CN103152894A - 一种基于ac电源的分段式led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于AC电源的分段式LED驱动电路，包括用于对AC电源进行整流的整流单元，与整流单元输出端连接、用于照明的照明单元以及与照明单元连接、并在照明单元导通时保持其电流恒定的恒流驱动单元；照明单元包括多个依次连接的照明子单元，每一个照明子单元包括输入端和输出端，恒流驱动单元包括多个恒流驱动子单元，每一个恒流驱动子单元包括参考电压输入端、接地端和控制端；每一个恒流驱动子单元的参考电压输入端分别加入不同的参考电压，接地端连接在一起，控制端分别与其位置对应的照明子单元的输出端连接。实施本发明的基于AC电源的分段式LED驱动电路，具有以下有益效果：体积小、成本低。

Description

一种基于AC电源的分段式LED驱动电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地说，涉及一种基于AC电源的分段式LED驱动电路。

背景技术

LED是一种采用电场发光将电能转化成光能的半导体，同采用钨丝发光的白炽灯和采用三基色粉发光的节能灯相比，具有体积小、亮度高、耗电低等诸多优点。伴随着生产技术的发展以及市场需求的不断增大，LED灯也正在逐步取代白炽灯和节能灯，以后必将成为照明系统的主流。

LED的发光强度和流过LED的电流大小在一定范围内成正比。当LED的端口电压过高时，流过LED的电流会很大，此时发光强度会很大，会直接损坏LED；当端口电压过小，以致小于导通阈值电压时，流过LED的电流会很小，此时LED发出的光很小，不能应用于照明领域。因此在实际应用中，设计LED驱动电路，必须调控流过LED元件的电流，保证LED发出合适的光照。常规的LED驱动电路要使用变压器进行转能，其中采用的高压电解电容元件的寿命会随着使用时间的增加而迅速缩短，进而影响整个驱动电路的工作。

图1为常规的交流（AC）电源LED驱动电路的电路图，该驱动电路包括整流单元110、滤波电容120、照明单元130和恒流单元140，照明单元130包括LED灯串131；整流单元110和滤波电容120将外接的交流（AC）电源转换为直流电源，恒流流单元140确保当照明单元130导通后，流过该照明单元130的电流值恒为I，不随外部电压的变化而变化，从而保证LED照明元件能正常工作，并使发出的光均匀稳定。

常规的驱动电路在将交流（AC）电源转换为直流电源的过程中，使用了滤波电容120，增大了电路的体积和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述体积大、成本高的缺陷，提供一种体积小、成本低的基于AC电源的分段式LED驱动电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造基于AC电源的分段式LED驱动电路，包括用于对所述AC电源进行整流的整流单元，与所述整流单元输出端连接、用于照明的照明单元以及与所述照明单元连接、并在所述照明单元导通时保持其电流恒定的恒流驱动单元；所述照明单元包括多个依次连接的照明子单元，所述每一个照明子单元包括输入端和输出端，所述恒流驱动单元包括多个恒流驱动子单元，所述每一个恒流驱动子单元包括参考电压输入端、接地端和控制端；所述每一个恒流驱动子单元的参考电压输入端分别加入不同的参考电压，所述每一个恒流驱动子单元的接地端连接在一起，所述每一个恒流驱动子单元的控制端分别与其位置对应的所述照明子单元的输出端连接。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，还包括采样电阻，所述每一个恒流驱动子单元的接地端连接在一起后通过所述采样电阻接地。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，所述多个照明子单元与所述多个恒流驱动子单元的数目相等。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，所述每一个照明子单元包括多个串联的LED，所述每一个照明子单元中第一个LED的阳极为所述照明子单元的输入端，最后一个LED的阴极为所述照明子单元的输出端。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，所述恒流驱动子单元包括运算放大器和MOS管；所述运算放大器的正相输入端加入参考电压，反向输入端通过所述采样电阻接地，所述反相输入端还与所述MOS管的源极连接，所述MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，漏极与对应位置的照明子单元的输出端连接。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，所述多个恒流驱动子单元中的运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值按照与所述整流单元输出端之间距离的增大而依次增大。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，所述照明单元导通时的电流恒定保持在当前处在开启状态的恒流驱动子单元中的运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值除以所述采样电阻的值。

当所述照明子单元两端的电压达到其开启电压阈值时，所述照明子单元导通。

在本发明所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路中，所述整流单元为桥式整流电路或全波整流电路。

实施本发明的基于AC电源的分段式LED驱动电路，具有以下有益效果:由于该分段式LED驱动电路包括整流单元、照明单元以及恒流驱动单元，与传统的LED驱动电路相比，无需大电感、大电容以及控制单元，有效减小了体积，同时降低了电路的成本；由于恒流驱动单元用于在照明单元导通时保持其电流恒定，使照明单元保证照明单元的发光均匀稳定，提高了电路的稳定性。

附图说明

图1是背景技术中常规的交流电源LED驱动电路的电路图；

图2是本发明基于AC电源的分段式LED驱动电路一个实施例中的电路结构示意图；

图3是所述实施例中基于AC电源的分段式LED驱动电路的电路原理图；

图4是所述实施例中AC电源经整流后的电压仿真波形；

图5是所述实施例中基于AC电源的分段式LED驱动电路的仿真图。

具体实施方式

为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本发明，下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

在本发明基于AC电源的分段式LED驱动电路实施例中，该基于AC电源的分段式LED驱动电路的电路图如图2所示。图2中，该基于AC电源的分段式LED驱动电路包括整流单元210、照明单元220和恒流驱动单元230；其中，整流单元210用于对AC电源进行整流，使其由交流转变成直流，整流单元210为桥式整流电路或全波整流电路；照明单元220与整流单元210输出端连接并用于照明；恒流驱动单元230与照明单元220连接、并在照明单元220导通时保持其（照明单元220）电流恒定。

本实施例中，照明单元220包括多个依次连接的照明子单元（请参见图3，稍后会有描述），每一个照明子单元包括输入端和输出端，恒流驱动单元230包括多个恒流驱动子单元，每一个恒流驱动子单元包括参考电压输入端、接地端和控制端；每一个恒流驱动子单元的参考电压输入端分别加入不同的参考电压，每一个恒流驱动子单元的接地端连接在一起，每一个恒流驱动子单元的控制端分别与其位置对应的照明子单元的输出端连接。每一个照明子单元包括多个串联的LED，上述多个照明子单元中第一个照明子单元的输入端与整流单元210的输出端连接，第一个照明子单元的输出端与上述多个恒流驱动子单元中第一个恒流驱动子单元的输出端连接。值得一提的是，每一个照明子单元中（具体是多个串联的LED中）第一个LED的阳极为照明子单元的输入端，最后一个LED的阴极为照明子单元的输出端。

图3是本实施例中基于AC电源的分段式LED驱动电路的电路原理图；图3中，该基于AC电源的分段式LED驱动电路还包括采样电阻R，上述每一个恒流驱动子单元的接地端连接在一起后通过采样电阻R接地GND。整流单元210对AC电源进行整流，为整流单元210输出点到地GND之间的电路提供电压驱动。值得一提的是，上述多个照明子单元与多个恒流驱动子单元的数目相等。本实施例中，多个照明子单元与多个恒流驱动子单元的数目都取值为4，也就是，照明单元220包括4个依次连接的照明子单元，为了描述方便，将这4个照明子单元分别命名为第一照明子单元221、第二照明子单元222、第三照明子单元223和第四照明子单元224；恒流驱动单元230包括4个恒流驱动子单元，为了描述方便，将这4个恒流驱动子单元分别命名为第一恒流驱动子单元231、第二恒流驱动子单元232、第三恒流驱动子单元233和第四恒流驱动子单元234。当然，在本实施例的另外一些情况下，多个照明子单元与多个恒流驱动子单元的数目也可以取其他正整数N，N为不小于2的整数，i=2,3,5，…，N。

在本实施例的另外一些情况下，当照明子单元的数目和恒流驱动子单元的数目都为N（N为大于1的整数）时，第一个照明子单元的前端（输入端）同整流单元相连，后端（输出端）同恒流驱动单元的第一恒流驱动子单元的输出端和第二照明子单元的前端连接，第i个照明子单元的前端同第i-1个照明子单元的后端以及恒流驱动单元中第i-1个恒流驱动子单元的输出端连接；恒流驱动单元包括N个恒流驱动子单元，所有的恒流驱动子单元使用的是不同的参考电压VREF_{i（i=1,2,3……N）}，多个恒流驱动子单元中的运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值按照与整流单元输出端之间距离的增大而依次增大，也即满足VREF_i<VREF_{i+1（i=1,2,3……N）}。

本实施例中，每一个恒流驱动子单元包括运算放大器和MOS管；每一个运算放大器的同相输入端加入参考电压，反向输入端通过采样电阻R接地GND，反相输入端还与MOS管的源极连接，MOS管的栅极与运算放大器的输出端连接，漏极与对应位置的照明子单元（负载）的输出端连接。值得一提的是，每一个恒流驱动子单元中的MOS管的源极全部连接在一起（相当于所有恒流驱动子单元中的运算放大器的反相输入端均直接相连），并与采样电阻R一端连接。

具体来讲，第一恒流驱动子单元231包括第一运算放大器231a和第一MOS管M1；第二恒流驱动子单元232包括第二运算放大器232a和第二MOS管M2；第三恒流驱动子单元233包括第三运算放大器233a和第三MOS管M3；第四恒流驱动子单元234包括第四运算放大器234a和第四MOS管M4。第一运算放大器231a、第二运算放大器232a、第三运算放大器233a和第四运算放大器234a的同相输入端分别加入第一参考电压VREF₁、VREF₂、VREF₃和VREF₄；并且，上述多个恒流驱动子单元中运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值按照与整流单元输出端之间距离的增大而依次增大，也就是VREF₁、VREF₂、VREF₃和VREF₄之间的关系是VREF₁<VREF₂<VREF₃<VREF₄。

本实施例中，当照明子单元两端的电压达到其开启电压阈值时，照明子单元导通。具体来讲，当第一照明子单元221、第二照明子单元222、第三照明子单元223和第四照明子单元224两端的电压压降分别达到其对应的开启电压阈值时，则对应的照明子单元导通。照明单元220导通时的电流恒定保持在当前处在开启状态的恒流驱动子单元中的运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值除以采样电阻R的值。

具体来讲，每一个恒流驱动子单元的电路结构和工作原理相同，以第一恒流驱动子单元231为例，第一MOS管M1的漏极与第一照明子单元221的输出端连接，源极分别与第一运算放大器231a的反相输入端和采样电阻R的一端连接。第一恒流驱动子单元231中的第一运算放大器231a的同相输入端连接参考电压VREF₁。当第一MOS管M1的漏极电压足够时，第一恒流驱动子单元231工作在恒流状态，此时第一恒流驱动子单元231的输出电流大小为：

$I_1=\frac{\mathrm{VRE}{F}_1}{R}$

同理，第二恒流驱动子单元232、第三恒流驱动子单元233和第四恒流驱动子单元234的输出电流依次为：

$I_2=\frac{{\mathrm{VREF}}_2}{R},$ $I_3=\frac{\mathrm{VRE}{F}_3}{R},$ $I_4=\frac{{\mathrm{VREF}}_4}{R};$

AC电源电压经过整流单元210整流后输出正弦半波，整流单元210输出点的电压从0V开始逐渐上升，当该点电压值达到第一照明子单元221所需的导通电压阈值时，此时第一照明子单元221开始流过电流，该电流为

也即第一照明子单元221点亮，此时，第一恒流驱动子单元231工作在恒流状态，其他恒流驱动子单元中的运算放大器的反相输入端的电压均为VREF₁，其他恒流驱动子单元的运算放大器输出高电平，其对应的MOS管工作在导通状态，但整流单元210输出的电压没有达到上述其他照明子单元的开启电压阈值，因此其他照明子单元均没有点亮，其他恒流驱动子单元工作在关闭状态。

随着AC电源电压继续上升，恒流状态下，第一照明子单元221承受的电压保持不变，其多余的电压压降由第一MOS管M1承受，也由第二照明子单元222以及第二恒流驱动子单元232承受，当多余的电压达到了第二照明子单元222的导通阈值电压后，第二恒流驱动单元232开始产生电流，该电流在采样电阻R上产生电压，第二恒流驱动单元232中运算放大器222a的反相输入端的电压不断增大，开始由VREF₁向VREF₂增大，从而使得第一恒流驱动子单元231的电流不断减小，第二恒流驱动子单元232的电流不断增大，最终达到

第二恒流驱动子单元232中运算放大器232a的反相输入端电压达到VREF₂，此时所有恒流驱动子单元中的运算放大器的反相输入端的电压都是VREF₂，第一恒流驱动子单元231的运算放大器231a输出低电平，对应的第一MOS管M1截止，第一恒流驱动子单元231关闭，其余恒流驱动子单元的运算放大器输出高电平，对应的MOS管开启状态，但是由于整流单元210输出的电压不能达到其（第三照明子单元223和第四照明子单元224）开启电压阈值，照明单元220中仅有第一照明子单元221和第二照明子单元222点亮。随着AC电源电压的继续增大，照明单元220中的第三照明子单元223和第四照明子单元224依次点亮，其电流依次为

当AC电源电压处在峰值时，整流单元210输出点的电压也处在峰值状态，此时4个照明子单元（第一照明子单元221、第二照明子单元222、第三照明子单元223和第四照明子单元224）全部点亮，其中第四恒流驱动子单元234处于开启状态，电流值为其他恒流驱动子单元中运算放大器的反相输入端电压值均为VREF₄，运算放大器输出低电平，对应的MOS管处于截止状态，所以其他的恒流驱动子单元均处于关闭状态。

随着整流单元210输出点的电压继续降低，当电压值小于第四照明子单元224的开启电压阈值时，照明单元220中的电流开始下降，第四恒流驱动子单元234中第四运算放大器234a的反相输入端的电压开始逐渐变小，其他运算放大器的反相输入端的电压变化与第四恒流驱动子单元234中第四运算放大器234a的反相输入端的电压变化一致，第四恒流驱动子单元234的电流逐渐变小，同时第三恒流驱动子单元233的电流逐渐增大，当第四恒流驱动子单元234的电流减小到

时，所有恒流驱动子单元中运算放大器的反相输入端的电压为VREF₃，此时第三恒流驱动子单元233工作在开启状态，由于第一恒流驱动子单元231中的第一运算放大器231a和第二恒流驱动子单元232中的第二运算放大器232a输出低电平，所以其工作在关闭状态；由于整流单元210的输出电压小于第四恒流驱动子单元234的开启电压阈值，所以第四恒流驱动子单元234也工作在关闭状态，此时照明单元220中点亮的照明子单元为三个。同理，随着AC电源电压的下降，照明单元220中点亮的照明子单元的个数逐渐减小。第二恒流驱动子单元232和第一恒流驱动子单元231的电流依次为： $I_2=\frac{{\mathrm{VREF}}_2}{R},$ $I_1=\frac{\mathrm{VRE}{F}_1}{R}.$

上述的分析表明，该基于AC电源的分段式LED驱动电路中没有使用控制单元，照明单元220中点亮的照明子单元的个数随着AC电源电压的增大而增多，随着AC电源电压的降低而减少。当AC电源的周期小于人眼的识别时间时，人眼观察到的发光将是均匀、稳定的。

图4是本实施例中AC电源经整流后的电压仿真波形；图4中，电压波形为AC电源经全波整流后的波形，其峰值为310V。图5是实施例中基于AC电源的分段式LED驱动电路的仿真图。从图4和图5中的仿真波形中可以看出，当整流后的电压达到第一照明子单元221的开启电压阈值时，第一照明子单元221开始有电流流过，其余的照明子单元随输入AC电源电压的升高被依次点亮，随输入AC电源电压的降低被依次熄灭，循环变化。在一个周期过程中照明单元220的电流由恒流驱动单元230控制其保持恒定，从而保证了照明单元220的发光均匀稳定。

总之，在本实施例中，该基于AC电源的分段式LED驱动电路无需大电感、大电容以及控制单元，有效减小电路面积、体积，同时还降低了电路的成本，提高了电路的稳定性。本实施例中的LED驱动电路可以随着AC输入电压的变化自动调整点亮照明子单元的数量和流过照明单元的电流，无需检测AC输入电压，切换过程中，第i+1恒流驱动单元电流增大的同时，第i恒流驱动单元的电流减小；在第i+1恒流驱动单元电流减小的同时，第i恒流驱动单元的电流增大，保证了在切换时照明单元电流的平稳变化。由于不需要控制单元对整流单元输出的电压值进行检测，同时也有效地避免了切换过程中的不同步问题，保证了在切换过程中，流过照明单元的电流能够平稳变化。

传统的LED驱动电路中（请参见图1），当流过LED照明单元130的电流值恒定的时候，该照明单元130的电压压降也是恒定的，这样该电路的效率会随着交流（AC）电源电压值的变化而变化，当且仅当整流单元110的输出电压值大于所有LED灯串131的导通电压阈值的时候，LED灯才会亮，电路的工作效率比较低。而本实施例中的基于AC电源的分段式LED驱动电路中整流单元210的输出电压值大于第一照明子单元221的开启电压阈值时，则第一照明子单元221点亮，同理，随着AC电源电压的不断上升，相应的照明子单元依次点亮，与传统的LED驱动电路相比，该基于AC电源的分段式LED驱动电路提高了工作效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，包括用于对所述AC电源进行整流的整流单元，与所述整流单元输出端连接、用于照明的照明单元以及与所述照明单元连接、并在所述照明单元导通时保持其电流恒定的恒流驱动单元；所述照明单元包括多个依次连接的照明子单元，所述每一个照明子单元包括输入端和输出端，所述恒流驱动单元包括多个恒流驱动子单元，所述每一个恒流驱动子单元包括参考电压输入端、接地端和控制端；所述每一个恒流驱动子单元的参考电压输入端分别加入不同的参考电压，所述每一个恒流驱动子单元的接地端连接在一起，所述每一个恒流驱动子单元的控制端分别与其位置对应的所述照明子单元的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，还包括采样电阻，所述每一个恒流驱动子单元的接地端连接在一起后通过所述采样电阻接地。

3.根据权利要求2所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，所述多个照明子单元与所述多个恒流驱动子单元的数目相等。

4.根据权利要求3所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，所述每一个照明子单元包括多个串联的LED，所述每一个照明子单元中第一个LED的阳极为所述照明子单元的输入端，最后一个LED的阴极为所述照明子单元的输出端。

5.根据权利要求4所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，所述恒流驱动子单元包括运算放大器和MOS管；所述运算放大器的正相输入端加入参考电压，反向输入端通过所述采样电阻接地，所述反相输入端还与所述MOS管的源极连接，所述MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，漏极与对应位置的照明子单元的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，所述多个恒流驱动子单元中的运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值按照与所述整流单元输出端之间距离的增大而依次增大。

7.根据权利要求6所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，所述照明单元导通时的电流恒定保持在当前处在开启状态的恒流驱动子单元中的运算放大器的正相输入端加入的参考电压的值除以所述采样电阻的值。

8.根据权利要求7所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，当所述照明子单元两端的电压达到其开启电压阈值时，所述照明子单元导通。

9.根据权利要求8所述的基于AC电源的分段式LED驱动电路，其特征在于，所述整流单元为桥式整流电路或全波整流电路。

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