CN101945515A - 一种led驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED驱动装置。解决了LED驱动装置受电抗影响、使用寿命短、效率低的问题，其包括电压监测电路、控制逻辑生成电路和驱动电路，驱动电路包括若干个由多个LED串联构成的LED串，LED串相连，在每两个相邻的LED串间连有级联开关，每个LED串输入端上连有上位开关，上位开关连到电源正极上，每个LED串的输出端上连有下位开关，下位开关连到电源负极上，电压监测电路与控制逻辑生成电路相连，控制逻辑生成电路连到驱动电路上的上位开关、下位开关和联级开关上。本发明随着输入电压值的变化，不断变化LED串之间的串并联关系，使得每个LED都能工作在正常的电压下，发挥了LED装置的高效率，还具有无电抗、使用寿命长、电能浪费少的优点。

Description

一种LED驱动装置

技术领域

本发明涉及一种发光二极管控制装置，尤其是涉及一种无电抗、高功率的LED驱动装置。

背景技术

现有的交流LED驱动设备均采用电感式（变压器）和电容式降压，或采用开关电源将交流转换成固定的直流后，采用恒流方式供给确定数目的LED发光。这种驱动方式为了保证在交流电波谷时的直流电压，必须使用电解电容器。电解电容器的寿命一般不超过4000小时，而LED一般寿命可以超过5万小时以上，所以电解电容成为照明LED寿命的短板。同时由于电解电容的存在，交流电压在超过电容存储的电压以后才开始作用，因此造成无功功率的产生。这种产生大量无功功率的LED驱动的应用，对于电网将产生严重威胁。

为了解决交直流变换的效率问题，也出现了一些交流驱动的LED，但是这些驱动要么采用双倍的LED，其装置成本是直流驱动方式的两倍。要么采用简单恒流方式，根本不能获得较高的驱动效率。

中国专利申请号200910172323.8的发明申请公开了一种交流供电LED光源驱动电路，其包括电流调节器，电流调节器的电源输入端连接桥式整流电路正极输出端，电流调节器的输出端与桥式整流电路的负极输出端之间设有连接N组LED发光二极管的连接节点，LED分段点亮控制开关电路对应设有N-1个电子开关，电子开关的漏极连接整流电源负极，各个电子开关的栅极分别连接一个比较器的输出端。驱动电路通过控制LED发光二极管的数量和组数保证LED发光二极管正常工作，但该驱动电路只能在某一时刻只使一部分LED灯发光，不能发挥LED灯的高效率。

发明内容

本发明主要是解决现有的LED驱动装置受到电抗影响、使用寿命短、容易产生无功功率、效率低的问题，提供了一种不使用任何高压下工作的电感元件和电容元件、使用寿命长、驱动效率高的LED驱动装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种LED驱动装置，包括用于检测输入电压的电压监测电路、根据不同电源而变化的控制逻辑生成电路和驱动电路，所述驱动电路包括若干个由一个或多个LED串联构成的LED串，LED串相互连接，在每两个相邻的LED串之间连接有级联开关，所述每个LED串的输入端上分别连接有上位开关，上位开关另一端分别连接到电源正极上，所述每个LED串的输出端上分别连有下位开关，下位开关另一端分别连接到电源负极上，所述电压监测电路与控制逻辑生成电路相连，所述控制逻辑生成电路分别连接到驱动电路上的上位开关、下位开关和联级开关上。本发明LED驱动装置通过改变LED串的串并联变化，将交流启动电压降到2V以下，使得每个LED灯工作在正常的电压下，相比其他采用某一时刻只亮起一部分LED灯的方法，充分使用了LED灯，提高了使用效率。本LED驱动电路为准纯电阻设备，没有使用任何高压下工作的电感元件和电容元件，消除了电抗对电路的影响。另外，相比于其他LED驱动装置需要用到电解电容，本LED驱动装置使用寿命更长，同时又避免了无功功率的产生，消除了浪费，保护了电网。电压监测电路检测输入电压的值，随着电压的变化，电压监测电路不断发送信号给控制逻辑生成电路，而控制逻辑生成电路将收到的信号进行逻辑处理然后发送给各个上位开关、上位开关和联级开关，控制它们进行开启或闭合，改变驱动电路中LED串之间的串、并联的组合，使输入电压平均为每个LED灯正常工作电压。

作为一种优选方案，所述电压监测电路为数字式监测电路或模拟式监测电路。

作为一种优选方案，所述电压监测电路为数字式监测电路，其包括若干个电压比较器一，在每个电压比较器一上具有参考电压单元，所述电压比较器一输入端分别连接到A/D转换单元上，电压比较器一输出端分别连接到控制逻辑生成电路上。参考电压单元上预先设定一参考电压，该参考电压值和分级根据输入电压和LED串并联数量而定。如在中国220V市电，市电的峰值为311V，LED灯的发光电压为2-4V，若串联96个LED，可以分成6级参考电压，即随着交流电压峰值的变化，LED装置的串并联是在32个由3个LED串联成的串联电路相并联、16个由6个LED灯串联成的串联电路相并联、8个由12个LED灯串联成的串联电路相并联、4个由24个LED灯串联成的串联电路相并联、2个由48个LED灯串联成的串联电路相并联、96个LED灯相串联这些情况下变化，平均每个LED电压为3.2V左右，则设定的6级参考电压分别为9.6V、19.2V、38.4V、76.9V、153.6V、307.2V。上述3.2V电压只是一种情况，使得LED工作在比较典型的状态，使LED一直保持工作在标准亮度；我们可以通过改变参考电压值，设定参考电压为6V、12V、24V、48V、96V、192V六级参考电压，平均每个LED电压为2V左右，此时得到的2V左右开始切换连接方式，平均亮度会稍有降低，但是提高了电源利用率。电压比较器一接收到输入电压后与参考电压相比较，只有在输入电压大于或等于参考电压时才发送信号到控制逻辑生成电路。

作为一种优选方案，所述电压监测电路为模拟式电压监测电路，其包括n个电压比较器二和n+1个分压电阻，分压电阻相串联，该分压电阻的串联电路输入端与电源正极相连，输出端与电压负极相连，在分压电阻的串联电路上还并联有电阻R0，所述电压比较器二的正相输入端都连接在电阻R0与电源负极之间，第一个电压比较器二的反相输入端连接在第一个分压电阻与第二个分压电阻之间，第n个电压比较器二的反相输入端连接在第n个分压电阻与第n+1个分压电阻之间，电压比较器二的输出端分别连接到控制逻辑生成电路上。

作为一种优选方案，所述每个电压比较器或电压比较器二上设有正相线路和反相线路连接到控制逻辑生成电路上，反相线路上连接有反相装置，正相线路上连接有延时装置。反相装置对信号进行反相处理，则相对于原信号产生了延迟，在正相线路上设置延时装置，原信号经过延时，这样使得同一个LED串的上位、下位、级联三个开关的控制信号能够同时到达。控制逻辑生成电路接收由电压比较器发送来的信号经过逻辑判断后产生每一个LED串的上位开关控制信号、下位开关控制信号和级联开关控制信号。控制信号分别发送到对应的开关上。

作为一种优选方案，在所述LED串上并联有断路保护电路，所述断路保护电路包括电路监视单元和断路保护开关，电路监视单元并联在LED串上，断路保护开关的漏极和源极分别连接在LED串的输入端和输出端上，其栅极连接到电路监视单元上。当若干个LED串相串联时，断路保护电路防止某一个LED灯或LED串短路失效后，整个LED装置同时失效。电路监视单元监视LED串的电压变化情况，若出现异常，则发出信号到断路保护开关的栅极，使得断路保护开关的漏极、源极导通，给其他LED串提供一个电流通路。

作为一种优选方案，在至少一个下位开关与电源负极之间连接有恒流源电路。为了保证LED装置的正常工作，在每个下位开关与电源负极之间或在更具需要在部分下位开关与电源负极之间设置恒流源电路。若在每个下位开关与电源负极之间设有恒流源电路，当本级的LED串处于级联的状态时，恒流源电路不工作；而当作为下位LED串的时，恒流源电路工作。 

因此，本发明的优点是：1.通过改变LED灯的串并联关系，使得每个LED灯上的电压控制在合理的范围内，保证它们都正常工作，相比在一个时刻只使一部分LED灯发光的方式，发挥了LED装置的高效率；2.不使用任何高压下工作的电感元件或电容元件，消除了电抗对电路的影响；3.不采用使用电解电容等使用寿命短的元器件，相比于采用电感式或电容式降压方式的驱动装置，其使用寿命更长；4.不需要使用电解电容，避免了无功功率的产生，减少了浪费，同时对电网也起到了保护作用。

附图说明

附图1是本发明的一种电路结构框视图；

附图2是本发明中驱动电路的一种电路结构示意图；

附图3是本发明中数字式电压监测电路的一种电路结构示意图；

附图4是本发明中模拟式电压监测电路的一种电路结构示意图；

附图5是本发明中控制逻辑生成电路的一种电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1： 

本实施例一种LED驱动装置，如图1所示，包括电压监测电路1、控制逻辑生成电路2和驱动电路3，电压监测电路输入端连接在电源线路上，电压监测电路1与控制逻辑生成电路2相连，控制逻辑生成电路连接到驱动电路3上。

如图2所示，该驱动电路包括若干个由一个或多个LED串联而成的LED串，本实施例中以96个LED为例，每个LED串由三个LED串联而成，则可以分成32个LED串，LED串相互串联，在每个LED串上都连接有三个开关，分别为上位开关6、下位开关7和级联开关8（最后一个LED串除外，其只具有上位开关和下位开关），级联开关连接在每两个相邻的LED串之间，级联开关的栅极连接到控制逻辑生成电路上。上位开关的源极与LED串的输入端即正极端相连，上位开关的漏极分别连接到电源正极上。下位开关的漏极与LED串输出端即负极端相连，下位开关的源极连接到电源负极。上位开关6、下位开关7和级联开关8的栅极都连接到控制逻辑生成电路上，用于接收控制信号而对开关进行断开或闭合。为了保证上位开关和级联开关在开关切换时，首先切断应该断开的开关，然后再闭合应该闭合的开关，在上位开关、级联开关的栅极上分别连接有电平变换电路10，该电平变换线路提供快速切断和延迟闭合的功能。在每个下位开关的源极上连接有恒流源电路12。当若干个LED串相串联时，为了防止某一个LED灯或LED串短路失效后，整个LED装置同时失效，在每个LED串上并联有断路保护电路，该断路保护电路包括电路监视单元9和断路保护开关13，该电路监视单元并联在LED串上，断路保护开关的漏极和源极分别连接在LED串的输入端和输出端上，断路保护开关的栅极连接到电路监视单元，在LED串的电压变化情况，若出现异常，则发出信号到断路保护开关的栅极，使得断路保护开关的漏极、源极导通，给其他LED串提供一个电流通路。

如图3所示，该电压监测电路1为数字式电压监测电路，其包括若干个电压比较器一14，在每个电压比较器一上都连接有一个参考电压单元13，每个电压比较器一输入端都连接到A/D转换单元15上，该A/D转换单元单元连接在电源上，每个电压比较器一的输出端分别连接到控制逻辑生成电路2上。参考电压单元上存储有预先设定好的参考电压，电压比较器一接收到输入电压后与参考电压相比较，只有在输入电压大于或等于参考电压时才发送信号到控制逻辑生成电路。电压比较器一的个数是根据采用几级电压控制而定，由于本实施例中以96个LED为例，每个LED串具有三个LED，LED串具有32个，则采用的是6级电压控制，即随着交流电压峰值的变化，LED装置的串并联是在32个由3个LED串联成的串联电路相并联、16个由6个LED灯串联成的串联电路相并联、8个由12个LED灯串联成的串联电路相并联、4个由24个LED灯串联成的串联电路相并联、2个由48个LED灯串联成的串联电路相并联、96个LED灯相串联这些情况下变化。所以电压比较器一14具有6个，每个参考电压单元上预先设定好一个参考电压，中国市电为220V，市电的峰值为311V，采用96个LED，得到每个LED的平均电压为3.2V左右，正好工作在比较典型的状态下，由于采用6级电压控制，则参考电压则分别为9.6V、19.2V、38.4V、76.9V、153.6V、307.2V。每个电压比较器一根据其设定的参考电压与输入电压比较，如输入电压大于或等于参考电压时，则向控制逻辑生成电路发送信号V1、V2……或V6。

如图5所示，由电压监测电路发送来的信号都分成两路，分别为正相线路、反相线路，反向线路上设置有反相装置18，为了使反相线路的信号能够和正相线路信号同时到达开关，在正相线路上设置有延时装置17。信号V1、V2……或V6进入控制逻辑生成电路后，颈逻辑处理后，分别生成第一LED串上位控制脉冲、第一LED串下位控制脉冲、第一LED串级联控制脉冲，第二LED串上位控制脉冲、第二LED串下位控制脉冲、第二LED串级联控制脉冲，一直到第三十二LED串上位控制脉冲、第三十二LED串下位控制脉冲、第三十二LED串级联控制脉冲，每个脉冲发送到执行电路上对应的开关的栅极上，控制开关进行闭合或断开。如当输入电压在第一分级参考电压和第二分级参考电压之间时，此时电压监测电路中只有第一个电压比较器向控制逻辑生成电路发送信号V1，信号V1经过正相线路和反相线路进入控制逻辑生成电路，控制逻辑生成电路经过逻辑判断后，向第一到第三十二LED串上位开关发送高电平、第一到第三十二LED串下位开关发送高电平、向级联开关发送低电平，则上位开关、下位开关都闭合，级联开关断开，三十二个LED串形成并联，则保证了分配到每个LED上的电压为LED正常工作状态下的电压。当输入电压在第二分级参考电压和第三分级参考电压之间时，此时电压监测电路中第一和第二电压比较器向控制逻辑生成电路发送信号V1、V2，信号控制逻辑生成电路经过逻辑判断后，则向第一、三……三十一LED串上位开关发送高电平，向第二、四……三十二LED串上位开关发送低电平，向第一、三……三十一LED串下位开关发送低电平，向第二、四……三十二LED串下位开关发送高电平，向第一、三……三十一LED串级联开关发送低电平，向第二、四……三十LED串级联开关发送高电平，则第一LED串和第二LED串相串联、第三LED串和第四LED串相串联、……第三十一LED串和第三十二LED串相串联，这些串联电路再相并联，使得分配到每个LED上的电压为LED正常工作状态下的电压。以此类推，其他几种情况就不再赘述。

控制逻辑生成电路具体控制逻辑如下：我们首先为LED串设定四种状态，分别为自亮、首灯、级联、尾灯。

自亮：上位开关闭合，下位开关闭合，级联开关断开；

首灯：上位开关闭合，下位开关断开，级联开关闭合；

级联：上位开关断开，下位开关断开，级联开关闭合；

尾灯：上位开关断开，下位开关闭合，级联开关断开。

LED串根据输入电压不同分别具有自亮、首灯、级联、尾灯四种状态，其中位于首端的LED串除自亮外始终为首灯，位于尾端的LED串除自亮外始终为尾灯。由于每个LED串都具有自亮状态，所以可以只用首灯、尾灯、级联三种状态解释控制的实现。首先举一个参考电压分级少、LED串少的LED驱动装置为例，假设LED驱动装置由12个LED串组成，采用3级电压控制，设定参考电压为U1、U2、U3，输入电压为U。

12个串的状态为：

在这里将首端与尾端LED串之间，除了自亮以外，做了几次首灯的LED串定义为N首，做了几次尾灯的LED串定位为N尾，从上面的分析可以得出在一个过程中各LED串为：

      根据上表分析，若采用96个LED的情况，可以推知具有1个首灯，1个尾灯，32个级联灯，16个1首、1尾，8个2首、2尾，4个3首、3尾，2个4首、4尾，1个5首、5尾灯。这样就可以设置各LED串的逻辑为：

实施例2：

如图4所示，电压监测电路1为模拟式电压监测电路，其包括6个电压比较器二16和7个分压电阻，分别为电阻R1、电阻R2、~电阻R7，分压电阻之间相串联，该分压电阻的串联电路输入端与电源正极相连，输出端与电压负极相连，在分压电阻的串联电路上还并联有电阻R0，电压比较器二16的正相输入端都连接在电阻R0与电源负极之间，第一个电压比较器二的反相输入端连接在第一个分压电阻与第二个分压电阻之间，第一个电压比较器二的反相输入端连接在第分压电阻R1与分压电阻R2之间，第二个电压比较器二的反相输入端连接在第分压电阻R2与分压电阻R3之间，……第六个电压比较器二的反相输入端连接在第分压电阻R6与分压电阻R7之间。电压比较器二的输出端分别连接到控制逻辑生成电路上。当输入电压达到第一分级参考电压时，该电压监测电路中第一个电压比较器二发出信号，当输入电压达到第二分级参考电压时，该电压监测电路中第一和第二个电压比较器二发出信号，其他情况以此类推。本实施例中LED驱动装置的其他结构与实施例1中所述一样。

LED串可以由2个、4个或更多数量串联而成，电压控制则根据情况进行合适的分级。本发明工作时，随着输入电压值的变化，不断变化LED串之间的串并联关系，使得每个LED都能工作在正常的电压下，发挥了LED装置的高效率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了驱动电路、电压监测电路、控制逻辑生成电路、电压比较器一、电压比较器二等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种LED驱动装置，其特征在于：包括用于检测输入电压的电压监测电路（1）、根据不同电源而变化的控制逻辑生成电路（2）和驱动电路（3），所述驱动电路包括若干个由一个或多个LED串联构成的LED串（5），LED串相互连接，在每两个相邻的LED串之间连接有级联开关（8），所述每个LED串的输入端上分别连接有上位开关（6），上位开关分别连接到电源正极上，所述每个LED串的输出端上分别连有下位开关（7），下位开关分别连接到电源负极上，所述电压监测电路（1）与控制逻辑生成电路（2）相连，所述控制逻辑生成电路分别连接到驱动电路（3）上的上位开关（6）、下位开关（7）和联级开关（8）上。

2.根据权利要求1所述的一种LED驱动装置，其特征是所述电压监测电路（1）为数字式电压监测电路或模拟式电压监测电路。

3.根据权利要求2所述的一种LED驱动装置，其特征是所述电压监测电路（1）为数字式电压监测电路，其包括若干个电压比较器一（14），在每个电压比较器一上具有一参考电压单元（13），所述电压比较器一输入端分别连接到A/D转换单元（15）上，电压比较器一输出端分别连接到控制逻辑生产电路（2）上。

4.根据权利要求2所述的一种LED驱动装置，其特征是所述电压监测电路（1）为模拟式电压监测电路，其包括n个电压比较器二（16）和n+1个分压电阻，分压电阻相串联，该分压电阻的串联电路输入端与电源正极相连，输出端与电压负极相连，在分压电阻的串联电路上还并联有电阻R0，所述电压比较器二的正相输入端都连接在电阻R0与电源负极之间，第一个电压比较器二的反相输入端连接在第一个分压电阻与第二个分压电阻之间，第n个电压比较器二的反相输入端连接在第n个分压电阻与第n+1个分压电阻之间，电压比较器二的输出端分别连接到控制逻辑生成电路上。

5.根据权利要求3或4所述的一种LED驱动装置，其特征是所述每个电压比较器一（14）或电压比较器二（16）上设有正相线路和反相线路连接到控制逻辑生成电路（2）上，反相线路上连接有反相装置（18），正相线路上连接有延时装置（17）。

6.根据权利要求1至4任一项所述的一种LED驱动装置，其特征是在所述LED串上并联有断路保护电路，所述断路保护电路包括电路监视单元（9）和断路保护开关（13），电路监视单元并联在LED串上，断路保护开关的漏极和源极分别连接在LED串的输入端和输出端上，其栅极连接到电路监视单元上。

7.根据权利要求6所述的一种LED驱动装置，其特征是在至少一个下位开关（7）与电源负极之间连接有恒流源电路（12）。

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