CN102387625A

CN102387625A - 直驱式发光二极管驱动器

Info

Publication number: CN102387625A
Application number: CN2010102671089A
Authority: CN
Inventors: 黄金川
Original assignee: TPV Investment Co Ltd
Current assignee: Top Victory Investments Ltd; TPV Investment Co Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明属于电子领域，公开了一种直驱式发光二极管(LED)驱动器，采用隔离电路耦接LED灯串的输出端和恒流控制器，其输出电压将随着LED灯串的工作电压的改变而自动地改变，可适用于驱动多种不同工作电压的LED灯串，且因省去反馈路径中的侦错放大电路而提高回路稳定性和回路带宽，可在1％至100％的调光范围内无间断地做脉宽调制(PWM)调光，另可利用LED灯串的工作电压小于LED灯串的切入电压时其电流为零的特性，降低PWM调光时输出电压在使能期间和禁能期间的电压差，以降低电压涟波和电磁干扰。

Description

直驱式发光二极管驱动器

技术领域

本发明属于电子领域，是有关于一种发光二极管(Light-Emitting Diode，简称为LED)驱动器，且特别是有关于一种使用交流电源直接驱动的直驱式LED驱动器。

背景技术

图1为一种现有使用交流电源直接驱动的直驱式LED驱动器的电路方块图，其输出电压采用分段控制。请参见图1，LED灯串11由多个串联耦接的LED组成且具有输入端和输出端。直驱式LED驱动器2用于接收交流电源Vac和调光信号DIM以驱动LED灯串11。直驱式LED驱动器2包括输入整流滤波器21、隔离型直流至直流转换器22、恒流控制器23、调光电路24和反馈电路25。

输入整流滤波器21包括桥式整流器211和电容器212，其中桥式整流器211将所接收的交流电源Vac转换成脉动直流电压，脉动直流电压再通过电容器212滤波成稳定的直流电压Vdc。隔离型直流至直流转换器22包括高频转换器221、隔离变压器222和输出整流滤波器223，其中高频转换器221根据反馈信号FB通过开关高频切换将直流电压Vdc转换成第一高频交流电压Vac1，隔离变压器222在其初级侧接收第一高频交流电压Vac1并在其次级侧感应输出第二高频交流电压Vac2，第二高频交流电压Vac2再通过输出整流滤波器223整流滤波成稳定的输出电压Vout输出至LED灯串11的输入端。高频转换器221例如是脉宽调制式转换器(PWM Converter)、半谐振式转换器(Quasi-Resonant Converter)或谐振式转换器(LLC Resonant Converter)。输出整流滤波器223例如包括二极管224和电容器225，其中二极管224将第二高频交流电压Vac2整流成脉动直流电压，脉动直流电压再通过电容器225滤波成稳定的输出电压Vout。

恒流控制器23耦接于LED灯串11的输出端和地端之间，用于控制流过LED灯串11的电流Iout。调光电路24根据所接收的调光信号DIM通过恒流控制器23控制LED灯串11一下开启(亮)一下关闭(暗)，利用人眼视觉暂留使得人眼不会感受到一下亮一下暗而只会感受到某一亮度，这个亮度与亮和暗时间的比例(即LED灯串11开启和关闭时间的比例)有关，此即为脉宽调制(Pulse-WidthModulation，简称PWM)调光。

反馈电路25包括输出检测电路26、参考电压源27、侦错放大电路28和光耦器29，其中输出检测电路26包括电阻器261～263、开关控制电路264和开关265，侦错放大电路28包括侦错放大器281、电容器282和电阻器283，光耦器29包括光耦二极管291和光耦晶体管292。输出检测电路26取样输出电压Vout以产生相应的检测电压Vdet。参考电压源27提供固定的参考电压Vref。侦错放大电路28根据检测电压Vdet和参考电压Vref的电压差放大后输出至光耦二极管291的阴极端。光耦二极管291的阳极端耦接直流电压Vbias。光耦二极管291导通时根据其阳极端和阴极端的电压差产生相应的电流并用来产生相应的光线，光耦晶体管292再检测光耦二极管291的发光并用来产生相应的反馈信号FB输出至高频转换器221。因此，反馈信号FB与检测电压Vdet有关，即与输出电压Vout有关，而可反馈至高频转换器221调整其开关高频切换，进而调整输出电压Vout。

由于电容器282和电阻器283串联耦接于侦错放大器281负输入端和输出端之间而形成负反馈架构，侦错放大器281负输入端和输出端虚短路，使检测电压Vdet等于参考电压Vref。因此，在开关265断开时，输出电压Vout为Vout，l＝Vref×(1+R1/R2)，而在开关265导通时，输出电压Vout为Vout，h＝Vref×(1+R1/(R2||R3))，R2||R3(R2×R3)/(R2+R3)，其中R1、R2和R3分别为电阻器261、262和263的电阻值。

随着LED灯串11关闭时间增长，人眼感受到的亮度会降低，恒流控制器的工作电压Vcc会升高。当开关控制电路264检测到恒流控制器的工作电压Vcc高到某程度而使LED灯串11的工作电压Vled不足时，开关控制电路264控制开关265导通，以提高输出电压Vout为Vout，h；当开关控制电路264检测到恒流控制器的工作电压Vcc还不致于使LED灯串11的工作电压Vled不足时，开关控制电路264控制开关265断开，以控制输出电压Vout为Vout，h，因此，直驱式LED驱动器2的输出电压Vout采用分段控制。

但是，直驱式LED驱动器2在针对LED灯串11设计完成后，电阻器261～263的电阻值即为定值，使得输出电压Vout不是Vout，h就是Vout，l，只能适用于与LED灯串11具有相同工作电压的LED灯串，其共用性低。另外，直驱式LED驱动器2使用负反馈架构的侦错放大电路28，若回路带宽高则回路稳定性差，若回路稳定性好则回路带宽低，而回路带宽低将造成其无法在1％至100％的调光范围内无间断地做PWM调光，其调光无法平滑。

发明内容

本发明的目的在提出一种直驱式LED驱动器，可适用于多种不同工作电压的LED灯串而共用性高，且兼顾高回路带宽和稳定性而可在1％至100％的调光范围内无间断地做PWM调光。

本发明的另一目的在提出一种直驱式LED驱动器，可降低PWM调光时输出电压在使能期间和禁能期间的电压差，以降低电压涟波和电磁干扰。

本发明提出一种直驱式LED驱动器，用于接收交流电源和调光信号以驱动LED灯串，其中LED灯串具有输入端和输出端，调光信号每一周期均包括使能期间和禁能期间。LED灯串可用于液晶显示器(LCD Monitor)、液晶电视(LCD TV)或液晶计算机一体机(All-in-one PC)的背光。直驱式LED驱动器包括输入整流滤波器、隔离型直流至直流转换器、恒流控制器、隔离电路、电压箝制电路和调光电路。输入整流滤波器用于将交流电源转换成直流电压。隔离型直流至直流转换器用于根据反馈信号将直流电压转换成输出电压输出至LED灯串的输入端。恒流控制器耦接于LED灯串的输出端和地端之间，用于控制流过LED灯串的电流。隔离电路用于根据LED灯串的输出端的电压和参考电压的电压差输出反馈信号。电压箝制电路耦接于LED灯串的输入端和输出端之间，用于箝制LED灯串的工作电压。调光电路用于根据调光信号通过恒流控制器和/或电压箝制电路控制LED灯串在使能期间开启并在禁能期间关闭。在这里，“甲和/或乙”表示可以是“甲”，也可以是“乙”，还可以是“甲和乙”。因此，调光电路可以仅通过恒流控制器控制LED灯串的开启关闭，也可以仅通过电压箝制电路控制LED灯串的开启关闭，还可以通过恒流控制器和电压箝制电路控制LED灯串的开启关闭。

在一实施例中，调光电路控制LED灯串的工作电压在使能期间大于LED灯串的切入电压(cut-in voltage)，并在禁能期间小于LED灯串的切入电压且大于零。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明直驱式LED驱动器因采用隔离电路(如光耦器)耦接LED灯串的输出端和恒流控制器，其输出电压将随着LED灯串的工作电压的改变而自动地改变，可适用于驱动多种不同工作电压的LED灯串，且因省去反馈路径中的侦错放大电路而提高回路稳定性和回路带宽，可在1％至100％的调光范围内无间断地做PWM调光，另可利用LED灯串的工作电压小于LED灯串的切入电压时其电流为零的特性，降低PWM调光时输出电压在使能期间和禁能期间的电压差，以降低电压涟波和电磁干扰。本发明直驱式LED驱动器因此具有极高的稳定性、性能、共用性和成本效益。

附图说明

图1为一种现有使用交流电源直接驱动的直驱式LED驱动器的电路方块图；

图2为依照本发明直驱式LED驱动器的第一实施例的电路方块图；

图3为图2所示直驱式LED驱动器调光控制的时序示意图；

图4为依照本发明直驱式LED驱动器的第二实施例的电路方块图。

主要组件符号说明：

11～13：LED灯串 2：现有的直驱式LED驱动器

21：输入整流滤波器 211：桥式整流器

212：电容器 22：隔离型直流至直流转换器

221：高频转换器 222：隔离变压器

223：输出整流滤波器 224：二极管

225：电容器 23：恒流控制器

24：调光电路 25：反馈电路

26：输出检测电路 261～263：电阻器

264：开关控制电路 265：开关

27：参考电压源 28：侦错放大电路

281：侦错放大器 282：电容器

283：电阻器 29：光耦器

291：光耦二极管 292：光耦晶体管

3：本发明直驱式LED驱动器 34：调光电路

35：反馈电路 36：电压箝制电路

4：本发明直驱式LED驱动器 43：恒流控制器

45：反馈电路 46：反馈逻辑电路

Vac：交流电源 Vdc、Vbias：直流电压

Vac1：第一高频交流电压 Vac2：第二高频交流电压

Vout：输出电压 Vd：单一LED的工作电压

Vled：LED灯串的工作电压 Vcc：恒流控制器的工作电压

Vdet：检测电压 Vreff：参考电压

Vpcd：光耦二极管的工作电压 Vr：LED灯串的切入电压

Iout：流过LED灯串的电流 DIM：调光信号

FB：反馈信号 T：调光信号的周期

Ton1、Ton2：使能期间 Toff1、Toff2：禁能期间

t：时间轴

具体实施方式

图2为依照本发明直驱式LED驱动器的第一实施例的电路方块图，图3为图2所示直驱式LED驱动器调光控制的时序示意图。请参见图2，LED灯串11由多个串联耦接的LED所组成且具有一个输入端和一个输出端。直驱式LED驱动器3用于接收交流电源Vac和调光信号DIM以驱动LED灯串11，其中调光信号DIM如图3所示，每一周期T均包括使能期间和禁能期间，例如第一个周期T包括使能期间Ton1和禁能期间Toff1，第二个周期T包括使能期间Ton2和禁能期间Toff2，T＝Ton1+Toff1＝Ton2+Toff2。直驱式LED驱动器3包括输入整流滤波器21、隔离型直流至直流转换器22、恒流控制器23、调光电路34和反馈电路35，其中反馈电路35包括电压箝制电路36、参考电压源27和光耦器29。图式中组件符号相同的装置表示相同电路结构的装置，在此不再赘述，但并非用于限定本发明；例如，图1和图2所示反馈路径中的隔离电路均采用光耦器29，但可改采用如隔离变压器等的隔离电路。

输入整流滤波器21用于将交流电源Vac转换成直流电压Vdc。隔离型直流至直流转换器22用于根据反馈信号FB将直流电压Vdc转换成输出电压Vout输出至LED灯串11的输入端。恒流控制器23耦接于LED灯串11的输出端和次级侧的地端之间，用于控制流过LED灯串11的电流Iout。参考电压源27提供参考电压Vref。光耦器29用于根据LED灯串11的输出端的电压和参考电压Vref的电压差输出反馈信号FB。电压箝制电路36耦接于LED灯串11的输入端和输出端之间，用于箝制LED灯串11的工作电压Vled。调光电路34用于根据调光信号DIM通过恒流控制器23切换流过LED灯串11的恒流Iout和/或通过电压箝制电路36切换反馈比率，进而控制LED灯串11在使能期间(如Ton1)开启并在禁能期间(如Toff1)关闭，因而由调光信号DIM决定LED灯串11开启和关闭时间的比例来决定LED灯串11的亮度，例如LED灯串11在如图3所示的第一个周期T时的亮度会高于在第二个周期T时的亮度。

直驱式LED驱动器3包括两组控制回路，一组为电压控制回路，另一组为恒流控制回路。电压控制回路是由隔离变压器222的次级侧输出，经输出整流滤波器223、外部的LED灯串11的负载、光耦器29的光耦二极管291和参考电压源27至次级侧的地端，再由光耦器29的光耦晶体管292输出至高频转换器221回到隔离变压器222的初级侧而完成电压控制。恒流控制回路是由隔离变压器222的次级侧输出，经输出整流滤波器223、外部的LED灯串11的负载、恒流控制器23至次级侧的地端回到隔离变压器222的次级侧输出而完成恒流控制。

请参见图3，单一LED的工作电压Vd大于LED的切入电压时，LED导通且因电流不为零而发光；单一LED的工作电压Vd小于LED的切入电压时，LED截止且电流为零而不发光。利用单一LED的工作电压Vd只要小于LED的切入电压时，LED即截止且电流为零的特性，本发明直驱式LED驱动器3控制LED灯串11的工作电压Vled在使能期间(如Ton1)大于LED灯串11的切入电压Vr(即Vled＞Vr)，此时LED灯串11开启且电流Iout不为零而发光，并控制LED灯串11的工作电压Vled在禁能期间(如Toff1)小于LED灯串11的切入电压Vr且大于零(即Vr＞Vled＞0)，此时LED灯串11关闭且电流Iout为零而不发光，其中LED灯串11的切入电压Vr为LED灯串11中所有串联耦接的LED的切入电压的和。

由于输出电压Vout为LED灯串11的工作电压Vled和恒流控制器23的工作电压Vcc的和，且恒流控制器23的工作电压Vcc在直驱式LED驱动器3设计完成后即为定值(后面会有说明)，图3所示LED灯串11的工作电压Vled的时序波形和输出电压Vout相似。因此，本发明这种PWM调光驱动方式可降低PWM调光时输出电压Vout在使能期间(如Ton1)和禁能期间(如Toff1)的电压差，以降低电压涟波和电磁干扰。

本发明直驱式LED驱动器的第一个特点是适用于多种不同工作电压的LED灯串而共用性高。由图2可知，恒流控制器23的工作电压Vcc为参考电压Vref和光耦二极管291的工作电压Vpcd的和，直驱式LED驱动器3的输出电压Vout为LED灯串11的工作电压Vled和恒流控制器23的工作电压Vcc的和，以数学式表示如下：

Vcc＝Vref+Vpcd (1)

Vout＝Vled+Vcc (2)

由于参考电压Vref和光耦二极管291的工作电压Vpcd在直驱式LED驱动器3设计完成后即为定值，由(1)式可知，恒流控制器23的工作电压Vcc也为定值，再由(2)式可知，直驱式LED驱动器3的输出电压Vout将随着LED灯串11的工作电压Vled的改变而自动地改变，因此直驱式LED驱动器3适用于驱动多种不同工作电压的LED灯串，例如既可驱动6个LED串联耦接组成的LED灯串，也可驱动10个LED串联耦接的LED灯串。

本发明直驱式LED驱动器的第二个特点是恒流控制器可在极低而且安全的工作电压下完成恒流控制任务。由于恒流控制器23的工作电压Vcc为参考电压Vref和光耦二极管291的工作电压Vpcd的和，通过选择参考电压源27和光耦二极管291设计恒流控制器23工作在极低而且安全的工作电压下即可完成恒流控制任务。恒流控制器23的工作电压低，除了可降低其功率损耗外，还可采用低成本的双极结晶体管取代高成本可耐高压的场效晶体管，另可省下昂贵的散热装置。

本发明直驱式LED驱动器的第三个特点是兼顾高回路带宽和稳定性而可在1％至100％的调光范围内无间断地做PWM调光。由图2可知，光耦器29的光耦二极管291根据LED灯串11的输出端的电压(即恒流控制器23的工作电压Vcc)和参考电压Vref的电压差输出反馈信号FB，其反馈路径中并无如图1所示的侦错放大电路28，故回路增益(loop gain)为1，如此可提高回路稳定性和回路带宽，因此可在1％至100％的调光范围内无间断地做PWM调光。

本发明直驱式LED驱动器的第四个特点是控制LED灯串的工作电压在禁能期间小于LED灯串的切入电压且大于零即可使LED灯串的电流为零，可降低PWM调光时输出电压在使能期间和禁能期间的电压差，以降低电压涟波和电磁干扰。

图4为依照本发明直驱式LED驱动器的第二实施例的电路方块图。请参见图4，直驱式LED驱动器4用于驱动多个LED灯串11～13。与直驱式LED驱动器3相比，直驱式LED驱动器4主要在于反馈电路45还包括反馈逻辑电路46。LED灯串11～13的输出端均通过反馈逻辑电路46耦接电压箝制电路36和光耦器29的光耦二极管291。此时光耦器29的光耦二极管291根据反馈逻辑电路46输出的电压和参考电压Vref的电压差发光，进而由光耦晶体管292输出反馈信号FB，而电压箝制电路36耦接于LED灯串11的输入端和反馈逻辑电路46的输出，用于箝制LED灯串11的工作电压Vled。另外，恒流控制器43需要采用支持多个LED灯串的恒流控制器。

综上所述，本发明直驱式LED驱动器因采用隔离电路(如光耦器)耦接LED灯串的输出端和恒流控制器，其输出电压将随着LED灯串的工作电压的改变而自动地改变，可适用于驱动多种不同工作电压的LED灯串，且因省去反馈路径中的侦错放大电路而提高回路稳定性和回路带宽，可在1％至100％的调光范围内无间断地做PWM调光，另可利用LED灯串的工作电压小于LED灯串的切入电压时其电流为零的特性，降低PWM调光时输出电压在使能期间和禁能期间的电压差，以降低电压涟波和电磁干扰。本发明直驱式LED驱动器因此具有极高的稳定性、性能、共用性和成本效益。

虽然本发明已公开如上优选实施例，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明之精神和范围内，当可作少许修改与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，用于接收一交流电源和一调光信号以驱动一发光二极管灯串，该发光二极管灯串具有一输入端和一输出端，该调光信号每一周期均包括一使能期间和一禁能期间，该直驱式发光二极管驱动器包括：

一输入整流滤波器，用于将该交流电源转换成一直流电压；

一隔离型直流至直流转换器，用于根据一反馈信号将该直流电压转换成一输出电压输出至该发光二极管灯串的输入端；

一恒流控制器，耦接于该发光二极管灯串的输出端和一地端之间，用于控制流过该发光二极管灯串的电流；

一隔离电路，用于根据该发光二极管灯串的输出端的电压和一参考电压的电压差输出该反馈信号；

一电压箝制电路，耦接于该发光二极管灯串的输入端和输出端之间，用于箝制该发光二极管灯串的工作电压；

一调光电路，用于根据该调光信号通过该恒流控制器和/或该电压箝制电路控制该发光二极管灯串在该使能期间开启并在该禁能期间关闭。

2.如权利要求1所述的直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，该调光电路控制该发光二极管灯串的工作电压在该使能期间大于该发光二极管灯串的切入电压，并在该禁能期间小于该发光二极管灯串的切入电压且大于零。

3.如权利要求1所述的直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，该隔离型直流至直流转换器包括一高频转换器、一隔离变压器和一输出整流滤波器，该高频转换器用于根据该反馈信号通过开关高频切换将该直流电压转换成一第一高频交流电压，该隔离变压器用于在其初级侧接收该第一高频交流电压并在其次级侧感应输出一第二高频交流电压，该输出整流滤波器用于将该第二高频交流电压转换成该输出电压。

4.如权利要求3所述的直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，该高频转换器为一脉宽调制式转换器、一半谐振式转换器或一谐振式转换器。

5.如权利要求1所述的直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，该隔离电路为一光耦器，该光耦器包括一光耦二极管和一光耦晶体管，该光耦二极管的阳极端和阴极端分别耦接该发光二极管灯串的输出端和该参考电压，该光耦晶体管用于检测该光耦二极管的发光并用来输出该反馈信号。

6.如权利要求1所述的直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，该发光二极管灯串用于一液晶显示器、一液晶电视或一液晶计算机一体机的背光。

7.如权利要求1所述的直驱式发光二极管驱动器，其特征在于，还包括一反馈逻辑电路，该发光二极管灯串的输出端通过该反馈逻辑电路耦接该电压箝制电路和该隔离电路，该隔离电路用于根据该反馈逻辑电路输出的电压和该参考电压的电压差输出该反馈信号，该电压箝制电路耦接于该发光二极管灯串的输入端和该反馈逻辑电路的输出，用于箝制该发光二极管灯串的工作电压。