CN101572974A - 高效率恒流led驱动电路及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率恒流LED驱动电路及驱动方法，该驱动电路包括串联连接的电阻R1和稳压管Z1、与稳压管Z1并联的第一电容器C1、连接于负载LED两端的串联连接的续流二极管D1和电感L，还包括：功率开关MOS晶体管，栅极连接到稳压管Z1的负极，漏极连接到电感L与续流二极管D1之间，源极连接到馈流二极管D2的正极，馈流二极管D2的负极连接到稳压管Z1的负极；源极驱动控制电路，连接于功率开关MOS晶体管的源极与采样电阻RCS之间，从而从源极自适应地控制功率开关MOS晶体管。根据本发明的驱动电路消耗电流少，供电通路上压降低，因而降低了功耗，提高了效率；同时产生与输出电压成反比的自适应关断时间，实现了恒流输出。

Description

高效率恒流LED驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电路及驱动方法，尤其涉及一种高效率恒流LED驱动电路及驱动方法。

背景技术

图1是传统的LED驱动电路的示意图。如图1所示，在电源VIN与地之间串联连接电阻R1和稳压管Z1，稳压管Z1的正极连接到地，稳压管Z1的负极连接到电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到电源VIN；电容器C1并联连接于稳压管Z1的两端；续流二极管D1的负极连接到负载LED的正极和电源VIN，续流二极管D1的正极连接到电感L的第一端，电感L的第二端连接到负载LED的负极；开关管M1连接于电感L与采样电阻RCS之间，该开关管M1受控制于虚线框内示出的控制电路，它由电阻R1、电容器C1、稳压管Z1从电源VIN取电。控制电路通常包括计时器12、比较器11和RS触发器13。

开关管M1导通时，电感L电流增加，节点CS处电压增加，直到节点CS处电压升高到参考电压V1时，比较器11翻转，RS触发器13清零，开关管M1关断，计时器12开始计时，电感L通过续流二极管D1、负载LED放电，电流降低；计时器计时结束时，RS触发器13置高，开关管M1重新开启，完成一个周期。

上述传统的驱动电路中，存在如下两个缺点：第一，电源VIN通过电阻R1、电容器C1、稳压管Z1给驱动电路供电。通常驱动电路工作电压在12伏左右，而电源上电压可能为两百伏以上的高压，这样在电阻R1上就会有几百伏压降，即使驱动电路部分消耗电流为1mA，电阻上也会消耗几百毫瓦，另外由于系统采用纹波很大的交流供电，为了满足在电压波谷时也能提供驱动电路所需电流，而在电压波峰时，电阻R1上的电流会大大增加，这个多余的电流通过稳压管Z1释放到地，例如波谷电源电压为100V时，电阻R1上电流1mA，在波峰电压200V时，电阻R1上电流约为2mA，多余的1mA通过稳压管Z1到地。另外，由于开关管M1为高压功率MOS管，其栅极寄生电容很大，因而驱动该功率管需要很大的电流，导致整个驱动电路的静态电流大，从而使得电阻R1上的功耗更大。第二，该驱动方法通过控制峰值电流和纹波电流来恒定输出电流，峰值电流由比较器11，参考电压V1和采样电阻RCS确定，电感L的电流下降斜率与输出电压Vout成正比，如图2所示，纹波电流由下式可得出

$I_{\mathrm{pp}}=\frac{\mathrm{Vout}}{L}*\mathrm{Toff}$

图2中虚线对应于高输出电压时的电感电流波形及平均电感电流，很明显，在相同的关断时间内，输出电压高，纹波电流大，平均电流低。

可见，传统的LED驱动效率低，而且输出电流受输出电压的影响大。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的上述问题，提供一种高效率恒流LED驱动电路及驱动方法，以提高驱动效率并且降低输出电压对输出电流的影响使输出电流恒定。

为实现上述目的，本发明提供了一种高效率恒流LED驱动电路，包括串联连接的电阻R1和稳压管Z1、与稳压管Z1并联连接的第一电容器C1、以及连接于负载LED两端的串联连接的续流二极管D1和电感L，所述LED驱动电路还包括：功率开关MOS晶体管，其栅极连接到稳压管Z1的负极，漏极连接到电感L与续流二极管D1之间，源极连接到馈流二极管D2的正极，该馈流二极管D2的负极连接到稳压管Z1的负极；源极驱动控制电路，该源极驱动控制电路连接于功率开关MOS晶体管的源极与采样电阻RCS的一端之间，从而从功率开关MOS晶体管的源极控制功率开关MOS晶体管，采样电阻RCS的另一端接地。

优选地，根据本发明的驱动电路可进一步包括连接于功率开关MOS晶体管的源极和漏极之间的第三电容器C3。

优选地，根据本发明的驱动电路还可进一步包括连接于功率开关MOS晶体管的源极和馈流二极管的正极之间的电阻R2。

本发明还提供了一种高效率恒流LED驱动方法，该方法采用源极驱动，并从功率开关MOS晶体管的源极经由馈流二极管给源极驱动控制电路供电，以降低供电通路上的电压并减小驱动电路的静态电流；以及利用负载LED两端的输出电压对功率开关MOS晶体管进行自适应关断时间控制，以使输出电流恒定。

由于采用了源极驱动，并从源极通过馈流二极管给控制电路供电，所以大大降低了供电通路上的电压；同时驱动电流由电源通过LED负载提供，使得驱动电路部分静态电流小，这两方面的因素使得系统功耗降低，效率得到提高。另外，本发明还实现了自适应关断时间控制，使得电流纹波在宽输出电压范围下保持不变，与峰值电流控制一起实现了恒流输出。

附图说明

图1是传统的LED驱动电路示意图；

图2示出了图1所示的LED驱动电路中流过电感的电流；

图3是根据本发明的高效率恒流LED驱动电路的优选实施例的示意图；

图4示出了图3所示的本发明的LED驱动电路中流过电感的电流。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。

根据本发明的高效率恒流LED驱动电路对如图1所示的现有驱动电路的驱动方式和控制方式作出了改进。参考图3，与现有技术相似的是，在电源VIN与地之间串联连接电阻R1和稳压管Z1，稳压管Z1的正极连接到地，稳压管Z1的负极连接到电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到电源VIN，第一电容器C1并联连接于稳压管Z1的两端，续流二极管D1的负极连接到负载LED的正极和电源VIN，续流二极管D1的正极连接到电感L的第一端，电感L的第二端连接到负载LED的负极。

而与现有技术不同的是，本发明采用源极驱动以及自适应关断时间控制。具体而言，本发明的LED驱动电路还包括功率开关MOS晶体管M3和源极驱动控制电路，其中功率开关MOS晶体管M3的栅极连接到稳压管Z1的负极，漏极SWD连接到电感L的一端，源极SWS连接到馈流二极管D2的正极，该馈流二极管D2的负极连接到稳压管Z1的负极。而源极驱动控制电路连接于功率开关MOS晶体管的源极与采样电阻RCS的一端之间，从而从功率开关MOS晶体管的源极控制功率开关MOS晶体管。

需要指出的是，在功率开关MOS晶体管M3的源极SWS和馈流二极管D2的正极之间可接入电阻R2，以限制电流尖峰。同时还可在功率开关MOS晶体管M3的源极和漏极之间接入第三电容器C3。

源极驱动控制电路如图3中虚线框所示，其包括低压开关MOS晶体管M2，低压开关MOS晶体管M2的漏极连接到功率开关MOS晶体管M1的源极SWS，源极连接到采样电阻RCS的一端以及第一比较器31的正输入端，其栅极连接到RS触发器34的Q输出端。

根据本发明的自适应关断时间控制单元包括：输出电压采样部分，该部分对负载LED两端的输出电压进行采样并输出与输出电压成比例的电流；电流放大器33，其输入端连接到输出电压采样部分的输出端；NMOS晶体管M1，该NMOS晶体管M1的漏极连接到电流放大器33的输出端，源极接地，栅极连接到低压开关MOS晶体管M2的栅极；第二电容器C2，连接于NMOS晶体管M1的漏极和源极之间；第二比较器32，该第二比较器32的正输入端连接到NMOS晶体管M1的漏极，其负输入端连接到电源V2，其输出端连接到RS触发器34的S输入端。

关于第一比较器31和RS触发器34的其它接线端的连接方式，由于与现有技术图1中相似，故在此不再赘述。

输出电压采样部分包括PNP晶体管Q1和电阻R3，其中PNP晶体管Q1的基极连接到LED负载的负极，发射极经由电阻R3连接到LED负载的正极，集电极连接到电流放大器33的输入端。

下面参考图3和图4进一步描述根据本发明的LED驱动电路的工作过程以及所实现的有益效果。

本发明将功率开关MOS晶体管M3栅极电压固定在VDD，而通过低压开关MOS晶体管M2从其源极进行驱动，驱动电流由电源VIN通过负载LED、电感L、功率开关MOS晶体管M3提供，而不是由VDD提供，虽然驱动低压开关MOS晶体管M2仍需要VDD提供电流，但是由于M2为低压开关MOS晶体管，其栅上寄生电容远小于功率开关MOS晶体管M3的栅上寄生电容，因而其驱动电流相比图1中的驱动电路小很多。

本发明还在功率开关MOS晶体管M3源极节点SDS与驱动电路供电电源节点VDD间加入电阻R2和馈流二极管D2。当低压开关MOS晶体管M2开启时，电源VIN通过负载LED、低压开关MOS晶体管M2、功率开关MOS晶体管M3及电阻RCS给电感L充电，节点SWD与SWS电压均接近于0，第三电容器C3(也可以不外接第三电容器C3，而利用功率开关MOS晶体管M3的寄生电容)上电压为0；当低压开关MOS晶体管M2关闭时，电感电流通过续流二极管D1、负载LED回路放电，此时功率开关MOS晶体管M3的漏极节点SWD处的电压从0升高到电源电压，通过电阻R2、馈流二极管D2、电容器C1、C3、电源VIN、负载LED、电感L回路给电容器C1、C3充电，电容器C3最终电压为VIN-VDD，充电电流方向如图3中I所示，电容器C1储能以供给驱动电路，充电通路中除负载LED外的耗能元件为电阻R2和馈流二极管D2，由于充电过程中，电阻R2和馈流二极管D2上的电压很低，因而额外的功耗很低。电阻R1用于系统启动时给控制电路供电，由于控制电路本身静态电流小以及存在低功耗的供电通路电阻R2和馈流二极管D2，所以电阻R1上通过的电流相比图1中的电路可以大大降低，因而总的系统功耗大大降低，效率得到明显提高。

电阻R3、PNP晶体管Q1、电流放大器33、电容器C2、NMOS晶体管M1、第二比较器32、参考电压V2构成了本发明的自适应关断时间控制的一种实现方式。PNP晶体管Q1和电阻R3将输出电压Vout转化成与Vout成比例的电流，该电流经过电流放大器33调整，给电容器C2充电，第二比较器32比较电容器C2上的电压与参考电压V2，当电容器C2上的电压达到参考电压V2时，RS触发器34置位，低压开关MOS晶体管M2开启，同时通过NMOS晶体管M1给电容器C2清零。当低压开关MOS晶体管M2关断时，NMOS晶体管M1也关断，电容器C2开始充电，一直到电容器C2上的电压升到参考电压V2时重新开启低压开关MOS晶体管M2时为止。由于充电电流与输出电压成正比，因此低压开关MOS晶体管M2关断时间与输出电压Vout成反比，关断时间由下式得出：

$\mathrm{Toff}=\frac{C2*V2*R3}{\mathrm{Vout}}.$

而电感电流下降斜率与输出电压Vout成正比，因此，纹波电流与Vout无关，纹波电流由下式得出：

$\mathrm{Ipp}=\frac{\mathrm{Vout}}{L}*\frac{C2*V2*R2}{\mathrm{Vout}}=\frac{C2*V2*R2}{L}.$

如图4所示，在输出电压变化时，输出平均电流不变。

相应地，根据本发明的高效率恒流LED驱动方法采用源极驱动，并从功率开关MOS晶体管M3的源极经由馈流二极管D2给源极驱动控制电路供电，以降低供电通路上的电压并减小驱动电路的静态电流；以及利用负载LED两端的输出电压Vout对功率开关MOS晶体管M3进行自适应关断时间控制，以使输出电流恒定。

应该理解，本发明的技术方案一是采用源极驱动，这种驱动方式的驱动电路消耗电流少，并减少了传统的高压差供电通路中R1上的电流，从而降低了功耗，提高了效率；二是产生与输出电压成反比的自适应关断时间，实现恒定纹波电流及平均电流输出。

本说明书中所描述的只是本发明的优选具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在如权利要求所界定的本发明的范围之内。

Claims (8)

1、一种高效率恒流LED驱动电路，包括串联连接的电阻R1和稳压管Z1、与稳压管Z1并联连接的第一电容器C1、以及连接于负载LED两端的串联连接的续流二极管D1和电感L，其特征在于，所述LED驱动电路还包括：

功率开关MOS晶体管，其栅极连接到所述稳压管Z1的负极，漏极连接到所述电感L与所述续流二极管D1之间，源极连接到馈流二极管D2的正极，该馈流二极管D2的负极连接到所述稳压管Z1的负极；

源极驱动控制电路，该源极驱动控制电路连接于所述功率开关MOS晶体管的源极与采样电阻RCS的一端之间，从而从所述功率开关MOS晶体管的源极控制所述功率开关MOS晶体管，所述采样电阻RCS的另一端接地。

2、如权利要求1所述的高效率恒流LED驱动电路，其特征在于：所述源极驱动控制电路包括：

低压开关MOS晶体管，该低压开关MOS晶体管的漏极连接到所述功率开关MOS晶体管的源极，其源极连接到所述采样电阻RCS的所述一端以及第一比较器的正输入端，其栅极连接到RS触发器的Q输出端；

自适应关断时间控制单元，其连接到负载LED、所述RS触发器的S输入端，从而根据负载LED两端的输出电压来自适应地控制所述低压开关MOS晶体管的关断时间。

3、如权利要求2所述的高效率恒流LED驱动电路，其特征在于：所述自适应关断时间控制单元包括：

输出电压采样部分，该部分对负载LED两端的输出电压进行采样并输出与所述输出电压成比例的电流；

电流放大器，其输入端连接到所述输出电压采样部分的输出端；

NMOS晶体管，该NMOS晶体管的漏极连接到所述电流放大器的输出端，源极接地，栅极连接到所述低压开关MOS晶体管的栅极；

第二电容器C2，连接于所述NMOS晶体管的漏极和源极之间；

比较器，该比较器的正输入端连接到所述NMOS晶体管的漏极，其负输入端连接到电源V2，其输出端连接到所述RS触发器的S输入端。

4、如权利要求3所述的高效率恒流LED驱动电路，其特征在于：所述输出电压采样部分包括PNP晶体管Q1和电阻R3，其中所述PNP晶体管Q1的基极连接到LED负载的负极，发射极经由所述电阻R3连接到LED负载的正极，集电极连接到所述电流放大器的输入端。

5、如权利要求4所述的高效率恒流LED驱动电路，其特征在于：进一步包括连接于所述功率开关MOS晶体管的源极和漏极之间的第三电容器C3。

6、如权利要求5所述的高效率恒流LED驱动电路，其特征在于：进一步包括连接于所述功率开关MOS晶体管的源极和所述馈流二极管的正极之间的电阻R2。

7、一种高效率恒流LED驱动方法，其特征在于：

采用源极驱动，并从功率开关MOS晶体管的源极经由馈流二极管给源极驱动控制电路供电，以降低供电通路上的电压并减小驱动电路的静态电流；以及

利用负载LED两端的输出电压对功率开关MOS晶体管进行自适应关断时间控制，以使输出电流恒定。

8、如权利要求7所述的高效率恒流LED驱动方法，其特征在于：利用如权利要求1-6中任一项所述的高效率恒流LED驱动电路来进行驱动。

Images