CN102223749B - 一种插入式多功能led驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种插入式多功能LED驱动电路，包括主回路和多功能控制电路，所述主回路包括输入电容、N-MOS管、限流电阻、稳压二极管、电感、输出电容和负载发光二极管组，所述输入电容与输入直流电压并联，所述N-MOS管的漏极同时与输入直流电压的正端、限流电阻的一端相连，所述限流电阻的另一端与稳压二极管的阴极连接，所述N-MOS管的源极同时与稳压二极管的阳极、电感的一端相连，电感的另一端同时与输出电容的一端、输出电压的正端相连，输出电容的另一端同时与输入直流电压的负端、输出电压的负端相连；所述负载发光二极管组的阳极与输出电压的正端相连，其阴极与输出电压的负端相连；所述主回路与控制其工作状态的多功能控制电路相连。

Description

一种插入式多功能LED驱动电路

技术领域

本发明涉及一种插入式多功能接口电路，特别是涉及一种插入式多功能LED驱动电路。

背景技术

LED属全固体冷光源，具有亮度高、耗电量低、寿命长、体积小、无需暖灯时间、反应速度快、耐震动、耐侯性好、适合量产、环保、可回收再利用等优点，特别适合可靠性要求较高的照明场合。在照明应用中，常见的是多个LED一起工作，可以采用串联、并联以及串并混联的连接结构。目前现有许多电源都不能用来直接“点亮”这些LED，还需要一些专门的驱动电路。采用插入式接口电路作为LED驱动电路可解决不同电源和不同LED之间的匹配问题，是一种低成本、高可靠性的可行方案。

图1所示的插入式接口电路由功率主回路和控制回路2部分组成。主回路结构非常简单，主要由输入电容Ci，N-MOS管S1，电感L1，和输出电容Co组成。电路的输入直流电压源Vi与Ci并联，S1的源极与Vi的正端相连，S1的漏极与L1的一端相连，L1的另一端同时与Co的一端及输出电压Vo的正端相连，Co的另一端同时与Vi的负端及Vo的负端相连。当控制回路采用包括电流控制在内的多功能控制电路时，整个电路可实现对LED的驱动和保护功能。负载发光二极管LED1至LEDn阴极-阳极两两相串联并并联于Vo两端，LED1的阳极与Vo的正端相连，LEDn的阴极与Vo的负端相连。多功能控制电路的6个外接端口Vi，vs1，vg1，vsen1，Vo和Gnd分别与主回路的Vi正端，S1源极，S1门极，电感电流检测端口vsen1，Vo正端和Vi负端相连。若该电路采用多重多相的形式还能实现多路电源或多路LED的均流。但是由于电路中S1的体二极管影响，其适用的输入直流电源电压范围较窄，在面对输入直流电源过压故障时对LED的保护能力很有限。

发明内容

本发明要解决现有插入式接口电路适用的输入直流电源电压范围较窄的问题，提供了一种拓宽了输入直流电源电压适用范围的插入式多功能LED驱动电路。

本发明的技术方案：

一种插入式多功能LED驱动电路，包括主回路和多功能控制电路，其特征在于：所述主回路包括输入电容、N-MOS管、限流电阻、稳压二极管、电感、输出电容和负载发光二极管组，所述输入电容与输入直流电压并联，所述N-MOS管的漏极同时与输入直流电压的正端、限流电阻的一端相连，所述限流电阻的另一端与稳压二极管的阴极连接，所述N-MOS管的源极同时与稳压二极管的阳极、电感的一端相连，电感的另一端同时与输出电容的一端、输出电压的正端相连，输出电容的另一端同时与输入直流电压的负端、输出电压的负端相连；所述负载发光二极管组由LED1至LEDn阴极-阳极两两相串联组成，所述负载发光二极管组的阳极与输出电压的正端相连，其阴极与输出电压的负端相连；

所述主回路与控制其工作状态的多功能控制电路相连，所述主回路的输入直流电压正端、N-MOS管的源极、N-MOS管的门极、电感电流的检测端口、输出电压的正端、输入直流电压负端分别与多功能控制电路上的相应的外接端口相连。

进一步，所述多功能控制电路包括辅助电源、电流检测电路、电流控制电路、输入电压检测电路、输出电压检测电路、电压控制电路、逻辑控制电路、MOS管驱动电路，

所述辅助电源用于提供控制电路其余部分工作所需的各种直流电源电压以及各种参考电压，根据实际需要可对输入直流电压进行升压或降压的变换处理；

所述电流检测电路用于接收已转换成电压信号的主回路电感电流信息并作适当处理，再把检测结果输送给电流控制电路；

所述电流控制电路用于将从电流检测电路接收到的检测结果与相应的参考电压进行比较并输出比较结果给逻辑控制电路；

所述输入和输出电压检测电路分别对输入直流电压和输出电压作检测并作适当处理，再把检测结果输送给电压控制电路；

所述电压控制电路用于将从输入和输出电压检测电路接收到的检测结果与相应的参考电压进行比较并输出比较结果给逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路用于接收并整合电流和电压控制电路的输出结果，最终给出MOS管开或关的驱动指令以及主回路工作状态的提示或告警；

所述MOS管驱动电路用于执行逻辑控制电路的MOS管驱动指令，控制N-MOS管的工作状态。

本发明的技术构思为：为消除N-MOS管体二极管的影响，采用稳压二极管和限流电阻串联支路与N-MOS管的漏源极并联的结构代替原有的单个MOS管，且调整N-MOS管漏源极与输入直流电压和电感的接法，即N-MOS管的漏极同时与输入直流电压的正端及限流电阻的一端相连，N-MOS管的源极同时与稳压二极管的阳极及电感的一端相连。

本发明的主回路在工作正常状态下可恒流驱动N个LED(即LED1至LEDn)并可调节亮度，在工作故障状态下(即输入过压及过流、输入欠压或LED断路、LED短路等)可实现必要的提示告警和保护功能。主回路的工作状态由多功能控制电路控制，多功能控制电路采用的控制策略如下：

整个插入式多功能LED驱动电路启动后检测输入直流电压、输出电压和电感电流，得到相应的Vvi、Vvo和vcsen1。辅助电源提供电压控制电路所需的参考电压Vvref1和Vvref2，电流控制电路所需的参考电压Vcref1、Vcref2、Vcref3和Vcref4(Vcref1＞Vcref3＞Vcref4＞Vcref2)。电路执行状态判断功能，若Vvo＜Vvref1且vcsen1＞Vcref2，则提示并告警LED短路故障；若Vvo≤Vvref2且vcsen1＞Vcref1，则提示并告警输入过压及过流故障；若Vvo≤Vvi且vcsen1＜Vcref2，则提示并告警输入欠压或LED断路故障；其他的情况，则提示工作正常。同时电路执行开关控制功能，若vcsen1＞Vcref3，则关断N-MOS管；若vcsen1＜Vcref4，则开通N-MOS管；其他情况，则保持N-MOS管原有状态。

本发明所述的插入式多功能LED驱动电路由主回路和多功能控制电路组成，可实现LED恒流驱动，调光，输入过压及过流、输入欠压或LED断路、LED短路等故障的提示告警和保护。该插入式多功能LED驱动电路中的MOS管除了可以是N-MOS管还可以是P-MOS管，MOS管的位置除了可以位于高端还可以位于低端，限流电阻和稳压二极管的位置可互换，电流检测端口除了可以是电感电流检测端口还可以是LED电流检测端口。

本发明的有益效果主要表现在：插入式接口电路输入直流电源电压的适用范围宽，对LED的过压保护能力强，可为LED提供一种体积小、成本低、可靠性高的驱动和保护方案，非常适合环境恶劣的场合。

附图说明

图1是现有的负载为LED的插入式接口电路图。

图2是本发明的电路图。

图3是本发明的多功能控制电路的框图。

图4是本发明的多功能控制电路的控制流程图。

图5是本发明的一种具体实施例的电路图。

图6是本发明的一种具体实施例电路工作正常时的波形图。

具体实施方式

参照图2-4，一种插入式多功能LED驱动电路，包括主回路1和多功能控制电路2，所述主回路包括输入电容Ci、N-MOS管S1、限流电阻R1、稳压二极管Z1、电感L1、输出电容Co和负载发光二极管组，所述输入电容Ci与输入直流电压Vi并联，所述N-MOS管S1的漏极同时与输入直流电压Vi的正端、限流电阻R1的一端相连，所述限流电阻R1的另一端与稳压二极管Z1的阴极连接，所述N-MOS管S1的源极同时与稳压二极管Z1的阳极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端同时与输出电容Co的一端、输出电压Vo的正端相连，输出电容Co的另一端同时与输入直流电压Vi的负端、输出电压Vo的负端相连；所述负载发光二极管组由LED1至LEDn阴极-阳极两两相串联组成，所述负载发光二极管组的阳极与输出电压Vo的正端相连，其阴极与输出电压Vo的负端相连；

所述主回路1与控制其工作状态的多功能控制电路2相连，所述主回路1的输入直流电压Vi正端、N-MOS管S1的源极、N-MOS管S1的门极、电感L1电流iL1的检测端口、输出电压Vo的正端、输入直流电压Vi负端分别与多功能控制电路2上的相应的外接端口相连。

所述多功能控制电路2包括辅助电源21、电流检测电路24、电流控制电路26、输入电压检测电路22、输出电压检测电路27、电压控制电路28、逻辑控制电路25、MOS管驱动电路23，

所述辅助电源21用于提供控制电路其余部分工作所需的各种直流电源电压以及各种参考电压，根据实际需要可对输入直流电压进行升压或降压的变换处理；

所述电流检测电路24用于接收已转换成电压信号的主回路1电感L1电流iL1信息并作适当处理，再把检测结果输送给电流控制电路26；

所述电流控制电路26用于将从电流检测电路24接收到的检测结果与相应的参考电压进行比较并输出比较结果给逻辑控制电路25；

所述输入电压检测电路22和输出电压检测电路27分别对输入直流电压Vi和输出电压Vo作检测并作适当处理，再把检测结果输送给电压控制电路28；

所述电压控制电路28用于将从输入电压检测电路22和输出电压检测电路27接收到的检测结果与相应的参考电压进行比较并输出比较结果给逻辑控制电路25；

所述逻辑控制电路25用于接收并整合电流控制电路26和电压控制电路28的输出结果，最终给出MOS管开或关的驱动指令以及主回路1工作状态的提示或告警；

所述MOS管驱动电路23用于执行逻辑控制电路25的MOS管驱动指令，控制N-MOS管S1的工作状态。

本发明的主回路1在工作正常状态下可恒流驱动N个LED(即LED1至LEDn)并可调节亮度，在工作故障状态下(即输入过压及过流、输入欠压或LED断路、LED短路等)可实现必要的提示告警和保护功能。主回路1的工作状态由多功能控制电路2控制。

所述主回路1的一种具体实例的电路图如图5，包括输入电容Ci、N-MOS管S1、限流电阻R1、稳压二极管Z1、电感L1、输出电容Co、负载发光二极管组和电流检测电阻Rcs1，所述输入电容Ci与输入直流电压Vi并联，所述N-MOS管S1的漏极同时与输入直流电压Vi的正端、限流电阻R1的一端相连，所述限流电阻R1的另一端与稳压二极管Z1的阴极连接，所述N-MOS管S1的源极同时与稳压二极管Z1的阳极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端同时与输出电容Co的一端、输出电压Vo的正端相连，所述输出电容Co的另一端同时与输出电压Vo的负端、电流检测电阻Rcs1的一端相连，所述电流检测电阻的另一端与输入直流电压Vi的负端相连；所述负载发光二极管组由LED1至LEDn阴极-阳极两两相串联组成，所述负载发光二极管组的阳极与输出电压Vo的正端相连，其阴极与输出电压Vo的负端相连；

所述多功能控制电路2的一种具体实例的电路图如图5，所述辅助电源21把输入直流电压Vi转换成Vcc和Vdd以满足控制电路其余部分的供电需要(Vcc给电流检测、电压控制、电流控制、逻辑控制4个电路供电，Vdd给MOS管驱动电路供电)，产生电压控制电路所需的参考电压Vvref1和Vvref2，产生电流控制电路所需的参考电压Vcref1、Vcref2、Vcref3和Vcref4(Vcref1＞Vcref3＞Vcref4＞Vcref2)。输入电压检测电路22由电阻Rv1和Rv2，电容Cv1组成。主回路1的Vi接口与Rv1的一端相连，Rv1的另一端与RV2和Cv1并联支路的一端相连并输出电压Vvi，RV2和Cv1并联支路的另一端与主回路1的Gnd接口相连。输出电压检测电路27由电阻Rv3和Rv4，电容Cv2组成。主回路1的Vo接口与Rv3的一端相连，Rv3的另一端与RV4和Cv2并联支路的一端相连并输出电压Vvo，RV4和Cv2并联支路的另一端与主回路1的Gnd接口相连。电流检测电路24由运算放大器U1、电阻Rc1和Rc2、电容Cc1组成。主回路1的vsen1接口与U1的正相输入端相连，Rc1的一端与U1的输出端相连，Rc1的另一端同时与U1的反相输入端、Rc2和Cc1并联支路的一端相连，Rc2和Cc1并联支路的另一端与主回路1的Gnd接口相连，U1输出电压vcsen1。电压控制电路28由比较器U2、U3和U4组成。参考电压Vvref1接于U2的正相输入端，参考电压Vvref2接于U3的正相输入端，输入电压检测电路22的输出Vvi接于U4的正相输入端，输出电压检测电路27的输出Vvo同时接于U2、U3和U4的反相输入端。电流控制电路26采用滞环比较控制方法，由比较器U5、U6、U7和U8组成。电流检测电路24的输出vcsen1同时接于U5、U6和U7的正相输入端和U8的反相输入端，参考电压Vcref2接于U5的反相输入端，参考电压Vcref1接于U6的反相输入端，参考电压Vcsref3接于U7的反相输入端，参考电压Vcref4接于U8的正相输入端。逻辑控制电路25由与门U9、U10和U11，或非门U12，RS触发器U13和工作状态提示告警电路组成。U2的输出端接于U9的一个输入端，U5的输出端接于U9的另一个输入端。U3的输出端接于U10的一个输入端，U6的输出端接于U10的另一个输入端。U4的输出端接于U11的一个输入端，U5的输出端还同时接于U11的另一个输入端(反相)。U9、U10和U11的输出端分别接于U12的3个输入端。U9、U10、U11和U12的输出端与工作状态提示告警电路相连，U9输出高电平代表整个电路存在LED短路故障，U10输出高电平代表整个电路存在输入过压及过流故障，U11输出高电平代表整个电路存在输入欠压或LED断路故障，U12输出高电平代表整个电路工作正常。U7的输出端接于U13的清零输入端R(高电平有效)，U8的输出端接于U13的置位输入端S(高电平有效)。MOS管驱动电路23是一个满足S1驱动要求的电平转换电路，U13的反相输出端/Q接于电平转换电路的反相输入端，电平转换电路的1对差分输出端分别与主回路1的vg1和vs1接点相连。

图5所示实施例电路的工作原理大致如下：

(1)电路工作正常时，U9、U10、U11输出低电平，U12输出高电平，工作状态提示告警电路显示电路工作正常。当vcsen1＜Vcref4时，控制电路驱动S1导通，主回路中Vi、Ci、S1、L1、Co以及LED1至LEDn形成回路，vL1＝Vi-Vo＞0，L1充电，iL1增加，vcsen1随之增加。当vcsen1＞Vcref3时，控制电路驱动S1截止，主回路中Vi、Ci、R1、Z1、L1、Co以及LED1至LEDn形成回路，电感L1两端电压vL1≈Vi-Vz-Vo＜0(Vz为稳压二极管Z1的反向击穿电压)，L1放电，iL1减小，vcsen1随之减小直至vcsen1＜Vcref4，S1再次被导通，电路进入下一个循环周期。采用滞环控制方法，iL1的变化被限定在一个区间内，通过Co的滤波作用实现恒流Io驱动LED1至LEDn。电路主要工作波形如图6所示。当改变Vcref3和Vcref4的值，可实现LED调光功能。

(2)电路工作异常时，若只是Vvo＜Vvref1和vcsen1＞Vcref2，U9输出高电平，U10、U11和U12输出低电平，工作状态提示告警电路显示LED短路故障。但是由于滞环控制的作用，电路仍可实现(Vcref2＜)Vcref4≤vcsen1≤Vcref3。故除了短路的LED，其余正常的LED仍可被恒流Io驱动。若只是Vvo≤Vvref2和vcsen1＞Vcref1，U10输出高电平，U9、U11和U12输出低电平，工作状态提示告警电路显示输入过压及过流故障。由于vcsen1＞Vcref1(＞Vcref3)，S1被截止，主回路中仅Vi、Ci、R1、Z1、L1、Co以及LED1至LEDn形成回路，这时R1可起到一定的限流保护作用。若只是Vvo≤Vvi和vcsen1＜Vcref2，U11输出高电平，U9、U10和U12输出低电平，工作状态提示告警电路显示输入欠压或LED断路故障。由于vcsen1＜Vcref2(＜Vcref4)，S1被导通。如果是输入欠压，主回路中仅Vi、Ci、S1、L1、Co以及LED1至LEDn形成回路。如果是LED断路，主回路中仅Vi、Ci、S1、L1、Co形成回路。以上两种情况，LED都不能被“点亮”。当电路同时发生上述多种故障时，工作状态提示告警电路将会显示全部的故障信息，主回路中S1的开关状态仍受滞环控制。

本发明的图5所示的具体实施例电路工作正常时的波形图，见图6。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种插入式多功能LED驱动电路，包括主回路和多功能控制电路，其特征在于：所述主回路包括输入电容、N-MOS管、限流电阻、稳压二极管、电感、输出电容和负载发光二极管组，所述输入电容与输入直流电压并联，所述N-MOS管的漏极同时与输入直流电压的正端、限流电阻的一端相连，所述限流电阻的另一端与稳压二极管的阴极连接，所述N-MOS管的源极同时与稳压二极管的阳极、电感的一端相连，电感的另一端同时与输出电容的一端、输出电压的正端相连，输出电容的另一端同时与输入直流电压的负端、输出电压的负端相连；所述负载发光二极管组由LED1至LEDn阴极-阳极两两相串联组成，所述负载发光二极管组的阳极与输出电压的正端相连，其阴极与输出电压的负端相连；

所述主回路与控制其工作状态的多功能控制电路相连，所述主回路的输入直流电压正端、N-MOS管的源极、N-MOS管的门极、电感电流的检测端口、输出电压的正端、输入直流电压负端分别与多功能控制电路上的相应的外接端口相连；

所述主回路的工作状态由所述多功能控制电路控制，可实现LED恒流驱动，调光，输入过压及过流、输入欠压或LED断路、LED短路等故障的提示告警和保护；

所述插入式多功能LED驱动电路工作正常时，多功能控制电路驱动N-MOS管导通，主回路中输入直流电压、输入电容、N-MOS管、电感、输出电容以及负载发光二极管组形成回路；多功能控制电路驱动N-MOS管截止，主回路中输入直流电压、输入电容、限流电阻、稳压二极管、电感、输出电容以及负载发光二极管组形成回路。

2.根据权利要求1所述的一种插入式多功能LED驱动电路，其特征在于：所述多功能控制电路包括辅助电源、电流检测电路、电流控制电路、输入电压检测电路、输出电压检测电路、电压控制电路、逻辑控制电路、MOS管驱动电路，

所述辅助电源用于提供控制电路其余部分工作所需的各种直流电源电压以及各种参考电压，根据实际需要可对输入直流电压进行升压或降压的变换处理，

所述辅助电源把输入直流电压转换成Vcc和Vdd，Vcc给电流检测电路、电压控制电路、电流控制电路、逻辑控制电路4个电路供电，Vdd给MOS管驱动电路供电，

所述辅助电源产生电压控制电路所需的参考电压Vvref1和Vvref2，产生电流控制电路所需的参考电压Vcref1、Vcref2、Vcref3和Vcref4，其中Vcref1＞Vcref3＞Vcref4＞Vcref2；

所述电流检测电路用于接收已转换成电压信号的主回路电感电流信息并作适当处理，再把检测结果输送给电流控制电路，

所述电流检测电路由运算放大器U1、电阻Rc1和Rc2、电容Cc1组成，主回路的vsen1接口与U1的正相输入端相连，Rc1的一端与U1的输出端相连，Rc1的另一端同时与U1的反相输入端、Rc2和Cc1并联支路的一端相连，Rc2和Cc1并联支路的另一端与主回路的Gnd接口相连，U1输出电压vcsen1；

所述电流控制电路用于将从电流检测电路接收到的检测结果与相应的参考电压进行比较并输出比较结果给逻辑控制电路，

所述电流控制电路由比较器U5、U6、U7和U8组成，电流检测电路的输出vcsen1同时接于U5、U6和U7的正相输入端和U8的反相输入端，参考电压Vcref2接于U5的反相输入端，参考电压Vcref1接于U6的反相输入端，参考电压Vcref3接于U7的反相输入端，参考电压Vcref4接于U8的正相输入端；

所述输入和输出电压检测电路分别对输入直流电压和输出电压作检测并作适当处理，再把检测结果输送给电压控制电路，

所述输入电压检测电路由电阻Rv1和Rv2，电容Cv1组成，主回路的Vi接口与Rv1的一端相连，Rv1的另一端与Rv2和Cv1并联支路的一端相连并输出电压Vvi，Rv2和Cv1并联支路的另一端与主回路的Gnd接口相连，

所述输出电压检测电路由电阻Rv3和Rv4，电容Cv2组成，主回路的Vo接口与Rv3的一端相连，Rv3的另一端与Rv4和Cv2并联支路的一端相连并输出电压Vvo，Rv4和Cv2并联支路的另一端与主回路的Gnd接口相连；

所述电压控制电路用于将从输入和输出电压检测电路接收到的检测结果与相应的参考电压进行比较并输出比较结果给逻辑控制电路，

所述电压控制电路由比较器U2、U3和U4组成，参考电压Vvref1接于U2的正相输入端，参考电压Vvref2接于U3的正相输入端，输入电压检测电路的输出Vvi接于U4的正相输入端，输出电压检测电路的输出Vvo同时接于U2、U3和U4的反相输入端；

所述逻辑控制电路用于接收并整合电流和电压控制电路的输出结果，最终给出MOS管开或关的驱动指令以及主回路工作状态的提示或告警，

所述逻辑控制电路由与门U9、U10和U11，或非门U12，RS触发器U13和工作状态提示告警电路组成，U2的输出端接于U9的一个输入端，U5的输出端接于U9的另一个输入端，U3的输出端接于U10的一个输入端，U6的输出端接于U10的另一个输入端，U4的输出端接于U11的一个输入端，U5的输出端还同时接于U11的另一个输入端，所述U11的另一个输入端为反相输入端，U9、U10和U11的输出端分别接于U12的3个输入端，U9、U10、U11和U12的输出端与工作状态提示告警电路相连，U9输出高电平代表整个电路存在LED短路故障，U10输出高电平代表整个电路存在输入过压及过流故障，U11输出高电平代表整个电路存在输入欠压或LED断路故障，U12输出高电平代表整个电路工作正常，U7的输出端接于U13的清零输入端R，清零输入端R为高电平有效，U8的输出端接于U13的置位输入端S，置位输入端S为高电平有效；

所述MOS管驱动电路用于执行逻辑控制电路的MOS管驱动指令，控制N-MOS管的工作状态，

所述MOS管驱动电路是一个满足N-MOS管驱动要求的电平转换电路，U13的反相输出端/Q接于电平转换电路的反相输入端，电平转换电路的1对差分输出端分别与主回路的vg1和vs1接点相连。

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