CN103025017B - 基于并联开关控制的led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联开关控制的LED驱动电路，主要解决现有驱动电路无法兼顾成本低，效率高，功率因数高的问题。其包括并联高压开关控制模块(1)，反馈模块(2)，整流桥(3)和N个负载网络；其中模块(3)用于对交流市电进行全波整流；N个负载网络单组串联后跨接于模块(3)与模块(2)之间，相邻两个负载网络的公共端均连接到模块(1)；模块(2)用于采样流过负载网络的电流值，并输出N-1个控制信号到模块(1)，以控制模块(1)中高压开关器件的通断，从而达到调节负载大小的目的。本发明由于外围器件少，故可以直接集成于载有LED负载网络的灯板之上，有效地减小了LED体积和制造成本，提高了电路工作效率以及功率因数，可用于LED球泡灯和LED灯管中。

Description

基于并联开关控制的LED驱动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种基于并联开关控制的LED驱动电路。

背景技术

发光二极管LED在照明应用中，因其具有发光效率高、寿命长、高亮度、节能、环保和耐用等特点，被认为是当前最具潜力的光源之一。为了充分发挥其优势，并且与前代照明产品如白炽灯、节能灯管等充分兼容，需要配备体积小，寿命长，成本低，并直接以交流市电为电源的LED驱动电路，以最大限度发挥LED自身优势。目前以交流市电为电源的LED驱动电路种类繁多，主要可以分为以下两大类。

图1给出了第一类不含控制芯片的传统LED驱动电路，交流市电首先经过整流桥B进行全波整流，其次通过一个很大的高压滤波电容C进行稳压，该高压滤波电容C两端形成一个较稳定的电压V₁，最后通过限流电阻R驱动LED负载网络。设交流市电的有效值为Vr，则高压滤波电容C两端的电压V₁可表示为：

$V_1=\sqrt{2}\×\mathrm{Vr}$

所述LED负载网络由n串LED并联而成，每串LED由m个LED串联组成。如果设计LED负载网络的总电流为I₁，则LED负载网络两端电压V₂可以表示为：

$V_2=m\·V_T\ln (\frac{I_1}{n{I}_S}+1)$

其中V_T是热电压，室温下为26mV；I_S是二极管的饱和电流；

所述限流电阻R的计算公式如下：

$R=\frac{(V_1-V_2)}{I_1}$

其中，V₁为高压滤波电容C两端电压，V2为LED负载网络两端电压；这种驱动电路结构简单，不含集成电路芯片，所以成本较低。但是由于滤波电容C需要耐高压且对容值需求较高，故必须选则电解电容，其寿命较低；另外由于滤波电容C的存在，使得整个电路的功率因数极低，不能达到0.6以上，对电网有较大污染；在驱动电压较低时，限流电阻R上的功耗也很大，发热的同时也耗费能源。

图2给出了第二类含有控制芯片的传统LED驱动电路，其中控制芯片兼顾开关器件和反馈调节功能，利用脉冲宽度调制、频率调制或者跳周期等调制方式对输出电压进行反馈调节，以稳定输出电流；变压器为隔离器件，为高压初次侧和低压二次侧提供隔离。此种电路的优势在于效率高，安全标准较高以及对输出电流的控制比较精确；但是因为外围器件较多，并且含有控制芯片，电路成本很高，体积较大，功率因数也由于大的输入电容而不理想；要实现直流驱动也必须含有较大的电解电容，对使用寿命产生影响。

综上所述，目前传统的LED驱动电路无法兼顾成本低，效率高，功率因数高，体积小等综合优势，有很大的改进空间。

发明内容

本发明的目的在于针对现有LED驱动电路的不足，提出了一种基于并联开关控制的LED驱动电路，以通过少量外围电路，减小电路体积和制造成本，提高电路工作效率以及整个电路的功率因数。

为实现上述目的，本发明包括用于对交流市电进行全波整流的整流桥3，其特征在于：还包括并联高压开关控制模块1、反馈模块2和N个负载网络Z₁～Z_N，N≥1；

所述的N个负载网络Z₁～Z_N，单组串联后跨接于整流桥3与反馈模块2之间；

所述并联高压开关控制模块1，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成；这些高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b与反馈模块2相连；第一个高压开关器件S₁的输入端a连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第一个高压开关器件S₂的输入端a连接到第二个负载网络Z₂与第三个负载网络Z₃的公共端；依此类推，第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a连接到第N-1个负载网络Z_N-1与第N个负载网络Z_N的公共端；

所述反馈模块2，用于采样流过负载网络的电流值，其输出端输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别连接到并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的通断，从而达到调节负载大小的目的。

上述LED驱动电路，其中所述N个负载网络Z₁～Z_N中的每个负载网络均由L串发光二极管LED并联而成，每串发光二极管LED由M个发光二极管LED串联组成，1≤M×N<100，L≥1。

上述LED驱动电路，其中所述并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1，采用增强型N沟道MOS管或高压耗尽型N沟道MOS管或双极型器件。

上述LED驱动电路，其中所述的反馈模块2包括N-1个比较器，N-1个电压基准和1个电阻R；

所述电阻R，跨接于第N个负载网络Z_N与地之间，用于采样流过负载网络的电流值；

所述的N-1个比较器，其反相输入端相连，并连接到第N个负载网络Z_N与电阻R的公共端；其正相输入端分别与N-1个电压基准相连；其输出端分别输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别与并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c相连，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的通断，从而达到调节负载大小的目的。

上述LED驱动电路，其中所述的反馈模块2包括N-1个比较器，N-1个电压基准和N个电阻R₁～R_N；

所述的N个电阻R₁～R_N，其一端相连并连接到地；前N-1个电阻R₁～R_N-1的另一端分别与并联高压开关控制模块1中高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b相连；第N个电阻R_N的另一端与第N个负载网络Z_N相连；

所述的N-1个比较器，其正相输入端分别与N-1个电压基准相连；第一个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块1中第二个高压开关器件S₂的输出端b相连；第二个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块1中第三个高压开关器件S₃的输出端b相连；依此类推，第N-2个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1的输出端b相连；第N-1个比较器的反相输入端与第N个负载网络Z_N相连；该N-1个比较器的分别输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别连接到并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以达到调节负载大小的目的。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明的驱动电路由于采用并联开关控制方法，故仅需少量外围电路，有效地减小了LED体积和制造成本，且可直接集成于载有LED负载网络的灯板之上，无需电解电容，复杂度小，使用寿命长。

(2)本发明添加的反馈模块，可根据流过LED负载网络电流大小调节负载大小，有效地提高了LED驱动电路的功率因数，使功率因数达到0.9以上。

(3)本发明由于未采用明显功率消耗器件，故其工作效率较高。

附图说明

图1为第一类不含控制芯片的传统LED驱动电路；

图2为第二类含有控制芯片的传统LED驱动电路；

图3为本发明LED驱动电路的系统框图；

图4为本发明LED驱动电路的第1实施例电路原理图；

图5为本发明LED驱动电路的第2实施例电路原理图；

图6为本发明LED驱动电路的输入电压及负载电流波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图3，本发明的LED驱动电路，包括并联高压开关控制模块1，反馈模块2，整流桥3和N个负载网络Z₁～Z_N，N≥1。

所述的N个负载网络Z₁～Z_N，单组串联后跨接于整流桥3与反馈模块2之间，该整流桥3用于对交流市电进行全波整流；其中，第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端连接到并联高压开关控制模块1；第二个负载网络Z₂与第三个负载网络Z₃的公共端连接到并联高压开关控制模块1；依此类推，第N-1个负载网络Z_N-1与第N个负载网络Z_N的公共端连接到并联高压开关控制模块1。

所述反馈模块2，用于采样流过负载网络的电流值，其输出端输出N-1个控制信号，连接到并联高压开关控制模块1，以控制并联高压开关控制模块1中高压开关器件的通断，从而达到调节负载大小的目的。

针对图3所示的系统框图，由于电流采样方式不同，本发明给出了如下两种具体电路结构的实施例：

实施例1

参照图4，本发明的LED驱动电路，包括并联高压开关控制模块1，反馈模块2，整流桥3和N个负载网络Z₁～Z_N，N≥1。

所述的N个负载网络Z₁～Z_N，单组串联后跨接于整流桥3与反馈模块2之间，其中每个负载网络均由L串发光二极管LED并联而成，每串发光二极管LED由M个发光二极管LED串联组成，1≤M×N<100，L≥1。

所述并联高压开关控制模块1，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成；这些高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b相连，并连接到反馈模块2与第N个负载网络Z_N的公共端；第一个高压开关器件S₁的输入端a连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第一个高压开关器件S₂的输入端a连接到第二个负载网络Z₂与第三个负载网络Z₃的公共端；依此类推，第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a连接到第N-1个负载网络Z_N-1与第N个负载网络Z_N的公共端。

所述反馈模块2，包括N-1个比较器，N-1个电压基准和1个电阻R；其中N-1个电压基准用于产生阈值电压V_TH1～V_TH(N-1)；电阻R跨接于第N个负载网络Z_N与地之间，用于采样流过负载网络的电流值；N-1个比较器的反相输入端相连，并连接到第N个负载网络Z_N与电阻R的公共端；其正相输入端分别与N-1个电压基准相连；其输出端分别输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别与并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c相连，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的通断，从而达到调节负载大小的目的。

本发明实施例1的工作原理是：

220V的交流市电经过整流桥3整流后，得到全波整流后的输入电压Vin；设市电频率为f，则整流后的包络频率为2f，下面取市电整流后输入电压Vin的一个周期进行分析：

初始时刻，输入电压Vin接近于零，反馈模块2检测到流过负载网络的电流I很小，故控制并联高压开关控制模块1中N-1个高压开关器件S₁～S_N-1均导通，将负载网络Z₂～Z_N完全短路，电路中只有第一个负载网络Z₁接入，此时电路中的负载最小，负载电流I随输入电压Vin的升高快速上升。负载电流I流过反馈模块2产生反馈电压V_FB，当反馈电压V_FB大于第一个阈值电压V_TH1时，第一个比较器输出的控制信号C₁翻转，控制并联高压开关控制模块1中第一个高压开关器件S₁关断，使第二个负载网络Z₂接入负载，此时共有Z₁和Z₂两个负载网络接入电路，使负载变重，负载电流I上升趋势受到抑制。随着输入电压Vin继续上升，负载电流I继续升高，反馈电压V_FB继续增大，当反馈电压V_FB大于第二个阈值电压V_TH2时，第二个比较器输出的控制信号C₂翻转，控制并联高压开关控制模块1中第二个高压开关器件S₂关断，使第三个负载网络Z₃接入负载，此时共有Z₁，Z₂和Z₃三个负载网络接入电路，负载电流I的上升再次受到抑制；依此类推，当输入电压Vin到达最高点附近时，反馈电压V_FB大于第N-1个阈值电压V_TH(N-1)，控制并联高压开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1关断，此时所有的高压开关均关断，N个负载网络Z₁～Z_N-1全部接入电路，负载电流I保持基本恒定。

当输入电压Vin从最高点开始下降时，负载电流I也随之下降，反馈电压V_FB逐渐减小；当反馈电压V_FB小于第N-1个阈值电压V_TH(N-1)，控制并联高压开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1导通，第N个负载网络Z_N被短路，从而减轻负载；随着输入电压Vin的继续下降，反馈电压V_FB会依次小于阈值电压V_TH(N-2)，V_TH(N-3)，…，V_TH1，控制并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S_N-2，S_N-3，…，S₁依次导通，逐渐减小电路负载；当输入电压Vin下降至零附近时，并联高压开关控制模块1中的N-1个S₁～S_N-1全部导通，电路负载只剩下第一个负载网络Z₁。

实施例2

参照图5，本发明的LED驱动电路，包括并联高压开关控制模块1，反馈模块2，整流桥3和N个负载网络Z₁～Z_N，N≥1。

所述的N个负载网络Z₁～Z_N，单组串联后跨接于整流桥3与反馈模块2之间，其中每个负载网络均由L串发光二极管LED并联而成，每串发光二极管LED由M个发光二极管LED串联组成，1≤M×N<100，L≥1。

所述并联高压开关控制模块1，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成；这些高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b分别连接到反馈模块2的前N-1个电阻R₁～R_N-1；第一个高压开关器件S₁的输入端a连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第一个高压开关器件S₂的输入端a连接到第二个负载网络Z₂与第三个负载网络Z₃的公共端；依此类推，第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a连接到第N-1个负载网络Z_N-1与第N个负载网络Z_N的公共端。

反馈模块2，包括N-1个比较器，N-1个电压基准和N个电阻R₁～R_N；其中N-1个电压基准用于产生阈值电压V_TH1～V_TH(N-1)；N个电阻R₁～R_N的一端相连并连接到地；前N-1个电阻R₁～R_N-1的另一端分别与并联高压开关控制模块1中高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b相连；第N个电阻R_N的另一端与第N个负载网络Z_N相连；N-1个比较器的正相输入端分别与N-1个电压基准相连；第一个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块1中第二个高压开关器件S₂的输出端b相连；第二个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块1中第三个高压开关器件S₃的输出端b相连；依此类推，第N-2个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1的输出端b相连；第N-1个比较器的反相输入端与第N个负载网络Z_N相连；该N-1个比较器的分别输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别连接到并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以达到调节负载大小的目的。

本发明实施例2的工作原理是：

220V交流市电经过整流桥3整流后，得到全波整流的输入电压Vin；设市电频率为f，则整流后包络频率为2f，下面取市电整流后输入电压Vin的一个周期进行分析。

设并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的饱和电流分别为I_S1～I_S(N-1)，则负载总电流I即为最左边导通的高压开关器件的饱和电流与其后的高压开关器件的未饱和电流之和。

初始时刻，输入电压Vin接近于零，并联高压开关控制模块1中N-1个高压开关器件S₁～S_N-1均导通，此时负载总电流I等于流过第一个高压开关器件S₁的电流I₁；随着输入电压Vin逐渐增大，负载总电流I增大，第一个高压开关器件S₁趋于饱和，当负载电流I大于阈值电流I_REF1时，反馈模块2中第一个比较器输出的控制信号C₁翻转，控制第一个高压开关器件S₁关断，其中阈值电流I_REF1=I_S1+V_TH1/R₂，V_TH1为设定的阈值电压；随着输入电压Vin继续上升，负载电流I继续升高，当负载电流I大于阈值电流I_REF2时，第二个比较器输出的控制信号C₂翻转，控制第二个高压开关器件S₂关断，其中阈值电流I_REF2=I_S2+V_TH2/R₂，V_TH2为设定的阈值电压；依此类推，当输入电压Vin到达最高点附近时，负载电流I大于阈值电流I_REF(N-1)，控制并联高压开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1关断，其中阈值电流I_REF(N-1)=I_S(N-1)+V_TH(N-1)/R_N，V_TH(N-1)为设定的阈值电压，此时所有的高压开关均关断，负载电流I保持基本恒定。

当输入电压Vin从最高点开始下降时，负载电流I也随之下降，当负载电流I小于阈值电流I_REF(N-1)，控制并联高压开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1导通，从而减轻负载；随着输入电压Vin的继续下降，负载电流I会依次小于阈值电流I_REF(N-2)，I_REF(N-3)，…，I_REF1，控制并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S_N-2，S_N-3，…，S₁依次导通，逐渐减小电路负载；当输入电压Vin下降至零附近时，并联高压开关控制模块1中的N-1个S₁～S_N-1全部导通。

本发明的LED驱动电路，其中反馈模块2不限于上述两种电流采样方式，并联高压开关控制模块1中的高压开关器件不限于采用增强型N沟道MOS管或高压耗尽型N沟道MOS管或双极型器件。

图6为本发明LED驱动电路的输入电压及负载电流波形示意图，随着并联高压开关控制模块1中的高压开关器件S₁～S_N-1的依次关断与导通，负载电流I也会随着输入电压Vin呈现出包络状，设定V_TH1<V_TH2<…<V_TH(N-1)，以保证负载电流I随输入电压Vin包络变化，从而达到极高功率因数值；设流过N-1个负载网络的电流分别为I₁～I_N，由于各个负载网络接入电路的时间不同，各个负载网络电流占空比均不同，导致亮度不一，可以通过调整不同负载网路在灯板上的位置进行修正和圆润，使灯板在点亮时没有可见闪烁。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (5)

1.一种基于并联开关控制的LED驱动电路，包括用于对交流市电进行全波整流的整流桥(3)，其特征在于：还包括并联高压开关控制模块(1)、反馈模块(2)和N个负载网络Z₁～Z_N，N≥1；

所述的N个负载网络Z₁～Z_N，单组串联后跨接于整流桥(3)与反馈模块(2)之间；

所述并联高压开关控制模块(1)，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成；这些高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b与反馈模块(2)相连；第一个高压开关器件S₁的输入端a连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第一个高压开关器件S₂的输入端a连接到第二个负载网络Z₂与第三个负载网络Z₃的公共端；依此类推，第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a连接到第N-1个负载网络Z_N-1与第N个负载网络Z_N的公共端；

所述反馈模块(2)，用于采样流过负载网络的电流值，其输出端输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别连接到并联高压开关控制模块(1)中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的通断，从而达到调节负载大小的目的；该反馈模块(2)，根据流过各高压开关器件S₁～S_N-1的电流I₁～I_N-1或负载总电流I的大小控制各高压开关器件S₁～S_N-1的工作状态，具体如下：当输入电压Vin接近零值时，流过各高压开关器件S₁～S_N-1的电流I₁～I_N-1或负载总电流I为零，反馈模块(2)控制各高压开关器件S₁～S_N-1工作在线性区，处于导通状态；随着输入电压Vin的上升，负载网络Z₁接入电流环路，流过高压开关器件S₁的电流I₁或负载总电流I开始上升，反馈模块(2)控制高压开关器件S₁进入饱和区工作，此时高压开关器件S₁相当于恒流源；随着输入电压Vin继续上升，一部分电流通过负载网络Z₂经高压开关器件S₂流入反馈模块(2)，流过高压开关器件S₂的电流I₂或负载总电流I再次上升，反馈模块(2)控制高压开关器件S₁工作在截止区，处于关断状态；以此类推，当输入电压Vin接近最大值时，反馈模块(2)控制全部高压开关器件S₁～S_N-1工作在截止区，所有负载网络Z₁～Z_N均接入电流环路；反之，当输入电压Vin下降时，反馈模块(2)控制并联高压开关控制模块(1)中的高压开关器件以相反的趋势工作，最终当Vin下降至零值时，反馈模块(2)控制各高压开关器件S₁～S_N-1工作在线性区，处于导通状态；此时负载总电流I为零。

2.根据权利要求1所述LED驱动电路，其特征在于：所述N个负载网络Z₁～Z_N中的每个负载网络均由L串发光二极管LED并联而成，每串发光二级管LED由M个发光二级管LED串联组成，1≤M×N<100，L≥1。

3.根据权利要求1所述LED驱动电路，其特征在于：所述并联高压开关控制模块(1)中的高压开关器件S₁～S_N-1，采用增强型N沟道MOS管或高压耗尽型N沟道MOS管或双极型器件。

4.根据权利要求1所述LED驱动电路，其特征在于：所述的反馈模块(2)包括N-1个比较器，N-1个电压基准和1个电阻R；

所述电阻R，跨接于第N个负载网络Z_N与地之间，用于采样流过负载网络的电流值；

所述的N-1个比较器，其反相输入端相连，并连接到第N个负载网络Z_N与电阻R的公共端；其正相输入端分别与N-1个电压基准相连；其输出端分别输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别与并联高压开关控制模块(1)中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c相连，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的通断，从而达到调节负载大小的目的。

5.根据权利要求1所述LED驱动电路，其特征在于：所述的反馈模块(2)包括N-1个比较器，N-1个电压基准和N个电阻R₁～R_N；

所述的N个电阻R₁～R_N，其一端相连并连接到地；前N-1个电阻R₁～R_N-1的另一端分别与并联高压开关控制模块(1)中高压开关器件S₁～S_N-1的输出端b相连；第N个电阻R_N的另一端与第N个负载网络Z_N相连；

所述的N-1个比较器，其正相输入端分别与N-1个电压基准相连；第一个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块(1)中第二个高压开关器件S₂的输出端b相连；第二个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块(1)中第三个高压开关器件S₃的输出端b相连；依此类推，第N-2个比较器的反相输入端与并联高压开关控制模块(1)中第N-1个高压开关器件S_N-1的输出端b相连；第N-1个比较器的反相输入端与第N个负载网络Z_N相连；该N-1个比较器的分别输出N-1个控制信号C₁～C_N-1，并分别连接到并联高压开关控制模块(1)中的高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以达到调节负载大小的目的。