CN101389168B - 高压大功率led恒流驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种高压大功率LED恒流驱动装置，可以驱动LED串，包括开关管，采样电阻Rcs与电感L，尤其是，还包括一个低压控制电路，采集所述采样电阻Rcs上的电压降，从而产生一个控制信号送往所述开关管的控制端；所述采样电阻Rcs与电感L相串联，并串联在所述开关管的输出端与该电流驱动装置的电流输出端之间；所述开关管的输入端连接直流电压源；还包括一个稳压二极管，阴极连接所述开关管的输出端，阳极接地。采用本发明，具有高压大功率应用下恒流效果好、驱动电路设计简单、装置成本低的优点。

Description

高压大功率LED恒流驱动装置
技术领域  本发明涉及电源功率技术，尤其涉及直流和直流之间的变换设备，具体地说，涉及直流降压型LED电流驱动装置。
背景技术  在特定场合有必要使用恒流源来驱动负载，尤其是半导体照明光源应用场合。以照明元件领域近年来发展极快的高亮度白光LED(发光二极管)为例，LED灯比传统的照明灯具有节能、长寿、环保、小体积及高可靠性等几大优点，从而在照明、背光、显示等领域得到广泛应用。要充分发挥白光LED的上述各种优点，采用恒流源驱动，使LED上流过的电流不受供电压变化、环境温度变化，以及LED参数离散性的影响，是最佳驱动方式。
而在电功率系统中，电能通常以电压源的方式出现，因此需要如图1所示用一个驱动电路(电压/电流转换电路)将电压VIN转化为电流，再提供给负载，以驱动LED为例。当输出端电压，即在LED灯串上的正向压降VLED，低于电压源电压时，需要采用降压型驱动电路。目前，降压型驱动电路主要有下列三种：
第一种，采用传统的DC-DC降压技术，如图2所示的曾公开于《功率电子基础》(“Fundamentals of Power Electronics”，2001年由Kluwer学院出版社再版)的方案。串接在输入和输出端之间的开关管采用PMOS，在该开关管的输出端和LED之间串接一个电感L，在LED与地之间串接一个采样电阻Rcs，在该LED与采样电阻Rcs的串联支路上并联一个电容C；从而输出电流的变化通过所述采样电阻Rcs上的压降变化反馈倒开关管驱动电路，产生相应的控制信号送往所述PMOS管的栅极(控制极)，通过控制PMOS管的导通或截止来维持输出电流的微小波动，实现恒流输出。该电路的缺点是所述开关管驱动电路复杂、PMOS管导通电阻大、效率低。另外，开关管驱动电路的耐压必须大于输入电压VIN，在高输入电压的应用场合，开关管驱动电路的成本将大为提高。
第二种，采用NMOS开关管来提高效率，如图3所示，为Zetex半导体公司在ZXLD1350(350mA LED的驱动芯片)的产品说明书上所公开的电路。该电路依次将电压源VIN、采样电阻Rcs、电感L、LED串及所述NMOS管串接起来，在所述采样电阻Rcs、电感L和LED串的串接支路上并联稳压二极管D，使用一个带迟滞误差比较器的开关控制电路，将所述采样电阻Rcs上的压降与一个基准电压VREF进行比较，从而产生相应的控制信号送往所述NMOS管的控制极来实现恒流控制。该电路检测电流用的是电感、同时也是LED上的电流，由于电感电流的非突变特性，电流检测十分精确，因此，恒流效果好。该电路的不足之处在于，由于电流的检测在高压端进行，电流检测电路的耐压必须大于VIN，在高输入电压的应用场合，驱动电路的成本较高。
第三种，在图3所示方案的基础之上，如图4所示，为Supertex公司在HV9910(高亮度LED驱动装置)的产品说明书上所公开的电路。该电路将串接回路中的采样电阻Rcs位置移到NMOS开关管与地之间，换用一个低压控制电路来取代所述开关控制电路，从而驱动高压开关，达到降低成本的目的。该低压控制电路包括一个误差比较器，接收来自所述采样电阻Rcs的压降信号，通过一个控制电路来产生送往NMOS管控制极的控制信号。该电路的不足之处在于，它只能检测NMOS管在导通状态期间的电流，且由于NMOS寄生电容CGS充放电的影响，使得恒流效果较差。
发明内容  本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种LED恒流驱动装置，在高压大功率的应用场合下保持较好恒流效果，并简化驱动电路的设计。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种高压大功率LED恒流驱动装置，包括开关管，采样电阻Rcs与电感L，尤其是，还包括一个低压控制电路，该低压控制电路通过与所述采样电阻Rcs电连接的比较器来采集该采样电阻Rcs上的电压降，由该低压控制电路输出一个控制信号送往所述开关管的控制端；所述采样电阻Rcs与电感L相串联的串联电路被串联在所述开关管的输出端与该电流驱动装置的电流输出端之间；所述开关管的输入端连接直流电压源；还包括一个稳压二极管D3，阴极连接所述开关管的输出端，阳极接地。
上述方案中，在该恒流驱动装置的电流输出端与地之间串接有由多个LED组成的LED串。
上述方案中，所述开关管为一个NMOS管，所述开关管的输出端为该NMOS管的源极，输入端为该NMOS管的漏极。
上述方案中，所述低压控制电路包括一个带迟滞的比较器，该比较器的反相输入端接所述采样电阻Rcs靠近开关管输出端的一端，同相输入端接一个基准电压源VREF的正极，该基准电压源VREF的负极接所述采样电阻Rcs的另一端；由该比较器输出所述送往开关管控制端的控制信号。
上述方案中，所述低压控制电路的供电源来自于所述直流电压源，具体是，在所述直流电压源与所述开关管的输出端之间依次串接一个二极管D1、电阻R和稳压二极管D2，该二极管D1的阴极和稳压二极管D2的阴极与所述电阻相连接；一个晶体管的基极连接所述稳压二极管D2的阴极，集电极连接所述二极管D1的阴极，发射极经过一个电容C电连接所述稳压二极管D2的阳极；所述稳压二极管D2的阳极还连接所述稳压二极管D3的阴极；从而，所述电容C利用充放电循环来提供送往该低压控制电路的所述供电源。
采用上述技术方案，均可以降低驱动装置的成本。
附图说明  图1是现有电流驱动电路原理框图
图2是现有驱动电路实施例之一的电原理图
图3是现有驱动电路实施例之二的电原理图
图4是现有驱动电路实施例之三的电原理图
图5是本发明恒流驱动装置的电原理图
图6是图5装置的输出电流示意图
具体实施方式  下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
如图5的电原理图所示，本发明恒流驱动装置包括一个输入端连接直流电压源VIN的开关管；采样电阻Rcs与电感L相串联，并串联在所述开关管的输出端与该电流驱动装置的电流输出端P之间(该采样电阻Rcs和电感L在回路中的先后串联次序可以不作限制，为说明简单起见，本实施例中假定采样电阻Rcs在先)；稳压二极管D3的阴极连接所述开关管的输出端，阳极接地。本发明恒流驱动装置还包括一个低压控制电路，采集所述采样电阻Rcs上的电压降，从而产生一个控制信号送往所述开关管的控制端。所述直流电压源可以是由交流市电经整流和滤波获得。该直流电压源可以来自外置电源模块，通过接插连接端子提供给本发明装置。
在本发明装置的最佳实施例中，所述低压控制电路包括一个带迟滞的比较器，该比较器的反相输入端接所述采样电阻Rcs靠近开关管输出端的一端，同相输入端接一个基准电压源VREF的正极，该基准电压源VREF的负极接所述采样电阻Rcs的另一端。由该比较器输出所述送往开关管控制端的控制信号。该控制电路也可以采用其它形式，包括类似图4的低压开关控制电路，但因其属于现有技术且结构较为复杂，此处不再穷举。
所述开关管采用如但不限于图示的NMOS管，但为了提高驱动装置的转换效率，最好采用具有低导通电阻的NMOS管。所述开关管的输出端为该NMOS管的源极，输入端为该NMOS管的漏极。
以LED负载为例，将包括多个串接LED的LED串串接在所述电流输出端P与地之间，对本发明装置的工作原理解释如下：在开关管的导通状态，输入电压VIN经由NMOS管、电阻Rcs、电感L和LED串一起组成的充电回路对电感L充电，若忽略NMOS管和电阻Rcs上的电压降，电感L上的电压为VIN-VLED，则电感电流的上升斜率为(VIN-VLED)/L，当该电流上升到VREF/Rcs时，所述带迟滞的比较器输出低电平，使所述NMOS开关管进入关断状态。在开关管的关断状态，所述电感L通过由电感L、LED串、稳压二极管D3和采样电阻Rcs组成的放电环路放电，若忽略电阻Rcs和二极管D3上的电压降，所述电感L上的电压为-VLED，则电感电流的下降斜率为VLED/L，当该电流下降到(VREF-ΔVREF)/Rcs时，其中ΔVREF为所述带迟滞的比较器的迟滞电压，该比较器输出高电平，使所述NMOS开关管进入导通状态。上述导通-关断的过程不断重复，从而达到给负载供直流电的功能。
图6示意了上述重复过程中所述电感L上的电流，也就是本发明装置输出电流的波形。该波形为锯齿波，电流的最大值为VREF/Rcs，最小值为(VREF-ΔVREF)/Rcs，故平均值为VREF/Rcs-ΔVREF/2Rcs，波动范围为ΔVREF/Rcs。所以本发明装置输出的平均电流与VREF、Rcs和ΔVREF有关，与输入电压VIN无关；电流波动范围主要决定于ΔVREF/Rcs；从而本发明装置可以根据负载的情况，通过Rcs和ΔVREF等参数来设定电流的大小，并尽可能减少电流的纹波，实现恒流驱动。
在本发明装置中，所述低压控制电路的供电源可以类似采用图4的形式，由一个稳压二极管通过电阻从直流电压源VIN取得。图5则给出了该供电源的最佳实施例：在直流电压源VIN与所述开关管的输出端之间依次串接一个二极管D1、电阻R和稳压二极管D2，该二极管D1的阴极和稳压二极管D2的阴极与所述电阻相连接；晶体管T(包括但不限于三极管)的基极连接所述稳压二极管D2的阴极，集电极连接所述二极管D1的阴极，发射极经过一个电容C电连接所述稳压二极管D2的阳极；所述稳压二极管D2的阳极还连接所述稳压二极管D3的阴极。这样，在所述开关管的关断期间，若忽略稳压二极管D3的正向压降，所述稳压二极管D2的阳极(即图示V1点)处电压为零，直流电压源VIN将通过二极管D1、晶体管T对电容C充电，该电容C上的压降(也就是VC点处的电压)为VD2-VBE(其中VD2为稳压二极管D2上的稳压降，VBE为晶体管的BE结导通压降)。所述电阻R起到限流作用。在所述开关管的导通期间，若忽略开关管上的压降，所述V1点电压为VIN，故VC点的瞬间电压为VIN+VD2-VBE，使得所述二极管D1反向截止，电容C向所述低压控制电路放电。这样，由所述VC点向所述低压控制电路供电，可以使本发明装置的低压控制电路适应更广的VIN输入范围，使供电源更稳定，耗电更小。

Claims (8)

1.一种高压大功率LED恒流驱动装置，包括开关管，采样电阻Rcs与电感L，其特征在于，还包括一个低压控制电路，该低压控制电路通过与所述采样电阻Rcs电连接的比较器来采集该采样电阻Rcs上的电压降，由该低压控制电路输出一个控制信号送往所述开关管的控制端；所述采样电阻Rcs与电感L相串联的串联电路被串联在所述开关管的输出端与该恒流驱动装置的电流输出端之间；所述开关管的输入端连接直流电压源；还包括一个稳压二极管D3，阴极连接所述开关管的输出端，阳极接地。
2.根据权利要求1所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
在该恒流驱动装置的电流输出端与地之间串接有由多个LED组成的LED串。
3.根据权利要求1所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
所述直流电压源来自外置电源模块，通过接插连接端子提供给该恒流驱动装置。
4.根据权利要求1所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
所述开关管为一个NMOS管，所述开关管的输出端为该NMOS管的源极，输入端为该NMOS管的漏极。
5.根据权利要求1所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
所述低压控制电路包括一个带迟滞的比较器，该比较器的反相输入端接所述采样电阻Rcs靠近开关管输出端的一端，同相输入端接一个基准电压源VREF的正极，该基准电压源VREF的负极接所述采样电阻Rcs的另一端；由该比较器输出所述送往开关管控制端的控制信号。
6.根据权利要求5所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
所述低压控制电路的供电源来自于所述直流电压源，具体是，在所述直流电压源与所述开关管的输出端之间依次串接一个二极管D1、电阻R和稳压二极管D2，该二极管D1的阴极和稳压二极管D2的阴极与所述电阻相连接；一个晶体管的基极连接所述稳压二极管D2的阴极，集电极连接所述二极管D1的阴极，发射极经过一个电容C电连接所述稳压二极管D2的阳极；所述稳压二极管D2的阳极还连接所述稳压二极管D3的阴极；从而，所述电容C利用充放电循环来提供送往该低压控制电路的所述供电源。
7.根据权利要求6所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
所述晶体管为三极管。
8.根据权利要求5所述的高压大功率LED恒流驱动装置，其特征在于：
该LED恒流驱动装置的输出电流波动范围主要决定于ΔVREF/Rcs，其中ΔVREF为所述比较器的迟滞电压。
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