CN102573233A

CN102573233A - 自调压led智能模块

Info

Publication number: CN102573233A
Application number: CN2012100052384A
Authority: CN
Inventors: 张从峰
Original assignee: 张从峰
Current assignee: Innoev New Energy Technology Nanjing Co., Ltd.
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开一种自调压LED智能模块，包括两个LED功率单元、两个开关单元、单向导通回流单元、控制单元、两个电流采样单元和输入电压采样单元，第一LED功率单元的输入端连接第一开关单元，输出端连接第二开关单元和单向导通回流单元的输入端；第二开关单元还连接第一电流采样单元；第一开关单元与单向导通回流单元的输出端连接，并共同连接第二LED功率单元的输入端；第二LED功率单元的输出端连接第二电流采样单元；所述输入电压采样单元与输入电源并联；控制单元接收电流采样单元和输入电压采样单元的采样值，并据此分别控制第一、二开关单元的开关状态及占空比。此电路可实现功率LED模组的自动串并联，从而达到整个系统的高光效高可靠性。

Description

自调压LED智能模块

技术领域

本发明属于照明领域，特别涉及一种适用于对LED功率单元有自动调压需要的电路。

背景技术

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、响应速度快等优点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景照明等领域。随着LED光源价格的下降，LED灯具逐渐走进千家万户。而目前市场上的LED灯具产品由于驱动器的可靠性较差，从而导致其在市场上推广的难度较大，同时由于高可靠性的LED驱动器的成本较高，一时难以实现性价比方面的有效平衡。

在现有技术中，如图1所示为中国专利申请号200510020493.6提供的交流LED照明灯，这种驱动模式省去了交流到直流的驱动器，从而可以减少LED灯具对驱动器可靠性的依赖，但这种交流LED对电网电压的波动非常敏感，其LED电流的限制只有通过串联电阻的方式进行，这将较大地降低系统的发光效率，驱动电流不稳定使LED 光源的整体光效大幅度降低，同时由于驱动电流在电网电压波动时会给LED光源带来较大的电流冲击, 加剧了光源的光衰。此外，LED只在交流半波的电压下工作，因此LED整体的发光效率较低。同采用直流驱动的LED相比，光源的利用效率只有原来的50%左右。

因此，本发明人针对现有技术的缺陷进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种自调压LED智能模块，其可减少交流LED对输入电网稳定性的依赖、LED驱动电流不可控以及发光效率低下等问题，实现功率LED模组的自动串并联，从而达到整个系统的高光效高可靠性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种自调压LED智能模块，包括两个LED功率单元、两个开关单元、单向导通回流单元、控制单元、两个电流采样单元和输入电压采样单元，其中，第一LED功率单元的输入端分别连接输入电源的正极和第一开关单元的一端，输出端则分别连接第二开关单元的一端和单向导通回流单元的输入端，所述第二开关单元的另一端连接第一电流采样单元的一端；第一开关单元的另一端与单向导通回流单元的输出端连接，并共同连接第二LED功率单元的输入端；所述第二LED功率单元的输出端连接第二电流采样单元的一端，且第一、二电流采样单元的另一端连接，并共同连接输入电源的负极；所述输入电压采样单元与输入电源并联；控制单元接收第一、二电流采样单元和输入电压采样单元的采样值，并据此分别控制第一、二开关单元的开关状态及占空比。

上述LED功率单元为单个LED，或至少两个LED组成的串联或并联结构。

上述开关单元为机械开关或开关电路。

上述开关电路由MOSFET、IGBT、JFET、可控硅、晶闸管或三极管构成。

上述单向导通回流单元为二极管或开关状态由控制单元控制的单向导通电路。

上述单向导通电路由MOSFET、IGBT、JFET、晶闸管、可控硅或三极管组成。

上述电流采样单元为采样电阻、半导体电流采样器、电流互感器或霍尔传感器。

上述控制单元为一个，其驱动信号端分别连接第一、二开关单元的控制端；输入电压采样单元采用由两个电阻串联而成的分压电路，所述分压电路的一端连接第一LED功率单元的输入端，另一端连接第一电流采样单元的另一端，且两个电阻的连接点连接控制单元的电压采样端。

上述控制单元为内置或外置，且外置控制单元通过隔离驱动单元对第一、二开关单元进行控制。

上述隔离驱动单元为隔离变压器、光电耦合器件、半导体高频隔离驱动器或非隔离驱动器。

采用上述方案后，本发明通过全波整流后直接驱动，可以减少类似于交流LED对输入电网的稳定性的依赖、LED驱动电流不可控，以及及发光效率的低下等问题。同传统的直流驱动方式相比，本发明可以消除传统LED光源对驱动器的高可靠性的依赖，该智能模块可以通过开关单元的断开和闭合状态实现LED功率单元的自动串并联，从而实现LED模组自动调压功能，达到整个系统的高光效高可靠性。

附图说明

图1是传统交流LED 驱动及控制电路图；

图2是本发明第一实施例的电路示意图；

图3是本发明第二实施例的电路示意图；

图4是本发明第三实施例的电路示意图；

图5是本发明第四实施例的电路示意图；

图6是本发明第五实施例的电路示意图；

图7是本发明第六实施例的电路示意图；

图8是本发明第七实施例的电路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种自调压LED智能模块，包括两个LED功率单元、两个开关单元、单向导通回流单元、控制单元、两个电流采样单元和输入电压采样单元，其中，第一LED功率单元的输入端分别连接输入电源的正极和第一开关单元的一端，输出端则分别连接第二开关单元的一端和单向导通回流单元的输入端，而第二开关单元的另一端则连接第一电流采样单元的一端；第一开关单元的另一端与单向导通回流单元的输出端连接，并共同连接第二LED功率单元的输入端；所述第二LED功率单元的输出端连接第二电流采样单元的一端，且第一、二电流采样单元的另一端连接，再共同连接输入电源的负极；所述输入电压采样单元与输入电源并联；控制单元接收电流采样单元和输入电压采样单元的采样值，并据此分别控制第一、二开关单元的开关状态及占空比。

如图2所示，是本发明提供自调压LED智能模块的第一种具体实施结构，其中，D1、D2均为功率单元，其可以是单个LED，也可以是多个LED组成的串联或并联结构，本实施例中是以单个LED为例进行说明；而单向导通回流单元采用二极管D3；第一、二开关单元分别采用S1、S2，它们既可以是机械开关，也可以是电子开关，如由多个半导体器件（如MOSFET、IGBT、JFET、可控硅、晶闸管及三极管等）组成的开关电路；控制单元既可以采用一个芯片，实现分别对第一、二开关单元的控制功能，也可以采用两个芯片，本说明书中分别给出了两种形式的实施例；电流采样单元为控制单元提供流过功率单元的电流值，可以采用采样电阻、半导体电流采样器、电流互感器或或霍尔传感器等，本实施例中采用电流采样器R1和R8；输入电压采样单元为控制单元提供本发明LED智能模块的电压值，本实施例中采用由电阻R2、R3串联构成的分压电路。

配合图2所示，本发明第一实施例的电路连接结构为：LED D1的阴极与二极管D3的阳极连接，而D1的阴极与开关S2的一端连接，D1的阳极还与开关S1的一端连接；D3的阴极分别与开关S1的另一端和LED D2的阳极连接；这样，当开关S1、S2同时闭合时，D3被屏蔽，没有电流通过，此时D1和D2工作在并联状态；当开关S1、S2同时断开时，流经D1的电流将经由D3进入D2，此时D1和D2工作在串联状态。

另外，开关S2的另一端与电流采样器R8的一端连接，LED D2的阴极与电流采样器R1的一端连接，而D2的阳极与开关S1的另一端连接，电流采样器R1的另一端与电流采样器R8的另一端及电阻R3的一端连接，电阻R2、R3串联后并接在智能模块的两端，控制单元U1的驱动信号HO、VS与开关S1的控制极连接，而驱动信号LO、COM与开关S2的控制极连接，U1接收R1及R8上的采样电流，并将其与内部的基准电压进行比较，从而产生PWM驱动信号分别给S1和S2，从而得以调整BUS+和BUS-两端的电压，并把通过每个功率单元的电流控制在特定的范围内。

电阻R2的一端与D1的阳极连接，其另一端与电阻R3的另一端连接，控制单元U1的电压采样引脚IN与电阻R3的另一端连接，R3的一端还与BUS-相连；由电阻R2、R3组成的分压电路决定着电流采样的参考电压，当D1和D2并联时，开关S1和S2工作在最大占空比100%，而当D1和D2串联时，开关S1和S2工作在最小占空比0%。同时，U1通过R2和R3的分压信号引脚IN采样输入端的电压信号，与内部的基准电压比较，从而产生PWM脉冲信号，以调节BUS-和BUS+两端的电压，该控制方式可以为电压环或电流环，也可以为双环控制。

另外，在本实施例中，还在BUS+与控制单元U1的引脚DT之间连接有电阻R7，而在BUS+与引脚SD之间连接有电阻R9，且所述U1的引脚IN同电流采样器R1的控制端相连，U1的引脚SD与电流采样器R8的控制端相连。D2的阴极与电流采样器R1的一端相连，电阻R7、R9是加在电流采样信号上的直流偏置，当功率单元工作在串联状态时，所有LED流过的电流为整个模块在并联状态下电流的一半，因此需要加入直流偏置给电流采样信号，以降低流过每个LED的电流，提高LED串联的可靠性。

再请参考图3所示，是本发明的第二实施例，是控制单元外置的情况，此时需借助隔离驱动单元对开关单元进行控制；其中，D4、D5均是功率单元，第一、二开关单元分别采用功率管S3、S4，控制单元采用两个芯片U3、U2，分别对功率管S3、S4进行控制，电流采样单元为电流采样器R10和R4，R6和R5分别为控制单元U3、U2的上拉电阻，通过该电阻给隔离驱动单元的驱动供电，所述的隔离驱动单元可以采用隔离变压器、光电耦合器件、半导体高频隔离驱动器或非隔离驱动器等。Signal 1、Signal 2为外部控制器的驱动信号的输入端，Singal 3、Signal 4分别为电流采样器R10、R4的电流信号。

LED D4的阴极分别与二极管D6的阳极和功率管S3的一端连接，而D4的阳极连接功率管S4的一端；功率管S4的另一端与D6的阴极连接，并共同连接至LED D5的阳极；当S3、S4同时闭合时，D6被屏蔽，没有电流通过，D4和D5工作在并联状态；当S3与S4均断开时，流经D4的电流将通过D6进入D5，此时D4和D5工作在串联状态。

在本实施例中，所述的功率管S3的另一端与电流采样器R10的一端连接，功率单元D5的阴极与电流采样器R4的一端相连，D5的阳极则与功率管S4的另一端相连, R4的另一端与电流采样器R10的另一端连接，并通过连接BUS-。控制单元U2和U3为隔离的驱动器，S4的驱动信号由U2进行控制，S3的驱动信号由U3进行控制。外部控制器将根据本发明需要的BUS+与BUS-两端的电压给Signal 1及Signal 2信号通道输入不同占空比的脉冲，来达到调整BUS+和BUS-两端的电压的目的，并通过对LED的电流控制，使本发明电路工作在特定的范围内。

另外，电阻R5的一端连接S4的一端，另一端则连接S4的控制端正极；电阻R6的一端连接D4的阳极，另一端连接S3的控制端正极。当D4和D5工作在并联状态时，S3和S4工作在最大占空比100%；当D4和D5工作在串联状态时，S1和S2工作在最小占空比0%；当D4和D5工作在串联状态时，所有功率单元流过的电流为整个模块在并联状态下电流的一半。

再请参考图4所示，是本发明的第三实施例，同第一实施例的最大区别是单向导通回流单元采用带体二极管的MOSFET，回流二极管可以为MOSFET体内的寄生二极管。在该实施例中，MOSFET可以由IGBT、可控硅、晶闸管、三极管或JFET组成的开关电路来替代。该电路的应用情况是当LED功率单元工作在串联状态，流过LED功率单元的电流较大时，采用单向导通二极管时会产生较大的功耗，而采用MOSFET或电子开关可以有效地降低在单向回流时消耗在二极管上的功耗，从而提高系统的效率及可靠性。该应用电路的其他功能同图2所示的应用电路相同，在此不再赘述。

如图5所示，是本发明的第四种实施结构，其与第一实施例的不同在于，单向导通回流单元采用单向导通电路的形式，其开关状态由控制单元控制，从本说明书后面的几个实施例可以看出，该单向导通电路的属性可以与开关单元相同，不同之处在于其在控制单元的控制下只能单向导通，而开关单元则可以没有方向性。

图6所示是本发明的第五种实施电路，其与第二实施例的不同在于，单向导通回流单元采用与开关单元相同的电子器件，另外，其控制端均通过光电耦合器件进行隔离驱动，以解决开关单元及单向导通回流单元的浮驱动问题；其中，开关S6的开关状态及占空比由Signal 1的占空比决定，开关S8的开关状态及占空比由Signal 2的占空比决定，开关S7的开关状态及占空比由Signal 3的占空比决定，其工作方式与第四实施例最大的不同是，该LED的串并联状态由外部控制信号决定，BUS+与BUS-两端的电压由外部的控制系统进行调整。

图7所示是本发明的第六种实施电路，其与第一实施例的不同在于，单向导通回流单元采用三极管Q2，并在其集电极与发射极之间正向连接二极管D9，该三极管Q2可以采用NPN型，也可以采用PNP型。其它部分电路的功能与描述与第一实施例相同，不再详述。

图8所示是本发明的第七种实施电路，其与第三实施例的不同在于，开关单元与单向导通回流单元的控制端分别由一个隔离变压器进行隔离驱动，以解决这三个开关的浮驱动问题，其中，开关S11的开关状态及占空比由Signal 1的占空比决定，开关S12的开关状态及占空比由Signal 2的占空比决定，而单向导通回流单元的开关状态及占空比由Signal 3的占空比决定。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种自调压LED智能模块，其特征在于：包括两个LED功率单元、两个开关单元、单向导通回流单元、控制单元、两个电流采样单元和输入电压采样单元，其中，第一LED功率单元的输入端分别连接输入电源的正极和第一开关单元的一端，输出端则分别连接第二开关单元的一端和单向导通回流单元的输入端，所述第二开关单元的另一端连接第一电流采样单元的一端；第一开关单元的另一端与单向导通回流单元的输出端连接，并共同连接第二LED功率单元的输入端；所述第二LED功率单元的输出端连接第二电流采样单元的一端，且第一、二电流采样单元的另一端连接，并共同连接输入电源的负极；所述输入电压采样单元与输入电源并联；控制单元接收第一、二电流采样单元和输入电压采样单元的采样值，并据此分别控制第一、二开关单元的开关状态及占空比。

2.如权利要求1所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述LED功率单元为单个LED，或至少两个LED组成的串联或并联结构。

3.如权利要求1所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述开关单元为机械开关或开关电路。

4.如权利要求3所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述开关电路由MOSFET、IGBT、JFET、可控硅、晶闸管或三极管构成。

5.如权利要求1所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述单向导通回流单元为二极管或开关状态由控制单元控制的单向导通电路。

6.如权利要求5所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述单向导通电路由MOSFET、IGBT、JFET、晶闸管、可控硅或三极管组成。

7.如权利要求1所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述电流采样单元为采样电阻、半导体电流采样器、电流互感器或霍尔传感器。

8.如权利要求1所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述控制单元为一个，其驱动信号端分别连接第一、二开关单元的控制端；输入电压采样单元采用由两个电阻串联而成的分压电路，所述分压电路的一端连接第一LED功率单元的输入端，另一端连接第一电流采样单元的另一端，且两个电阻的连接点连接控制单元的电压采样端。

9.如权利要求1所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述控制单元为内置或外置，且外置控制单元通过隔离驱动单元对第一、二开关单元进行控制。

10.如权利要求9所述的自调压LED智能模块，其特征在于：所述隔离驱动单元为隔离变压器、光电耦合器件、半导体高频隔离驱动器或非隔离驱动器。