CN101868079A - 用于驱动大功率led的全程监控高压恒流驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，包括恒流驱动模块(100)和恒流监控模块(200)；尤其是，所述恒流监控模块(200)包括回路切换分模块(220)、充电反馈分模块(230)和放电反馈分模块(240)，该放电反馈分模块(240)用于将所述放电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块(100)；所述恒流驱动模块(100)根据充电反馈分模块(230)和放电反馈分模块(240)输入的反馈信号向回路切换分模块(220)输出控制信号。所述充电反馈分模块(230)对LED驱动电流的增大过程实施监控，所述放电反馈分模块(240)对LED驱动电流的减小过程实施监控，从而实现全程监控，进而提高了驱动电流精度。

Description

用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置

技术领域

本发明涉及用于驱动大功率LED的高压恒流驱动装置，特别是涉及全程监控流过大功率LED电流的高压恒流驱动装置。

背景技术

随着LED的快速发展，在大功率照明市场应用LED已经越来越具有可能，根据LED的电流、电压变化特点，以恒压方式驱动LED虽然可行，但常用的稳压电路存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点。以恒流方式驱动LED能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流可以使LED亮度稳定，因此目前大功率LED照明产业界广泛采用恒流方式驱动LED。所述恒流驱动方式，并不是指LED电流保持一个恒定的值不变化，而是指LED电流随着时间在最大电流与最小电流之间按照一定的频率在很小的范围内波动。在低压供电情况下，恒流驱动装置可以对流过LED驱动电流的增大过程和减小过程实施全程监控，从而达到高精度恒流的效果；而在高压供电情况下，恒流驱动装置一般只能对流过LED驱动电流实施半程监控。目前广泛应用的大功率LED照明用高压恒流驱动电路，是一种利用LED恒流驱动芯片对流过LED的电流进行峰值限流，即将LED电流设定在一个阈值上，当片外MOS开关管的峰值电流达到这个阈值时就关断电流，利用电感储能对LED进行供电，使电流慢慢减小，到下一个周期再有触发电路触发导通，从而达到对LED半程监控恒流供电的效果。

如图4所示，现有技术半程监控的高压恒流驱动装置包括恒流驱动模块100′和恒流监控模块200′。所述恒流监控模块200′包括作为储能器件的电感L、作为充/放电回路切换器件的N沟道增强型绝缘栅型场效应管M和反馈电阻R_F。所述N沟道增强型绝缘栅型场效应管M接收恒流驱动模块100′从端口O_C输出的控制信号，在充电回路LPc与放电回路LPr之间切换；所述反馈电阻R_F的电压反馈给恒流驱动模块100′的控制处理分模块110′。所述控制处理分模块110′包括比较器CM₁、CM₂、RS触发器U_RS和两与门U_A。恒流驱动模块100′的电源调整分模块120′为恒流驱动模块100′内提供包括参考电压V_REF的工作电压，时钟分模块130′提供时钟信号。电源V_IN上电时，高压直流流过LED300′和电感L，流向N沟道增强型绝缘栅型场效应管M和反馈电阻R_F，在这个过程中电感L的等效电阻是N沟道增强型绝缘栅型场效应管M的结电阻和反馈电阻R_F，由于电感L上电电流不能发生突变，LED灯上的电流缓缓增加，I_CS上的电压缓缓增加，当I_CS的电压增加至参考电压V_REF的时候，芯片内部的比较器CM₂输出状态改变，RS触发器的R端变0，O_C输出低电平，N沟道增强型绝缘栅型场效应管M关断，从而实现对驱动电流的峰值监控。此后，电感L开始沿放电回路LPr放电，LED上的电流缓缓降低，当时钟分模块130′出现下跳变时，O_C再次输出高电平，N沟道增强型绝缘栅型场效应管M被打开，如此循环。可见，LED驱动电流的减小过程是根据时钟分模块130′的计时信号完成，而没有对LED驱动电流进行监控，因此被称为半程监控的恒流控制方式。由于采用高压工艺，芯片的耐压是700V，因此又被称为高压恒流LED驱动芯片。由于对LED驱动电流的下降过程没有实时监控，仅通过时钟信号完成驱动电流的下降过程，考虑到芯片自身存在10％的误差和外围元件的温漂，半程监控恒流驱动方式很容造成驱动电流断流，而且电网电压的波动会对流过LED的电流造成较大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，在高压半程监控LED恒流驱动模块的基础上，对恒流的限流方式进行改进，从而在高压工艺条件下实现全程监控而达到高精度恒流的效果。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

设计、制造一种用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，包括恒流驱动模块和恒流监控模块；所述恒流监控模块包括储能分模块、回路切换分模块和充电反馈分模块；所述回路切换分模块接收恒流驱动模块输出的控制信号，将所述储能分模块和被所述高压恒流装置驱动的大功率LED在为储能分模块存储电能的充电回路与释放所述储能分模块内电能的放电回路之间切换；所述充电反馈分模块用于将充电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块；尤其是，所述恒流监控模块还包括放电反馈分模块，该放电反馈分模块用于将所述放电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块；所述恒流驱动模块根据充电反馈分模块和放电反馈分模块输入的反馈信号向回路切换分模块输出控制信号。

具体地，所述全程监控高压恒流驱动装置还包括高压电源输入端口、用于电连接大功率LED阳极的正输出端口、用于电连接大功率LED阴极的负输出端口和放电回路二极管。所述回路切换分模块是第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管；所述储能分模块是互感器的初级电感线圈；所述放电反馈模块包括串行电连接的所述互感器的次级电感线圈、充电二极管、第一电阻和反馈电容，以及用于开启/关闭所述反馈电容的放电回路的第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管；所述恒流驱动模块包括工作电源输入端口、充电回路反馈输入端口、放电回路反馈输入端口和控制信号输出端口，以及分别与所述充电回路反馈输入端口、放电回路反馈输入端口和控制信号输出端口电连接的控制信号处理分模块。所述高压电源输入端口分别与所述正输出端、放电回路二极管的阴极和恒流驱动模块的工作电源输入端口电连接，所述负输出端口电连接所述互感器的初级电感线圈非同名端，该初级电感线圈的同名端分别电连接放电回路二极管的阳极和第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管的漏极；所述互感器的次级电感线圈非同名端接地，其同名端电连接充电二极管的阳极，所述反馈电容一端接地，另一端通过第一电阻电连接所述充电二极管的阴极；所述第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管的源极电连接所述放电回路反馈输入端口，其栅极电连接所述控制信号输出端口，其漏极接地；所述恒流驱动模块的控制信号输出端口与第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管的栅极(g)电连接；所述放电回路反馈输入端口以反馈电容的电压为输入信号；所述充电反馈输入端口电连接充电反馈分模块的输出端，该充电反馈分模块的输入端电连接所述第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管的源极；所述控制信号处理分模块通过与设定阈值的比较确定控制信号输出端口输出的信号。

所述恒流驱动模块还包括与工作电源输入端口电连接的电源调整分模块；所述控制信号处理分模块包括充电比较器、放电比较器、RS触发器、与门和时钟分模块；所述充电比较器的正向输入端电连接所述充电回路反馈输入端口，所述放电比较器的正向输入端电连接所述放电回路反馈端口，所述充电比较器和放电比较器各自的反相输入端口分别从电源调整分模块获取各自的参考电压；所述放电比较器的输出端电连接RS触发器的置位输入端，所述充电比较器的输出端电连接RS触发器的复位输入端；所述RS触发器的正向输出端和时钟分模块输出端分别电连接与门的两输入端，该与门的输出端电连接控制信号输出端口。

所述充电反馈分模块包括反馈电阻、第二电阻和电容；所述反馈电阻电连接在所述充电反馈分模块的输入端和地之间，所述第二电阻电连接在所述充电反馈分模块的输入端和输出端之间，所述电容电连接在所述充电反馈分模块的输出端和地之间。

同现有技术相比较，本发明“用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置”的技术效果在于：

所述充电反馈分模块对LED驱动电流的增大过程实施监控，所述放电反馈分模块对LED驱动电流的减小过程实施监控，从而解决了现有技术LED高压恒流驱动装置不能实现全程监控的问题，进而提高了高压恒流LED驱动装置的电流精度。

附图说明

图1是本发明“用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置”的基本原理示意框图；

图2是本发明优选实施例的电原理示意框图；

图3是本发明优选实施例的输出电流波形示意图；

图4是现有技术半程监控高压恒流驱动装置的电原理示意框图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例作进一步详述。

本发明涉及一种用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，如图1所示，包括恒流驱动模块100和恒流监控模块200；所述恒流监控模块200包括储能分模块210、回路切换分模块220和充电反馈分模块230；所述回路切换分模块220接收恒流驱动模块100输出的控制信号，将所述储能分模块210和被所述高压恒流装置驱动的大功率LED300在为储能分模块210存储电能的充电回路与释放所述储能分模块210内电能的放电回路之间切换；所述充电反馈分模块230用于将充电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块100；尤其是，所述恒流监控模块200还包括放电反馈分模块240，该放电反馈分模块240用于将所述放电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块100；所述恒流驱动模块100根据充电反馈分模块230和放电反馈分模块240输入的反馈信号向回路切换分模块220输出控制信号。

所述充电反馈分模块230对LED300驱动电流的增大过程实施监控，所述放电反馈分模块240对LED300驱动电流的减小过程实施监控，从而对LED300驱动电流实现全程监控，进而提高了高压恒流LED驱动装置的电流精度。

本发明优选实施例，如图2所示，所述全程监控高压恒流驱动装置还包括高压电源输入端口V_IN、用于电连接大功率LED300阳极的正输出端口V_O+、用于电连接大功率LED300阴极的负输出端口V_O-和放电回路二极管D_R。

所述回路切换分模块220是第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁；所述储能分模块210是互感器L的初级电感线圈L_S；所述放电反馈模块240包括串行电连接的所述互感器的次级电感线圈L_P、充电二极管D_C、第一电阻R₁和反馈电容C_F，以及用于开启/关闭所述反馈电容的放电回路的第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₂；所述恒流驱动模块100包括工作电源输入端口Vc、充电回路反馈输入端口I_CF、放电回路反馈输入端口I_RF和控制信号输出端口O_C，以及分别与所述充电回路反馈输入端口I_CF、放电回路反馈输入端口I_RF和控制信号输出端口O_C电连接的控制信号处理分模块110。

所述高压电源输入端口V_IN分别与所述正输出端V_O+、放电回路二极管D_R的阴极和恒流驱动模块100的工作电源输入端口Vc电连接，所述负输出端口V_O-电连接所述互感器L的初级电感线圈L_S非同名端，该初级电感线圈L_S的同名端分别电连接放电回路二极管D_R的阳极和第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁的漏极d。

所述互感器L的次级电感线圈L_P非同名端接地，其同名端电连接充电二极管D_C的阳极，所述反馈电容C_F一端接地，另一端通过第一电阻R₁电连接所述充电二极管D_C的阴极；所述第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₂的源极s电连接所述放电回路反馈输入端口I_RF，其栅极g电连接所述控制信号输出端口O_C，其漏极d接地。

所述恒流驱动模块100的控制信号输出端口O_C与第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁的栅极g电连接；所述放电回路反馈输入端口I_RF以反馈电容C_F的电压为输入信号；所述充电反馈输入端口I_RF电连接充电反馈分模块230的输出端O₂₃₀，该充电反馈分模块230的输入端I₂₃₀电连接所述第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁的源极s；所述控制信号处理分模块110通过与设定阈值的比较确定控制信号输出端口O_C输出的信号。

所述恒流驱动模块100还包括与工作电源输入端口Vc电连接的电源调整分模块120。所述控制信号处理110分模块包括充电比较器U_C、放电比较器U_R、RS触发器U_RS、与门U_A和时钟分模块130；所述充电比较器U_C的正向输入端电连接所述充电回路反馈输入端口I_CF，所述放电比较器U_R的正向输入端电连接所述放电回路反馈端口I_RF，所述充电比较器U_C和放电比较器U_R各自的反相输入端口分别从电源调整分模块120获取各自的参考电压V_refc、V_refr；所述放电比较器U_R的输出端电连接RS触发器U_RS的置位输入端S，所述充电比较器U_C的输出端电连接RS触发器U_RS的复位输入端R；所述RS触发器U_RS的正向输出端和时钟分模块130输出端分别电连接与门U_A的两输入端，该与门U_A的输出端电连接控制信号输出端口O_C。

所述充电反馈分模块230包括反馈电阻R_F、第二电阻R₂和电容C；所述反馈电阻R_F电连接在所述充电反馈分模块230的输入端I₂₃₀和地之间，所述第二电阻R₂电连接在所述充电反馈分模块230的输入端I₂₃₀和输出端之间O₂₃₀，所述电容C电连接在所述充电反馈分模块230的输出端O₂₃₀和地之间。

本发明有选是实施例的基本原理是：LED电流上升时，通过R_F进行检测；LED电流下降时，其下降的幅度通过Lp控制的C1电压检测。其具体工作原理为：

电源V_IN上电时，充电回流LPc启用，上电时，第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁开通，Ls充电；由于电感Ls的存在，电感Ls上的电流不能突变，LED电流缓缓上升，同时通过恒流驱动模块100内部的放电比较器U_R下拉第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₂，反馈电容C_F电压下拉到0。当LED电流上升到一定值，反馈电阻R_F压降大于参考电压V_refc，充电比较器U_C输出状态改变，经过控制信号处理分模块110，第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁关断，电感Ls的电流开始下降。

当第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁关断时，LED电流开始下降。此时控制信号输出端口O_C由放电比较器U_R控制，使第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₂截止。由于电感Lp的作用，LED电流线性下降，Vp＝Lp×di/dt，Vs＝Vp/Np*Ns(Np/Ns是变压器原副边匝数比)为恒定值。该电压Vs对反馈电容C_F从GND开始充电，在RC时间常数内，可以认为反馈电容C_F的电压线性上升；当反馈电容C_F充电到参考电压V_refr时，放电比较器U_R输出状态改变，经过控制信号处理分模块110，重新开启第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管M₁。

其中，流过大功率LED300的电流波形如图3所示：

电流的波动范围 $\mathrm{\Δi}=i_{\max }-i_{\min }=t_0*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

当Lp放电时， $v_L=L_P*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

如果放电时，维持变压器特性，则：v_P/v_S＝N_P/N_S

故 $v_S=v_P*N_S/N_P=v_L*N_S/N_P=L_P*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}*\frac{N_S}{N_P}$

放电时，次级线圈对反馈电容C_F进行充电，在充电时间t＜＜RC时，充电电压为：

v_C＝v_S/RC*t，故v_C＝v_L*N_S*t/(N_P*RC)

因此，可以通过检测v_C检测v_L*t，即检测了 $\mathrm{\Δi}=i_{\max }-i_{\min }=t_0*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

放电时，当电路稳定工作时，v_C＝v_LED，如果检测v_C电压，则相当于检测时间t，与固定off-time时间检测方法相同。两种方法的差别在与新方法应该可以检测瞬态负载的变化。

$\mathrm{RC}=\frac{v_{\mathrm{LED}}}{v_C}*\frac{N_S}{N_P}*t$

为了满足t＜＜RC， $\frac{\mathrm{RC}}{t}=\frac{v_{\mathrm{LED}}}{v_C}*\frac{N_S}{N_P}>>1$

如v_C＝0.5V，v_LED＝3V，，关断时间t＝5us，则RC＝6t＝30us。当L＝220uH时，对应的电流变化为：

$\mathrm{\Δi}=i_{\max }-i_{\min }=t_0*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=v_C*\mathrm{RC}*\frac{N_P}{N_S}*\frac{1}{L}=0.5*30\mathrm{us}/L=68\mathrm{mA}.$

Claims (4)

1.一种用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，包括恒流驱动模块(100)和恒流监控模块(200)；所述恒流监控模块(200)包括储能分模块(210)、回路切换分模块(220)和充电反馈分模块(230)；所述回路切换分模块(220)接收恒流驱动模块(100)输出的控制信号，将所述储能分模块(210)和被所述高压恒流装置驱动的大功率LED(300)在为储能分模块(210)存储电能的充电回路与释放所述储能分模块(210)内电能的放电回路之间切换；所述充电反馈分模块(230)用于将充电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块(100)；其特征在于：

所述恒流监控模块(200)还包括放电反馈分模块(240)，该放电反馈分模块(240)用于将所述放电回路的电流变化情况反馈给恒流驱动模块(100)；所述恒流驱动模块(100)根据充电反馈分模块(230)和放电反馈分模块(240)输入的反馈信号向回路切换分模块(220)输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，其特征在于：

还包括高压电源输入端口(V_IN)、用于电连接大功率LED(300)阳极的正输出端口(V_O+)、用于电连接大功率LED(300)阴极的负输出端口(V_O-)和放电回路二极管(D_R)；

 所述回路切换分模块(220)是第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管(M₁)；所述储能分模块(210)是互感器(L)的初级电感线圈(L_S)；所述放电反馈模块(240^-)包括串行电连接的所述互感器的次级电感线圈(L_P)、充电二极管(D_C)、第一电阻(R₁)和反馈电容(C_F)，以及用于开启/关闭所述反馈电容的放电回路的第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管(M₂)；所述恒流驱动模块(100)包括工作电源输入端口(Vc)、充电回路反馈输入端口(I_CF)、放电回路反馈输入端口(I_RF)和控制信号输出端口(O_C)，以及分别与所述充电回路反馈输入端口(I_CF)、放电回路反馈输入端口(I_RF)和控制信号输出端口(O_C)电连接的控制信号处理分模块(110)；

所述高压电源输入端口(V_IN)分别与所述正输出端(V_O+)、放电回路二极管(D_R)的阴极和恒流驱动模块(100)的工作电源输入端口(Vc)电连接，所述负输出端口(V_O-)电连接所述互感器(L)的初级电感线圈(L_S)非同名端，该初级电感线圈(L_S)的同名端分别电连接放电回路二极管(D_R)的阳极和第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管(M₁)的漏极(d)；

所述互感器(L)的次级电感线圈(L_P)非同名端接地，其同名端电连接充电二极管(D_C)的阳极，所述反馈电容(C_F)一端接地，另一端通过第一电阻(R₁)电连接所述充电二极管(D_C)的阴极；所述第二N沟道增强型绝缘栅型场效应管(M₂)的源极(s)电连接所述放电回路反馈输入端口(I_RF)，其栅极(g)电连接所述控制信号输出端口(O_C)，其漏极(d)接地；

所述恒流驱动模块(100)的控制信号输出端口(O_C)与第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管(M₁)的栅极(g)电连接；所述放电回路反馈输入端口(I_RF)以反馈电容(C_F)的电压为输入信号；所述充电反馈输入端口(I_RF)电连接充电反馈分模块(230)的输出端(O₂₃₀)，该充电反馈分模块(230)的输入端(I₂₃₀)电连接所述第一N沟道增强型绝缘栅型场效应管(M₁)的源极(s)；所述控制信号处理分模块(110)通过与设定阈值的比较确定控制信号输出端口(O_C)输出的信号。

3.根据权利要求2所述的用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，其特征在于：所述恒流驱动模块(100)还包括与工作电源输入端口(Vc)电连接的电源调整分模块(120)；

所述控制信号处理分模块(110)包括充电比较器(U_C)、放电比较器(U_R)、RS触发器(U_RS)、与门(U_A)和时钟分模块(130)；所述充电比较器(U_C)的正向输入端电连接所述充电回路反馈输入端口(I_CF)，所述放电比较器(U_R)的正向输入端电连接所述放电回路反馈端口(I_RF)，所述充电比较器(U_C)和放电比较器(U_R)各自的反相输入端口分别从电源调整分模块(120)获取各自的参考电压(V_refc、V_refr)；所述放电比较器(U_R)的输出端电连接RS触发器(U_RS)的置位输入端(S)，所述充电比较器(U_C)的输出端电连接RS触发器(U_RS)的复位输入端(R)；所述RS触发器(U_RS)的正向输出端和时钟分模块(130)输出端分别电连接与门(U_A)的两输入端，该与门(U_A)的输出端电连接控制信号输出端口(O_C)。

4.根据权利要求2所述的用于驱动大功率LED的全程监控高压恒流驱动装置，其特征在于：所述充电反馈分模块(230)包括反馈电阻(R_F)、第二电阻(R₂)和电容(C)；所述反馈电阻(R_F)电连接在所述充电反馈分模块(230)的输入端(I₂₃₀)和地之间，所述第二电阻(R₂)电连接在所述充电反馈分模块(230)的输入端(I₂₃₀)和输出端之间(O₂₃₀)，所述电容(C)电连接在所述充电反馈分模块(230)的输出端(O₂₃₀)和地之间。

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