低压旁路取电的交流直接驱动LED的方法与集成电路
技术领域
本发明属于电子领域,具体涉及一种低压旁路取电的交流直接驱动LED的方法与集成电路。
背景技术
交流直接驱动LED具有结构简单、成本低、寿命长等特点受到广泛重视,交流直接驱动LED集成电路是交流直接驱动LED的技术关键。但是在已有的交流直接驱动LED集成电路技术中,其集成电路的供电方法都是采用交流高压直接取电方式,主要包括功率电阻降压、高压无极性大容量电容降压、变压器变压和开关电源等方法,将220伏或110伏市电交流高压变换成直流低压来对集成电路提供低压直流电源。已有的电阻降压技术的明显缺点是耗散在降压功率电阻上的无用功率特别大,电容降压技术的缺点是抗雷击浪涌特性差、可靠性低,变压器变压技术效率低、体积大,开关电源技术电路复杂、成本高。这种交流高压取电的技术还有一个特别重要技术缺点是在实际应用中,又多又长的交流高压相连往往会造成LED负载和集成电路电路板的布线困难、造成线路板面积增加、可靠性降低。特别重要的是对于目前已经广泛应用和正在不断飞速发展的芯片基板(COB)技术,即将LED芯片和交流直接驱动LED集成电路芯片压焊在陶瓷或铝基板上的技术,已有的交流高压直接驱动LED集成电路的交流高压取电供电的技术,往往需要又多又而长和电压高达数百伏的高压连线和高压电子元器件、明显增加LED和集成电路芯片基板的面积、降低产品的可靠性和增加制造成本。
发明内容
本发明包括提供低压旁路取电的交流直接驱动LED的方法,同时提供一种适合该低压旁路取电方法的交流直接驱动LED集成电路。
低压旁路取电的交流直接驱动LED的方法,其中交流直接驱动LED集成电路有三个管脚,即正电源端、零电位参考端、电流采样与低压电子开关公用端;在集成电路外部设有一组带有电流采样电阻的LED负载单元,该LED负载单元是将几个或几十个LED同向串联,其正端设有一个正电源取电节点,其负端设有一个电流采样和低压电子开关公用端节点并接有一个电流采样电阻Rs,该电流采样电阻Rs的另一端设有一个零电位参考端节点;该集成电路的取电和使用方法是:将集成电路的正电源端与上述LED负载单元的正电源取电节点相连,将集成电路的电流采样和低压电子开关公用端与上述LED负载的电流采样和低压电子开关公用端节点相连,将集成电路的零电位参考端与上述LED负载单元的零电位参考端节点相连;由该方法获取的电压是一种低压单向脉动电压,其最高峰值电压等于上述LED负载单元的瞬态电压,通常为10~60伏,远低于交流市电的峰值电压值,例如220伏的市电峰值电压为311伏,该单向脉动电压的频率为市电交流频率的两倍,有100Hz和120Hz两种;该集成电路由稳压电路、低压电子开关电路、欠压控制电路、比较放大电路组成;稳压电路的稳压输出电压约为2.4伏;低压电子开关电路的功能是根据采样电流的大小控制一组LED负载的接入和短接;欠压控制电路的阈值约为3.0伏,当集成电路的低压旁路取电瞬态电压低于阈值电压时,欠压控制电路将低压电子开关电路保持开路而将对应的LED负载接入;比较放大电路的基准参考电压值约为1.2伏,比较放大电路将电流采样电阻上的电压大小与基准参考电压进行比较放大后,输出控制电平对低压电子开关电路进行开关控制,当电流采样电阻的电压大于基准参考电压时,低压电子开关电路将LED负载接入,当电流采样电阻的电压小于基准参考电压时,低压电子开关电路将LED负载短接。
该集成电路的电源取电的方法是一种低压旁路取电,即将集成电路的正电源端与LED负载单元的正电源取电节点相连,将集成电路的电流采样和低压电子开关公用端与上述LED负载单元的电流采样和低压电子开关公用端节点相连,将集成电路的零电位参考端与上述LED负载单元的零电位参考端的节点相连;由该方法获取的电压是一种低压单向脉动电压,其最高峰值电压等于上述LED负载单元的瞬态电压,通常为10~60伏,远低于交流市电的峰值电压值,例如220伏的市电峰值电压为311伏,该单向脉动电压的频率为市电交流频率的两倍,有100Hz和120Hz两种。
该集成电路是一种适合于低压旁路取电的交流直接驱动LED的集成电路,该集成电路由稳压电路1、低压电子开关电路2、欠压控制电路3、比较放大电路4组成,并设有三个管脚,分别为正电源端、电流采样与低压电子开关公用端、零电位参考端;其中,正电源端所取的电压为10~60伏的单向脉动电压;正电源端分别与稳压电路1、低压电子开关电路2和欠压控制电路3相连接;稳压电路1的一路输出与欠压控制电路3的输入端相连接;欠压控制电路3的输出端与低压电子开关电路2输入端相连接;稳压电路1的另一路输出与比较放大电路4的输入端相连接;比较放大电路4输出端与低压电子开关电路2输入端相连接;电流采样与低压电子开关公用端分别与低压电子开关电路2和比较放大电路4相连接;通过串联电流采样电阻Rs的方式将零电位参考端与电流采样与低压电子开关公用端相连接;稳压电路1为比较放大电路4提供稳压电源;低压电子开关电路2有两种工作状态、分别对应LED负载的接入与短接;欠压控制电路3有固定的阈值电压,当集成电路的低压旁路取电瞬态电压低于欠压控制电路3的阈值电压时,欠压控制电路3将低压电子开关电路2保持开路而将对应的LED负载单元接入;比较放大电路4电压比较放大电路有两个差分输出端,其同向输出端与欠压控制电路3的输入端相连,其反向输出端与低压电子开关电路2的输入控制端相连;比较放大电路4内设有基准参考电压,比较放大电路4将电流采样电阻上的电压大小与基准参考电压比较放大后输出控制电平对低压电子开关电路2进行开关控制,当电流采样电阻的电压大于基准参考电压时,低压电子开关电路2将LED负载单元接入,当电流采样电阻的电压小于基准参考电压时,低压电子开关电路2将LED负载单元短接;
稳压电路1由三极管Q15、三极管Q16,三极管Q14、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19、三极管Q20、三极管Q21和电阻R4组成;其中三极管Q15的发射极与三极管Q16的发射极以及与三极管Q14的集电极均与集成电路的正电源端相连;三极管Q15的基极、三极管Q16的基极以及三极管Q16的集电极与电阻R4的一端相连,电阻R4的另一端与集成电路的零电位参考端相连;三极管Q15的集电极与三极管Q14的基极、三极管Q17的基极和三极管Q17集电极相连接;三极管Q17的发射极、三极管Q18的基极以及三极管Q18集电极相连接;三极管Q18的发射极分别与三极管Q19的基极和三极管Q19集电极相连;三极管Q19的发射极分别与三极管Q20的基极和三极管Q20集电极相连;三极管Q20的发射极分别与三极管Q21的基极和三极管Q21集电极相连接;三极管Q21的发射极与零电位参考端相连接;其中,三极管Q15与三极管Q16为PNP型三极管,三极管Q14、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19、三极管Q20和三极管Q21为NPN型三极管;
低压电子开关电路2由三极管Q23、三极管Q25、三极管Q26和三极管Q27组成;其中三极管Q23的发射极与零电位参考端相连,三极管Q23的集电极分别与三极管Q25的集电极以及三极管Q26的基极相连;三极管Q25的发射极、三极管Q26的集电极和三极管Q27的集电极共同与正电源端相连;三极管Q26的发射极与三极管Q27的基极相连,三极管Q27的发射极与电流采样和低压电子开关公用端相连;其中,三极管Q25为PNP型的三极管,三极管Q23、三极管Q26和三极管Q27为NPN型的三极管;
欠压控制电路3由三极管Q24和三极管Q22构成;其中三极管Q24的发射极与正电源相连,三极管Q24的基极、三极管Q24的集电极及三极管Q22的集电极相互连接,三极管Q22的发射极与零电位参考端相连;其中,三极管Q24为PNP型三极管,三极管Q22为NPN型三极管;
比较放大电路4由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q10、三极管Q11、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q12、三极管Q13、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R5构成;其中,三极管Q1的基极、三极管Q2的基极、三极管Q11的基极、三极管Q10的基极三极管Q10的集电极以及电阻R3的一端相连;电阻R3的另一端分别与三极管Q9的集电极、三极管Q9的基极相连;三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极、三极管Q3的发射极以及三极管Q4的发射极相互连接;三极管Q3的基极、三极管Q5的集电极以及电阻R1的一端相连;三极管Q3的集电极与零电位参考端相连;三极管Q4的基极、三极管Q6的集电极以及电阻R2的一端相互连接连;三极管Q5的发射极、三极管Q6的发射极、三极管Q7的集电极以及三极管Q8的集电极相互连接;三极管Q5的基极、三极管Q11的集电极、三极管Q12的集电极以及三极管Q12的基极相互连接;三极管Q12的发射极、三极管Q13的集电极和三极管Q13的基极相互连接;三极管Q6的基极与电阻R5的一端相连、电阻R5的另一端与电流采样和低压电子开关公用端相连;三极管Q7的基极、三极管Q8的基极、三极管Q9的基极相互连接;三极管Q13的发射极、三极管Q7的发射极、三极管Q8的发射极、三极管Q9的发射极与零电位参考端相连;其中,三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q10和三极管Q11均为PNP型的三极管,三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q12、三极管Q13均为NPN型的三极管;
上述四个功能电路的之间连接方式是:稳压电路1内起稳压输出作用的三极管Q14的发射极是稳压输出,三极管Q14的发射极与比较放大电路4内的三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极、三极管Q10的发射极以及、三极管Q11的发射极、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端相互连接;稳压电路1内的三极管Q21的基极和集电极短接的节点与欠压控制电路3内的三极管Q22的基极相连;比较放大电路4内的三极管Q4的集电极与低压开关控制电路2内的三极管Q23的基极相连;比较放大电路4的电阻R5的另一端与低压开关电路2的三极管Q27的发射极以及与电流采样和低压电子开关公用端相连,欠压控制电路3内的三极管Q24的基极和发射极相连接后并与低压电子开关电路2内的三极管Q25的基极相连。
本发明的积极效果是:
本发明提供低压旁路取电的交流直接驱动LED的方法,同时提供一种适合该低压旁路取电方法的交流直接驱动LED集成电路。该低压旁路取电的方法具有取电方式简单、低压、高效的特点,明显减小LED芯片和集成电路芯片基板的面积,大大提高其可靠性。本发明的集成电路不仅适合低压旁路取电的技术要求,同时该集成电路还具有功耗低、效率高、可靠性高、成本低、管脚少、外接元件少和使用方便等优点。
附图说明
图1为本发明所述集成电路的低压旁路取电方法和集成电路应用方式电路图。
图2为本发明所述集成电路的电路结构框图。
图3为本发明所述集成电路的一种双极集成电路内部电路图。
图4为本发明所述集成电路的一种BiCMOS集成电路内部电路图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作进一步说明。
实施例1
图1为本发明所述集成电路的低压旁路取电方法和集成电路应用方式电路图。图中D1为整流桥,图中包括八个采用本发明的集成电路(自第一集成电路U1至第八集成电路U8),LED1~LED40为不受本发明所提供集成电路控制的始终接入的正向串联的LED负载单元,LED41~LED50为第一组受控的正向串联的LED负载单元、第一电流采样电阻Rs1为第一集成电路U1的外置电流采样电阻。以此类推,LED111~LED120为第八组受控的正向串联的LED负载单元、第八电流采样电阻Rs8为第八集成电路U8的外置电流采样电阻。频率为50Hz电压有效值185伏~265伏的交流市电,经整流桥D1全波整流后得到频率为100Hz的单向脉动电压,该单向脉动电压的峰值电压约为交流输入电压有效值的1.414倍,即约为261伏~375伏。与八个集成电路相对应的八个外置的采样电阻(第一电流采样电阻Rs1至第八电流采样电阻Rs8)的阻值是阶梯分布的,其阻值分别为10Ω、11Ω、12Ω、13Ω、15Ω、16Ω、18Ω、20Ω。LED1~LED120的额定工作电流为100mA、在该电流下LED的正向导通电压为3.5伏。本实施例中的集成电路(即第一集成电路U1至第八集成电路U8)均有三个管脚、分别是正电源端V+、零电位参考端V-、电流采样与低压电子开关公用端Vs。
由图1可见,本发明的低压旁路取电方法是:第一集成电路U1的正电源端V+与LED41的正极相连,LED41~LED50正向串联,LED50的负极与电流采样电阻Rs1的一端相连并与第一集成电路U1的电流采样与低压电子开关公用端Vs相连,Rs1的另一端与第一集成电路U1的零电位参考端V-相连。集成电路U1的电源电压也是频率为100Hz的单向脉动电压,其峰值等于第一组受控LED负载单元(LED41~LED50正向串联)以及采样电阻R1上的瞬态电压,当第一集成电路U1的低压电子开关处于开路状态时,受第一集成电路U1控制的第一组受控LED负载单元(LED41~LED50正向串联)对应接入状态,其导通电压约为35伏,采样电阻Rs1的电压降约为1.0伏,此时集成电路U1的低压旁路取电电压的频率为100Hz,峰值电压为36伏。当第一集成电路U1的低压电子开关处于短路状态时,受第一集成电路U1控制的一组受控LED负载单元(LED41~LED50正向串联)对应短接状态,其短接电压降约为2.0伏,采样电阻Rs1的电压降约为1.0伏,这时集成电路U1的低压旁路取电电压小于或等于3.0伏。
如图1所示的是应用本发明集成电路的一种8级开关控制的交流直接驱动LED电路,其中第一集成电路U1至第八集成电路U8均为本发明的8个集成电路,分别通过低压旁路取电获取电源,分别对8组同向串联的LED进行接入和短接的开关控制。特别重要的是8个集成电路的外置8个电流采样电阻(即第一电流采样电阻Rs1至第八电流采样电阻Rs8)的阻值是不同的,它们的阻值是阶梯分布的,例如它们的阻值分别为10Ω、11Ω、12Ω、13Ω、15Ω、16Ω、18Ω、20Ω。
由图1所示的应用本发明集成电路的一种8级开关控制的交流直接驱动LED电路的主要技术指标为:交流输入电压范围185~265伏,交流输入220伏时的驱动电路效率大于94%,功率因数大于0.96,总谐波失真小于25%。
实施例2
图2为本发明所述集成电路的电路结构框图。该集成电路由稳压电路1、低压电子开关电路2、欠压控制电路3和比较放大电路4组成。该集成电路有三个管脚即正电源端V+、电流采样与低压电子开关公用端Vs、零电位参考端V-。同向串联的LED1~LEDN为外部负载,Rs为集成电路的外置电流采样电阻。稳压电路1的输入电压是集成电路V+,稳压电路1的输出电压约为2.4伏,给比较放大电路4提供电源,该稳压电路有输入电压欠压低电平输出,并与欠压控制电路3的输入端相连,欠压控制电路的输出端与低压电子开关电路2的输入端相连,当V+低于3.0伏时,低压电子开关电路保持开路状态,使外部LED负载单元处于接入状态。比较放大电路4的输入端与低压电子开关电路2的开关控制端相连,作为集成电路的电流采样与低压电子开关公用端Vs。比较放大电路4的输出端与低压电子开关2的另一个输入端相连。比较放大电路4根据来自电流采样电阻的电压大小,分别输出高低电平,低压电子开关电路对外部LED负载单元分别进行接入和短接的开关控制。
实施例3
图3为本发明所述集成电路的一种双极集成电路内部电路图,这是适合双极集成电路工艺的集成电路内部线路图。如图3所示,该集成电路是一种适合于低压旁路取电的交流直接驱动LED的集成电路,该集成电路由稳压电路1、低压电子开关电路2、欠压控制电路3、比较放大电路4组成,并设有三个管脚,分别为正电源端、电流采样与低压电子开关公用端、零电位参考端;其中,正电源端分别与稳压电路1、低压电子开关电路2和欠压控制电路3相连接;稳压电路1的一路输出与欠压控制电路3的输入端相连接;欠压控制电路3的输出端与低压电子开关电路2输入端相连接;稳压电路1的另一路输出与比较放大电路4的输入端相连接;比较放大电路4输出端与低压电子开关电路2输入端相连接;电流采样与低压电子开关公用端分别与低压电子开关电路2和比较放大电路4相连接;通过串联电流采样电阻Rs的方式将零电位参考端与电流采样与低压电子开关公用端相连接;稳压电路1为比较放大电路4提供稳压电源;低压电子开关电路2有两种工作状态、分别对应LED负载的接入与短接;欠压控制电路3有固定的阈值电压,当集成电路的低压旁路取电瞬态电压低于欠压控制电路3的阈值电压时,欠压控制电路3将低压电子开关电路2保持开路而将对应的LED负载单元接入;比较放大电路4电压比较放大电路有两个差分输出端,其同向输出端与欠压控制电路3的输入端相连,其反向输出端与低压电子开关电路2的输入控制端相连;比较放大电路4内设有基准参考电压,比较放大电路4将电流采样电阻上的电压大小与基准参考电压比较放大后输出控制电平对低压电子开关电路2进行开关控制,当电流采样电阻的电压大于基准参考电压时,低压电子开关电路2将LED负载单元接入,当电流采样电阻的电压小于基准参考电压时,低压电子开关电路2将LED负载单元短接;
稳压电路1由三极管Q15、三极管Q16,三极管Q14、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19、三极管Q20、三极管Q21和电阻R4组成;其中三极管Q15的发射极与三极管Q16的发射极以及与三极管Q14的集电极均与集成电路的正电源端相连;三极管Q15的基极、三极管Q16的基极以及三极管Q16的集电极与电阻R4的一端相连,电阻R4的另一端与集成电路的零电位参考端相连;三极管Q15的集电极与三极管Q14的基极、三极管Q17的基极和三极管Q17集电极相连接;三极管Q17的发射极、三极管Q18的基极以及三极管Q18集电极相连接;三极管Q18的发射极分别与三极管Q19的基极和三极管Q19集电极相连;三极管Q19的发射极分别与三极管Q20的基极和三极管Q20集电极相连;三极管Q20的发射极分别与三极管Q21的基极和三极管Q21集电极相连接;三极管Q21的发射极与零电位参考端相连接;其中,三极管Q15与三极管Q16为PNP型三极管,三极管Q14、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19、三极管Q20和三极管Q21为NPN型三极管;
低压电子开关电路2由三极管Q23、三极管Q25、三极管Q26和三极管Q27组成;其中三极管Q23的发射极与零电位参考端相连,三极管Q23的集电极分别与三极管Q25的集电极以及三极管Q26的基极相连;三极管Q25的发射极、三极管Q26的集电极和三极管Q27的集电极共同与正电源端相连;三极管Q26的发射极与三极管Q27的基极相连,三极管Q27的发射极与电流采样和低压电子开关公用端相连;其中,三极管Q25为PNP型的三极管,三极管Q23、三极管Q26和三极管Q27为NPN型的三极管;
欠压控制电路3由三极管Q24和三极管Q22构成;其中三极管Q24的发射极与正电源相连,三极管Q24的基极、三极管Q24的集电极及三极管Q22的集电极相互连接,三极管Q22的发射极与零电位参考端相连;其中,三极管Q24为PNP型三极管,三极管Q22为NPN型三极管;
比较放大电路4由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q10、三极管Q11、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q12、三极管Q13、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R5构成;其中,三极管Q1的基极、三极管Q2的基极、三极管Q11的基极、三极管Q10的基极三极管Q10的集电极以及电阻R3的一端相连;电阻R3的另一端分别与三极管Q9的集电极、三极管Q9的基极相连;三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极、三极管Q3的发射极以及三极管Q4的发射极相互连接;三极管Q3的基极、三极管Q5的集电极以及电阻R1的一端相连;三极管Q3的集电极与零电位参考端相连;三极管Q4的基极、三极管Q6的集电极以及电阻R2的一端相互连接连;三极管Q5的发射极、三极管Q6的发射极、三极管Q7的集电极以及三极管Q8的集电极相互连接;三极管Q5的基极、三极管Q11的集电极、三极管Q12的集电极以及三极管Q12的基极相互连接;三极管Q12的发射极、三极管Q13的集电极和三极管Q13的基极相互连接;三极管Q6的基极与电阻R5的一端相连、电阻R5的另一端与电流采样和低压电子开关公用端相连;三极管Q7的基极、三极管Q8的基极、三极管Q9的基极相互连接;三极管Q13的发射极、三极管Q7的发射极、三极管Q8的发射极、三极管Q9的发射极与零电位参考端相连;其中,三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q10和三极管Q11均为PNP型的三极管,三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q12、三极管Q13均为NPN型的三极管;
上述四个功能电路的之间连接方式是:稳压电路1内起稳压输出作用的三极管Q14的发射极是稳压输出,三极管Q14的发射极与比较放大电路4内的三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极、三极管Q10的发射极以及、三极管Q11的发射极、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端相互连接;稳压电路1内的三极管Q21的基极和集电极短接的节点与欠压控制电路3内的三极管Q22的基极相连;比较放大电路4内的三极管Q4的集电极与低压开关控制电路2内的三极管Q23的基极相连;比较放大电路4的电阻R5的另一端与低压开关电路2的三极管Q27的发射极以及与电流采样和低压电子开关公用端相连,欠压控制电路3内的三极管Q24的基极和发射极相连接后并与低压电子开关电路2内的三极管Q25的基极相连。
电阻R1为50KΩ、电阻R2为50KΩ、电阻R3为50KΩ、电阻R4为300KΩ、电阻R5为2KΩ。该集成电路的工作电压范围通常为0~60伏。由该集成电路构成的8级开关控制的低压旁路取电的交流直接驱动LED电路的主要技术指标为:交流输入电压范围185~265伏,交流输入220伏时的驱动电路效率大于94%,功率因数大于0.96,总谐波失真小于25%。
实施例4
图4为本发明所述集成电路的一种BiCMOS集成电路内部电路图。与实施例3中的图3相比,其区别在于将NPN型的三极管Q27换成MOS型的三极管Q27,其它电路结构完全相同,这是适合BiCMOS工艺的集成电路内部线路图。由于MOS三极管的源漏导通电压降一般低于双极型三极管的CE饱和压降,该集成电路具有更高的电路效率,但是该工艺相对复杂,制造成本较高。该集成电路的工作电压范围通常为0~60伏。由该集成电路构成的8级开关控制的低压旁路取电的交流直接驱动LED电路的主要技术指标为:交流输入电压范围185~265伏,交流输入220伏时的驱动电路效率大于96%,功率因数大于0.96,总谐波失真小于25%。