CN101370335A - Led照明驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子技术领域，是一种LED照明驱动电路，包括一个适合于直接接入市电的二极管整流桥，一个滤波电容，一个脉宽调制开关芯片，一个储能电感，一个高反压快恢复二极管，一个电流采样电阻，一个反馈电路，一个脉宽调制开关芯片供电电路，和串联的发光二极管阵列，输入交流电经二极管整流桥及滤波电容转换成直流电，脉宽调制开关芯片产生开关脉冲，经储能电感升压后通过高反压快恢复二极管直接驱动串联的发光二极管阵列，由电流采样电阻采集的负载电流信息经反馈电路控制脉宽调制开关芯片的脉冲宽度。本发明可以驱动数百以至数千个小功率LED灯珠，且效率可以达到95％以上的，可直接使用市电交流电源。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种驱动电路，具体的说是一种LED照明驱动电路。
背景技术
LED照明以其高效节能，环保无污染、视觉效果好、长寿命、无频闪等诸多优点正在逐步取代大多传统照明方式成为照明技术发展的主流。一般的LED灯具都是将很多LED灯珠集中在一起，做成与传统灯具相近的式样，如LED日光灯、LED吸顶灯、LED射灯之类。然而在LED照明的技术领域，还存在许多问题阻碍了LED照明的普及应用，这些问题包括发热引起LED发光效率降低，驱动电路转换效率低、可靠性低，如散热问题及转换效率问题。
散热问题：大多数LED灯具将成百上千个LED小灯珠集中在一个小范围，虽然LED的发热量要比其它照明灯具小，但是因为半导体器件耐高温性能差，几十度的温升对于传统灯具不成问题，而对LED器件却足以使其发光效率很快降低。现在市场上大多数的LED灯具由于其发光效率降低很快，根本不能体现LED长寿命的优点，很多甚至比一般的传统灯具寿命还短。
转换效率问题：LED照明系统可以有许多不同的电源驱动，有交流市电、低压交流电，汽车蓄电池、太阳能电池等。一般室内照明方式均采用交流市电供电。LED作为发光的二极管，其电气特性与二极管一致，它的非线性使得通过LED的电流对正向电压非常敏感，微小的电压增量就可能引起电流的急剧上升，一般来说通过控制电压的方法是不可取的，需要采用恒流驱动，特别是需要考虑电源电压波动的情况下。
采用交流市电供电的LED驱动电路最简单的方案莫过于电容降压整流的电路了，但是这种电路开启时的冲击电流会损坏所有的LED，事实证明是不可行的方案。
还有就是整流后用电阻限流的方案，这种方案不仅电流控制能力很差，而且大量的电能消耗在电阻上，效率低且发热量大，虽可点亮LED，不可实用。
以上两种方式虽也有人申请了专利，但技术极为原始，思路简单，既无新颖性，更无实用性。要实现LED的发光驱动，至少要保证其电流的稳定而不受某些因素的影响，如电源电压波动，温度变化及LED自身的温升，LED正向压降的差异等，现有的LED驱动器无非是以下的集中方式：降压稳压(稳流)方式，高压整流线性恒流源方式，高压开关电源方式。
申请号为200710049183.6的专利申请公开了一种降压后线性稳压的方案，该方案采用开关电源产生几十伏的直流电压，然后用一个三端稳压器实现。采用降压方式供电时，其电能经过降压、稳压、恒流多次转换后各个环节均消耗很多电能，转换效率比较低，一般只适用于需重点考虑安全性要求低压供电的场合，或者需要与其它低压直流电源替换使用的场合。
直接使用交流市电整流的高压直流实现恒流驱动的方案见于申请号为200610017796.7，公开号为CN101076213A的发明专利，以及专利号为200420040554.6、200420067198.7的实用新型专利。此类电路结构原理非常简单，也可以实现恒流驱动的目的，对于电源电压波动很小的供电电源，也可以做到一定的效率，但是如果想要适应一定的电压范围，其效率就会大大降低。
更为合理的设计是根据成熟的交流/直流开关电源方案修正来实现的。申请号为200720118233.7，(大功率LED驱动电路)的实用新型专利就是这样一种电路，实际上很多开关电源集成电路生产厂家都公布了相应的电路，如附图1就是一例。这一类电路有如下三个问题：第一是开关电源本身的效率就不是很高，一般较好的开关电源方案的效率也就是80％左右。第二这种方案还是采用稳压的控制方式方式来稳定电流，所以电流稳定的效果不是太好。第三就是这种电路可驱动的LED数量较少，通常只能达到数十个。
一个应用于普通照明的LED驱动电路应符合以下的要求：
直接接入：当今照明的电源绝大多数都是使用市电交流电，为此而设计的灯具就应该不经过任何变压或变频就可以直接使用标准的交流电源；
恒流驱动：LED发光与驱动电流相关，而LED的电流与电压呈非线性关系，只有控制电流才能控制LED的发光性能；
高效率：驱动器应该将尽可能多的能量用于LED的驱动，而不是自身消耗太多的能量，这样才能发挥LED照明高效节能的优势；
驱动能力强：与应用于其他领域的LED不同，用于照明的LED必须通过适当的组合以得到较大的功率，因而要求其驱动器能够提供足够的驱动能力，特别是对于小功率LED驱动而言，驱动数百以至数千个LED也是必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种符合以上LED照明要求的，可以驱动数百以至数千个小功率LED灯珠，且效率可以达到95％以上的，直接使用市电交流电源的LED照明驱动电路。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：LED照明驱动电路，包括一个适合于直接接入市电的二极管整流桥，一个滤波电容，一个脉宽调制开关芯片，一个储能电感，一个高反压快恢复二极管，一个电流采样电阻，一个反馈电路，一个脉宽调制(PWM)开关芯片供电电路，和串联的发光二极管阵列，输入交流电经二极管整流桥及滤波电容转换成直流电，脉宽调制开关芯片产生开关脉冲，经储能电感升压后通过高反压快恢复二极管直接驱动串联的发光二极管阵列，由电流采样电阻采集的负载电流信息经反馈电路控制脉宽调制开关芯片的脉冲宽度。
反馈电路为一个反相放大器，反相放大器是三极管、光偶或运算放大器。储能电感与脉宽调制开关芯片的供电电路共用一个小型变压器，所述变压器的初级作为储能电感，次级耦合出少量的高频电能经整流后供给脉宽调制开关芯片。脉宽调制开关芯片的供电电流也可以从串联发光二极管阵列中的与脉宽调制开关芯片工作电压范围一致的节点引出。在一路恒流驱动的电流采样信号上附加另外一路以上的由一个三极管和一个反馈电阻组成的电流反馈恒流驱动器，使得每一路附加的驱动器都可以获得与完整驱动电路相同的驱动能力。
串联发光二极管阵列中，串联发光二极管的数目N符合以下式：
(市电电压最大值×1.4÷平均单个二极管正向压降)≤N≤(市电电压最小值×4÷平均单个二极管正向压降)。
即串联LED的最小数目应满足：所有串联LED的总额定电压应大于输入电源整流后直流电平的最大值。例如：设计允许输入交流电压最大值为265VAC，则整流后最大直流电平为265×1.414＝375VDC；平均单个LED额定电压为3.3V，则串联LED的最小数目为114个。可串联的LED个数的最大数目理论上没有确切的限制，但实践中要受到诸多电路元件参数的限制，主要包括：整流二极管的耐压、滤波电容的耐压、储能电感的Q值、以及开关电路的耐压、导通电阻、上升下降时间、开关频率、最大导通电流等。如果各项器件的耐压指标满足的情况下，通过实验和经验估算可得到一个串联LED最大数目的经验公式：所有串联LED的总额定电压应不大于输入交流电压最小值的4倍。例如：输入最小电压为165VAC，平均单个LED额定电压为3.3V，则串联LED的最大数目为200个。
本发明区别于其它驱动电路的一个显著的特征在于没有使用高频变压器作为能量传输器件，而是直接将电感电流关断时所产生的反向电动势经二极管整流来驱动LED。所以LED串联回路与电网是非隔离的。
本发明区别于其它驱动电路的另一个显著的特征在于直接利用串联在LED回路中的电流传感器采集LED串联回路的电流值转换成PWM的控制信号，从而更为准确地控制LED的驱动电流，而不是像其它驱动电路通过控制电压的稳定性来实现LED驱动电流的恒定。
本发明的优点是：本发明所提供的LED驱动电路可以用于驱动数瓦直到数百瓦的LED照明系统，无论是使用小功率LED组合还是大功率LED组合，这些LED照明系统包括但不限于：LED路灯、隧道灯、景观灯、射灯、吸顶灯等等，可以有效地提高整个照明系统的效率。
本发明还有以下优点：(1)转换效率高，本发明的各实施例所提供的驱动装置，经测试其转换效率均可达到95％以上，比其它驱动电路方案提高20％以上。(2)驱动能力强，单个驱动装置就可以驱动114个到200个不同功率的LED，最大驱动能力可达数百瓦。利用本发明所提供的扩展输出，也可以驱动2000个以上的小功率LED阵列。可以满足当前绝大多数LED照明应用需求。(3)控制精度高，照明LED驱动的关键在于电流恒定，本发明直接采集LED回路电流信号实现脉宽调制，对于输入电压、温度等环境的波动均可以自动适应。
附图说明
图1现有的一种LED驱动电路电路图。
图2是本发明的原理框图。
图3是本发明实施例一的电路图。
图4是本发明实施例二的电路图。
图5是本发明实施例三的电路图。
具体实施方式
本发明的原理如图2所示，LED照明驱动电路，包括一个适合于直接接入市电的二极管整流桥，一个滤波电容，一个脉宽调制开关芯片，一个储能电感，一个高反压快恢复二极管，一个电流采样电阻，一个反馈电路，一个脉宽调制开关芯片供电电路，和串联的发光二极管阵列，输入交流电经二极管整流桥及滤波电容转换成直流电，脉宽调制开关芯片产生开关脉冲，经储能电感升压后通过高反压快恢复二极管直接驱动串联的发光二极管阵列，由电流采样电阻采集的负载电流信息经反馈电路控制脉宽调制开关芯片的脉冲宽度。输入交流电经整流桥及滤波电容转换成直流电，脉宽调制开关电路产生数十到数百KHz的开关脉冲，当开关导通时，储能电感由于电流增加而储存电能，储能的时间由电流检测及反馈控制电路所控制；当开关关断时，由于流过储能电感的电流瞬间减小，储能电感将产生一个反向电动势，使其与开关连接点的电压瞬间升高到超过LED阵列的导通电压，高频整流电路导通，使得LED被点亮，同时向滤波电容充电。流过LED的电流被电流检测及反馈控制电路检测并根据PWM开关电路的控制要求形成反馈控制信号控制PWM开关电路的开关脉冲宽度以调节LED电流的大小。PWM开关电路的电源由供电电路提供。
实施例一
附图3是一种小功率的驱动电路，其标示的器件参数适合于驱动140到180个额定电流为20mA的串联小功率LED。
整流桥DB1和电容C1对交流市电整流滤波产生直流电平，PWM开关电路U1选用FSDM07652开关电源芯片，其开关频率为66KHz，L1是储能电感，主要功能如前所述的储能，但在本实施例中另外附加了一个次级线圈耦合出部分电能经整流后向PWM开关芯片供电。肖特基二极管DA4与高压电容C4组成高频整流与滤波电路，当开关电路关断时，储能电感所产生的反向电动势使得DA4导通向LED回路供电，同时向C4充电，DA4关断后C4继续向LED回路供电。FSDM07652开关电源芯片的FB端为脉宽调制的控制端，在其有效范围内控制端电压越高，开关脉冲宽度越宽，由此要求控制端信号与LED电流信号反相。T1、R2、R3共同组成了电流检测与反馈控制电路，电阻R3串联在LED回路中，其电压与LED回路电流成正比，该电压经T1反相作为PWM控制信号。
如果需要改变驱动电流，只需要改变电流检测电阻R3的阻值即可，如果要求变化较大，还需要相应改变R2和L1。
实施例二
附图4是另一种方式的驱动电路，其标示的器件参数适合于驱动100到160个额定电压为3.8V、额定电流为350mA的大功率LED串联回路。
如附图4，PWM开关芯片U1选用TOP227Y，工作频率为100KHz，该芯片的一个显著的特点是工作时芯片的供电和脉宽控制均由控制端C端口实现，且控制信号要求与LED回路电流同相，如此可以大大简化电路。TOP227的工作电压Vc为5.7V，工作电流约4mA，当Vc升高时，开关脉冲宽度减小，使得输出驱动电流减小。为此电流采样电阻在LED回路中产生约6.4V的电压，经二极管DA2向U1供电，同时控制开关脉宽。
本实施例的优点是电压适应范围大，电路简单，驱动能力强，但是由于控制端要求电压较高，电流检测电阻消耗的功率较大，将带来额外约1％的损耗。要减少这一损耗，可以用一个LED和一个电阻串联代替R9，虽然会降低一些控制精度，但是对于照明控制已经足够了。
实施例三
附图5是一种带有扩展的驱动电路，其标示的器件参数适合于驱动12路114到180个额定电压为3.3V、额定电流为20mA的小功率LED串联回路。总的LED数量可超过2000个。
如图5所示，如果去掉T1～T11及其相关回路，其电路结构与实施例2完全相同。
T1～T11及其相关回路组成了11路扩展驱动回路，每一个扩展都可以获得与第一路完全相同的驱动能力，只要第一路的电流是恒定的，则其它扩展回路的电流也是恒定的。
各路串联LED的总额定电压差应该控制在5V的范围内，这对于采用同一个技术成熟的厂家的LED产品是不难做到的。
选用开关电流更大的PWM开关芯片，还可以获得更多的扩展端口。
本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (6)
1.LED照明驱动电路，其特征在于：包括一个适合于直接接入市电的二极管整流桥，一个滤波电容，一个脉宽调制开关芯片，一个储能电感，一个高反压快恢复二极管，一个电流采样电阻，一个反馈电路，一个脉宽调制开关芯片供电电路，和串联的发光二极管阵列，输入交流电经二极管整流桥及滤波电容转换成直流电，脉宽调制开关芯片产生开关脉冲，经储能电感升压后通过高反压快恢复二极管直接驱动串联的发光二极管阵列，由电流采样电阻采集的负载电流信息经反馈电路控制脉宽调制开关芯片的脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的LED照明驱动电路，其特征在于：所述串联的发光二极管阵列中，串联发光二极管的数目N符合以下式：(市电电压最大值×1.4÷平均单个二极管正向压降)≤N≤(市电电压最小值×4÷平均单个二极管正向压降)。
3.如权利要求1所述的LED照明驱动电路，其特征在于：所述反馈电路为一个反相放大器，反相放大器是三极管、光偶或运算放大器。
4.如权利要求1所述的LED照明驱动电路，其特征在于：所述储能电感与脉宽调制开关芯片的供电电路共用一个小型变压器，所述变压器的初级作为储能电感，次级耦合出少量的高频电能经整流后供给脉宽调制开关芯片。
5.如权利要求1所述的LED照明驱动电路，其特征在于：所述脉宽调制开关芯片的供电电流从串联发光二极管阵列中的与脉宽调制开关芯片工作电压范围一致的节点引出。
6.如权利要求1～5任一处权利要求所述的LED照明驱动电路，其特征在于：在一路电流采样信号上接有至少一路由一个三极管和一个反馈电阻组成的电流反馈恒流驱动器。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090218 |