CN101932171A - 发光二极管串的驱动电路和用于驱动发光二极管串的系统 - Google Patents

发光二极管串的驱动电路和用于驱动发光二极管串的系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种发光二极管串的驱动电路和用于驱动发光二极管串的系统。该驱动电路和系统包括第一直流-直流变换器和第二直流-直流变换器。其中第一直流-直流变换器接收输入信号，根据输入信号提供第一转换信号和第二转换信号；第二直流-直流变换器根据第一转换信号提供调节信号；其中所述第二转换信号和所述调节信号用以驱动发光二极管串。本发明的方案提高了LED驱动效率。

Description

发光二极管串的驱动电路和用于驱动发光二极管串的系统
技术领域
本发明的实施例涉及发光二极管(LED)的驱动，更具体地说，本发明涉及高压LED的驱动。
背景技术
LED由于具有高发光亮度、长使用寿命等优点，被广泛应用于照明场合。在电视机和大面板照明中，通常需要用到几百个LED。在保持低成本的同时，如何高效地驱动这么多LED成为业内关注的热点。
随着灯散射技术的提高，如今全部LED均可以被放置在面板边缘，来达到良好的背光照明。目前，在电视机照明场合，一般采用多串LED并联连接的方式来提供照明，如将4串或6串LED并联。通常驱动一个LED串所需电压比较高，如几百伏电压。例如，当一个LED串上有150个LED时，所需的驱动电压为525V。
图1为提供如前所述高压用以驱动LED串的现有技术。电路前级采用一个隔离直流-直流(DC-DC)变换器10。隔离DC-DC变换器10的输入信号VBUS通常为一经过整流的交流线电压信号或者功率因数校正(PFC)电路的输出信号。DC-DC变换器10提供一低压VCC用以给后级控制电路供电。同时，隔离DC-DC变换器10提供一相对高压信号Vs1，该信号Vs1作为LED驱动器组的输入信号。在图1中，各个LED驱动器，即模块1、模块2、……、模块n，均采用典型升压(Boost)变换器。即各boost变换器均包括开关S1、二极管D1、电感L1、输入电容Ci1和输出电容Co1。一金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)SD1与LED串串联耦接，用以提供快速脉宽调制(PWM)调光。一电阻Rs1与该MOSFET SD1串联耦接，用以在MOSFET SD1导通时，采样流过LED串的电流。
然而，该现有技术存在一些缺点。boost变换器接收高压，使得开关S1和二极管D1的耐压需要高于LED串的驱动电压(如几百伏)。例如，当LED串串联150个LED时，开关S1和二极管D1的耐压至少为600V。另外，高压二极管D1存在严重的反向恢复问题，这降低了系统的效率。在该现有技术中，开关频率不能被设置为高频，从而不能减小无源器件(如电感L1、输入电容Ci1、输出电容Co1)的尺寸。如图1所示，输入信号VBUS经由两级(隔离DC-DC变换器10和boost变换器)后被转化为LED串的驱动电压，从而降低了系统效率。
发明内容
鉴于现有技术中的一个或者多个问题，本发明的目的是提出一种用于驱动LED的高压驱动电路。
提出了一种用于发光二极管串的驱动电路，包括：第一直流-直流变换器，用以接收输入信号，根据所述输入信号提供至少第一转换信号和第二转换信号；第二直流-直流变换器，接收所述第一转换信号，并根据所述第一转换信号提供调节信号；其中通过所述第二转换信号和所述调节信号来驱动所述发光二极管串。
根据本发明的实施例，所述第一直流-直流变换器为隔离直流-直流变换器。
根据本发明的实施例，所述第二直流-直流变换器为升压变换器或压降变换器或升-降压变换器。
根据本发明的实施例，所述第二直流-直流变换器包括功率开关和二极管，所述功率开关和二极管的耐压能力小于第二转换信号与调节信号的电压和。
根据本发明的实施例，所述第二直流-直流变换器包括：调光开关，与所述发光二极管串串联耦接；电流采样电阻器，与所述调光开关串联耦接。
根据本发明的实施例，所述输入信号为经过整流的交流信号或功率因数校正电路的输出信号。
根据本发明的实施例，所述调节信号被反馈至第一直流-直流变换器，所述第一直流-直流变换器调节所述第二转换信号，以最小化所述调节信号。
在本发明的另一方面，提出了一种用于驱动发光二极管串的系统，包括：第一直流-直流变换器，根据至少一个输入信号提供至少第一转换信号和第二转换信号；多个第二直流-直流变换器，每个第二直流-直流变换器根据所述第一转换信号各自提供一调节信号；多个发光二极管串，每个发光二极管串耦接至所述第一直流-直流变换器，以接收所述第二转换信号；并耦接至相应第二直流-直流变换器，用以接收所述调节信号；其中，通过所述第二转换信号和所述调节信号的组合来驱动所述多个发光二极管串。
根据本发明的实施例，所述第一直流-直流变换器为隔离直流-直流变换器。
根据本发明的实施例，所述第二直流-直流变换器为升压变换器、压降变换器、升-降压变换器或者三者的任意组合。
根据本发明的实施例，所述第二直流-直流变换器包括功率开关和二极管，所述功率开关和二极管的耐压能力小于第二转换信号与调节信号的电压和。
根据本发明的实施例，所述系统进一步包括：调光开关电路，所述调光开关电路包括N个开关，其中每个开关与一个发光二极管串串联耦接；电流采样电阻电路，所述电流采样电阻电路包括N个电阻器，其中每个电阻器与一个调光开关串联耦接。
根据本发明的实施例，所述输入信号为经过整流的交流信号或功率因数校正电路的输出信号。
根据本发明的实施例，该系统进一步包括最小值检测器，用以反馈所述调节信号的最小值至所述第一直流-直流变换器。
根据本发明的实施例，所述第一直流-直流变换器根据所述调节信号的最小值调节第二转换信号。
利用上述方案，大大提高了LED驱动效率。另外，无源元件的尺寸可以大大减小。
附图说明
图1示出现有技术高压LED驱动电路。
图2a示出根据本发明第一实施例的高压LED驱动电路100。
图2b示出根据本发明第二实施例的高压LED驱动电路200。
图3示出根据本发明第三实施例的高压LED驱动电路300。
图4示出根据本发明第四实施例的高压LED驱动电路400。
图5示出根据本发明第五实施例的高压LED驱动电路500。
图6示出根据本发明第六实施例的高压LED驱动电路600。
图7示出根据本发明第七实施例的高压LED驱动电路700。
图8示出根据本发明第八实施例的高压LED驱动电路800。
图9示出根据本发明第九实施例的高压LED驱动电路900。
图10示出根据本发明第十实施例的高压LED驱动电路1000。
图11示出根据本发明第十一实施例的高压LED驱动电路1100。
图12示出根据本发明第十二实施例的高压LED驱动电路1200。
具体实施方式
参看图2a，为根据本发明一个实施例的高压LED驱动电路100，其为本发明的第一实施例。如图2a所示，电路100包括隔离DC-DC变换器101，即第一直流-直流变换器，用以接收输入信号VBUS。输入信号VBUS通常为经过整流的交流线电压或PFC电路的输出信号。在本实施例中，隔离DC-DC变换器101输出3个电压级别：第一电压级别V_L1、第二电压级别V_L2和第三电压级别V_L3。其中第一电压级别V_L1、第二电压级别V_L2和第三电压级别V_L3的电压值可以为正、负或者零值。其中信号Vin＝V_L2-V_L3为隔离DC-DC变换器101输出的第一转换信号，该信号Vin同时也是电路100所有后级非隔离DC-DC变换器1021～102n(即第二直流-直流变换器)的输入信号，其中n表示非隔离DC-DC变换器的个数，即LED串的数量。信号Vin的电压值可以为正或者负。每个非隔离DC-DC变换器102x调节并输出相应的输出直流电压-Vox(调节信号或调压信号)，其中x为1～n之间的自然数。相对于第二电压级别V_L2，-Vox为负值。在本实施例中，第1串LED串String #1的驱动信号为(VC+Vo1)，第x串LED串String #x的驱动信号为(VC+Vox)，其中VC＝V_L1-V_L2，为隔离DC-DC变换器101输出的第二转换信号。根据本发明的实施例，VC为驱动电压的主要部分，它可大于，甚至远远大于Vox。
图2b示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路200，其为本发明的第二实施例。电路200与图2a所示电路100相同的部分采用相似的附图标记，与电路100不同的是，相对于电路100，电路200的各LED串String #x反相耦接。即图2a所示电路100中，LED串String #x的LED阳极耦接至电压轨，即第一电压级别V_L1，其阴极耦接至相应非隔离DC-DC变换器102x的参考地；而图2b所示电路200中，LED串String #x的LED阴极耦接至电压轨，其阳极耦接至相应非隔离DC-DC变换器202x的参考地。对于以上两种耦接方式，各个LED串String #x均由信号VC和信号Vox一起驱动。其中信号VC为第一直流-直流变换器输出的第一转换信号；信号Vox由相应的非隔离DC-DC变换器202x(第二直流-直流变换器)调节。各非隔离DC-DC变换器202x可以为升压、降压、升-降压变换器或者三者的任意组合，如buck、boost、buck-boost、cuk、sepic、zeta等等。
图3示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路300，其为本发明的第三实施例。电路300中，非隔离DC-DC变换器302x采用buck变换器，例如非隔离DC-DC变换器3021是由功率开关S1、电感L1、输出电容Co1、二极管D1如图所示耦接而组成的典型buck电路。其中输出电容Co1两端电压为非隔离DC-DC变换器3021输出的调节信号Vo1的电压。电路300与电路100和电路200的相同部分采用相似的附图标记，为叙述简明，这里不再详述各个部件的具体连接方式。
电容Ci1为非隔离DC-DC变换器3021的输入电容，用以对非隔离DC-DC变换器3021的输入电压Vin进行滤波；MOSFET SD1为调光开关，与LED串串联耦接，用以对相应LED串String #1进行调光；电阻RS1为电流采样电阻，与调光开关SD1串联耦接，用以采样流过相应LED串的电流；控制电路，用以根据电流采样电阻RS1反映的LED串的电流，提供功率驱动信号DR1至功率开关S1，提供驱动信号DIM1至调光开关SD1；控制电路的VSS端耦接至非隔离变换器3021的参考地。在此实施例中，施加于功率开关S1上的电压为非隔离DC-DC变换器3021的输入信号Vin的电压值，即第一直流-直流变换器输出的第一转换信号的电压值。其中V_L1＝VC+Vin，V_L2＝Vin，V_L3＝0。
根据本发明的一个实施例，非隔离DC-DC变换器包括功率开关和二极管，功率开关和二极管的耐压能力小于第二转换信号与调节信号的电压和。
根据本发明的一个实施例，调光开关SD1～SDn构成了调光开关电路，每个调光开关与一个相应的LED串串联连接。电阻RS1～RSn构成了电流采样电路，每个电阻与一个调光开关串联连接。
当功率开关S1被导通时，非隔离DC-DC变换器3021的输入信号经由输出电容Co1、电感L1、功率开关S1后被转化为非隔离DC-DC变换器302的输出信号Vo1，即调节信号；当功率开关S1被断开时，输出电容Co1、电感L1和二极管D1形成电流回路。因此，非隔离DC-DC变换器3021输出的调节信号的大小Vo1由功率开关S1的占空比决定。当调光开关SD1被导通时，流经采样电阻RS1的电流即为流经LED串String #1的电流。因此，流经LED串的电流可通过控制流经采样电阻RS1的电流得到控制，而LED串的调光可通过控制调光开关SD1的占空比实现。上面针对LED串String #1的描述同样适用于其他的LED串String #2～n。
图4示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路400，其为本发明的第四实施例。电路400中，非隔离DC-DC变换器402x采用升压(boost)变换器，例如非隔离DC-DC变换器4021是由功率开关S1、电感L1、输出电容Co1、二极管D1如图所示耦接而组成的典型boost电路。其中输出电容Co1两端信号为非隔离DC-DC变换器4021输出的调节信号Vo1。电路400与电路300相同部分采用相似的附图标记，为叙述简明，这里不再详述各个部件间的连接关系。在本实施例中，施加于功率开关S1上的电压为非隔离DC-DC变换器4021输出的调节信号Vo1的电压值，其中V_L1＝VC，V_L2＝0，V_L3＝Vin。与图3所示电路300相仿，非隔离DC-DC变换器4021的输出电压由功率开关S1的占空比决定，流经LED串的电流通过控制流经采样电阻RS1的电流得到控制，而LED串的调光可通过控制调光开关SD1的占空比实现。同样，上面针对LED串String #1的描述同样适用于其他的LED串String #2～n。
图5示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路500，其为本发明的第五实施例。电路500的结构与图2a所示电路100相似，非隔离DC-DC变换器502x采用升-降压(buck-boost)变换器。在此实施例中，以非隔离DC-DC变换器5021为例，施加于功率开关S1上的电压为Vin+Vo1；其中Vin为非隔离DC-DC变换器5021的输入信号，即第一转换信号，Vo1为非隔离DC-DC变换器502x输出的调节信号Vo1，其中V_L1＝VC，V_L2＝0，V_L3＝Vin。
图6示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路600，其为本发明的第六实施例。电路600的结构与图2b所示电路200相似，非隔离DC-DC变换器602x采用buck变换器。在本实施例中，施加于功率开关S1上的电压为为非隔离DC-DC变换器602x的输入信号Vin的电压值，即第一转换信号的电压值。其中V_L1＝VC，V_L2＝0，V_L3＝Vin。上面针对LED串String #1的描述同样适用于其他的LED串String #2～n。
图7示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路700，其为本发明的第七实施例。电路700的结构与图2b所示电路200相似，非隔离DC-DC变换器702x采用boost变换器。在本实施例中，以非隔离DC-DC变换器7021为例，施加于功率开关S1上的电压为非隔离DC-DC变换器7021的输出信号Vo1的电压值，其中V_L1＝VC，V_L2＝0，V_L3＝Vin。
图8示出根据本发明另一个实施例的高压LED驱动电路800，其为本发明的第八实施例。电路800的结构与图2b所示电路200相似，非隔离DC-DC变换器802x采用buck-boost变换器。在本实施例中，以非隔离DC-DC变换器8021为例，施加于功率开关S1上的电压为Vin+Vo1；其中Vin为非隔离DC-DC变换器8021的输入信号，Vo1为非隔离DC-DC变换器8021输出的调节信号Vo1，其中V_L1＝VC，V_L2＝0，V_L3＝Vin。上面针对LED串String #1的描述同样适用于其他的LED串String #2～n。
前述各高压驱动电路保持现有技术高压驱动优点的同时，相比于现有技术，其还具有以下一个或多个优点。
根据本发明的一个或多个实施例，LED串的驱动电压为VC+Vox。其中VC为主要部分，即VC的电压值远大于Vox的电压值。因此，大部分功率转换只需从输入信号VBUS经过一级转换，即只要经过隔离DC-DC变换器101～901即可完成。此外，隔离DC-DC变换器101～901通常被设计为采用软开关技术，因此，大大提高了LED驱动效率。
根据本发明的一个或多个实施例，由于LED的驱动电压为VC+Vox，非隔离DC-DC变换器102x～902x只需调节其相应的输出信号Vox，即只有LED驱动电压的一小部分需要从输入信号VBUS后经由两级电路(第一直流-直流变换器和第二直流-直流变换器)的调节。因此，相应无源元件的尺寸可以大大减小。
根据本发明的一个或多个实施例，施加于非隔离DC-DC变换器102x～902x功率开关S1上的电压大大减小。因此，功率开关可被集成，相应二极管的反向恢复问题得到解决，从而显著提高效率。
根据本发明的一个或多个实施例，非隔离DC-DC变换器102x～902x可运行于更高的开关频率，从而进一步减小无源元件的尺寸。
进一步的，对图2a所示电路100和图2b所示电路200做一定调整，可得到如图9所示的高压LED驱动电路900，其为本发明的第九实施例。在图2a所示电路100和图2b所示电路200中，LED串的驱动电压为VC+Vox，并且VC与Vox无关。而在图9所示电路900中，后级非隔离变换电路902x输出信号Vox的最小值VVOXMIN通过最小值检测器903反馈至前级隔离变换电路901中。相应的，前级隔离变换电路901调节其输出电压VC，从而保持Vox的最小值VVOXMIN为一特定值(如系统设定值)。当所有LED串均被关闭，前级隔离变换电路901将根据自身的参考值调节其输出信号。根据本发明实施例的这种电路结构具有如下所述的更多优点：最小化非隔离DC-DC变换器转换的功率，从而充分利用VC来驱动LED串；非隔离DC-DC变换器只需调节不同LED串间的不匹配驱动电压，从而进一步降低施加于功率开关的电压，并进一步提高转换效率。
进一步地，前述高压驱动电路100～900的输入信号并不限制于一个输入信号VBUS，其也可以有2个以上的输入信号，如图10所示高压驱动电路1000，其为基于图2a所示电路100基础上的本发明的第十实施例。如图10所示，电路1000具有两个输入信号，第一输入信号VBUS1和第二输入信号VBUS2。其中第一输入信号VBUS1用于提供至第一前级隔离DC-DC变换器10011，第二输入信号VBUS2用于提供至第二前级隔离DC-DC变换器10012。第一前级隔离DC-DC变换器10011的输出信号为VC，用以部分驱动LED串String #1～LED串String#n；第二前级隔离DC-DC变换器10012的输出信号为Vin，用以提供至后级非隔离DC-DC变换器1002x。电路1000与电路100相同部分采用相似的附图标记，为叙述简明，这里不再详述其他各个部件间的连接关系。
进一步地，若系统没有隔离要求，VC可以直接是输入信号VBUS，如图11所示高压驱动电路1100，其为基于图2a电路100基础上的本发明的第十一实施例。此实施例中，输入信号VBUS一方面作为VC，用以部分驱动LED串String #1～LED串String #n；另一方面，输入信号VBUS经过前级隔离DC-DC变换器1101后，被转换为后级非隔离DC-DC变换器1102x的输入信号Vin。电路1100与电路100相同部分采用相似的附图标记，为叙述简明，这里不再详述其他各个部件间的连接关系。
当然，若系统没有隔离要求，输入信号VBUS可以直接被提供至后级非隔离DC-DC变换器，作为其输入信号Vin，如图12所示高压驱动电路1200，其为基于图2a电路100基础上的本发明的第十二实施例。此实施例中，输入信号VBUS一方面作为后级非隔离DC-DC变换器1202x的输入信号；另一方面，输入信号VBUS经过前级隔离DC-DC变换器1201后，被转换为信号VC，用以部分驱动LED串String#1～LED串String #n。电路1200与电路100相同部分采用相似的附图标记，为叙述简明，这里不再详述其他各个部件间的连接关系。
前述第一直流-直流变换器均为隔离DC-DC变换器，但本领域的技术人员应该认识到，若系统没有隔离要求，第一直流-直流变换器也可为非隔离的DC-DC变换器。为叙述简明，这里不再详述当第一直流-直流变换器为非隔离DC-DC变换器情况下的电路工作。
更进一步地，上述图9～图12所示电路900～电路1200为基于图2a所示电路100做的改进，其也可以基于图2b所示电路200做同样改进，为叙述简明，这里不再详述。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (15)

1.用于发光二极管串的驱动电路，包括：
第一直流-直流变换器，用以接收输入信号，根据所述输入信号提供至少第一转换信号和第二转换信号；
第二直流-直流变换器，接收所述第一转换信号，并根据所述第一转换信号提供调节信号；其中通过所述第二转换信号和所述调节信号来驱动所述发光二极管串。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述第一直流-直流变换器为隔离直流-直流变换器。
3.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述第二直流-直流变换器为升压变换器或压降变换器或升-降压变换器。
4.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述第二直流-直流变换器包括功率开关和二极管，所述功率开关和二极管的耐压能力小于第二转换信号与调节信号的电压和。
5.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述第二直流-直流变换器包括
调光开关，与所述发光二极管串串联耦接；
电流采样电阻器，与所述调光开关串联耦接。
6.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述输入信号为经过整流的交流信号或功率因数校正电路的输出信号。
7.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述调节信号被反馈至第一直流-直流变换器，所述第一直流-直流变换器调节所述第二转换信号，以最小化所述调节信号。
8.用于驱动发光二极管串的系统，包括：
第一直流-直流变换器，根据至少一个输入信号提供至少第一转换信号和第二转换信号；
多个第二直流-直流变换器，每个第二直流-直流变换器根据所述第一转换信号各自提供一调节信号；
多个发光二极管串，每个发光二极管串耦接至所述第一直流-直流变换器，以接收所述第二转换信号；并耦接至相应第二直流-直流变换器，用以接收所述调节信号；其中
通过所述第二转换信号和所述调节信号的组合来驱动所述多个发光二极管串。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一直流-直流变换器为隔离直流-直流变换器。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述第二直流-直流变换器为升压变换器、压降变换器、升-降压变换器或者三者的任意组合。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述第二直流-直流变换器包括功率开关和二极管，所述功率开关和二极管的耐压能力小于第二转换信号与调节信号的电压和。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述系统进一步包括
调光开关电路，所述调光开关电路包括N个开关，其中每个开关与一个发光二极管串串联耦接；
电流采样电阻电路，所述电流采样电阻电路包括N个电阻器，其中每个电阻器与一个调光开关串联耦接。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述输入信号为经过整流的交流信号或功率因数校正电路的输出信号。
14.如权利要求8所述的系统，进一步包括最小值检测器，用以反馈所述调节信号的最小值至所述第一直流-直流变换器。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述第一直流-直流变换器根据所述调节信号的最小值调节第二转换信号。
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