CN103220859A - 恒流控制电路及使用该电路的装置 - Google Patents

Abstract

一种恒流控制电路，包括：整流桥、开关管、二极管、电流采样模块、输出级滤波模块、脉冲信号生成模块、峰谷电流控制子电路。本发明提供的恒流控制电路在具备恒流控制的基础上具有精度高、电路结构简单且成本低的优势。

Description

恒流控制电路及使用该电路的装置

技术领域

本发明涉及LED控制技术领域，具体而言，本发明涉及恒流控制电路及使用该电路的装置。

背景技术

高亮度发光二极管LED(Light Emitting Diode)以其节能、环保、高效、长寿命等诸多优点，成为新一代的绿色照明光源。随着高亮度LED照明技术的日益成熟，它将被广泛应用于各个领域，并成为照明光源的首选。制造高效率、低成本的驱动电源是保证LED发光品质及整体性能的关键。然而，由于LED灯得亮度与光输出强度参数相关，其与它的电流及正向压降成正比，并随温度变化而变化。因此，LED的驱动需要恒流电源，以保证LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。可见，选择正确的LED驱动至关重要。没有好的LED驱动电源的匹配，LED照明的优势无法得以体现。

针对上述对于LED照明所需要的恒流驱动的要求，现有技术中，LED驱动电源多采用反激结构，一种是采用原边反馈结构，此种结构需要通过辅助绕组反馈副边的信息来进行调节输出电流从而达到恒流的目的，但此种结构只是间接的检测副边的信息并且使用了更为复杂的变压器，从而存在精度低、结构复杂且成本高的缺点。另一种是采用副边反馈结构，此种结构需要增加副边恒流模块且需要光耦等器件来接收副边反馈的信息，虽然可以做到很高的恒流精度，但是由于存在副边恒流模块和光耦等器件的原因，使得副边反馈结构的结构更加复杂，成本更高。

综上所述，现有技术存在的恒流控制电路精度低、电路结构复杂且成本高的问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提供一种恒流控制电路，具有精度高、电路结构简单且成本低的优势。

本发明提供一种恒流控制电路，包括：整流桥，其输入端连接交流电源；开关管，其输入端和第一电容的第一端共接于整流桥的输出端；二极管，其阴极共接于开关管的输出端和电流采样模块106的输入端，并且二极管的阳极与整流桥的接地端、第一电容的第二端、输出级滤波模块的接地端和负载的输出端共接于电源参考地端；电流采样模块，其第一输出端连接峰谷电流控制子电路的输入端，第二输出端连接输出级滤波模块的输入端；输出级滤波模块，其输出端连接负载输入端；脉冲信号生成模块，其输出端连接至开关管的控制端；峰谷电流控制子电路，其第一输出端、第二输出端分别连接至脉冲信号生成模块的第一输入端、第二输入端；其中：脉冲信号生成模块的负电源端、电流采样模块的负电源端、峰谷电流控制子电路的负电源端共接于信号参考地端；脉冲信号生成模块的正电源端、电流采样模块的正电源端、峰谷电流控制子电路的正电源端共接于电源电压。

本发明还提供一种LED照明装置，包括：交流电源，用作交流电源；负载，用作光源；本发明提供的恒流控制电路，其输入端连接交流电源，并且输出端连接负载。

本发明提供的恒流控制电路及使用该电路的装置，在具备恒流控制的基础上，同时具有精度高、电路结构简单且成本低的优势。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路的结构图；

图2示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路实现输出恒流时所涉及的电流与电压参数的波形图；

图3示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路的示例电路图；

图4示出了根据本发明另一实施方式的恒流控制电路的示例电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似操作的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路的结构图。本发明提供一种恒流控制电路100，与交流电源200及负载300连接。图2示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路的电流采样模块的示例电路图。恒流控制电路100可以包括：整流桥BD，其输入端连接交流电源；开关管102，其输入端和第一电容C1的第一端共接于整流桥BD的输出端；二极管D1，其阴极共接于开关管102的输出端和电流采样模块106的输入端，并且二极管D1的阳极与整流桥BD的接地端、第一电容C1的第二端、输出级滤波模块101的接地端和负载的输出端共接于电源参考地端GND；电流采样模块106，其第一输出端连接峰谷电流控制子电路107的输入端，其第二输出端连接输出级滤波模块101的输入端；输出级滤波模块101，其输出端连接负载300；脉冲信号生成模块105，其输出端连接至开关管102的控制端；峰谷电流控制子电路，其第一输出端、第二输出端分别连接至脉冲信号生成模块105的第一输入端、第二输入端；其中：脉冲信号生成模块105的负电源端、电流采样模块106的负电源端、峰谷电流控制子电路的负电源端共接于信号参考地端VSS；脉冲信号生成模块105的正电源端、电流采样模块106的正电源端、峰谷电流控制子电路的正电源端共接于电源电压VCC。例如，负载300可以是LED。例如，整流桥BD的第一输入端和第二输入端分别连接交流电源200的正半周信号输出端和负半周信号输出端。

以下结合工作原理对上述的LED恒流驱动电路作进一步说明，详述如下：整流桥BD所输出的直流电Vin（其电压Uin的波形如图2所示）进入NMOS管Q1、电容C1、电容C2、电流采样模块106、二极管D1、电感L1、峰谷电流控制子电路107以及脉冲信号生成模块105，产生降压式变换。随后输出的电流Iout（也称输出平均电流）的大小是由电感L1的电流IL决定的，为了达到控制输出电流Iout的目的，则需要对流过电感L1的电流IL进行控制。

根据降压式变换电路和连续导通模式的工作原理，在NMOS管Q1的导通截止周期内，输出电流的平均值Ioutavg与流过电感L1的峰值电流ILP和谷值电流ILV的关系如下式所示：

$\mathrm{Ioutavg}=\frac{1}{2}\·(I_{\mathrm{LP}}+I_{\mathrm{LV}})---\left(1\right)$

又因为电感L1的峰值电流ILP和谷值电流ILV分别为，

$I_{\mathrm{LP}}=\frac{\mathrm{Vsr}\left(2\right)}{K\·R1}---\left(2\right)$

$I_{\mathrm{LV}}=\frac{\mathrm{Vsr}\left(1\right)}{k\·R1}---\left(3\right)$

其中VCS(1)和VCS(2)表示电流采样模块（假定放大电路将电压放大了k倍）输出的谷值电压和峰值电压。

因此为了保证输出电流Iout的平均值Ioutavg恒定，只需要保证采样电阻R1两端的峰值电压和谷值电压恒定即可。因此，本发明通过峰谷电流控制子电路可以调节采样电阻R1两端的峰值电压和谷值电压恒定。

作为一种实施方式，电流采样模块106可以包括：第一电阻R1和放大子电路，其中：第一电阻R1，其第一端为电流采样模块（106）的输入端并连接开关管102的输出端，其第二端为电流采样模块（106）的第二输出端并连接输出级滤波模块101的输入端；放大子电路1061的第一、第二输入端连接第一电阻R1的两端，输出端为电流采样模块（106）的第一输出端并连接峰谷电流控制子电路107的输入端。

作为一种实施方式，峰谷电流控制子电路可以包括：谷值电流检测模块103，其输入端为峰谷电流控制子电路107的输入端，连接电流采样模块106的第一输出端，正电源端连接电源电压VCC，负电源端连接信号参考地端VSS，以及输出端为峰谷电流控制子电路107的第一输出端，连接脉冲信号生成模块105第一输入端；峰值电流检测模块104，其输入端为峰谷电流控制子电路（107）的输入端，连接电流采样模块106的第一输出端，正电源端连接电源电压VCC，负电源端连接信号参考地端VSS，以及输出端为峰谷电流控制子电路（107）的第二输出端，连接脉冲信号生成模块105第二输入端。

作为一种实施方式，谷值电流检测模块103包括：第一基准电压器1031，用于输出第一基准电压；第一比较器U1，其同相输入端为谷值电流检测模块103的输入端，连接电流采样模块106的第一输出端，反相输入端连接第一基准电压器1031，正电源端连接电源电压VCC，负电源端连接信号参考地端VSS，以及输出端为谷值电流检测模块103的输出端，连接脉冲信号生成模块105第一输入端；

作为一种实施方式，峰值电流检测模块104包括：第二基准电压器1041，用于输出第二基准电压；第二比较器U2，其反相输入端为峰值电流检测模块（104）的输入端，连接电流采样模块106的第一输出端，同相输入端连接第二基准电压器1041，正电源端连接电源电压VCC，负电源端连接信号参考地端VSS，以及输出端为峰值电流检测模块（104）的输出端，连接脉冲信号生成模块105第二输入端。

可以理解的是，脉冲信号生成模块105的负电源端、电流采样模块106的负电源端、谷值电流检测模块103的负电源端、峰值电流检测模块104的负电源端、输出级滤波模块101的输入端共接于信号参考地端VSS。

作为一种实施方式，脉冲信号生成模块105包括：第一反向器U3，其输入端为脉冲信号生成模块（105）的第一输入端，连接第一比较器U1的输出端，正电源端连接电源电压VCC，以及负电源端连接信号参考地端VSS；触发器RS1，其第一输入端S连接第一反向器U3的输出端，第二输入端R为脉冲信号生成模块（105）的第二输入端，连接第二比较器U2的输出端，同相输出端Q分别连接第二NMOS管Q2的栅极和反向器（U4）的输入端，反相输出端

处于空接状态；第二反向器U4，其输入端连接触发器RS1的同相输出端Q，正电源端连接电源电压VCC，以及负电源端连接信号参考地端VSS；第二NMOS管Q2，其栅极连接触发器RS1的同相输出端Q，漏极连接电源电压VCC，以及源极连接开关管102的控制端；第三NMOS管Q3，其栅极连接第二反向器U4的输出端，漏极连接开关管102的控制端，以及源极连接信号参考地端VSS。

作为一种实施方式，开关管102包括：第一NMOS管Q1，其栅极、源极、漏极分别为开关管的控制端、输出端和输入端，栅极分别连接第二NMOS管Q2的源极和第三NMOS管Q3的漏极，漏极和电容C1的第一端共接于整流桥BD的输出端，以及源极连接至电流采样模块106的输入端。

作为一种实施方式，输出级滤波模块101包括：电感L1，其输入端为输出级滤波模块（101）的输入端并连接电流采样模块106的第二输出端，输出端为输出级滤波模块（101）的输出端并连接负载300的输入端；第二电容C2，其第一端连接电感L1的输出端，以及第二端为输出级滤波模块（101）的接地端并连接电源参考地端GND。

图2示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路实现输出恒流时所涉及的电流与电压参数的波形图。以下结合工作原理对上述的LED恒流驱动电路作进一步说明，详述如下：整流桥BD所输出的直流电Vin（其电压Uin的波形如图2所示）进入NMOS管Q1、第一电容C1、第二电容C2、电流采样模块106、二极管D1、电感L1、峰谷电流控制子电路以及脉冲信号生成模块105，产生降压式变换。当脉冲信号生成模块105所输出的脉冲信号Vg（其波形如图2所示的Ug）为高电平（即NMOS管Q1导通）时，则流过采样电阻R1的电流逐渐增大，当采样电阻R1上的电压达到第二基准电压时，峰值电流检测模块输出控制信号关断NMOS管Q1，使脉冲信号Vg变为低电平，此时流过采样电阻R1的电流逐渐减小，当采样电阻R1上的电压减小到第一基准电压时，谷值电流检测模块输出控制信号开启NMOS管Q1，如此循环，控制电感L1的峰值电流和谷值电流，使输出电流的平均值恒定，由于是直接控制LED的电流情况，所以可以达到精确控制LED恒流的目的。

作为另一种实施方式，恒流控制电路100还包括：二极管D1，其阴极连接于开关管102的输出端和第一电阻R1的第一端之间，并且二极管D1的阳极与整流桥BD的接地端、第一电容C1的第二端、输出级滤波模块101的接地端和负载300的输出端共接于电源参考地端GND；反向放大子电路，其正电源端连接电源电压VCC，负电源端连接信号参考地端VSS，正输出端连接峰谷电流控制子电路的输入端，以及负输出端连接第一电阻R1的第二端；脉冲信号生成模块105的负电源端、峰谷电流控制子电路的负电源端、输出级滤波模块101的输入端、第一电阻R1的第二端共接于信号参考地端VSS。

图3示出了根据本发明一实施方式的恒流控制电路的示例电路图。作为一种实施方式，放大子电路1061可以包括：第二电阻R2，其第一端与第一电阻R1的第二端接、信号参考地端VSS共接，作为电流采样模块106的第二输出端；第一放大器U5，其正相输入端连接第一电阻R1的第一端，作为电流采样模块106的输入端；第三电阻R3，其第一端与第一放大器U5的反相输入端和第二电阻R2的第二端共接，并且该第三电阻R3的第二端连接第一放大器U5的输出端，作为电流采样模块106的第一输出端。如图3所示，在采用放大系数为正的放大子电路1061中，设定VCS是采样电阻R1两端的电压差，电流采样模块106的第一输出端的电压计算方式为：Vsr=(1+R3/R2)*VCS。

图4示出了根据本发明另一实施方式的恒流控制电路中的示例电路图。作为一种实施方式，反向放大子电路1062可以包括：第二电阻R2；第四NMOS管Q4，其源极与第二电阻（R2）的第一端共接，作为电流采样模块的第一输出端，以及漏极连接至电源电压VCC；第一放大器U5，其同相输入端和负电源端共接于信号参考地端VSS，作为电流采样模块106的输入端，正电源端连接电源电压VCC，反相输入端与第二电阻R2的第二端、第三电阻R3的第一端共接；其输出端连接至第四NMOS管Q4的栅极；第三电阻R3，其第二端连接第一电阻R1的第二端，作为电流采样模块的第二输出端。如图4所示，在采用放大系数为负的放大子电路1061中，设定VCS是采样电阻R1两端的电压差绝对值，其中电流采样模块106的第一输出端电压计算方式为：Vsr=（R2/R3）*VCS。

由上可知，本发明提供的一种恒流控制电路，具有精度高、电路结构简单且成本低的优势。

本发明提供还一种LED照明装置，包括：交流电源200，用作交流电源；负载300，用作光源；如上所述的恒流控制电路100，其输入端连接交流电源200，以及输出端连接负载300。本发明提供的LED照明装置具有精度高、电路结构简单且成本低的优势。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种恒流控制电路，其特征在于，包括：

整流桥（BD），其输入端连接交流电源；

开关管（102），其输入端和第一电容（C1）的第一端共接于整流桥（BD）的输出端；

二极管（D1），其阴极共接于开关管（102）的输出端和电流采样模块(106)的输入端，并且二极管（D1）的阳极与整流桥（BD）的接地端、第一电容（C1）的第二端、输出级滤波模块（101）的接地端和负载的输出端共接于电源参考地端（GND）；

电流采样模块（106），其第一输出端连接峰谷电流控制子电路（107）的输入端，其第二输出端连接输出级滤波模块(101)的输入端；

输出级滤波模块（101），其输出端连接负载的输入端；

脉冲信号生成模块（105），其输出端连接至开关管（102）的控制端；

峰谷电流控制子电路（107），其第一输出端、第二输出端分别连接至脉冲信号生成模块（105）的第一输入端、第二输入端；

其中：脉冲信号生成模块（105）的负电源端、电流采样模块（106）的负电源端、峰谷电流控制子电路（107）的负电源端共接于信号参考地端（VSS）；

脉冲信号生成模块（105）的正电源端、电流采样模块（106）的正电源端、峰谷电流控制子电路（107）的正电源端共接于电源电压（VCC）。

2.如权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，电流采样模块（106）包括：第一电阻（R1）和放大子电路，

其中，第一电阻（R1），其第一端为电流采样模块（106）的输入端并连接开关管（102）的输出端，其第二端为电流采样模块（106）的第二输出端并连接输出级滤波模块（101）的输入端；

其中，放大子电路（1061），其第一、第二输入端连接第一电阻（R1）的两端，其输出端为电流采样模块（106）的第一输出端并连接峰谷电流控制子电路（107）的输入端。

3.如权利要求2所述的恒流控制电路，其特征在于，所述峰谷电流控制子电路（107）包括：

谷值电流检测模块（103），其输入端为峰谷电流控制子电路（107）的输入端，连接电流采样模块（106）的第一输出端，正电源端连接电源电压（VCC），负电源端连接信号参考地端（VSS），以及输出端为峰谷电流控制子电路（107）的第一输出端，连接脉冲信号生成模块（105）第一输入端；

峰值电流检测模块（104），其输入端为峰谷电流控制子电路（107）的输入端，连接电流采样模块（106）的第一输出端，正电源端连接电源电压（VCC），负电源端连接信号参考地端（VSS），以及输出端为峰谷电流控制子电路（107）的第二输出端，连接脉冲信号生成模块（105）第二输入端。

4.如权利要求3所述的恒流控制电路，其特征在于，

所述谷值电流检测模块（103）包括：

第一基准电压器（1031），用于输出第一基准电压；

第一比较器（U1），其同相输入端为谷值电流检测模块（103）的输入端，连接电流采样模块（106）的第一输出端，反相输入端连接第一基准电压器（1031），正电源端连接电源电压（VCC），负电源端连接信号参考地端（VSS），以及输出端为谷值电流检测模块（103）的输出端，连接脉冲信号生成模块（105）第一输入端；

所述峰值电流检测模块（104）包括：

第二基准电压器（1041），用于输出第二基准电压；

第二比较器（U2），其反相输入端为峰值电流检测模块（104）的输入端，连接电流采样模块（106）的第一输出端，同相输入端连接第二基准电压器（1041），正电源端连接电源电压（VCC），负电源端连接信号参考地端（VSS），以及输出端为峰值电流检测模块（104）的输出端，连接脉冲信号生成模块（105）第二输入端。

5.如权利要求4所述的恒流控制电路，其特征在于，所述脉冲信号生成模块（105）包括：

第一反向器（U3），其输入端为脉冲信号生成模块（105）的第一输入端，连接第一比较器（U1）的输出端，正电源端连接电源电压（VCC），以及负电源端连接信号参考地端（VSS）；

触发器（RS1），其第一输入端（S）连接第一反向器（U3）的输出端，第二输入端（R）为脉冲信号生成模块（105）的第二输入端，连接第二比较器（U2）的输出端，同相输出端（Q）分别连接第二NMOS管（Q2）的栅极和反向器（U4）的输入端，反相输出端（）处于空接状态；

第二反向器（U4），其输入端连接触发器（RS1）的同相输出端Q，正电源端连接电源电压（VCC），以及负电源端连接信号参考地端（VSS）；

第二NMOS管（Q2），其栅极连接触发器（RS1）的同相输出端Q，漏极连接电源电压（VCC），以及源极为脉冲信号生成模块（105）的输出端并连接开关管（102）的控制端；

第三NMOS管（Q3），其栅极连接第二反向器（U4）的输出端，漏极为脉冲信号生成模块（105）的输出端并连接开关管（102）的控制端，以及源极连接信号参考地端（VSS）。

6.如权利要求5所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关管（102）包括：

第一NMOS管Q1，其栅极、源极、漏极分别为开关管的控制端、输出端和输入端，其栅极连接第二NMOS管（Q2）的源极和第三NMOS管（Q3）的漏极，漏极和第一电容（C1）的第一端共接于整流桥（BD）的输出端，以及源极连接至电流采样模块（106）的输入端。

7.如权利要求5所述的恒流控制电路，其特征在于，所述输出级滤波模块（101）包括：

电感（L1），其输入端为输出级滤波模块（101）的输入端并连接电流采样模块（106）的第二输出端，并且输出端为输出级滤波模块（101）的输出端并连接负载输入端；

第二电容（C2），其第一端连接电感（L1）的输出端，以及第二端为输出级滤波模块（101）的接地端并连接电源参考地端（GND）。

8.如权利要求2所述的恒流控制电路，其特征在于，放大子电路（1061）包括：

第二电阻（R2），其第一端与第一电阻(R1)的第二端、信号参考地端（VSS）共接，作为电流采样模块（106）的第二输出端；

第一放大器（U5），其正相输入端连接第一电阻(R1)的第一端，作为电流采样模块（106）的输入端；第三电阻（R3），其第一端与第一放大器（U5）的反相输入端和第二电阻（R2）的第二端共接，并且该第三电阻（R3）的第二端连接第一放大器（U5）的输出端，作为电流采样模块的第一输出端。

9.如权利要求2所述的恒流控制电路，其特征在于，放大子电路（1061）包括：

第二电阻（R2）；

第四NMOS管（Q4），其源极与第二电阻（R2）的第一端共接，作为电流采样模块的第一输出端，以及漏极连接至电源电压（VCC）；

第一放大器（U5），其同相输入端和负电源端共接于信号参考地端（VSS）作为电流采样模块（106）的输入端，正电源端连接电源电压（VCC），反相输入端与第二电阻（R2）的第二端、第三电阻（R3）的第一端共接；其输出端连接至第四NMOS管（Q4）的栅极；

第三电阻（R3），其第二端连接第一电阻（R1）的第二端，作为电流采样模块的第二输出端。

10.一种装置，其特征在于，包括：

交流电源（200），用作交流电源；

负载（300），用作光源；

如权利要求1-9任一项所述的恒流控制电路（100），其输入端连接交流电源（200），以及输出端连接负载（300）。

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