CN103037579A - 基于串联开关控制的led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串联开关控制的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。它包括串联开关控制模块(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，模块(1)由N-1个高压开关器件构成，并分别并联至前N-1个负载网络两端；模块(2)用于采样总负载电流I，并输出N-1个控制信号到模块(1)，以控制高压开关器件的通断，实现对负载的调节。本发明采用串联开关控制结构，减少了电路的外围器件和体积，提高了电路的工作效率及功率因数，可直接集成于载有LED负载网络的灯板之上。

Description

基于串联开关控制的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，特别是一种基于串联开关控制的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，主要可以分为两大类。

参考图1，第一类是以成本低为主要优势的驱动电路，此类电路中不含有集成电路芯片。市电经过整流桥进行全波整流后，再通过高压滤波电容C对其进行稳压，从而形成一个较稳定的输入电压V₁，该输入电压V₁通过限流电阻R直接驱动LED负载网络。设交流市电有效值为Vr，则经过整流滤波后较稳定的输入电压V₁可表示为：

$V_1=\sqrt{2}\×\mathrm{Vr}$

LED负载网络由n个LED串并联而成，每串LED由m个LED串联组成。设流过LED负载网络的总电流为I1，则LED负载网络两端的压降V₂可表示为：

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

其中V_T是热电压，室温下为26mV；I_S是二极管的饱和电流；电阻R的计算方法即为：

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

这种驱动电路结构简单，不含集成电路芯片，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；此外由于滤波电容C的存在，使得整个电路的功率因数极低，一般不能达到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上的功耗很大，发热的同时也耗费能源。

参考图2，第二类是带有控制芯片的各类AC-DC开关电源电路，具有代表性的是反激式AC-DC开关电源LED驱动电路，其中，控制IC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，且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IC，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的LED驱动电路产品的技术缺陷，提出了一种基于串联开关控制的LED驱动电路，可直接集成于载有LED负载网络的灯板之上，以减小产品体积和制造成本，同时提高电路工作效率和功率因数。

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：还包括串联开关控制模块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；

所述串联开关控制模块1，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成；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与整流桥3的公共端，其输出端b与第二个高压开关器件S₂的输入端a相连，并连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第二个高压开关器件S₂的输出端b与第三个高压开关器件S₃的输入端a相连，并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-2个高压开关器件S_N-2的输出端b与第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a相连，并连接到第N-2个负载网络Z_N-2与第N-1个负载网络Z_N-1的公共端；第N-1个高压开关器件S_N-1的输出端b连接到第N个负载网络Z_N与反馈网络2的公共端；

所述反馈模块2，用于采样流过负载网络的总负载电流I；其输出端输出N_-1个控制信号C₁～C_N，并分别连接到串联开关控制模块1中高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的导通与关断，从而调节接入电路负载的大小。

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，其中所述串联开关控制模块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总负载电流I；

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，并分别连接到串联开关控制模块1中高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的导通与关断，从而调节接入电路负载的大小。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明由于采用串联开关控制方法，使得该驱动电路外围电路少，可直接集成于载有LED负载网络的灯板之上，有效地减小了产品体积和制造成本，且无需电解电容，复杂度小，使用寿命长。

(2)本发明采用独特的可变负载方法，即通过检测流过LED负载网络的总电流大小，来调节接入电路负载的大小，很大程度地提高了电路功率因数，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低成本LED驱动电路；

图2为第二类含有控制芯片的传统反激式AC-DC开关电源电路；

图3为本发明的电路原理图；

图4为本发明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。其中：

所述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；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。

所述串联开关控制模块1，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成高压开关器件S₁～S_N-1，这些高压开关器件可采用增强型N沟道MOS管或高压耗尽型N沟道MOS管或双极型器件实现；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与整流桥3的公共端，其输出端b与第二个高压开关器件S₂的输入端a相连，并连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第二个高压开关器件S₂的输出端b与第三个高压开关器件S₃的输入端a相连，并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-2个高压开关器件S_N-2的输出端b与第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a相连，并连接到第N-2个负载网络Z_N-2与第N-1个负载网络Z_N-1的公共端；第N-1个高压开关器件S_N-1的输出端b连接到第N个负载网络Z_N与反馈网络2的公共端；

所述反馈模块2，用于采样流过负载网络的总负载电流I；它包括N-1个比较器，N-1个电压基准和1个电阻R；其中，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总负载电流I；N-1个电压基准用于产生N-1个阈值电压V_TH1～V_TH(N-1)；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，并连接到串联开关控制模块1中高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的导通与关断，从而调节接入电路的负载大小。

本发明的工作原理是：

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

初始时刻输入电压Vin接近于零并逐渐上升，此时反馈模块2检测到的总负载电流I很小，即控制串联开关控制模块1中所有的高压开关器件S₁～S_N-1导通，将前N-1个负载网络Z₁～Z_N-1完全短路，只有第N个负载网络Z_N接入电路，此时电路负载最小，使得总负载电流I随输入电压Vin的升高快速上升；总负载电流I流过反馈模块2中的电阻R产生反馈电压V_FB，反馈电压V_FB随总负载电流I逐渐增大，当反馈电压V_FB大于阈值电压V_TH(N-1)时，第N-1个比较器的输出信号C_N-1翻转，控制串联开关控制模块1中第N-1个高压开关器件S_N-1断开，使第N-1个负载网络Z_N-1接入电路，此时共有Z_N和Z_N-1两个负载网络接入电路，使负载变重，总负载电流I上升趋势受到抑制。随着输入电压Vin继续上升，反馈电压V_FB继续增大，当反馈电压V_FB大于阈值电压V_TH(N-2)时，第N-2个比较器的输出信号C_N-2翻转，控制串联开关控制模块1中第N-2个高压开关器件S_N-2断开，使第N-2个负载网络Z_N-2接入电路，此时共有Z_N、Z_N-1和Z_N-2三个负载网络接入电路，总负载电流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大于阈值电压V_TH1，第一个比较器的输出信号C₁翻转，控制串联开关控制模块1中第一个高压开关器件S₁断开，此时串联开关控制模块1中所有的高压开关器件S₁～S_N-1均断开，使N个负载网络Z₁～Z_N全部接入电路，保持总负载电流I基本恒定。

当输入电压Vin从最高点开始下降时，总负载电流I也随之下降，反馈电压V_FB也逐渐减小；当反馈电压V_FB小于阈值电压V_TH1时，第一个比较器的输出信号C₁翻转，控制串联开关控制模块1中第一个高压开关器件S₁导通，使第一个负载网络Z₁被短路，从而减轻负载；随着输入电压Vin逐渐下降，V_FB会依次小于阈值电压V_TH2，V_TH3，…，V_TH(N-1)，控制串联开关控制模块1中的高压开关器件S₂，S₃，…，S_N-1依次导通，负载网络Z₂，Z₃，…Z_N-1依次被短路，电路负载逐渐减小；当输入电压Vin下降至零附近时，串联开关控制模块1中所有的高压开关器件S₁～S_N-1均导通，只剩下第N个负载网络Z_N接入电路，保持总负载电流I基本恒定。

图4给出了本发明的输入电压及负载电流波形示意图，随着串联开关控制模块1中高压开关器件S₁～S_N-1的依次导通与关断，总负载电流I随着输入电压Vin的变化呈现出包络状，设定V_TH1>V_TH2>…>V_TH(N-1)，以保证总负载电流I随输入电压Vin的包络变化，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 (4)

1.一种基于串联开关控制的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：还包括串联开关控制模块(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；

所述串联开关控制模块(1)，由N-1个高压开关器件S₁～S_N-1构成；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与整流桥(3)的公共端，其输出端b与第二个高压开关器件S₂的输入端a相连，并连接到第一个负载网络Z₁与第二个负载网络Z₂的公共端；第二个高压开关器件S₂的输出端b与第三个高压开关器件S₃的输入端a相连，并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-2个高压开关器件S_N-2的输出端b与第N-1个高压开关器件S_N-1的输入端a相连，并连接到第N-2个负载网络Z_N-2与第N-1个负载网络Z_N-₁的公共端；第N-1个高压开关器件S_N-1的输出端b连接到第N个负载网络Z_N与反馈网络(2)的公共端；

所述反馈模块(2)，用于采样流过负载网络的总负载电流I；其输出端输出N-1个控制信号C₁～C_N，并分别连接到串联开关控制模块(1)中高压开关器件S₁～S_N-1的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-1的导通与关断，从而调节接入电路负载的大小。

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，每串发光二极管LED由M个发光二极管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：所述串联开关控制模块(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总负载电流I；

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，并分别连接到串联开关控制模块(1)中高压开关器件S₁～S_N-₁的控制端c，以控制高压开关器件S₁～S_N-₁的导通与关断，从而调节接入电路负载的大小。

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