CN103188847B - 一种恒流电荷泵led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流电荷泵LED驱动电路，用于限制LED驱动电路的突波电流，提高LED驱动电路的功率因素。依据本发明一实施例提供的一种恒流电荷泵LED驱动电路，包括整流桥电路、发光二极管LED串电路和电容器，进一步第一恒流电路、第二恒流电路和参考电压源电路，所述整流桥电路、电容器和第一恒流电路串联组成第一电流回路，所述整流桥电路、LED串电路和第二恒流电路串联组成第二电流回路，所述参考电压源电路用于为所述第一恒流电路和所述第二恒流电路提供基准电压。

Description

一种恒流电荷泵LED驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别地涉及一种恒流电荷泵LED驱动电路。

背景技术

现有技术中，通常使用交流电经整流及滤波电容器平滑后的直流电源方式对LED串电路进行驱动，此种驱动方式极容易发生突波电流。突波电流是指开启电源后，流入滤波电容器的大充电电流。当电荷未滞留在滤波电容器时，电源一旦打开，会有很大的突波电流流动，在无突波电流抑制电路的场合，理论上该突波电流会变成无限大。若不加抑制电阻，突波电流的最大值可为数十安培，点灯时可能会造成断电器跳脱，或者引起电源切换器触点高温融溶附着，以及对电路组件的过负载，可能引发各种安全及可靠性问题。

参见图1，所示为现有技术中采用的热敏电阻突波抑制LED驱动电路，市电经整流器整流后与大功率热敏电阻连接，大功率热敏电阻与两支路连接，一支路为电容器，另一支路为整流二极管阵列(Current Regulation Diodes，CRDS)，LED串电路和电阻串联，动作原理为：在电源开启时，较大的突波电流会造成热敏电阻温度的上升，热敏电阻的阻抗值会自动下降，如此在开启电源瞬间的大电阻可以抑制突波电流，并且可以减少正常工作状态时的电力损失。不过这种方式切断电源立即再开启时，热敏电阻的温度受到预热影响，会持续维持小阻值状态，因此同样有发生大突波电流的危险，并且串联在回路中的电阻会消耗功率，影响转换电路的效率，造成LED驱动电路转换效率较低。

发明内容

本发明实施例提供了一种恒流电荷泵LED驱动电路，用于限制LED驱动电路的突波电流，提高LED驱动电路的功率因素。

依据本发明一实施例提供的一种恒流电荷泵LED驱动电路，包括整流桥电路、发光二极管LED串电路和电容器，进一步第一恒流电路、第二恒流电路和参考电压源电路，

所述整流桥电路、电容器和第一恒流电路串联组成第一电流回路，

所述整流桥电路、LED串电路和第二恒流电路串联组成第二电流回路，

所述参考电压源电路用于为所述第一恒流电路和所述第二恒流电路提供基准电压。

优选地，所述第一恒流电路进一步包括第一运算放大器、第一金属氧化物半导体MOS管、第一电阻、第二电阻和第一采样电阻，

所述第一电阻一端与所述第一运算放大器的负输入端连接，另一端与所述第一采样电阻一端连接；

所述第二电阻一端与所述第一运算放大器的负输入端连接，另一端与所述第一运算放大器的输出端连接；

所述第一MOS管的栅极与所述第一运算放大器的输出端连接，源极与所述第一采样电阻的一端连接，所述第一MOS管的漏极与所述电容器一端连接；

所述第一采样电阻的另一端接地。

优选地，所述第二恒流电路进一步包括第二运算放大器、第二MOS管、第三电阻、第四电阻和第二采样电阻，

所述第三电阻一端与所述第二运算放大器的负输入端连接，另一端与所述第二采样电阻一端连接；

所述第四电阻一端与所述第二运算放大器的负输入端连接，另一端与所述第二运算放大器的输出端连接；

所述第二MOS管的栅极与所述第二运算放大器的输出端连接，源极与所述第二采样电阻的一端连接，所述第二MOS管的漏极与LED串电路一端连接；

所述第二采样电阻的另一端接地。

优选地，所述第一MOS管为高压MOS管。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

(1)通过采取对电容器恒流充电的方式，可控制导通瞬间流过电容器的大电流，避免大突波电流的产生；

(2)流经电容器的充电电流受到控制，从而控制了电容器的充电时间，当电流表现为较宽的充电宽度时，其功率因素PF值会上升。

附图说明

图1是现有技术中采用热敏型电阻抑制突波电流的LED驱动电路结构图；

图2是本发明实施例的恒流电荷泵LED驱动电路的原理框图；

图3是本发明实施例的恒流电荷泵LED驱动电路的电路结构图；

图4是本发明实施例的恒流电荷泵LED驱动电路的仿真波形图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种恒流电荷泵LED驱动电路，用于限制LED驱动电路的突波电流，并提高LED驱动电路的功率因素。

参见图2，所示为本发明实施例的恒流电荷泵LED驱动电路的原理框图，包括整流桥电路11、LED串电路12和电容器13，进一步包括第一恒流电路14、第二恒流电路15和参考电压源电路16，其中整流桥电路11、电容器13和第一恒流电路14串联组成第一电流回路；整流桥电路11、LED串电路12和第二恒流电路15串联组成第二电流回路；参考电压源电路16用于为第一恒流电路14和第二恒流电路15提供基准电压。其工作原理为：在电容充电时，电流有两条路径，一条通路从AC交流端、整流桥电路11的正端、电容器13、第一恒流电路14回到整流桥电路11的负端，恒流在I1值；另外一条通路从AC交流端、整流桥电路11的正端、LED串电路12、第二恒流电路15回到整流桥电路的负端，恒流在I2值。在电容放电时，电流经电容器13正端流经LED串电路12、第二恒流电路15、第一恒流电路14回到电容器C的负端，恒流在I2值。由此可见，可通过此技术方案限制充电电流，从而避免大突波电流的产生。

具体的应用实例中，第一恒流电路14进一步包括第一运算放大器U1、第一MOS管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一采样电阻RS1，第一电阻R1一端与第一运算放大器U1的负输入端连接，另一端与第一采样电阻RS1一端连接；第二电阻R2一端与第一运算放大器U1的负输入端连接，另一端与第一运算放大器U1的输出端连接；第一MOS管Q1的栅极与第一运算放大器U1的输出端连接，源极与第一采样电阻RS1的一端连接，第一MOS管Q1的漏极与电容器C一端连接；第一采样电阻RS1的另一端接地。第二恒流电路15进一步包括第二运算放大器U2、第二MOS管Q2、第三电阻R3、第四电阻R4和第二采样电阻RS2，第三电阻R3一端与第二运算放大器U2的负输入端连接，另一端与第二采样电阻RS2一端连接；第四电阻R4一端与第二运算放大器U2的负输入端连接，另一端与第二运算放大器U2的输出端连接；第二MOS管Q2的栅极与第二运算放大器U2的输出端连接，源极与第二采样电阻RS2的一端连接，第二MOS管Q2的漏极与LED串电路一端连接；第二采样电阻RS2的另一端接地。在电容充电时，电流有两条路径，一条从AC交流端、整流桥电路、电容器C、第一MOS管Q1、第一采样电阻RS1回到整流桥电路的负端，恒流在I1值；另外一条通路从AC交流端、整流桥电路、LED串电路、第二MOS管Q2、第二采样电阻RS2回到整流桥电路的负端，恒流在I2值。在电容放电时，电流经第一采样电阻RS1下端流入，反馈到第一运算放大器U1负端的值为负，第一运算放大器U1进入正饱和状态，其输出为接近于电源电压的正值，第一MOS管Q1完全导通，电流经电容器C正端流经LED串电路、第二采样电阻RS2、第一采样电阻RS1、第一MOS管Q1回到电容器C的负端，恒流在I2值。参考电压源电路16的基准电压为V2，对电容器C充电的电流经RS1采样后，送到第一运算放大器U1的负输入端，第一运算放大器U1的正输入端接到基准电压经第五电阻R5第六电阻R6的串联分压点，形成了电流负反馈，第一运算放大器U1的输出Vo1接到NMOS的基极，这里第一MOS管工作在线性区，其阻抗受Vo1所控制。其中R1＝R3＝R5，R2＝R4＝R6。一般NMOS的V_g1为5V左右时，第一MOS管工作为高压NMOS，工作在线性放大区。一般取R1/R2很大，如等于100，则下列表达式成立：

同理有：

如图3所示，220V AC交流电源经过整流桥电路以后它的输出直流电压大约为264V。如果市电变化+10％～-15％，就相当于整流后为290～187V，电压变化103V。假如所用的LED为90颗，其正向导通电压为3V，那么总电压约270V，相当于220V经过桥式整流以后的值。这时候NMOS管上没有压降，功耗也最小，整体效率为最高可达93％。如果市电电压低于185V，第二MOS管Q2管不工作在恒流状态，第二MOS管Q2和LED串电路会达到一个新的平衡点，二者的电压和等于市电电压经过整流后的电压。当市电电压降低时，LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。其亮度也会跟着变暗。

流经电容器C的充电电流受到控制，最大值等于I1，这样显著的减少了突波电流，并且Q1的特性表现为动态的阻抗，在正常工作时，其消耗的功率很小。

Pin＝Average(I(ac)×V(ac))

$\mathrm{Pf}=\mathrm{Average}\left(\mathrm{Pin}\frac{\mathrm{Pin}}{\mathrm{Vrms}\left(\mathrm{ac}\right)\×\mathrm{Irms}\left(\mathrm{ac}\right)}\right)$

这里的average为在一个周期内取平均值，I(ac)和U(ac)为瞬态电流和瞬态电压，Vrms(ac)和Irms(ac)为一个周期内的有效值。

对电容的恒流充电方式，控制了电容的充电时间，当电流表现为较宽的充电宽度时，其功率因素PF值会上升，如图4仿真结果所示：

最上边一条线为电容正端即LED串正端的电压波形，其电压在280V和311V之间波动；

第二条为流经电容器C电流的波形，可以看到其最大电流为80mA，完全消除了突波电流。而传统方案的突波抑制电路，瞬间突波电流高达几个安培。

第三条线为流经LED灯珠的电流，稳定在30mA。

这里串联了90颗LED灯珠，其输出LED功率约9W。串联LED灯珠的数量，决定了功率因数。其关系为串联LED灯珠的数量越多，则电容充电的稳定电压越高，功率因数越低，转换效率越高。本发明合理选择串联LED的灯珠数量，以及对电容充电和放电的限流电阻，做到转换能量的均衡。实验和测试证明，这里串联LED的数量在80～90颗，正常工作时串联总电压在270V～290V可以兼顾转化效率和功率因数。

以上对本发明所提供的一种恒流电荷泵LED驱动电路进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种恒流电荷泵LED驱动电路，包括整流桥电路、发光二极管LED串电路和电容器，其特征在于，进一步包括第一恒流电路、第二恒流电路和参考电压源电路，

所述整流桥电路、电容器和第一恒流电路串联组成第一电流回路；

所述整流桥电路、LED串电路和第二恒流电路串联组成第二电流回路；

所述参考电压源电路用于为所述第一恒流电路和所述第二恒流电路提供基准电压，

第一恒流电路进一步包括第一运算放大器U1、第一MOS管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一采样电阻RS1，第一电阻R1一端与第一运算放大器U1的负输入端连接，另一端与第一采样电阻RS1一端连接；第二电阻R2一端与第一运算放大器U1的负输入端连接，另一端与第一运算放大器U1的输出端连接；第一MOS管Q1的栅极与第一运算放大器U1的输出端连接，源极与第一采样电阻RS1的一端连接，第一MOS管Q1的漏极与电容器C一端连接；第一采样电阻RS1的另一端接地，第二恒流电路进一步包括第二运算放大器U2、第二MOS管Q2、第三电阻R3、第四电阻R4和第二采样电阻RS2，第三电阻R3一端与第二运算放大器U2的负输入端连接，另一端与第二采样电阻RS2一端连接；第四电阻R4一端与第二运算放大器U2的负输入端连接，另一端与第二运算放大器U2的输出端连接；第二MOS管Q2的栅极与第二运算放大器U2的输出端连接，源极与第二采样电阻RS2的一端连接，第二MOS管Q2的漏极与LED串电路一端连接；第二采样电阻RS2的另一端接地；在电容充电时，电流有两条路径，一条从AC交流端、整流桥电路、电容器C、第一MOS管Q1、第一采样电阻RS1回到整流桥电路的负端，恒流在I1值；另外一条通路从AC交流端、整流桥电路、LED串电路、第二MOS管Q2、第二采样电阻RS2回到整流桥电路的负端，恒流在I2值；在电容放电时，电流经第一采样电阻RS1下端流入，反馈到第一运算放大器U1负端的值为负，第一运算放大器U1进入正饱和状态，其输出为接近于电源电压的正值，第一MOS管Q1完全导通，电流经电容器C正端流经LED串电路、第二采样电阻RS2、第一采样电阻RS1、第一MOS管Q1回到电容器C的负端，恒流在I2值；参考电压源电路的基准电压为V2，对电容器C充电的电流经RS1采样后，送到第一运算放大器U1的负输入端，第一运算放大器U1的正输入端接到基准电压经第五电阻R5第六电阻R6的串联分压点，形成了电流负反馈，第一运算放大器U1的输出Vol接到NMOS的基极，这里第一MOS管工作在线性区，其阻抗受Vol所控制。

2.根据权利要求1所述恒流电荷泵LED驱动电路，其特征在于，所述第一MOS管为高压MOS管。