CN102752940A - 一种高效率的led驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

一种高效率的led驱动电路及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

依据本发明的一种高效率的LED驱动电路及其驱动方法，避免了LED负载出现故障时，反激式变换器的副边仍吸收原边传递的电能造成电容上充电过高的问题，且允许第一级转换电路的输出电压有一定的波动进一步减小输出电容的体积和成本以至不采用电解电容，进一步提高了整个电路的可靠性。同时第二级转换电路的拓扑结构优选为非隔离型变换器，且位于变压器的低压侧，因此对相应元件的耐压要求降低，无需采用高耐压元件，进而降低了成本。依据本发明的LED驱动电路还可将表征系统调光的信号与表征可控硅导通角度的调光信号进行运算，根据运算的结果对LED负载的电流进行控制，而无需将输出侧的表征系统调光的信号进过光耦进行传递，进一步降低了成本。

Description

一种高效率的LED驱动电路及其驱动方法
技术领域
本发明涉及LED照明领域，尤其涉及一种高效率的LED驱动电路及其驱动方法。
背景技术
随着照明行业的不断创新和迅速发展，加之节能和环保日益重要，LED照明作为一种革命性的节能照明技术，正在飞速发展。但是，由于LED自身的伏安特性及温度特性，使得LED对电流的敏感度要高于对电压的敏感度，故不能由传统的电源直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源首先就要解决电源驱动的问题。
传统的利用两级结构为LED供电的驱动电路的原理框图如图1所示，交流输入电源AC依次经过可控硅电路、EMI抗电磁干扰电路、整流电路的处理后，形成一直流输入电压Vin，前一级为一具有功率因数校正功能的boost型预调制电路，后级的反激式变换器用以将前级的输出电压通过隔离式的拓扑结构传输至副边，同时大致滤除LED驱动电流中的低频谐波并对LED负载进行调光。但是由于采用升压型电路，其输出电压比输入电压高，在用于输入电压较高的宽输出电压范围场合时，将造成输出电压进一步提高，因此某些电路器件如图1中的二极管D1、开关管Q1、开关管Q2以及电容C1均需要采用耐高压器件，而且由于LED驱动电路需要在高温下长期运行，因此电容C1必须采用耐高温长寿命的电解电容，因此导致电路的成本较高且可靠性不佳。另外，表征系统调光的信号一般从输出侧输入，输出侧的信号需要经过光耦传到图1的反激式变换器的控制电路，这些就导致了成本的进一步增加。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效率的LED驱动电路及其驱动方法，以克服现有技术中的成本较高，效率较低的问题。更进一步的，该驱动电路可应用于可控硅调光的LED驱动电路，并能够同时接收表征系统调光的信号进行调光。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
依据本发明一实施例的一种高效率的LED驱动电路，其将交流电源经过可控硅电路和整流电路处理后得到的直流电压转换为一定的输出电压和输出电流来驱动LED负载，包括第一级转换电路和第二级转换电路，其中，
所述第一级转换电路为具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构，其将接收到的所述直流电压转换为第一输出电压；
其中第一级转换电路包括一变压器，所述变压器的原边通过开关耦合所述直流电压，副边通过整流电路耦合到所述第一输出电压；
所述第二级转换电路为非隔离型拓扑结构，其根据可控硅导通角度将所述第一输出电压转换为一定的输出电流驱动所述LED负载。
进一步的，所述第一级转换电路包括一反激式变换器和第一控制电路；
所述反激式变换器与所述整流电路连接，以接收所述直流电压；
所述第一控制电路通过控制所述反激式变换器的原边功率开关管的动作以将所述直流电压转换为第一输出电压，并保证所述反激式变换器的输入电压和输入电流同相位。
优选的，所述第二级转换电路的拓扑结构为非隔离型降压电路、非隔离型升压电路或非隔离型升降压电路，并进一步包括调光电路和第二控制电路；
所述调光电路与所述第一级转换电路相连接，以输出一表征可控硅导通角度的调光信号；
所述第二控制电路接收LED电流信号和所述调光信号，并据此控制所述第二级转换电路中开关管的动作以将所述第一输出电压转换为一定的输出电流驱动所述LED负载。
进一步的，所述调光电路包括一方波信号发生电路，所述方波信号发生电路接收所述变压器副边电路的电信号以输出一表征所述可控硅导通角度的方波信号作为所述调光信号。
进一步的，所述调光电路进一步包括一均值电路，所述方波信号经过所述均值电路的处理后得到所述调光信号。
进一步的，所述表征可控硅导通角度的调光信号与一表征系统调光的信号进行运算，根据运算的结果对所述LED负载进行调光。
进一步的，所述第一级转换电路根据所述可控硅的导通角度而间歇性工作。
依据本发明一实施例的一种高效率的LED驱动方法，包括以下步骤：
将一交流电源经过一可控硅电路的处理后得到一直流电压；
利用一具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构对所述直流电压进行第一级转换，得到第一输出电压；
利用一非隔离型拓扑结构对所述第一输出电压进行第二级转换得到一定的输出电流驱动LED负载，并根据可控硅的导通角度得到一调光信号对所述LED负载进行调光。
进一步的，根据可控硅的导通角度来间歇性进行所述第一级转换。
进一步包括：对表征可控硅角度的调光信号和表征系统调光的信号进行运算，根据其运算结果对所述LED负载进行调光。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的LED驱动电路，对第一级转换电路输出的电压信号进行调制，取得大致稳定的电压，避免了LED负载出现故障时，反激式变换器的副边仍吸收原边传递的电能造成电容上充电过高的问题，且当允许第一级转换电路的输出电压有一定的波动时，可以进一步减小输出电容的体积和成本，因此输出电容的容值可以减小至不采用电解电容，进一步提高了整个电路的可靠性。
同时第二级转换电路的拓扑结构优选为非隔离型变换器，且位于变压器的低压侧，因此对相应元件的耐压要求降低，无需采用高耐压元件，进而降低了成本。依据本发明的LED驱动电路可将表征系统调光的信号与表征可控硅导通角度的调光信号进行运算，根据运算的结果对LED负载的电流进行控制，而无需将输出侧的表征系统调光的信号进过光耦进行传递，进一步降低了成本。
由此采用依据本发明的LED驱动电路具有高效率、高可靠性、低成本的优点。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1所示为依据现有技术的具有两级结构的LED驱动电路；
图2所示为依据本发明一实施例的LED驱动电路的原理框图；
图3所示为依据本发明又一实施例的LED驱动电路的原理框图；
图4所示为图3所示的LED驱动电路中调光电路的工作波形图；
图5所示为依据本发明的另一实施例的LED驱动电路的原理框图；
图6所示为依据本发明的一种LED驱动方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2，所示为依据本发明一实施例的LED驱动电路的原理框图，所述LED驱动电路接收一交流电源AC，并将其经过可控硅电路、EMI抗电磁干扰电路和整流电路处理后得到一直流电压Vin，所述直流电压Vin经过第一级转换电路和第二级转换电路后为一定的输出电压和输出电流以驱动LED负载。
其中，所述第一级转换电路为具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构，将接收到的所述直流电压Vin转换为一大致稳定的第一输出电压V1。其中第一级转换电路包括一变压器，所述变压器的原边通过开关耦合所述直流电压Vin，副边通过整流电路耦合到所述第一输出电压V1。
在本实施例中，所述第一级转换电路具体包括一反激式变换器和第一控制电路201；
所述反激式变换器与所述整流电路连接，以接收所述直流电压Vin；一采样电阻R1与所述反激式变换器的原边功率开关管连接，以采样其原边电流。在实际应用中可采用原边控制方式，通过一辅助绕组以及其并联的分压电阻来采样表征第一输出电压V1的电压信号。所述第一控制电路201根据表征第一输出电压V1的电压信号、所述直流电压Vin和表征原边电流的电阻电压控制所述原边功率开关管的动作以将所述直流电压Vin转换为第一输出电压V1，并保证所述反激式变换器的输入电压和输入电流同相位，提高功率因数，进而保证电路具有较高的电能转换效率。由于所述第一输出电压V1上有两倍的交流工频纹波，需要输出端利用输出电容进行滤除，一般地，我们允许所述第一输出电压V1有一定的波动以减小输出电容Cout1的体积和成本，所述第一控制电路201控制所述第一输出电压V1保持大致稳定，因此所述输出电容Cout1的容值可以减小至不采用电解电容，进一步提高了整个电路的可靠性。但所述第一输出电压V1的最高电压将被限制住以保护输出电容Coutl和其他输出侧元件。
所述第二级转换电路的主电路结构为非隔离型拓扑结构，具体为由开关管Q2、二极管D2、电感L1和电容Cout2组成的非隔离型降压电路，并进一步包括调光电路202和第二控制电路203；
由图中可以很明显的看出，可控硅导通角度的变化将影响第一级转换电路所接收的电能，相应的所述第一输出电压V1的波形随之变化，进一步表现为所述反激式变换器的副边绕组电压Vsec的变化。所述调光电路202接收所述副边绕组电压Vsec，以输出一表征可控硅导通角度的调光信号VREF；
利用一采样电阻R2与所述LED负载串联连接，其电阻上的压降表征流过LED负载的电流，因此所述第二控制电路203接收采样电阻R2电压所表征的LED电流信号和所述调光信号VREF，并据此控制所述第二级转换电路中开关管Q2的动作，以将所述第一输出电压V1转换为一定的输出电流驱动所述LED负载。
当可控硅的导通角度发生变化时，所述第一控制电路201通过控制原边功率开关管的开关动作保持所述第一输出电压V1的稳定，同时所述调光电路202根据所述副边绕组电压Vsec的变化相应的调整所述调光信号VREF，第二控制电路203根据所述调光信号VREF对主电路中开关管Q2的控制能够调节LED电流与所述可控硅的导通角度相匹配以实现调光作用，并保持电流恒定防止LED灯闪烁。
这里需要说明的是：在该实施例中给出了利用采样电阻对反激式变换器原边电流和LED负载电流的进行采样的方法，本领域技术人员可以得知，电流的采样方法并不局限于上述方式，其他合适的电流采样方法同样适用于本发明的实施例。另外，第一级转换电路还可以采用其他的隔离型拓扑结构如正激、推挽、桥式变换器等，而第二级转换电路的拓扑结构也不限制于本实施中所列举的非隔离型降压电路，任何合适的非隔离型拓扑结构，如非隔离型升压电路或非隔离型升降压电路等均落在本发明的保护范围之内。
可见，采用图2所示的依据本发明的LED驱动电路，对第一级转换电路输出的电压信号进行调制，保证其大体稳定，避免了LED负载出现故障时，反激式变换器的副边仍吸收原边传递的电能造成电容上充电过高的问题，且当允许第一级转换电路的输出电压有一定的波动时，可以进一步减小输出电容的体积和成本，因此输出电容的容值可以减小至不采用电解电容，进一步提高了整个电路的可靠性。
同时第二级转换电路的拓扑结构优选为非隔离型变换器，且位于变压器的低压侧，而无需采用高压型功率级电路，因此对相应元件如开关管、二极管等的耐压要求降低，无需采用高耐压元件，进而降低了成本。由此采用依据本发明的LED驱动电路具有高效率、高可靠性、低成本的优点。
参考图3，所示为依据本发明的LED驱动电路的另一实施例的原理框图。具体描述了调光电路202和第二控制电路203的一种实现方法和工作原理。
所述调光电路202包括一方波信号发生电路，所述方波信号发生电路接收所述第一级转换电路中变压器副边电路的电信号以输出一表征所述可控硅导通角度的方波信号作为所述调光信号。所述方波信号发生电路具体包括第一开关管S1、第一电容C1和放电电路，其中所述第一开关管S1的第一功率端接收所述反激式变换器的副边绕组电压Vsec，第二功率端的输出为所述第一电容C1提供充电电流；为了保证电能的单向流动，在所述第一开关管S1的第一功率端与所述副边绕组之间加入一二极管D3。
所述放电电路可以优选为电流源或电阻，在本实施例中采用一电流源与所述第一电容C1并联连接以为其提供放电回路。
以下结合图4所示的图3所示的调光电路的工作波形图来详细说明其工作过程。
优选的，所述第一级转换电路根据可控硅的导通角度间歇性工作。如利用所述第一控制电路检测可控硅的导通角度，并根据该角度来间歇性地使能和禁止反激式变换器，从而产生图4中的第一输出电压V1和反激式变换器的副边绕组电压Vsec的波形。其中所述副边绕组电压Vsec的波形为正峰值稳定，而负峰值随输入交流电变化的高频脉冲，其频率一般位于20k-200kHz的范围。
所述第一开关管S1的控制信号VGATE为一恒定电压，其幅值小于所述副边绕组电压幅值，在实际应用中副边绕组电压Vsec幅值一般在10V以上。一般地，可以将所述控制信号VGATE设置为一3-10V范围内的恒定电压。
优选的，当所述第一级转换电路根据可控硅导通角被允许工作时，原边功率开关管Q1可以高频的开关，当所述原边功率开关管Q1关断时，所述副边绕组电压Vsec为正电压时，其通过导通的第一开关管S1对所述第一电容C1进行充电，所述第一电容C1两端的电压VC1的幅值为VGATE减去所述第一开关管S1导通阈值。当原边功率开关管Q1导通，而所述副边绕组电压Vsec为负电压时，所述第一电容C1将对电流源缓慢放电，电压VC1有所下降直至副边绕组电压Vsec再次变为正电压。
如此反复，所述第一电容C1两端的电压VC1的波形如图所示，为一表征可控硅导通角度的方波信号，但由于其波形存在一定的波动，因此将其输入至一比较器的同相输入端，其反相输入端接收一数值小于电压VC1幅值的参考信号Vrefl，如设定Vrefl为1V，比较器的输出则变为比较规整的方波信号VDIM；该方波信号VDIM可以直接作为调光信号控制所述第二控制电路对LED负载进行调光。但由于不同型号可控硅的性能不一致，方波信号VDIM有可能具有低于100Hz频率分量，人眼会感受到灯的闪烁。所以优选地，为防止LED出现闪烁，我们可用由电阻和电容组成的均值电路对所述方波信号VDIM进行均值处理以再得到所述调光信号VREF。所述调光信号VREF可以用作输出LED电流的参考值对LED负载进行线性调光，也可以将所述调光信号VREF与一定频（一般频率大于100Hz）的三角波相比产生新的稳定方波对LED进行ON/OFF调光。图3优选实施例采用线性调光。ON/OFF调光属于本领域的公知常识，在此不再赘述。
所述第二控制电路203可以具体包括误差运算电路、PWM电路和驱动电路；
所述误差运算电路可以采用一误差放大器，其接收采样电阻R2电压所表征的LED电流信号和所述调光信号以获得一误差信号；所述PWM电路根据所述误差信号输出一PWM信号通过所述驱动电路控制所述第二级转换电路中开关管Q2的动作。
为了在可控硅调光的基础上，进一步根据系统的需要对所述LED负载进行调光，可将一表征系统调光的方波信号VSDIM通过一电阻R3连接至均值电路中电阻和电容的公共连接点，以将所述表征可控硅导通角度的调光信号VDIM与表征系统调光的信号VSDIM进行叠加运算后产生所述调光信号VREF。一优选实施例的原理框图如图5所示。
从该实施例可以看出：依据本发明的LED驱动电路可将表征系统调光的信号与表征可控硅导通角度的调光信号进行运算，根据运算的结果对LED负载的电流进行控制，而无需将输出侧表征系统调光的信号进过光耦进行传递，进一步降低了成本。
参考图6，所示为依据本发明的一种LED驱动方法的一实施例的流程图。其包括以下步骤:
S601：将一交流电源经过一可控硅电路的处理后得到一直流电压；
S602：利用一具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构对所述直流电压进行第一级转换，得到第一输出电压；
S603利用一非隔离型拓扑结构对所述第一输出电压进行第二级转换得到一定的输出电流驱动LED负载；并根据可控硅的导通角度得到一调光信号对所述LED负载进行调光。
其中步骤S601中进一步包括：根据可控硅的导通角度间歇性进行所述第一级转换。
所述步骤S603中可进一步包括：对表征可控硅角度的调光信号和表征系统调光的信号进行运算，根据其运算结果对所述LED负载进行调光。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种高效率的LED驱动电路，其将交流电源经过可控硅电路和整流电路处理后得到的直流电压转换为一定的输出电压和输出电流来驱动LED负载，其特征在于，包括第一级转换电路和第二级转换电路，其中，
所述第一级转换电路为具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构，其将接收到的所述直流电压转换为第一输出电压；
其中第一级转换电路包括一变压器，所述变压器的原边通过开关耦合所述直流电压，副边通过整流电路耦合到所述第一输出电压；
所述第二级转换电路为非隔离型拓扑结构，其根据可控硅导通角度将所述第一输出电压转换为一定的输出电流驱动所述LED负载。
2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一级转换电路包括一反激式变换器和第一控制电路；
所述反激式变换器与所述整流电路连接，以接收所述直流电压；
所述第一控制电路通过控制所述反激式变换器的原边功率开关管的动作以将所述直流电压转换为第一输出电压，并保证所述反激式变换器的输入电压和输入电流同相位。
3.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第二级转换电路的拓扑结构为非隔离型降压电路、非隔离型升压电路或非隔离型升降压电路，并进一步包括调光电路和第二控制电路；
所述调光电路与所述第一级转换电路相连接，以输出一表征可控硅导通角度的调光信号；
所述第二控制电路接收LED电流信号和所述调光信号，并据此控制所述第二级转换电路中开关管的动作以将所述第一输出电压转换为一定的输出电流驱动所述LED负载。
4.根据权利要求3所述的LED驱动电路，其特征在于，所述调光电路包括一方波信号发生电路，所述方波信号发生电路接收所述变压器副边电路的电信号以输出一表征所述可控硅导通角度的方波信号作为所述调光信号。
5.根据权利要求4所述的LED调光电路，其特征在于，所述调光电路进一步包括一均值电路，所述方波信号经过所述均值电路的处理后得到所述调光信号。
6.根据权利要求3所述的LED调光电路，其特征在于，所述表征可控硅导通角度的调光信号与一表征系统调光的信号进行运算，根据运算的结果对所述LED负载进行调光。
7.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一级转换电路根据所述可控硅的导通角度而间歇性工作。
8.一种高效率的LED驱动方法，其特征在于，
将一交流电源经过一可控硅电路的处理后得到一直流电压；
利用一具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构对所述直流电压进行第一级转换，得到第一输出电压；
利用一非隔离型拓扑结构对所述第一输出电压进行第二级转换得到一定的输出电流驱动LED负载，并根据可控硅的导通角度得到一调光信号对所述LED负载进行调光。
9.根据权利要求8所述的LED驱动方法，其特征在于，根据可控硅的导通角度来间歇性进行所述第一级转换。
10.根据权利要求9所述的LED驱动方法，其特征在于，进一步包括：对表征可控硅角度的调光信号和表征系统调光的信号进行运算，根据其运算结果对所述LED负载进行调光。
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