电路无法正常工作；带隙基准模块30与电源模块10连接为环路积分控制模块40提供参考电压v
ref
，环路积分控制模块40根据参考电压v
ref
与采样电压v
cs
控制驱动模块70，控制功率管q1工作。
35.市电电压在传输过程中可能存在波动，当市电电压升高时，即便经过整流滤波的预先处理，最终也会在led模块两端形成工作电压的尖峰，造成一个较大的瞬时电流；而环路积分控制模块40本质是一个放大器，其通频带的带宽通常只有几赫兹或者几十赫兹，在
其他频率上会失真无法起到放大作用，在瞬时电流过大时，环路积分控制模块40无法进行响应，容易出现长时间的大电流，造成控制电路损坏。
36.为了解决上述问题，本公开第一实施例提供了一种led双环路控制电路，其连接示意图如图2所示。该双环路控制电路主要包括电源模块10、环路积分控制模块40、led负载50以及快速响应模块60，其中，电源模块10的输入端连接母线(市电)，环路积分控制模块40的输入端与电源模块10的输出端以及采样电阻r
cs
的第一端分别连接，led负载50的第一端连接母线，led负载的第二端经过功率管q1与采样电阻r
cs
的第一端连接，采样电阻r
cs
的第二端接地；快速响应模块60可以取代驱动模块的作用，其输入端与环路积分控制模块40的输出端以及采样电阻r
cs
的第一端分别连接，其输出端与功率管q1的栅极连接，其通常具有较大的带宽，在实际使用时可以基于环路积分控制模块40输出的第一参考值以及采样电阻r
cs
的采样参数驱动功率管q1的通断，例如通过环路积分控制模块40的输出电压vr以及采样电阻r
cs
的采样电压v
cs
之间的大小，驱动功率管q1的通断。具体地，采样参数可以是采样电压v
cs
，还可以是经过采样电阻的采样电流i
cs
，第一参考值通常为环路积分控制模块输出的输出电压vr。
37.在实际使用时，led双环路控制电路还可以包括欠压锁定模块20和带隙基准模块30，如图3所示，分别起到电路的低压保护作用以及基准电压提供的作用，其中，电源模块10的输出端与欠压锁定模块20和带隙基准模块30分别连接，环路积分控制模块40的输入端还与欠压锁定模块20的输出端和带隙基准模块30的输出端分别连接，快速响应模块60的输入端还与欠压锁定模块20的输出端连接。
38.本实施例通过在传统的环路积分控制的led电路中增加快速响应模块，快速响应模块60与环路积分控制模块40以及采样电阻r
cs
分别连接，其具有比环路积分控制模40块更大的带宽，基于对采样电阻r
cs
的采样参数的获取，快速响应模块60可基于采样参数r
cs
与第一参考值的实现对功率管q1的快速通断控制，从而起到对led电路的整体保护作用，提升电路的可靠性。
39.图4示出了led双环路控制电路的第一种优选实施方式，如图4所示，快速响应模块60至少包括运算放大器amp1，运算放大器amp1的第一输入端与环路控制模块40的输出端连接，用于接收环路控制模块40输出的第一参考值，运算放大器amp1的第二输入端与采样电阻r
cs
的第一端连接，用于接收采样电阻r
cs
的采样参数，运算放大器amp1的输出端与功率管q1的栅极连接，基于第一参考值与采样参数的对比结果，来实现对功率管q1通断的控制。需要注意的是，在进行电路连接时可以通过调整运算放大器amp1的两个输入端所输入的内容，来实现不同类型功率管q1的驱动。
40.图4所示的运算放大器amp1正向输入端与环路控制模块40的输出端连接，负向输入端则与采样电阻r
cs
的第一端连接，此时功率管q1为n-mos管，即在栅极施加高电平电压时导通，施加低电压时关断，在瞬时电流i
cs
过大的情况下，采样电压v
cs
大于输出电压vr，运算放大器amp1的负向输入端输入的值大于正向输入端输入的值，运算放大器amp1会降低甚至关闭其输出端输出的电压v
gate
，由于其输出端与n-mos管的栅极连接，在v
gate
减小甚至关闭的情况下，功率管q1的栅极上施加的电压降低或不再施加电压，逐渐关断n-mos管源漏极之间的通路，实现功率管断开，从而达到限制瞬时电流i
cs
的目的，防止瞬时电流i
cs
长时间过大造成电路的损坏。当电路中所使用的功率管q1为p-mos管时，则将运算放大器amp1负向输
入端与环路控制模块40的输出端连接，正向输入端则与采样电阻r
cs
的第一端连接，在采样电压v
cs
大于输出电压vr时，运算放大器amp1则输出高电平信号至p-mos管的栅极，使p-mos管逐渐关断。
41.图5示出了led双环路控制电路的第二种优选实施方式，在图4所示电路的基础上，还增加了采样电阻r
cs
短路时的快速响应机制。具体地，快速响应模块60包括运算放大器amp1、比较器comp1以及计时单元，其中，运算放大器的连接方式与图4相同，在此不再赘述，比较器comp1的第一输入端与带隙基准模块30的输出端连接，用于接收带隙基准模块30输出的第二参考值，比较器comp1的第二输入端与采样电阻r
cs
的第一端连接，用于接收采样电阻r
cs
的采样参数；计时单元的输入端与比较器comp1的输出端串联，其输出端与环路积分控制模块40的输入端连接；具体地，计时单元主要包括计时器countor和振荡(osc)模块，如图5所示，计时器countor的输入端与比较器comp1的输出端串联，其输出端与环路积分控制模块40的输入端连接，osc模块则与计时器countor串联，用于向计时器countor提供标准时钟信号。应当了解的是，带隙基准模块30输出的第二参考值通常为基准电压v
ref
，是基于市电确定并输出的一个稳定的电压；本实施例中通过osc模块和计时器countor来实现计时功能，在实际使用时也可不限于使用osc模块和计时器countor，只要能达到计时效果的电路均可以应用在本实施例中。
42.如图5所示，在采样电阻r
cs
短路时，其两端的采样电压v
cs
值趋近于0，此时比较器comp1输入的采样电压v
cs
小于基准电压v
ref
，比较器comp1向计时器countor输出激活信号en；计时器countor在接收到激活信号en时开始统计第一时长，在第一时长超过预设时长的情况下，计时器countor向环路积分控制模块40输出重置信号rest1；环路积分控制模块40基于重置信号rest1，将其输出端输出的输出电压调整为0；在运算放大器amp1的正向输入端连接环路积分控制模块40，负向输入端连接采样电阻时，运算放大器amp1的正向输入vr为0，负向输入端为大于0的采样电压v
cs
，为了防止采样电阻r
cs
短路后瞬时电流i
cs
长时间过大造成电路的损坏，运算放大器amp1降低甚至关闭其输出端输出的电压v
gate
，n-mos管的栅极上施加的电压降低或不再施加电压，逐渐关断功率管q1的源漏极之间的通路，实现功率管断开，从而达到保护电路的目的。当然，在使用p-mos管作为功率管时，将运算放大器amp1的两个输入端所输入的信号进行反接即可，即在vr小于v
cs
的情况下，运算放大器amp1输出高电平以关断p-mos管。
43.另外，参照图5中电路的连接方式，比较器comp1的正向输入端(第一输入端)与带隙基准模块30的输出端连接，负向输入端(第二输入端)与采样电阻r
cs
的第一端连接，带隙基准模块30输出的基准电压v
ref
大于0v，并小于电路正常工作时v
cs
的峰值；当v
cs
大于v
ref
时，比较器comp1输出低电平，当v
cs
小于v
ref
时，说明采样电阻r
cs
短路，此时比较器comp1输出高电平作为激活信号en，计时器countor在接收到激活信号en时开始统计第一时长，并与内部设定的预设时长tth进行比较，其中，预设时长tth的值必须大于或等于桥后母线电压的一个周期t，为提高检测的可靠性，防止误触发led电路关断，可将tth设定为k倍的t，k为大于或等于1的实数；当第一时长超过预设时长tth之后，计时器countor输出rest1信号给环路积分控制模块40，环路积分控制模块40基于rest1信号进行重置，将其输出电压vr置为0，经过运算放大器amp1处理后，功率管q1被关断，直到系统断电且重新上电才能解除，从而达到r
cs
短路保护的目的，防止r
cs
短路后i
cs
电流长时间过大造成电路损坏。
44.在本实施例中，若按照图5中的连接方式，比较器comp1在输出高电平时计时器countor开始进行计时，在实际使用时，还可将比较器comp1的输出信号取反，即当v
cs
电压比v
ref
电压高时，比较器comp1的输出en为高电平，当v
cs
电压比v
ref
电压低时，比较器comp1的输出en为低电平，en在低电平时有效，其实际实现的原理在前文已经进行了详细的说明，在此不再进行赘述。另外，本实施例中使用计时器countor来实现计时功能，在实际使用时也可以选择其他可以实现计时功能的电路或元件，本实施例不进行限制。
45.本公开的第二实施例提供了一种led双环路控制方法，主要应用于本公开第一实施例中所提供的led双环路控制电路中，该控制方法的流程图如图6所示，主要包括步骤s1和s2，需要注意的是，电路中其他元件所执行的信号的采集或流转以及电路控制均可直接使用现有技术进行实现，本实施例不进行具体的描述和限制。
46.s1，获取采样电阻的采样参数。
47.s2，基于采样参数和第一参考值的对比结果，控制功率管的通断。
48.本实施例中快速响应模块的输入端与环路积分控制模块的输出端、欠压锁定模块的输出端以及采样电阻的第一端分别连接，其输出端与功率管的栅极连接。在电源接通后，快速响应模块可以实时获取采样电阻两端的采样电压r
cs
作为采样参数，并将环路积分控制模块的输出电压vr作为第一参考值，比较其与采样电阻r
cs
的采样电压v
cs
之间的大小，基于二者之间的对比结果驱动功率管q1的通断。
49.本实施例通过在传统的环路积分控制的led电路中增加快速响应模块，快速响应模块与环路积分控制模块以及采样电阻分别连接，其具有比环路积分控制模块更大的带宽，基于对采样电阻的采样参数的获取，快速响应模块可基于采样参数与第一参考值的实现对功率管的快速通断控制，从而起到对led电路的整体保护作用，提升电路的可靠性。
50.具体地，快速响应模块可以通过运算放大器amp1进行实现，运算放大器amp1的第一输入端与环路控制模块的输出端连接，用于接收环路控制模块输出的第一参考值，运算放大器amp1的第二输入端与采样电阻r
cs
的第一端连接，用于接收采样电阻r
cs
的采样参数，运算放大器amp1的输出端则与功率管q1的栅极连接。基于第一参考值与采样参数的对比结果，来实现对功率管q1通断的控制。需要注意的是，在进行电路连接时可以通过调整运算放大器amp1的两个输入端所输入的内容，来实现不同类型功率管q1的驱动，其具体的连接方式和实现功率管q1通断的原理在第一实施例中已经进行了详细的说明，在本实施例中不再赘述。
51.进一步地，在获取采样电阻的采样参数之后，还可以统计采样参数小于第二参考值时所持续的持续时间，在持续时间大于或等于预设时长的情况下，关断功率管q1，如图7所示。具体地，快速响应模块还可以包括计时单元和比较器comp1，在防止瞬时电流i
cs
过大的基础上，还增加了采样电阻r
cs
短路时的快速响应机制，参考图5的连接方式。具体地，比较器comp1的第一输入端与带隙基准模块的输出端连接，用于接收带隙基准模块输出的第二参考值，通常为带隙基准模块基于市电确定并输出的基准电压v
ref
，比较器comp1的第二输入端与采样电阻r
cs
的第一端连接，用于接收采样电阻r
cs
两端的采样电压v
cs
；计时器countor的输入端与比较器comp1的输出端串联，计时器countor的输出端与环路积分控制模块的输入端连接。
52.本实施例中，在采样电阻r
cs
短路时，其两端的采样电压v
cs
值趋近于0，此时比较器
comp1输入的采样电压v
cs
小于基准电压v
ref
，比较器comp1向计时器countor输出激活信号en；计时器countor在接收到激活信号en时开始统计持续时间，在持续时间超过预设时长的情况下，计时器countor向环路积分控制模块输出重置信号rest1；环路积分控制模块基于重置信号rest1，将其输出端输出的输出电压调整为0；在运算放大器amp1的正向输入端连接环路积分控制模块40，负向输入端连接采样电阻时，运算放大器amp1的正向输入vr为0，负向输入端为大于0的采样电压v
cs
，为了防止采样电阻r
cs
短路后瞬时电流i
cs
长时间过大造成电路的损坏，运算放大器amp1降低甚至关闭其输出端输出的电压v
gate
，功率管q1的栅极上施加的电压降低或不再施加电压，逐渐关断功率管q1的源漏极之间的通路，实现功率管断开，从而达到保护电路的目的。在使用p-mos管作为功率管时，将运算放大器amp1的两个输入端所输入的信号进行反接即可，即在vr小于v
cs
的情况下，运算放大器amp1输出高电平以关断p-mos管。
53.参照图5中电路的连接方式，比较器comp1的正向输入端(第一输入端)与带隙基准模块的输出端连接，负向输入端(第二输入端)与采样电阻r
cs
的第一端连接，带隙基准模块输出的基准电压v
ref
大于0v，并小于电路正常工作时v
cs
的峰值；当v
cs
大于v
ref
时，比较器comp1输出低电平，当v
cs
小于v
ref
时，说明采样电阻r
cs
短路，此时比较器comp1输出高电平作为激活信号en，计时器countor在接收到激活信号en时开始统计持续时间，并与内部设定的预设时长tth进行比较，其中，预设时长tth的值必须大于或等于桥后母线电压的一个周期t，为提高检测的可靠性，防止误触发led电路关断，可将tth设定为k倍的t，k为大于或等于1的实数；当持续时间超过预设时长tth之后，计时器countor输出rest1信号给环路积分控制模块，环路积分控制模块基于rest1信号进行重置，将其输出电压vr置为0，经过运算放大器amp1处理后，功率管q1被关断，直到系统断电且重新上电才能解除，从而达到r
cs
短路保护的目的，防止r
cs
短路后i
cs
电流长时间过大造成电路损坏。
54.在本实施例中，若按照图5中的连接方式，比较器comp1在输出高电平时计时器countor开始进行计时，在实际使用时，还可将比较器comp1的输出信号取反，即当v
cs
电压比v
ref
电压高时，比较器comp1的输出en为高电平，当v
cs
电压比v
ref
电压低时，比较器comp1的输出en为低电平，en在低电平时有效，其实际实现的原理在前文已经进行了详细的说明，在此不再进行赘述。另外，本实施例中使用计时器countor来实现计时功能，在实际使用时也可以选择其他可以实现计时功能的电路或元件，本实施例不进行限制。
55.以上实施例仅为本公开的示例性实施例，不用于限制本公开，本公开的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本公开的实质和保护范围内，对本公开做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本公开的保护范围内。