CN102843808A - 发光二极管恒流驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管恒流驱动器，包括：单级PFC电路、调整管、控制单元，单级PFC电路的输入端与电源连接，第一输出端和第二输出端之间串接有发光二极管和调整管，LED的阳极与第一输出端相连，阴极与调整管的第一端相连，调整管的第二端与单级PFC电路的第二输出端相连，控制端与控制单元相连，该控制单元能够控制调整管中流过的电流达到稳定，改变了单级PFC电路连接的负载特性，减小单级PFC电路的负载电流纹波，从而减小了单级PFC电路的输出信号反馈至电流闭环控制电路的输入端的误差，也减小了单级PFC控制电路中电流控制电路输入端的基准参考信号的误差，最终提高了单级PFC电路的功率因数。

Description

发光二极管恒流驱动器
技术领域
本发明涉及恒流驱动技术领域，特别是涉及发光二极管恒流驱动器。
背景技术
小功率LED(Light Emitting Diode，发光二极管)负载的恒流驱动器，通常采用单级PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路，所述单级PFC电路，将PFC电路和LED驱动电路集成合并成一级电路。
单级PFC电路，为满足重负载情况下有相对较高的功率因数，环路带宽很低，环路速度很慢，因此，输出电压的低频纹波较大，又由于LED负载的U-I曲线较陡，且不同产家的LED的U-I曲线相差很大，即当LED灯两端的电压有微小变化时，LED灯流过的电流会有较大的变化，导致LED灯闪烁，即LED电流纹波很大。
如图1所示，单级PFC电路包括：单级PFC主电路10和单级PFC控制电路20两部分，其中，所述单级PFC主电路10为Flyback电路，所述单级PFC控制电路包括电流闭环控制电路21、电流控制电路22、过零触发电路23、隔离电路和乘法器U5，其中：
电流闭环控制电路21采样单级PFC主电路10的输出电流信号，电流闭环控制电路21输出的电流信号经隔离电路之后与单级PFC主电路10输入端的电压信号经乘法器U5运算后得到的信号，作为基准信号输入至电流控制电路22的同相输入端，其反相输入端采样单级PFC主电路10输入端的电流信号，其输出端连接至过零触发电路23。所述过零触发电路23包括电压比较器U3和RS触发器U4，所述电流控制电路22的输出端及电压比较器U3的输出端分别连接至所述RS触发器的R端和S端，所述RS触发器的输出端通过控制单级PFC主电路10中的开关管S的导通或截止的状态，使得单级PFC主电路10输入端的电流跟随单级PFC主电路10输入端的电压变化，以此提高单级PFC电路的功率因数。
但是，由于单级PFC电路输出的电流信号存在纹波，且当输出的电流纹波较大时，此时，单级PFC主电路输出电流信号的误差较大，因而经过电流闭环控制电路后的输出信号存在较大的误差，由于电流控制电路22的基准参考信号，由电流闭环控制电路21的输出信号与单级PFC主电路的输入端的电压采样信号，经乘法器相乘得到，因此，电流控制电路22的基准参考信号存在较大的误差。而电流控制电路22，使单级PFC电路输入端的电流跟随所述电流控制电路的基准参考信号的变化而变化，由于该基准参考信号存在较大误差，因此，单级PFC电路输入端的电流存在较大误差，不能准确跟随单级PFC电路输入电压的变化而变化，故单级PFC电路的功率因数大大降低。
因此，提高采用单级PFC电路实现的LED恒流驱动器的功率因数成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种LED恒流驱动器，以提高LED恒流驱动器的功率因数，技术方案如下：
一种发光二极管恒流驱动器，包括：由单级PFC主电路和单级PFC控制电路组成的单级PFC电路、调整管及控制单元，其中：
所述单级PFC电路的输入端与电源连接，所述单级PFC电路的第一输出端和第二输出端之间串接有发光二极管和所述调整管，所述发光二极管的阳极与所述第一输出端相连，阴极与所述调整管的第一端相连，所述调整管的第二端与所述单级PFC电路的第二输出端相连，控制端与所述控制单元相连，该控制单元能够控制所述调整管中流过的电流纹波减小。
优选的，所述调整管为NPN型三极管，所述第一端为集电极，所述第二端为发射极，所述控制端为基极。
优选的，所述控制单元为：恒定直流电源，且该恒定直流电源通过第一电阻连接于所述调整管的控制端。
优选的，所述控制单元为：阴极通过第二电阻与所述单级PFC电路的第一输出端相连，阳极与所述单级PFC电路的第二输出端相连的稳压二极管，该稳压二极管的阴极还通过第三电阻与所述调整管的控制端相连。
优选的，所述控制单元，还包括：串联在所述调整管的第二端与所述单级PFC电路的第二输出端之间的第一分压电阻。
优选的，上述发光二极管恒流驱动器中，所述调整管为PNP三极管，所述第一端为发射极，所述第二端为集电极，所述控制端为基极；
所述控制单元包括：稳压二极管和NPN型三极管，所述稳压二极管的阴极通过第四电阻与所述功率因数校正电路的第一输出端相连，阳极与所述功率因数校正电路的第二输出端相连，且该稳压二极管的阴极通过第五电阻与所述NPN型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的发射极与所述功率因数校正电路的第二输出端相连。
优选的，上述的发光二极管恒流驱动器中，所述调整管为PNP型三极管，所述第一端为发射极，所述第二端为集电极，所述控制端为基极；
所述控制单元包括：NPN型三极管和恒定直流电源，所述恒定直流电源通过第六电阻与所述NPN型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的发射极与所述功率因数校正电路的第二输出端相连。
优选的，上述的发光二极管恒流驱动器中，所述调整管为MOS管或三极管，且所述调整管工作在临界饱和状态。
由以上本发明实施例提供的技术方案可见，所述LED恒流驱动器包括单级PFC电路、调整管及控制单元，所述单级PFC电路的输入端连接电源，LED负载和调整管串联于所述单级PFC电路的两输出端之间，所述控制单元与所述调整管的控制端相连，控制单元能够使得所述调整管中流过的电流达到稳定，由于所述调整管与LED负载串联，故所述LED中流过的电流也能够达到稳定，改变了所述单级PFC电路连接的负载特性，减小了单级PFC电路输出的电流纹波，因而，减小了单级PFC电路输出的电流信号反馈至PFC控制电路中电流闭环控制电路的输入误差，进而减小了电流控制电路的输入基准参考信号的误差，使得单级PFC主电路的输入端电流能够最大程度的跟随输入端电压的变化而变化，最终提高了单级PFC电路的功率因数。
因此，该LED恒流驱动器通过单级PFC电路和廉价的调整管，生产成本较低，对于U-I曲线相差很大的不同产家的LED负载，都能减小单级PFC电路的输出纹波进而，能够提高LED恒流驱动器的功率因数。
附图说明
图1为单级功率因数校正电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例一种LED恒流驱动器的结构示意图；
图3为本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图；
图4为本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图；
图5为本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图；
图6为本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图；
图7为本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图；
图8为本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图2，示出了本发明实施例一种LED恒流驱动装置的结构示意图，主要包括：由单级PFC主电路和单级PFC控制电路组成的单级PFC电路1，调整管2及控制单元3，其中：
所述单级PFC电路1的输入端与电源Vin相连，调整管2与LED负载的串联支路连接在所述单级PFC电路的两输出端间，控制单元3与调整管2的控制端相连。
所述单级PFC电路可以通过图1所示的电路实现，由于该电路属于本领域技术人员的常识，此处不再赘述。
具体的，所述LED负载的阳极与单级PFC电路1的第一输出端a相连，阴极与调整管2的第一端相连，调整管2的第二端与单级PFC电路1的第二输出端b相连，调整管2的控制端与控制单元3相连。
具体的，所述调整管2可以通过三极管或MOS(metal-oxid-semiconductor，金属-氧化物半导体)管实现。
控制单元3能够根据单级PFC电路输出纹波的大小或通过外接的控制信号，使三极管或MOS管工作在线性放大状态或临界饱和状态，从而，使三极管或MOS管内的电流纹波减小，即，改变了所述单级PFC电路连接的负载特性，减小了单级PFC电路的负载电流纹波。
单级PFC电路的负载电流纹波减小，即减小了单级PFC电路中的电流闭环控制电路的输入误差，进而减小了单级PFC控制电路中电流控制电路基准参考信号的误差，使得单级PFC电路的输入电流最大程度地跟随单级PFC电路的输入电压变化而变化，从而提高了单级PFC电路的功率因数。
此外，LED恒流驱动器通过调整管和控制单元即可提高LED恒流驱动器的功率因数，因而降低了生产成本。
其中，优选的，调整管2工作在临界饱和状态，损耗小，但当调整管2工作在线性放大状态时，电流纹波更小接近电流稳定，对于提高PF值也更有效，当然损耗大，需要说明的是，所述调整管2工作的线性放大状态是指负载电流仍然等于单级PFC电路输出的恒定电流值的特定线性放大状态。
参见图3，示出了本发明实施例提供的另一种LED恒流驱动器的电路结构示意图，为图2对应的实施例的一种具体实现方式。
所述LED恒流驱动器主要包括：单级PFC电路100，三极管Q1，控制单元200，其中：
所述单级PFC电路100的输入端连接电源Vin，输出端包括第一输出端a和第二输出端b，所述第一输出端与LED负载的阳极相连，LED负载的阴极与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的发射极与所述单级PFC电路的第二输出端b相连，基极与控制单元200相连，该三极管Q1为NPN型三极管，且控制单元200使三极管Q1工作在线性放大状态，优选的工作在临界饱和状态，以减小三极管Q1的功耗，提高所述LED恒流驱动器的效率。
所述控制单元200具体可以为恒定直流电源Vcc，该恒定直流电源Vcc通过第一电阻R1与所述三极管Q1的基极相连。
本实施例提供的LED恒流驱动器的工作过程如下：
虽然单级PFC电路输出电流存在纹波，由于恒定直流电源Vcc的存在，而且三极管Q1的发射极电压稳定不变，因此三极管Q1的基极电流IB稳定不变，因此三极管Q1的集电极电流IC纹波减小，因此，流过LED负载的电流纹波减小，改善了单级PFC电路100的负载特性，减少了单级PFC电路100的输出电流纹波，即减小了单级PFC电路输出的电流信号反馈至单级PFC电路中电流闭环控制电路的输入误差，进而，减小了电流控制电路的基准参考信号的误差，使得单级PFC电路的输入电流最大程度地跟随单级PFC电路的输入电压变化而变化，因而提高了单级PFC电路的功率因数。
参见图4，示出了本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图，与图3对应的实施例不同的是，控制单元还包括第一分压电阻R3。
该LED恒流驱动器包括：单级PFC电路110、NPN型三极管Q1、控制单元210，其中，控制单元210包括：恒定直流电源Vcc，以及串接在三极管Q1的发射极和单级PFC的第二输出端b之间的第一分压电阻R3。所述恒定直流电源Vcc通过第一限流电阻R2与三极管Q1的基极相连，三极管Q1工作在线性放大状态。
当单级PFC电路110输出电压的纹波，使LED负载电流增大时，第一分压电阻R3上的压降也增大，三极管Q1的发射极电压UE增大，由于恒定直流电源Vcc的电压恒定不变，即三极管Q1的基极电压UB恒定，因此，三极管Q1的基极-发射极电压差UBE减小，三极管Q1的基极电流IB减小，集电极电流IC减小，LED负载电流减小，阻止了由单级PFC电路输出电压纹波引起的LED负载电流增大，最终使LED负载电流纹波减小甚至趋于稳定。
同理，当PFC电路110输出电压的纹波，使LED负载电流减小时，第一分压电阻R3上的压降减小，三极管Q1的基极-发射极电压差UBE增大，基极电流IB增大，集电极电流IC增大，LED负载电流增大，阻止了由单级PFC电路输出电压纹波引起的LED负载电流减小，最终使LED负载电流纹波减小甚至趋于稳定，改善了单级PFC电路的负载特性，减小了单级PFC电路的输出电流纹波，即减小了单级PFC电路输出的电流信号反馈至单级PFC电路中电流闭环控制电路的输入误差，也减小了PFC控制电路中电流控制电路的基准参考信号的误差，使得单级PFC电路的输入电流最大程度地跟随单级PFC电路的输入电压变化而变化，因而，提高了单级PFC电路的功率因数。
参见图5，示出了本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图，与图3对应的实施例不同的是，所述控制单元的实现方式不同。
该LED恒流驱动器主要包括：单级PFC电路120，三极管Q1，控制单元220，其中，所述三极管Q1可以为NPN型三极管。
具体的，所述单级PFC电路120的输入端连接电源Vin，输出端包括第一输出端a，第二输出端b，所述第一输出端a连接LED负载的阳极，所述LED负载的阴极与所述三极管Q1的集电极相连，发射极与所述第二输出端b相连，基极与控制单元220相连。
控制单元220具体可以通过稳压二极管ZD1实现，稳压二极管ZD1的阴极通过第二电阻R4与单级PFC电路120的第一输出端a相连，阳极与所述第二输出端b相连，同时所述稳压二极管ZD1的阴极通过第三电阻R5与所述三极管Q1的基极相连，使得三极管Q1工作在线性放大状态，优选的，使其工作在临界饱和状态，减小三极管Q1的功耗。
该LED恒流驱动器的工作过程如下：
单级PFC电路的两个输出端输出的电压能够反向击穿稳压二极管ZD1，使得稳压二极管ZD1的阴极电压恒定不变，即三极管Q1的基极电压恒定，又由于三极管Q1的发射极稳定不变，故三极管Q1的基极电流IB稳定不变，因此三极管Q1的集电极电流IC纹波减小，即流过LED负载的电流纹波减小，因此，改善了单级PFC电路的负载特性，减小了单级PFC电路输出的电流信号反馈至PFC控制电路中电流闭环控制电路的输入误差，从而减小了电流控制电路输入的基准参考信号的误差，使得单级PFC电路的输入电流最大程度地跟随单级PFC电路的输入电压变化而变化，最终提高了LED恒流驱动器的功率因数。
参见图6，示出了本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图，与图5对应的实施例不同的是，控制单元还包括第二分压电阻R6。
该LED恒流驱动器，包括：单级PFC电路130，三极管Q1，控制单元230，其中该控制单元230包括稳压二极管ZD2和第二分压电阻R6。
所述单级PFC电路130的输入端与电源Vin相连，稳压二极管ZD2的阴极通过电阻R7与单级PFC电路130的第一输出端a相连，阳极与单级PFC电路130的第二输出端b相连，同时稳压二极管ZD2的阴极通过电阻R8与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极通过第二分压电阻R6与所述第二输出端b相连，LED负载串接在单级PFC电路130的第一输出端a与三极管Q1的集电极之间，三极管Q1工作在线性放大状态。
该LED恒流驱动器的工作过程如下：
当单级PFC电路130输出电压纹波，使LED负载电流增大时，第二分压电阻R6上的压降也增大，即三极管Q1的发射极电压UE增大，由于稳压二极管ZD2的稳压作用，三极管Q1的基极电压UB恒定，因此三极管基极-发射极电压差UBE减小，基极电流IB减小，集电极电流IC减小，LED负载电流减小，阻止了LED负载电流增大，最终使LED负载电流纹波减小甚至趋于稳定。
同理，当单级PFC电路130输出电压纹波，使LED负载电流减小时，第二分压电阻R6上的压降也减小，即三极管Q1的发射极电压UE减小，由于稳压二极管ZD2的稳压作用，三极管Q1的基极电压UB恒定，因此三极管基极-发射极电压差UBE增大，基极电流IB增大，集电极电流IC增大，LED负载电流增大，阻止了LED负载电流减小，最终使LED负载电流纹波减小甚至趋于稳定。
综上所述，本实施例提供的LED恒流驱动器，通过控制单元能够控制三极管Q1中的电流趋于稳定，使得LED负载电流趋于稳定，减小了单级PFC电路的负载纹波，减小了单级PFC电路输出的电流信号反馈至单级PFC电路中电流闭环控制电路的输入信号的纹波，也减小了电流控制电路输入的基准参考信号的误差，使得单级PFC电路的输入电流最大程度地跟随单级PFC电路的输入电压变化而变化，最终提高了单级PFC电路的功率因数。
参见图7，示出了本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图，与图5对应的实施例不同的是，控制单元还包括第二三极管Q3。
该LED恒流驱动器包括：单级PFC电路140，第一三极管Q2，控制单元240，该控制单元包括，稳压二极管ZD3，第二三极管Q3，其中，第一三极管Q2为PNP型三极管，且工作在线性放大状态，优选的，工作在临界饱和状态，第二三极管Q3为NPN型三极管。
具体的，所述单级PFC电路140的输入端连接电源Vin，稳压二极管ZD3的阴极通过第四电阻R9与所述单级PFC电路的第一输出端a相连，阳极与单级PFC电路的第二输出端b相连，同时稳压二极管ZD3的阴极通过第五电阻R10与第二三极管Q3的基极相连，第二三极管Q3的发射极与单级PFC电路的第二输出端b相连，第二三极管Q3的集电极与第一三极管Q2的基极相连。第一三极管Q2的集电极与单级PFC电路的第二输出端b相连，第一三极管Q2的发射极与LED负载的阴极相连，LED负载的阳极与单级PFC电路的第一输出端a相连。
该LED恒流驱动器的工作过程如下：
由于稳压二极管ZD3的稳压作用，第二三极管Q3的基极电压UB恒定，第二三极管Q3的发射极电压UE恒定，第二三极管Q3的基极电流IB恒定，故第二三极管Q3的集电极电流IC恒定，故第一三极管Q2的基极电流恒定，LED负载电流纹波减小。
此外，可以控制第一三极管Q2的基极和发射极的电压差，使第一三极管Q2工作在临界饱和状态，减小第一三级管Q2的损耗，提高该LED恒流驱动器的效率。
参见图8，示出了本发明实施例另一种LED恒流驱动器的结构示意图，与图7对应的实施例不同的是，控制单元包括第四三极管Q5，恒定直流电源Vcc。
该LED恒流驱动器包括：单级PFC电路150，第三三极管Q4，控制单元250，所述第三三极管Q4为PNP型三极管，第四三极管Q5为NPN型三极管。
具体的，所述恒定直流电源Vcc通过第六电阻R11与第四三极管Q5的基极相连，第四三极管Q5的发射极与单级PFC电路150的第二输出端b相连，第四三极管Q5的集电极与第三三极管Q4的基极相连，第三三极管Q4的集电极与单级PFC电路的第二输出端b相连，LED负载连接于单级PFC电路150的第一输出端a和第三三极管Q4的发射极之间，且第三三极管Q4的发射极连接LED负载的阴极，第三三极管工作在Q4线性放大状态，优选的，工作在临界饱和状态。
由于恒定直流电源Vcc恒定，即第四三极管Q5的基极电压UB恒定，又由于第四三极管Q5的发射极电压UE恒定，第四三极管Q5的基极-发射极电压差恒定，则基极电流IB恒定，集电极电流IC恒定，即第三三极管Q4的基极电流恒定，故与第三三极管Q4串联连接的LED负载电流纹波减小，改变了单级PFC电路的负载特性，减少了单级PFC电路的输出电流纹波，即减小了单级PFC电路输出的电流信号反馈至单级PFC电路中电流闭环控制电路的输入端的误差，也减小了电流控制电路输入的基准参考信号的误差，使得单级PFC电路的输入电流最大程度地跟随单级PFC电路的输入电压变化而变化，因而提高了单级PFC电路的功率因数。
此外，可以选择合适的恒定电源Vcc的电压值，控制第三三极管Q4的基极和发射极的电压差，使第三三极管Q4工作在临界饱和状态，减小第三三级管Q4的损耗，提高该LED恒流驱动器的效率。
在本发明实施例的附图中，均以三极管作为调整管为例进行说明，在实际应用中，也可以为MOS管，这里并不限制。
需要说明的是本发明实施例中的LED负载可以是n个串联LED灯，即LED1-LEDn，其中n为大于1的正整数，所述LED负载还可以是一个LED灯，本发明对此并不进行限制。
需要说明的是，本发明实施例中的单级PFC电路中的单级PFC主电路可以是boost电路，back电路，也可以是Flyback电路，本发明对单级PFC主电路拓扑并不进行限制。
需要说明的是，所述单级PFC电路的环路速度越快，本发明涉及的技术方案通过减小其输出电流纹波来提高PF值的效果越明显。
本领域技术人员可以理解的是，上述所有实施例中的电阻、恒定直流电源、电容等元件的参数根据具体情况选定，本发明实施例不再赘述。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种发光二极管恒流驱动器，包括：由单级功率因数校正PFC主电路、单级PFC控制电路组成的单级PFC电路，其特征在于，还包括：调整管和控制单元，其中：
所述单级PFC电路的输入端与电源连接，所述单级PFC电路的第一输出端和第二输出端之间串接有发光二极管和所述调整管，所述发光二极管的阳极与所述单级PFC电路的第一输出端相连，阴极与所述调整管的第一端相连，所述调整管的第二端与所述单级PFC电路的第二输出端相连，控制端与所述控制单元相连，该控制单元能够控制所述调整管中流过的电流纹波减小。
2.根据权利要求1所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于，所述调整管为NPN型三极管，所述第一端为集电极，所述第二端为发射极，所述控制端为基极。
3.根据权利要求2所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于，所述控制单元为：
恒定直流电源，且该恒定直流电源通过第一电阻连接于所述调整管的控制端。
4.根据权利要求2所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于，所述控制单元为：
阴极通过第二电阻与所述单级PFC电路的第一输出端相连，阳极与所述单级PFC电路的第二输出端相连的稳压二极管，该稳压二极管的阴极还通过第三电阻与所述调整管的控制端相连。
5.根据权利要求3或4所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于，所述控制单元，还包括：
串联在所述调整管的第二端与所述单级PFC电路的第二输出端之间的第一分压电阻。
6.根据权利要求1所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于：
所述调整管为PNP三极管，所述第一端为发射极，所述第二端为集电极，所述控制端为基极；
所述控制单元包括：稳压二极管和NPN型三极管，所述稳压二极管的阴极通过第四电阻与所述功率因数校正电路的第一输出端相连，阳极与所述功率因数校正电路的第二输出端相连，且该稳压二极管的阴极通过第五电阻与所述NPN型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的发射极与所述功率因数校正电路的第二输出端相连。
7.根据权利要求1所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于：
所述调整管为PNP型三极管，所述第一端为发射极，所述第二端为集电极，所述控制端为基极；
所述控制单元包括：NPN型三极管和恒定直流电源，所述恒定直流电源通过第六电阻与所述NPN型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的基极相连，所述NPN型三极管的发射极与所述功率因数校正电路的第二输出端相连。
8.根据权利要求1或7所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于，所述调整管为MOS管或三极管。
9.根据权利要求3、4、6或7任一项所述的发光二极管恒流驱动器，其特征在于，所述调整管工作在临界饱和状态。
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