一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路.pdf

本发明涉及一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路，该电路包括隔离电路模块(1)，隔离电路模块输入端与电源(8)电连接，其输出端与MOS管驱动电路模块(2)和变换电路模块(3)电连接、PWM控制芯片(6)的Vin端子与电源(8)电连接，其Vout端子与MOS管驱动电路模块(2)和变换电路模块(3)电连接、变换电路模块(3)的输出端接LED灯组(9)、反馈电路模块(5)的一端连接变换电路模块(3)的输出和LED灯组(9)，另一端连接PWM控制芯片FB端子、在LED灯组(9)接地端与PWM控制芯片的SCP端子间还设置有保护电路模块(4)。本发明所述的驱动电路不仅能使LED发光恒定，而且具有短路保护功能，产品合格率高、成本较低。

1.  一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路，该电路包括隔离电路模块(1)，该隔离电路模块(1)输入端与电源(8)电连接，输出端与MOS管驱动电路模块(2)和变换电路模块(3)电连接、PWM控制芯片(6)Vin端子与电源(8)电连接，Vout端子与MOS管驱动电路模块(2)和变换电路模块(3)电连接、变换电路模块(3)的输出端接LED灯组(9)、电流采样电阻(7)串接在LED灯组上，反馈电路模块(5)的一端连接变换电路模块(3)的输出和LED灯组(9)，另一端连接PWM控制芯片(6)FB端子、在LED灯组(9)接地端与PWM控制芯片(6)SCP端子间还设置有保护电路模块(4)。

2.  根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：所述MOS管驱动电路模块(2)能输出一个足够开启或关闭MOS管栅、源极间电压差的电压。

3.  根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于：所述MOS管驱动电路模块(2)由MOS管Q3、电阻R2、NPN三极管Q1、二极管D3、电容C6、分压电阻R3、R4组成，其中PWM芯片6的输出端Vout经过分压电阻R4与R3、C6连接，二极管D3跨接在C6和R3之间，D3的负极连接至三极管Q1的基极，D2的正极连接至三极管Q1的发射极，电阻R2并联在三极管Q3的集电极和发射极之间，同时Q1的发射极连接至MOS管Q3的栅极，Q1的集电极连接至MOS管Q3的源极，MOS管Q3的漏极连接变换电路模块(3)。

4.  根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：所述保护电路模块(4)由电阻R10、R11、R12、R13、R14、R25、R26，NPN三极管Q4、Q5和MOS管Q2组成；将MOS管Q2串联在LED阵列串中，MOS管Q2的漏极连接LED灯组的负极，MOS管Q2是源极接地，Q2的栅极输出分别连接电阻R11至地和连接电阻R10至变换电路的输出端，同时Q2的栅极连接至NPN三极管Q4的集电极，Q4的发射极接地，基极连接电阻R13，再连接限流电阻R14至PWM 芯片的SCP脚；同时LED阵列的负极直接连接至R13、R14中间，LED阵列的正极引出连接分压电阻R12、R26，经过限流电阻R25连接三极管Q5的基极，Q5的发射极接地，集电极连接至MOS管Q2的栅极。

5.  根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：所述反馈电路模块(5)为电压反馈单环型，将采样电阻Rsns串联在LED阵列串内，利用流经LED阵列的电流也相同地流经采样电阻，通过测量采样电阻R7、R8、R9两端的电压，并将此电压差放大反馈至PWM控制芯片(6)的反馈端FB。

6.  根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：在LED阵列的供电回路中串联有一正温度系数的热敏电阻PTC(7)。

一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路
技术领域
本发明属于电照明领域，具体来说为一种LED驱动电路，尤其涉及一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路。
背景技术
在20世纪80年代中期，LED(Light Emitting Diodes，发光二极管)开始被用于汽车中央高位刹车灯(CHMSL，Central High Mounted Stop Lamp)，进入90年代，汽车仪表LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)面板背光照明普遍采用LED这种固态新光源，进入新世纪后，随LED功率和亮度的提升，除了汽车前照灯外，LED全面进入了汽车照明和信号系统中的应用。
LED具有响应速度快、低功耗、节能、寿命长等显著优点。由于LED的快速响应速度，特别适用于汽车制动灯及转向灯的应用，可减少汽车追尾等交通事故的发生概率。随着半导体材料和封装工艺的提高，LED光源的光通量和出光效率逐渐提高，LED光源已被广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域。LED驱动技术也随着LED应用技术的发展而逐步得到发展。
LED是一种随着通过LED电流值的变化而变化光通亮的发光源，因此如果需要LED发光恒定，则必须控制流经LED的电流值恒定。通常所采用的LED驱动恒流方法有线性调节式和开关调节式两种方法。线性调节式的核心技术是利用工作于线性区域的开关管作为一个动态可调电阻来控制负载，以保证在输入电压变化的情况下，开关管负荷不同的功耗，从而使流过LED负载的电流基本维持不变。但这种驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且损耗很大，效率很低，导致电路板的发热问题严重。而开关调节式是能量变换中效率较高的，理想状态下可以达到90％以上。这种驱动技术的核心是将快速通断的开关管置于输入与输出之间，通过调节通断比例(即占空比)来控制输出直流电压的平均值，该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。用LC滤波器将方波脉冲平滑成无纹波直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。整个开关电路采用负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压及负载变化的影响。目前，降压式(BUCK)、升压式(BOOST)、升降压式(BUCK-BOOST)的开关调节式电路被广泛应用于民用照明和汽车照明。
降压式(BUCK)电路，适用于输出电压低于输入电压的场合，虽然开关的栅极驱动不会成为较大的问题，但是难处在于驱动N-MOS管时，栅极电压至少要比输入电压高5V，或更有可能是高出10V。但如果需要产生比输入更高的电压，就需要选用P-MOS管，这样只要把栅极电平拉到地就可以开通了。但针对降压式电路的电路拓扑结构，一些没有MOS管驱动能力的PWM调制芯片无法驱动MOS管，如果仅简单地使用上拉电阻去控制P-MOS管的导通和截止，无法使MOS管达到完全的导通和截止状态，MOS管的开关非正常状况会影响整个LED驱动电路的正常工作。驱动栅极的一个通用方法是栅极驱动器，但专用的栅极驱动芯片价格相对较高。
另一方面，LED驱动模块运用于汽车车灯领域，在生产线或安装接线过程中经常发生短路、断路等情况，导致整个LED驱动模块的失效及损坏。
对于大功率LED的热学问题，由于LED的电流值会随温度变化而变化，当电流过高时，温度也随之增高，从而影响大功率LED的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路，该驱动电路包含有MOS管驱动电路，不仅能使LED发光恒定，而且具有短路保护功能，提高产品合格率，减低产品成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路，该电路包括隔离电路模块，隔离电路模块输入端与电源电连接，输出端与MOS管驱动电路模块和变换电路模块电连接、PWM控制芯片Vin端子与电源电连接，Vout端子与MOS管驱动电路模块和变换电路模块电连接、变换电路模块的输出端接LED灯组、反馈电路模块的一端连接变换电路模块的输出和LED灯组，另一端连接PWM控制芯片FB端子、在LED灯组接地端与PWM控制芯片SCP端子间还设置有保护电路模块。
根据本发明所述的驱动电路，较好的是所述MOS管驱动电路模块能输出一个足够开启或关闭MOS管栅、源极间电压差的电压。所述MOS管驱动电路模块由MOS管Q3、电阻R2、NPN三极管Q1、二极管D3、电容C6、分压电阻R3、R4组成，其中PWM芯片6的输出端Vout经过分压电阻R4与R3、C6连接，二极管D3跨接在C6和R3之间，D3的负极连接至三极管Q1的基极，D2的正极连接至三极管Q1的发射极，电阻R2并联在三极管Q3的集电极和发射极之间，同时Q1的发射极连接至MOS管Q3的栅极，Q1的集电极连接至MOS管Q3的源极，MOS管Q3的漏极连接变换电路模块。
根据本发明所述的驱动电路，较好的是所述保护电路模块由电阻R10、R11、R12、R13、R14、R25、R26，NPN三极管Q4、Q5和MOS管Q2组成；将MOS管Q2串联在LED阵列串中，MOS管Q2的漏极连接LED灯组的负极，Q2源极接地，Q2的栅极输出分别连接电阻R11至地和连接电阻R10至变换电路的输出端，同时Q2的栅极连接至NPN三极管Q4的集电极，Q4的发射极接地，基极连接电阻R13，再连接限流电阻R14至PWM芯片的SCP脚；同时LED阵列的负极直接连接至R13、R14中间，LED阵列的正极引出连接分压电阻R12、R26，经过限流电阻R25连接三极管Q5的基极，Q5的发射极接地，集电极连接至MOS管Q2的栅极。
根据本发明所述的驱动电路，较好的是所述反馈电路模块为电压反馈单环型，将采样电阻Rsns串联在LED阵列串内，利用流经LED阵列的电流也相同地流经采样电阻，通过测量采样电阻R7、R8、R9两端的电压，并将此电压差放大反馈至PWM控制芯片6的反馈端FB。
根据本发明所述的驱动电路，较好的是在LED阵列的供电回路中串联有一正温度系数的热敏电阻PTC。
本发明所述的汽车照明用降压式恒流LED驱动电路中MOS管驱动电路模块外接PWM芯片输出，利用倍压原理使PWM芯片的外置MOS管工作在完全导通截止状态而非半导通半截止状态。保护电路模块利用PWM芯片的SCP短路保护引脚功能(当SCP引脚被拉高至大于1V时，芯片自动停止工作，将输出关断，即Vout＝0。)：当负载LED阵列被短路，或者负载LED阵列的正负端被电源的正负端短路时，可实时关断PWM芯片，并利用晶体管的开关组合作用将电流流经LED的回路截断，保护整个LED驱动电路及负载LED。该保护电路一方面增加了开关式调节电路的MOS管驱动能力，在不使用MOS管专业驱动芯片的情况下降低了电路成本；另一方面，增加了整个LED驱动电路和负载LED的保护电路。在汽车应用领域，完全解决了汽车电子标准中要求的60秒短路试验的问题，同时也对生产过程中的误操作所引起的短路起到了保护作用，降低了生产中产生废品的几率，提高了产品合格率和生产效率。其三，所述LED驱动电路具有利用电压反馈单环实现恒流功能的反馈模块，该反馈模块无需使用电压反馈环和电流反馈环的双环PWM控制芯片，电压单环反馈芯片相较于电压电流双环反馈芯片具有较大的价格优势，大大降低了LED驱动电路的元器件成本。其四，该LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻PTC，能对电路实现过温保护：当温度升高，串联在主回路中PTC阻值急速增大，从而减小了输出至LED的电流。
附图说明
图1为本发明所述汽车照明用降压式恒流LED驱动电路的模块示意图；
附图2为本发明所述汽车照明用降压式恒流LED驱动电路的电路图。
附图中图标说明：
C1～C19为电容；R1～R26为电阻；D1为TVS管；D2、D3、D5为二极管、D4为肖特基管；Z1、Z2为稳压管；L1、L2为电感；Q1、Q4、Q5为NPN三极管、Q2为N-MOS管、Q3为P-MOS管；6为PWM控制芯片；U2A为运算放大器。
具体实施方式
以下，用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例
如附图1所示，一种汽车照明用降压式恒流LED驱动电路，包括有：隔离电路模块1、MOS管驱动电路模块2、变换电路模块3、PWM控制芯片6(采用的芯片型号为德州仪器TI公司的TL5001系列芯片)、反馈电路模块5和保护电路模块4组成；汽车用直流电源12V通过防反接二极管D2供电至隔离电路模块1，经过隔离电路模块1滤波后的信号输出至MOS管驱动电路，给MOS管Q3一个足够开启关闭的栅、源极电压差，同时PWM控制芯片6输出方波脉冲信号至MOS管Q3控制MOS管Q3的开闭，MOS管Q3的开闭占空比去控制变换电路的能量，变换电路将输入的12VDC降压转换成低于12V的电压输出给LED阵列组，LED阵列组上端串联有采样电阻Rsns(即附图2中的R7、R8、R9)，通过采样Rsns两端的压差，经过反馈电路模块5的运算放大器U2A，输出至PWM控制芯片6的反馈脚FB以控制PWM控制芯片6的输出Vout，间接调节了MOS管Q3的开闭占空比来达到控制变换电路的输出能量，从而达到输出恒定电流给LED阵列组的目的。
该LED驱动电路中，MOS管驱动电路模块2由MOS管Q3、电阻R2、NPN三极管Q1、二极管D3、电容C6、分压电阻R3、R4组成，如附图2所示；其中PWM芯片6的输出端Vout经过分压电阻R4与R3、C6连接，二极管D3跨接在C6和R3之间，D3的负极连接至三极管Q1的基极，D2的正极连接至三极管Q1的发射极，电阻R2并联在三极管Q3的集电极和发射极之间，同时Q1的发射极连接至MOS管Q3的栅极，Q1的集电极连接至MOS管Q3的源极，MOS管Q3的漏极连接变换电路模块3。
该LED驱动电路中，采样电路参见附图2，将采样电阻R7、R8、R9串联在LED阵列组串路中，将采样电阻两端的电压差采集出来输出至运算放大器U2A的正、负输入端。
该LED驱动电路中，保护电路模块4由电阻R10、R11、R12、R13、R14、R25、R26，NPN三极管Q4、Q5和MOS管Q2组成；将MOS管Q2串联在LED阵列串中，MOS管Q2的漏极连接LED灯组的负极，Q2源极接地，Q2的栅极输出分别连接电阻R11至地和连接电阻R10至变换电路的输出端，同时Q2的栅极连接至NPN三极管Q4的集电极，Q4的发射极接地，基极连接一电阻R13，再连接限流电阻R14至PWM芯片的SCP脚；同时LED阵列的负极直接连接至R13、R14中间，LED阵列的正极引出连接分压电阻R12、R26，经过限流电阻R25连接三极管Q5的基极，Q5的发射极接地，集电极连接至MOS管Q2的栅极。
该LED驱动电路中，过温保护电路4仅由一个正温度系数的热敏电阻PTC7完成功能。将PTC串联在变换电路模块3与LED阵列之间，当温度升高时，通过PTC的阻值增大对LED的电流进行限流。
一种汽车照明用降压式恒流LED的驱动方法为：汽车用直流电源12V通过防反接二极管D2供电至隔离电路模块1，经过隔离电路模块1滤波后的信号输出至MOS管驱动电路，给MOS管Q3一个足够开启关闭的栅、源极电压差，同时PWM控制芯片6输出方波脉冲信号至MOS管Q3控制MOS管Q3的开闭，MOS管Q3的开闭占空比去控制变换电路的能量，变换电路将输入的12VDC降压转换成低于12V的电压输出给LED阵列组，LED阵列组上端串联有采样电阻Rsns(即附图2中的R7、R8、R9)，通过采样Rsns两端的电压差，即将流经LED阵列(即流经采样电阻Rsns)的电流值与采样电阻Rsns的乘积电压值通过运算放大器U2A与PWM控制芯片6内部的一固定参考电压值比较，反馈给PWM控制芯片6，通过6内部的逻辑以控制PWM控制芯片6的输出Vout脚的输出占空比，间接调节了MOS管Q3的开闭占空比来达到控制变换电路的输出能量，从而达到输出恒定电流给LED阵列组的目的。另外，利用PWM芯片6的内部短路保护脚SCP的功能，设计了LED负载保护电路4，当LED短路、LED正极误接电源8正负极、LED负极误接电源8正极的情况下，能关断PWM控制芯片6从而将输入电流降低至很小的一个值，并利用晶体管的开关组合作用将电流流经LED的回路截断，从而对整个电路进行保护。
该驱动方法的电路具有MOS管驱动能力。首先汽车用直流电源12V通过防反接二极管D2供电至隔离电路模块1，经过隔离电路模块1的LC滤波后输出信号至MOS管驱动电路模块2，该MOS管驱动电路的方法是(见附图2)：当PWM控制芯片6输出的方波脉冲为低电平时，则该低电平经R4、R3分压后到MOS管Q3的栅极G仍为很低的电平，而MOS管Q3的源极S接隔离电路模块1输出的高电平，由于G极和S极的电压差足够大，超过了5V，所以MOS管Q3此时达到了完全导通的状态。而此时由于MOS管Q3导通，电流经由二极管D3流至三极管Q1基极，则三极管Q1由于压差不够不能导通，即三极管Q1此时处于截止状态。当PWM控制芯片6输出的方波脉冲为高电平时，Q3源极电流经过R2、R3流至充电电容C6正极，此时充电电容C6正极电压设为V1；又因为二极管D3单向续流的工作，充电电容C6的负极电压原设为Vcc，则由于充电电容C6两端的电压不能突变，使其负极的电压自举上升到(V1+Vcc)，则三极管Q1迅速导通使MOS管Q3的栅极G电平与源极S电平相等，则MOS管Q3达到迅速截止关断，即使无驱动能力的PWM控制芯片6快速驱动MOS管Q3的导通与截止。
另外，针对降压型电路，利用PWM芯片的SCP短路保护引脚功能(当SCP引脚被拉高至大于1V时，芯片自动停止工作，将输出关断，即Vout＝0。)，设计一种可靠有效的保护电路4：当负载LED阵列被短路，或者负载LED阵列的正负端被电源8的正负端短路时，可实时关断PWM芯片，同时利用MOS管Q2切断电流流经LED的回路，保护整个LED驱动电路及负载LED。当负载LED阵列正、负极短路时，流过采样电阻R7、R8、R9的电流很大，MOS管Q2漏极端的电压非常大，输出至SCP引脚将其电平拉高，由于SCP脚被拉高，PWM控制芯片6根据自身内部逻辑将芯片关断，使输出脚Vout为零；另一方面，MOS管Q4的漏极由于LED的短路而被拉高为高电平，三极管Q4基极为高电平而导通拉至地，MOS管Q2栅极接地，此时Q2的V_GS压差不能达到MOS管的导通要求，Q2截止断开电流流经LED的回路，从而保护了整个LED驱动电路及负载LED。当负载LED阵列正极接电源8负极时，类似上述LED负载短路的情况，同上述方法一样对电路及负载进行保护。当负载LED阵列正极接电池电源8正极时，电源正极的高电压经过电阻R12、R26的分压后，经过三极管Q5的基极限流电阻R25后使三极管Q5导通接地，从而导致MOS管Q2的栅极电平为低，Q2的栅源极电压差Vgs＜2V，不足以导通Q2，Q2截止，断开电流流经LED的回路，从而保护了整个LED驱动电路及负载LED。当负载LED阵列负极接电源8正极时，高电平直接被拉至PWM控制芯片6的SCP引脚，由于SCP引脚被拉高，芯片6实施保护功能将输出关断；同时MOS管Q2的漏、源极被拉高至电源8电压12V，则三极管Q4的基极为高电平，Q3导通接地，从而使MOS管Q2的栅极电平为低，此时MOS管Q2的栅、源极压差V_GS不能达到MOS管的导通要求，MOS管Q2截止断开电流流经LED的回路，从而保护了整个LED驱动电路及负载LED。当负载LED阵列负极接电源负极时，由于电路正常工作情况下，MOS管Q2一直处于导通状态，所以LED阵列的负极(即MOS管Q2的漏极端)也一直被拉低至地电平，所以LED阵列负极接电源负极也不会对驱动电路和LED负载有任何影响和损坏。
本发明所述电路运用的脉宽调制PWM芯片为价格相对便宜的电压反馈单环芯片，在缺少电流反馈环的情况下，创新地将采样电阻Rsns串联在LED阵列串内，利用流经LED阵列的电流也相同地流经采样电阻，通过测量采样电阻R7、R8、R9两端的电压，并将此电压差放大反馈至PWM控制芯片6的反馈端FB，用此电压差与芯片内部的自参考电压进行比较，来控制PWM芯片6的输出占空比从而达到恒定输出电流(即流经LED上的电流)的目的。
而且，通过将正温度系数的热敏电阻PTC7串联在LED阵列的供电回路中，由于PTC具有随温度升高而增大阻值的特性，当环境温度过高导致PTC阻值增大时，LED阵列的供电回路中的电流也相应减小。温度越高，PTC阻值越大，主回路内电流也相应减小，从而实现了过温保护功能。