CN102098826B - 一种发光二极管光源的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管(LED)光源的驱动电路，属于光源驱动技术领域。其中LED光源包括多个灯串，每个灯串均包括多个串联耦接的发光二极管，每个灯串的第一端均耦接至定电压，驱动电路包括定电流源、电流镜、短路保护电路及调光电路；电流镜在开启时根据定电流源产生多个吸取电流以提供至各自相应的灯串的第二端，使流过每个灯串的电流达到平衡，并在关闭时使流过每个灯串的电流为零；调光电路在短路保护电路侦测到有灯串短路时关闭电流镜，并在未侦测到灯串短路时根据脉宽调制(PWM)调光信号交替地开启及关闭电流镜。本发明的LED光源的驱动电路，不需要采用专用的LED控制器，且驱动电路架构相当简单，所以可大幅降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及光源驱动技术领域，特别涉及一种发光二极管(Light-EmittingDiode，简称LED)光源的驱动电路。
背景技术
图1是一种现有的LED光源的驱动电路的电路图。参见图1，LED光源包括m个灯串11～1m，每个灯串1i均包括n个串联耦接的发光二极管D1～Dn，其中m、n均为正整数，i为1～m中任一正整数。LED光源的驱动电路包括直流至直流(DC/DC)转换器21及LED控制器22。DC/DC转换器21为降压或升压转换器，用于将常见的5V、12V或24V等规格的直流电压Vdc1转换为足够驱动灯串11～1m的直流电压Vdc2。每个灯串1i的第一端均耦接至DC/DC转换器21以接收直流电压Vdc2来获得所需的电压，每个灯串1i的第二端则耦接至LED控制器22相应的通道端CHi。LED控制器22检测每个灯串1i的电流，并利用内部定电流源或可变电阻等方式使每个灯串1i的电流相等或在一定误差范围内(即达到电流平衡)，使灯串11～1m可以提供均匀的亮度。为了维持每个灯串1i的电流平衡且获得所需电压，LED控制器22还可从反馈控制端FB输出脉宽调制(Pulse-Width Modulation，简称PWM)信号，以控制DC/DC转换器21调整输出的直流电压Vdc2的大小，优化LED光源及LED控制器22的操作。当然，LED控制器22也可不输出PWM信号，使DC/DC转换器21输出恒定的直流电压Vdc2，而LED控制器22仅用于使每个灯串1i的电流达到平衡。
当LED光源的灯串11～1m数量太多或采用具有大电流的高亮发光二极管D1～Dn时，为了避免LED控制器22因接收的电流太大而过热或烧毁，需要采用如图2所示的外部控制方式。参见图2，每个灯串1i的第二端需要外加相应的晶体管Mi及电阻器Ri，其中晶体管Mi为场效应晶体管且工作在线性区以作为可变电阻来调整落在灯串1i上的电压大小，使每个灯串1i的电流达到平衡。LED控制器220从电流检测端ISi检测灯串1i的电流在流过电阻器Ri时所产生的与电流大小成正比的电压值，并根据这个电压值从通道端CHi输出信号控制晶体管Mi改变其在线性区的工作点位置，以改变晶体管Mi提供的可变电阻的大小。LED控制器220从电压检测端VDi检测灯串1i的第二端上的电压，当灯串1i的第二端上的电压过高时，表示灯串1i中有发光二极管发生短路，因此从通道端CHi输出信号控制晶体管Mi截止以保护电路。
不管是图1还是图2所示的现有的LED光源的驱动电路，通常都采用市售的已集成化的LED控制器22或220。然而，市售的LED控制器可支持LED光源的灯串的数量是固定的，随着灯串11～1m数量的增加，需要采用多个LED控制器并联使用，这些并联使用的LED控制器之间的沟通及控制会使得设计成本上升且会使得电路变得复杂。另外，图2所示的LED光源的驱动电路还必需外加晶体管Mi和电阻器Ri，其数量也会随着灯串11～1m数量的增加而增加，同样会使得设计成本上升且会使得电路更为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种发光二极管(LED)光源的驱动电路，不需要采用专用的LED控制器，且驱动电路架构相当简单，可以大幅降低成本。
为了达到上述目的及其它目的，本发明实施例提供了一种发光二极管(LED)光源的驱动电路，LED光源包括多个灯串，每个灯串均包括多个串联耦接的发光二极管，每个灯串均具有第一端及第二端，每个灯串的第一端均耦接至定电压；LED光源的驱动电路包括定电流源、电流镜、短路保护电路以及调光电路，其中电流镜耦接至定电流源及每个灯串的第二端，短路保护电路耦接至每个灯串的第二端，调光电路耦接至电流镜及短路保护电路；定电流源用于提供定电流；电流镜用于在开启时根据定电流产生多个吸取电流(sink currents)，每个吸取电流提供至一相应的灯串的第二端，使流过每个灯串的电流达到平衡，并在关闭时使流过每个灯串的电流为零；短路保护电路用于在检测到任一灯串的第二端的电压超过临界值时输出短路信号；调光电路用于接收脉宽调制(PWM)调光信号，在收到短路信号时关闭电流镜，并在未收到短路信号时根据PWM调光信号交替地开启及关闭电流镜。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：
本发明实施例所述的LED光源的驱动电路，通过电流镜使流过LED光源的每个灯串的电流达到平衡，并交替地开启及关闭电流镜以PWM调光方式实现调整LED光源亮度的功能，另外还可通过设定电流镜提供的定电流大小来改变流过灯串的电流大小，且可检测灯串是否有短路以便在灯串发生短路时通过关闭电流镜来保护电路。
附图说明
图1及图2分别是现有的LED光源的驱动电路的电路图；
图3是本发明实施例提供的一种LED光源的驱动电路的电路图；
图4是图3所示调光电路的一替代实施例的电路图；
图5A至图5D是使用图4所示调光电路的LED光源的驱动电路的信号模拟图。
附图中，各标号所代表的组件列表如下：
11～1m：灯串； 21：直流至直流(DC/DC)转换器；
22、220：LED控制器； CH1～CHm：通道端；
FB：反馈控制端； IS1～ISm：电流检测端；
VD1～VDm：电压检测端； 31：定电流源；
32：电流镜； 33：短路保护电路；
34、44：调光电路； C1：电容器；
D1～Dn：发光二极管； D11～D1m：二极管；
M1～Mm：晶体管； Q1、Q3～Q6：晶体管；
Q11～Q1m：第一晶体管； Q2：第二晶体管；
R1～Rm：电阻器； SW1：第一开关；
P11：第一开关的第一端； P12：第一开关的第二端；
P13：第一开关的控制端； SW2：第二开关；
P21：第二开关的第一端； P22：第二开关的第二端；
P23：第二开关的控制端； TL431：可调并联稳压器；
ZD1：齐纳二极管； DIM：脉宽调制调光信号；
Ibase：定电流； I1～Im：吸取电流；
Vdc1、Vdc2：直流电压； Vcc、Vref：直流电压；
Vlb：定电压； Voff：关闭信号；
Vshort：短路信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管(LED)光源的驱动电路的电路图。参见图3，LED光源包括多个灯串11～1m，每个灯串1i均包括多个串联耦接的发光二极管D1～Dn，其中m、n均为正整数，i为1～m中任一正整数。每个灯串1i均具有第一端及第二端，每个灯串1i的第一端均耦接至定电压Vlb来获取所需的电压，这个定电压Vlb可以是如图1所示常见的5V、12V或24V等规格的直流电压Vdc1，或者是将直流电压Vdc1通过DC/DC转换器21升压或降压后的直流电压Vdc2。本领域技术人员应当知道为了让这些灯串11～1m可以正常工作，在每个灯串1i中，发光二极管D1的阳极端应耦接至灯串1i的第一端，发光二极管Dk的阴极端应耦接至发光二极管Dk+1的阳极端，且发光二极管Dn的阴极端应耦接至灯串1i的第二端，其中k为1～(n-1)中任一正整数。
LED光源的驱动电路包括定电流源31、电流镜32、短路保护电路33以及调光电路34。定电流源31用于提供定电流Ibase。在本发明实施例中，定电流源31包括晶体管Q1、电阻器R1和R2以及集成电路TL431，其中集成电路TL431是一种可调并联稳压器(programmable shunt regulator)，相当于崩溃电压可调的齐纳二极管(Zener diode)。定电流源31由直流电压Vref供电，并可通过调整电阻器R2的电阻的大小来调整定电流Ibase的电流的大小。
电流镜32耦接至定电流源31及每个灯串1i的第二端，用于在开启时根据定电流Ibase产生多个吸取电流I1～Im，每个吸取电流Ii提供至相应的灯串1i的第二端，使流过每个灯串1i的电流达到平衡，并在关闭时使流过每个灯串1i的电流为零。在本发明实施例中，电流镜32包括多个匹配的第一晶体管Q11～Q1m及第二晶体管Q2，每个第一晶体管Q1i及第二晶体管Q2均为NPN双极性晶体管并具有第一端(即集电极端)、第二端(即发射极端)及控制端(即基极端)；但并非仅限于此，例如每个第一晶体管Q1i及第二晶体管Q2还可均为N通道场效应晶体管。每个第一晶体管Q1i的第一端耦接至相应的灯串1i的第二端，以提供相应的吸取电流Ii至相应的灯串1i的第二端，第二晶体管Q2的第一端耦接至第二晶体管Q2的控制端而连接成二极管晶体管(diode-connected transistor)，且第二晶体管Q2的第一端还耦接至定电流源31以接收定电流Ibase，每个第一晶体管Q1i及第二晶体管Q2的第二端均耦接至接地，每个第一晶体管Q1i及第二晶体管Q2的控制端彼此耦接。电流镜32在开启时由于第一晶体管Q11～Q1m匹配的缘故，流入第一晶体管Q11～Q1m的吸取电流I1～Im会相等或在一定误差范围内(即达到电流平衡)，迫使流过每个灯串1i的电流同样达到平衡，使灯串11～1m得以提供均匀的亮度。另外，可通过将第二晶体管Q2的控制端耦接至接地，使第二晶体管Q2及每个第一晶体管Q1i均截止，达到关闭电流镜32的功能。
短路保护电路33耦接至每个灯串1i的第二端，用于在检测到灯串11～1m中任一灯串的第二端的电压超过临界值时输出短路信号Vshort。在本发明实施例中，短路保护电路33包括多个二极管D11～D1m、齐纳二极管ZD1、用于分压的电阻器R3和R4以及用于稳压的电容器C1。由于只通过一个齐纳二极管ZD1检测这些灯串11～1m中是否有短路，灯串11～1m的第二端均需耦接至齐纳二极管ZD1的阴极端，为了避免灯串11～1m的第二端上的电压电流彼此干扰，在每个灯串1i的第二端及齐纳二极管ZD1的阴极端之间加上相应的二极管D1i。当灯串11～1m中任一灯串(如灯串11)的第二端的电压超过临界值，而使得齐纳二极管ZD1崩溃时，灯串11的第二端的电压减去二极管D11的正向偏压及齐纳二极管ZD1的崩溃电压后的压降，将落在电阻器R3和R4，设计使电阻器R4分得的电压(即短路信号Vshort)为高电平，因此相当于短路保护电路33输出短路信号Vshort。当灯串11～1m中任一灯串的第二端的电压未超过临界值而无法使齐纳二极管ZD1崩溃时，将没有压降落在电阻器R3和R4，电阻器R4分得的电压(即短路信号Vshort)为零或低电平，因此相当于短路保护电路33未输出短路信号Vshort。另外，可通过使用不同崩溃电压的齐纳二极管来设计临界值的大小，即设计当灯串中有多少个发光二极管短路时才输出短路信号Vshort。
调光电路34耦接至电流镜32及短路保护电路33，用于接收脉宽调制(PWM)调光信号DIM(以下简称调光信号DIM)，在收到短路信号Vshort时关闭电流镜32，并在未收到短路信号Vshort时根据调光信号DIM交替地开启及关闭电流镜32。在调光电路34根据调光信号DIM交替地开启及关闭电流镜32时，灯串11～1m将一下发光(亮)一下不发光(暗)，若亮暗的切换频率在100Hz以上，人眼将因视觉暂留的影响而感觉不到亮暗的变化，只能感觉到这个变化的平均值，即人眼只能感受到平均亮度且这个平均亮度与亮暗的比例成正比。因此，可通过调整调光信号DIM的占空比(duty cycle)来调整电流镜32开启及关闭的时间比例，进而调整灯串11～1m亮暗的比例，实现调整LED光源亮度的调光效果。
在本发明实施例中，调光电路34包括第一开关SW1以及第二开关SW2，其中第一开关SW1具有第一端P11、第二端P12及控制端P13，第二开关SW2具有第一端P21、第二端P22及控制端P23。第一开关SW1的第一端P11接收调光信号DIM，第一开关SW1的第二端P12耦接至第二开关SW2的控制端P23，第一开关SW1的控制端P13耦接至短路保护电路33以接收短路信号Vshort。第二开关SW2的第一端P21耦接至电流镜32，第二开关SW2的第二端P22接收关闭信号Voff，第二开关SW2的控制端P23耦接至第一开关SW1的第二端P12。
在第一开关SW1的控制端P13收到短路信号Vshort时，第一开关SW1不导通(即第一端P11及第二端P12不连接)，第二开关SW2因控制端P23未收到任何信号而导通(即第一端P21及第二端P22连接)，此时电流镜32因收到关闭信号Voff而关闭。在第一开关SW1的控制端P13未收到短路信号Vshort时，第一开关SW1导通(即第一端P11及第二端P12连接)，第二开关SW2因控制端P23收到调光信号DIM而根据调光信号DIM交替地不导通及导通，其中在第二开关SW2不导通时，电流镜32因未收到关闭信号Voff而开启，在第二开关SW2导通时，电流镜32因收到关闭信号Voff而关闭。在本发明实施例中，通过将电流镜32的第二晶体管Q2的控制端耦接至接地来实现电流镜32收到关闭信号Voff的样态，并通过将电流镜32的第二晶体管Q2控制端不再耦接至接地来实现电流镜32未收到关闭信号Voff的样态。
图4是图3所示调光电路34的一替代实施例的电路图。同时参见图3及图4，调光电路44包括第一开关SW1以及第二开关SW2。调光电路44的第一开关SW1及第二开关SW2所具有的三个端点及这些端点对外耦接关系与调光电路34的第一开关SW1及第二开关SW2相同，此处不再赘述。在调光电路44中，第一开关SW1包括电阻器R5～R8以及晶体管Q3和Q4，第二开关SW2包括电阻器R9以及晶体管Q5和Q6，而电阻器R5、R8和R9用于限流以保护电路。下面将针对调光电路44的第一开关SW1及第二开关SW2的工作原理及所具有的功能进行说明。
在第一开关SW1的控制端P13收到短路信号Vshort时(此时短路信号Vshort为高电平)，晶体管Q4因控制端收到高电平的信号而导通，晶体管Q3因控制端耦接至接地而截止，因此第一开关SW1不导通。此时，晶体管Q5因控制端未收到任何信号而截止，晶体管Q6因控制端收到高电平的直流电压Vcc而导通，因此第二开关SW2导通，使电流镜32因收到关闭信号Voff而关闭。在第一开关SW1的控制端P13未收到短路信号Vshort时(此时短路信号Vshort为低电平)，晶体管Q4因控制端收到低电平的信号而截止，晶体管Q3将根据调光信号DIM交替地不导通及导通，即在调光信号DIM为低电平时，晶体管Q3因控制端收到低电平的信号而截止，而在调光信号DIM为高电平时，晶体管Q3因控制端所收到电阻器R7分得的电压为高电平而导通，因此第一开关SW1根据调光信号DIM交替地不导通及导通。在第一开关SW1不导通时，晶体管Q5截止而晶体管Q6导通，因此第二开关SW2导通，使电流镜32因收到关闭信号Voff而关闭；反之，在第一开关SW1导通时，晶体管Q5因控制端收到高电平的调光信号DIM而导通，晶体管Q6因控制端耦接至接地而截止，因此第二开关SW2不导通，使电流镜32因未收到关闭信号Voff而开启。
图5A至图5D是使用图4所示调光电路44的LED光源的驱动电路的信号模拟图。同时参见图3、图4及图5A至图5D，此模拟使用的LED光源包括6个灯串，每个灯串包括13个发光二极管，理想上每个发光二极管正向导通偏压为3.3V、导通电流为20mA，因此理想上每个灯串正向导通偏压约为43V(＝3.3V×13)、导通电流为20mA。另模拟实际上每个发光二极管正向导通偏压均有误差，使得实际上每个灯串具有不同的正向导通偏压。在图5A中，定电流源31由5V的直流电压Vref供电后可提供20mA的定电流Ibase。在图5B中，电流镜32在开启时根据定电流Ibase产生吸取电流I1～I6提供至各自相应的灯串，从图中可知通过电流镜32的均流功能，吸取电流I1～I6及定电流Ibase彼此几乎相等或在一误差范围内，而吸取电流I1～I6将迫使这些具有不同正向导通偏压的灯串所流过的电流彼此几乎相等或在一误差范围内，因此有相当好的均流或电流平衡效果。在图5C中，电流镜32根据调光信号DIM交替地开启及关闭，在开启时如图5B一样流过这些灯串的电流彼此几乎相等或在一误差范围内，而在关闭时流过这些灯串的电流均为零。在图5D中，当这些灯串中没有灯串的第二端的电压超过临界值时，短路保护电路33未输出短路信号Vshort(此时短路信号Vshort为低电平)，调光电路34在未收到短路信号Vshort时将根据调光信号DIM交替地开启及关闭电流镜32，因此流过这些灯串的电流如图5C一样；当这些灯串中任一灯串的第二端的电压超过临界值时，短路保护电路33输出短路信号Vshort(此时短路信号Vshort变为高电平)，调光电路34在收到短路信号Vshort时将关闭电流镜32，因此流过这些灯串的电流均为零。
综上所述，本发明实施例所述的LED光源的驱动电路，通过电流镜使流过LED光源的每个灯串的电流达到平衡，并交替地开启及关闭电流镜以PWM调光方式实现调整LED光源亮度的功能，另外还可通过设定电流镜提供的定电流大小来改变流过灯串的电流大小，且可检测灯串是否有短路以便在灯串发生短路时通过关闭电流镜来保护电路。本发明实施例所述的LED光源的驱动电路，由于不需要采用专用的LED控制器，且驱动电路架构相当简单，所以可大幅降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种发光二极管光源的驱动电路，该发光二极管光源包括多个灯串，每个灯串均包括多个串联耦接的发光二极管，每个灯串均具有一第一端及一第二端，每个灯串的第一端均耦接至一定电压，其特征在于，该发光二极管光源的驱动电路包括：
一定电流源，用于提供一定电流；
一电流镜，耦接至该定电流源及每个灯串的第二端，用于在开启时根据该定电流产生多个吸取电流，每个吸取电流提供至一相应的灯串的第二端，使流过每个灯串的电流达到平衡，并在关闭时使流过每个灯串的电流为零；
一短路保护电路，耦接至每个灯串的第二端，用于在检测到任一灯串的第二端的电压超过一临界值时输出一短路信号；以及
一调光电路，耦接至该电流镜及该短路保护电路，用于接收一脉宽调制调光信号，在收到该短路信号时关闭该电流镜，并在未收到该短路信号时，根据该脉宽调制调光信号交替地开启及关闭该电流镜；
其中，该调光电路包括：
一第一开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第一开关的第一端接收该脉宽调制调光信号，该第一开关的控制端耦接至该短路保护电路以接收该短路信号，该第一开关在收到该短路信号时不导通，并在未收到该短路信号时导通；以及
一第二开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第二开关的第一端耦接至该电流镜，该第二开关的第二端接收一关闭信号，该第二开关的控制端耦接至该第一开关的第二端，该第二开关在该第一开关不导通时导通，并在该第一开关导通时根据收到的该脉宽调制调光信号交替地不导通及导通，该电流镜在该第二开关不导通时未收到该关闭信号而开启，并在该第二开关导通时收到该关闭信号而关闭；
或者，该调光电路包括：
一第一开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第一开关的第一端接收该脉宽调制调光信号，该第一开关的控制端耦接至该短路保护电路以接收该短路信号，该第一开关在收到该短路信号时不导通，并在未收到该短路信号时根据该脉宽调制调光信号交替地不导通及导通；以及
一第二开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第二开关的第一端耦接至该电流镜，该第二开关的第二端接收一关闭信号，该第二开关的控制端耦接至该第一开关的第二端，该第二开关在该第一开关不导通时导通，并在该第一开关导通时不导通，该电流镜在该第二开关不导通时未收到该关闭信号而开启，并在该第二开关导通时收到该关闭信号而关闭。
2.如权利要求1所述的发光二极管光源的驱动电路，其特征在于，其中该电流镜包括多个匹配的第一晶体管及一第二晶体管，每个第一晶体管及该第二晶体管均具有一第一端、一第二端及一控制端，每个第一晶体管的第一端耦接至一相应的灯串的第二端，以提供一相应的吸取电流至该相应的灯串的第二端，该第二晶体管的第一端耦接至该第二晶体管的控制端，且该第二晶体管的第一端耦接至该定电流源以接收该定电流，每个第一晶体管及该第二晶体管的第二端均耦接至一接地，每个第一晶体管及该第二晶体管的控制端彼此耦接。
3.如权利要求2所述的发光二极管光源的驱动电路，其特征在于，其中每个第一晶体管及该第二晶体管均为双极性晶体管或均为场效应晶体管。
4.如权利要求2所述的发光二极管光源的驱动电路，其特征在于，其中通过将该第二晶体管的控制端耦接至该接地以关闭该电流镜。
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