CN102098843A

CN102098843A - 一种高精度低功耗的led控制驱动电路

Info

Publication number: CN102098843A
Application number: CN2011100067953A
Authority: CN
Inventors: 邵旭敏; 吴明光
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明公开了一种高精度低功耗的LED控制驱动电路，在峰值电流控制方法的基础上，增加一个电路外环，引入PI控制，形成一种新型LED控制驱动电路。该控制驱动电路与峰值电流控制驱动电路相比，能更精确地控制大功率LED上的正向平均电流，能将控制精度提高15%以上，并且具有更好的启动和负载调节特性；同时，在电流反馈环节采用电阻/运放/场效应管结合的方式组成精密检流放大器，为反馈电阻两端的电压信号产生100V/V左右的检测增益，以此来提供开关转换器所需的反馈电压，这一方案能把反馈电路的损耗降至几十至几百毫瓦，相当于原来功耗的十分之一左右。

Description

一种高精度低功耗的LED控制驱动电路

技术领域

本发明涉及LED的控制驱动领域，尤其涉及一种高精度低功耗的LED控制驱动电路。

背景技术

LED是一种节能、环保、小尺寸、快速、多色彩、长寿命的新型光源，近几年来发展非常迅速，在照明领域应用越来越普遍，尤其是大功率LED的迅速崛起，使得LED成为下一代照明光源成为必然。因此，针对大功率LED的控制和驱动研究也成为了业界热点。目前，国内大功率LED的照明控制驱动器存在两个问题：1. 控制精度不高；2. 控制驱动器本身的功耗过大。其原因分析如下：

1. 控制精度不高。

目前大功率LED的控制驱动电路主要有两种：Buck驱动电路和Boost驱动电路，其电路基本结构分别如图3、5所示。

Buck驱动电路的工作原理：在每个开关周期开始时，反馈电压

Figure 2011100067953100002DEST_PATH_IMAGE001

小于

，RS触发器的S端置位使得开关管导通，电感电流L随之增加；当反馈电压Vs大于

时，PWM比较器输出状态翻转，RS触发器复位，驱动信号为低，开关管截止，电感电流L随之减小。周而复始，使得流经LED的电感电流在设定值附近上下波动，实现较为精确的电流反馈控制。

(1)

这种控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的降压控制方法，所需的驱动电压一般小于Vin，通过PWM的占空比来控制流经LED平均电流。

Buck驱动电路相应信号瞬态波形图如图4所示。

这种电路存在次谐波振荡，因此需要对电感电流进行斜坡补偿。当检测电流信号上升率不够大、占空比大于50%时，如果没有叠加斜坡补偿信号，电感电流将不稳定，系统的抗干扰性变差。

Boost驱动电路的工作原理：在每个开关周期的开始，反馈小于基准电压

，RS触发器由固定频率的脉冲信号置位，开关管S也按照一定的频率导通，LED两端的电压增大，电流随之增大；当反馈

大于基准电压

时，PWM比较器输出状态翻转，RS触发器复位，驱动信号为低，开关管截止，电感电流L随之减小。周而复始，使得流经LED的电感电流在设定值

附近上下波动，实现较为精确的电流反馈控制。

Figure 2011100067953100002DEST_PATH_IMAGE007

(2)

这种控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的升压控制方法，所需的驱动电压一般大于Vin，通过PWM的占空比来控制流经LED平均电流。Boost驱动电路相应信号瞬态波形图如图4所示。

大功率LED发光亮度调节的实质就是调节其正向平均电流，现有的Buck和Boost驱动电路均采用峰值电流控制方式来控制和驱动大功率LED，这些方法都只能控制LED的峰值电流，与亮度要求的平均电流存在一定的误差，因此导致了LED亮度控制精度不高。

2. 控制驱动器本身的功耗过大。

作为节能光源的LED，其功耗能做到目前荧光灯的50%左右，这是非常大的优势，但遗憾的是，其控制驱动器的功耗会将其优势抵消，其原因主要是反馈电阻的功耗过大。以驱动3W的LED为例。一般的控制驱动器通常需要一个0.8V至1.3V的反馈电压，用于调节流过LED的电流。用来建立该电压的电流测量电路通常是与LED串联的一个小电阻，这类的反馈电阻阻值一般在0.2-0.4欧姆之间。电阻两端的电压作为反馈电压，可以为LED维持恒流供电。在这种架构下检流电阻的功耗能达到3W到4W，这样就完全抵消了LED光源原有的节能优势。

基于目前LED控制驱动器存在的问题，有必要探索和研究一种新的控制驱动电路，提高控制精度并有效降低功耗。

发明内容

本发明的目的是针对现有的LED控制驱动电路存在的不足，提供了一种高精度低功耗的LED控制驱动电路。

高精度低功耗的LED控制驱动电路包括锁存单元、升/降压驱动单元、直流电源、时钟信号单元、斜坡补偿单元、信号比较单元、LED负载单元和反馈控制单元，升/降压驱动单元分别与锁存单元、LED负载单元、直流电源相连接，信号比较单元分别与斜坡补偿单元、锁存单元、反馈控制单元相连接，时钟信号单元与锁存单元相连接，反馈控制单元与LED负载单元相连接。

所述反馈控制单元的电路为：第一电阻的一端与反馈电压的负端相连接，另一端与第一运放的正向输入端相连接，第二电阻的一端与反馈电压的正端相连接，另一端与第一运放的反向输入端相连接后与P沟道场效应管的源级相连接，第一运放的输出端与P沟道场效应管的栅级相连接，P沟道场效应管的漏级与第四电阻的一端相连接后与第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端和第六电阻的一端相连接后与第二运放的正向输入端相连接，第六电阻的另一端接地，第五电阻的一端和基准电压输入端Vref相连接，另一端与第七电阻的一端相连接后与第二运放的反向输入端相连接，第七电阻的另一端与第二运放的输出端相连接后与第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端与第三运放的反向输入端相连接后与第九电阻的一端相连接，第九电阻的另一端与第一电容的一端相连接，第一电容的另一端与第三运放的输出端相连接，第三运放的正向输入端和第十电阻的一端相连接，第十电阻的另一端接地。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1）在峰值电流控制方法的基础上，增加一个电路外环，引入PI控制，形成一种新型的LED控制驱动电路。该控制驱动电路与峰值电流控制驱动电路相比，能更精确地控制大功率LED上的正向平均电流，能将控制精度提高15%以上，并且具有更好的启动和负载调节特性。

2）在电流反馈环节采用电阻/运放/场效应管结合的方式组成精密检流放大器，为反馈电阻两端的电压信号产生100V/V左右的检测增益，以此来提供开关转换器所需的反馈电压，这一方案能把反馈电路的损耗降至几十至几百毫瓦，相当于原来功耗的十分之一左右。

附图说明

图1是高精度低功耗的LED控制驱动电路系统电路框图；图2是本发明的反馈控制单元的电路图；图3是Buck驱动电路原理图；图4是Buck驱动电路相应信号瞬态波形图；图5是Boost驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术路线。

如图1所示，高精度低功耗的LED控制驱动电路包括锁存单元、升/降压驱动单元、直流电源、时钟信号单元、斜坡补偿单元、信号比较单元、LED负载单元和反馈控制单元，升/降压驱动单元分别与锁存单元、LED负载单元、直流电源相连接，信号比较单元分别与斜坡补偿单元、锁存单元、反馈控制单元相连接，时钟信号单元与锁存单元相连接。

如图2所示，高精度低功耗的LED控制驱动电路的反馈控制单元的连接关系为：第一电阻的一端与反馈电压的负端相连接，另一端与第一运放的正向输入端相连接，第二电阻的一端与反馈电压的正端相连接，另一端与第一运放的反向输入端相连接后与P沟道场效应管的源级相连接，第一运放的输出端与P沟道场效应管的栅级相连接，P沟道场效应管的漏级与第四电阻的一端相连接后与第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端和第六电阻的一端相连接后与第二运放的反向输入端相连接，第六电阻的另一端接地，第五电阻的一端和基准电压输入端Vref相连接，另一端与第七电阻的一端相连接后与第二运放的正向输入端相连接，第七电阻的另一端与第二运放的输出端相连接后与第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端与第三运放的反向输入端相连接后与第九电阻的一端相连接，第九电阻的另一端与第一电容的一端相连接，第一电容的另一端与第三运放的输出端相连接，第三运放的正向输入端和第十电阻的一端相连接，第十电阻的另一端接地。A1使用OP-05测量用运算放大器，A2和A3使用CA3140高输入阻抗运算放大器，P沟道场效应管型号采用IRF9541。

高精度低功耗的LED控制驱动电路实现高精度控制和低功耗驱动，关键就在于反馈控制单元的设计。在峰值电流控制方法的基础上，在反馈控制单元增加一个电路外环，引入PI控制，形成一种新型的LED控制驱动电路。该控制驱动电路与峰值电流控制驱动电路相比，能更精确地控制大功率LED上的正向平均电流，能将控制精度提高15%以上，并且具有更好的启动和负载调节特性。

PI参数整定如下：

(3)

Figure 2011100067953100002DEST_PATH_IMAGE009

(4)

令

，则

则

，

Figure 2011100067953100002DEST_PATH_IMAGE013

选择适当的

，

Figure 2011100067953100002DEST_PATH_IMAGE015

，

值就能得到所需的P值和I值。

在电流反馈环节采用电阻/运放/场效应管结合的方式组成精密检流放大器，为反馈电阻两端的电压信号产生KV/V的检测增益(K值在100左右)，以此来提供开关转换器所需的反馈电压。

(5)

因此反馈电阻可以阻值非常小，甚至可以用电路板上一段覆铜导线作为反馈电阻来检测电流，成本几乎为零，通常情况下，一段1mm宽36um厚2.6cm长的覆铜导线阻值为12.65m，这一方案能把反馈电路的损耗降至几十至几百毫瓦，相当于原来功耗的十分之一左右。

Claims

1.一种高精度低功耗的LED控制驱动电路，其特征在于包括锁存单元、升/降压驱动单元、直流电源、时钟信号单元、斜坡补偿单元、信号比较单元、LED负载单元和反馈控制单元，升/降压驱动单元分别与锁存单元、LED负载单元、直流电源相连接，信号比较单元分别与斜坡补偿单元、锁存单元、反馈控制单元相连接，时钟信号单元与锁存单元相连接，反馈控制单元与LED负载单元相连接，反馈控制单元将LED负载单元的电流信号反馈到信号比较单元，通过斜坡补偿单元的信号补偿和基准电压进行比较，将比较结果传到锁存单元，信号到达锁存单元之后与时钟信号共同作用于锁存单元的两个输入端，从而实现控制输出端直流电压的占空比，升/降压驱动单元根据这个占空比控制直流电源的输出平均电流，这个电流也是LED负载单元的工作电流，通过控制这个电流的大小来控制LED负载单元的功率。

2.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗的LED控制驱动电路，其特征在于所述的反馈控制单元的电路为：第一电阻（R1）的一端与反馈电压的负端相连接，另一端与第一运放（A1）的正向输入端相连接，第二电阻（R2）的一端与反馈电压的正端相连接，另一端与第一运放（A1）的反向输入端相连接后与P沟道场效应管的源级相连接，第一运放（A1）的输出端与P沟道场效应管的栅级相连接，P沟道场效应管的漏级与第四电阻（R4）的一端相连接后与第三电阻（R3）的一端相连接，第三电阻（R3）的另一端接地，第四电阻（R4）的另一端和第六电阻（R6）的一端相连接后与第二运放（A2）的正向输入端相连接，第六电阻（R6）的另一端接地，第五电阻（R5）的一端和基准电压输入端Vref相连接，另一端与第七电阻（R7）的一端相连接后与第二运放（A2）的反向输入端相连接，第七电阻（R7）的另一端与第二运放（A2）的输出端相连接后与第八电阻（R8）的一端相连接，第八电阻（R8）的另一端与第三运放（A3）的反向输入端相连接后与第九电阻（R9）的一端相连接，第九电阻（R9）的另一端与第一电容（C1）的一端相连接，第一电容（C1）的另一端与第三运放（A3）的输出端相连接，第三运放（A3）的正向输入端和第十电阻（R10）的一端相连接，第十电阻（R10）的另一端接地。