CN103260302A - 一种导通时间可调的led驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导通时间可调的LED驱动器，包括：一路或多路LED，其在供电电压上升到LED导通电压时导通；导通阈值设定模块，用于设定LED导通时间；以及控制模块，用于根据所述LED导通时间在供电电压上升到超过LED导通电压预定阈值时断开所述一路或多路LED，并且在供电电压下降到超过LED导通电压预定阈值时导通所述一路或多路LED，其中，所述预定阈值与所述LED导通阈值相关。本发明通过比较输入电压和LED压降来控制LED的导通时间，避免了输入电压与LED电压的压差偏大，提高了线性LED驱动电路的效率，降低了电路发热量，增强了应用的可靠性；另外，通过控制LED导通时间，还灵活实现了线性控制方案的高效率与PF值的折中设计。
Description
技术领域
本发明涉及LED驱动领域，尤其涉及一种导通时间可调的LED驱动器。
背景技术
LED驱动采用线性驱动方式具有结构简单，EMI小等优势。线性LED驱动的效率与输入电压有关，其输入功率为Pin=Vin*Iled，输出功率为Pout=Vled*Iled，效率为Pout/Pin=Vled/Vin，其中，Vin为输入电压，Vled为LED上的电压压降，Iled为LED上流过的电流。显而易见，线性LED驱动在驱动电路上消耗的功率为（Vin-Vled）*Iled。因此，如果Vin与LED的电压压差越大，则驱动电路的效率越低。特别是在采用交流电压驱动LED的情况下，AC电压会远大于LED电压，从而造成这种情况下的线性LED驱动电路效率低下，发热严重，以至于影响应用的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的导通时间可调的LED驱动器
本发明提供了一种导通时间可调的LED驱动器，包括：一路或多路LED，其在供电电压上升到LED导通电压时导通；导通阈值设定模块，用于设定LED导通阈值；以及控制模块，用于根据所述LED导通时间在供电电压上升到超过LED导通电压预定阈值时断开所述一路或多路LED，并且在供电电压下降到超过LED导通电压预定阈值时导通所述一路或多路LED，其中，所述预定阈值与所述LED导通阈值相关。
优选地，所述控制模块包括：电压采样模块，用于对供电电压进行采样得到当前采样值；第一比较器，用于将所述当前采样值和第一阈值作为其两个输入，所述第一阈值与所述LED导通阈值相关；以及开关模块，用于通过所述第一比较器的输出翻转来断开或导通所述一路或多路LED。
优选地，所述控制模块还包括：计时器，其在供电电压上升到LED导通电压后被触发开始计时，计时时间与所述LED导通阈值相关；以及采样记录模块，用于在所述计时结束时得到所述当前采样值的记录值，其中，所述第一阈值是所述记录值。
优选地，所述开关模块为第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，在供电电压上升阶段，所述第一比较器的翻转导致所述第二场效应晶体管的导通和第一场效应晶体管的截止，在供电电压下降阶段，所述第一比较器的翻转导致所述第二场效应晶体管的截止和第一场效应晶体管的导通。
优选地，所述控制模块还包括第二比较器，用于检测所述一路或多路LED在供电电压上升阶段的导通，并且在导通时通过输出翻转触发所述计时器开始计时。
优选地，所述导通阈值设定模块是可调电阻、可控电压源和可控电流源之一，用于设定所述计时器的计时时间或者用于设定所述第一阈值。
优选地，所述LED驱动器还包括：运算放大器和低通滤波器，用于与所述第一场效应晶体管形成负反馈环路，在LED导通时使LED上的电流保持恒定。
优选地，所述场效应晶体管是NMOS、PMOS和JFET之一。
优选地，所述LED驱动器还包括：下拉电阻，其第一端连接到所述第一场效应管和所述第二比较器的一个输入端，其第二端接地，用于在LED断开时将所述第一端的电压拉低，在LED导通时所述运算放大器和低通滤波器将所述第一端的电压拉高。
优选地，所述LED驱动器还包括：整流桥，用于将交流电压整流成直流电压后对所述LED驱动器供电。
本发明通过比较输入电压和LED压降，控制LED的导通时间，在输入电压大于LED电压一定设定量后将关断LED，直到输入电压再次达到LED电压附近的设定值时导通LED。本发明避免了输入电压与LED电压的压差偏大，提高了线性LED驱动电路的效率，降低了电路发热量，增强了应用的可靠性；并且，本发明通过控制LED导通时间，灵活实现了线性控制方案的高效率与PF值的折中设计。
附图说明
图1是由AC供电的线性LED驱动电路的示意图；
图2示出了由AC供电的线性LED驱动电路中LED电流波形与AC电压的关系；
图3是根据本发明实施例的导通时间可调的LED驱动电路的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的导通时间可调的LED驱动电路中LED电流波形与AC电压的关系；
图5是根据本发明一个实施例的导通时间可调的LED驱动电路的示意图；以及
图6是根据本发明另一个实施例的导通时间可调的LED驱动电路的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明通过比较供电电压Vin与LED压降来控制LED电流的导通时间，在Vin大于LED电压一定的设定量后将LED电流关断，直到Vin再次到达LED电压附近的设定值时开启LED电流，且LED电流的导通时间受控于一个或多个电压或者电流量。在这个过程中，LED电流成脉冲波形，通过恒流环路使LED电流平均值恒定。特别地，在由交流电AC驱动LED的情况下，通过一个或多个电压或者电流量来控制LED电流导通时间，从而实现功率因数PF以及效率的折中。对于PF要求较低的应用，可以通过将LED电流导通时间设置为最小来达到接近于100%的高效率；而对于PF要求较高的应用，则可设定较大的LED电流导通时间。在设定的LED导通时间的极限内，在一个完整的AC周期中不再关断LED。
另外，如果对LED电流进行滤波，则当LED电流导通宽度较小时，需要较大的滤波电容，当LED电流导通宽度较大时，所需要的滤波电容可以相对减小。本发明通过控制LED导通时间，灵活实现了线性控制方案的高效率与PF值的折中设计。
图1是由AC供电的线性LED驱动电路的示意图。
图2示出了由AC供电的线性LED驱动电路中LED电流波形与AC电压的关系。
如图1和图2所示，LED灯串通过AC供电。Vin为经过整流的电源电压，其在图2中表现为一个半波正弦波形。VLED为LED灯串在导通时的压降，I_LED为LED灯串上流过的电流。可见，在电源电压Vin的一个变化周期内，随着时间t的增加，电源电压VIN逐渐升高，到达峰值后逐渐回落。当电源电压Vin上升达到VLED时，LED导通；当电源电压Vin下降到低于VLED时，LED截止。
图3是根据本发明实施例的导通时间可调的LED驱动电路的示意图。
图4示出了根据本发明实施例的导通时间可调的LED驱动电路中LED电流波形与AC电压的关系。
如图3和图4所示，LED灯串通过AC供电。Vin为经过整流的电源电压，其在图2中表现为一个半波正弦波形。VLED为LED灯串在导通时的压降，I_LED为LED灯串上流过的电流。M1和M2为场效应晶体管，用于对LED的导通和截止进行控制，其在图中显示为两个NMOS管。在图4中可见，在电源电压Vin的一个变化周期内，随着时间t的增加，电源电压VIN逐渐升高，到达峰值后逐渐回落。
当电源电压Vin上升达到VLED时，LED灯串导通。
恒流控制模块在LED导通的时间内对其上流过的电流进行控制，通过恒流环路使平均值保持恒定。
通过导通阈值设定模块设定的导通阈值，控制模块在与所述导通阈值相关的导通时间t11的时限后导通场效应晶体管M2。在场效应晶体管M2导通后，M1的栅极电压被拉低，场效应晶体管M1截止，LED被关断。优选地，导通阈值设定模块可以为一个可调电阻，也可以是电流或电压量。应当理解，控制模块也可以将场效应晶体管M1和M2包含在内。另外，导通阈值设定模块可以是可调电阻，也可以是可控电流源或可控电压源，其与控制模块相连接以设定何时关断或导通LED。
当电源电压Vin下降到VLED附近时，控制模块将场效应晶体管M2截止，这时场效应晶体管M1再次导通，LED灯串也导通。
在电源电压Vin下降到低于LED灯串的导通电压VLED时，LED灯串被断开。在电源电压下降过程中，从场效应晶体管M1导通到LED灯串断开的时间为t12。
通过改变导通阈值设定模块的设定值，LED导通时间可以从t11、t12变为t21和t22，其中，t11和t12可以相等或者不相等，t21和t22也可以相等或者不相等。LED导通时间的极限为图2所示的AC供电的线性驱动LED电流与AC电压的关系图中所示，即满足LED灯串导通电压所对应的时间。
图5是根据本发明一个实施例的导通时间可调的LED驱动电路的示意图。
如图5所示，交流电源AC经过整流桥整流之后为整个电路供电，Vin为整流后的电源电压，VLED为LED灯串在导通时的压降，I_LED为LED灯串上流过的电流。M1和M2为场效应晶体管，用于对LED的导通和断开进行控制，其在图中显示为两个NMOS管。
当电源电压Vin上升达到VLED时，LED灯串导通。
恒流控制由放大器AMP和低通滤波器LPF来实现。在LED导通后，通过M1、AMP和LPF形成的负反馈环路，可以将V1值拉高，通过AMP的输出来控制M1的栅极电压，从而改变其漏源电流。换言之，通过工作在负反馈环境下的AMP和低通滤波，使得I_LED的值实现长时平均。
当V1大于VREF2时，比较器CMP1翻转，触发计时器开始计时。通过可调电阻Rset，可以设定计时器的充电电流，从而确定计时器的计时时间。VREF2可以设定为一个较小的电压值，换言之，比较器CMP1检测的是V1的上升，即检测LED灯串的导通。
当计时完成时，采样保持模块记录下当前的Vin值并将其保持输入比较器CMP2的负端，而CMP2的正端是通过电压采样模块采样得到的当前的Vin值，而且在当前阶段，Vin值还在持续上升。这样，比较器CMP2翻转输出高电平，场效应晶体管M2被导通，场效应晶体管M1的栅极电压被拉低从而截止，从而LED也被断开。因此，在这一阶段，通过可调电阻Rset设定的计时时间可以控制LED的导通时间。
接下来，Vin继续上升，到达峰值后逐渐回落。当Vin的值再次低于采样保持模块保持输入比较器CMP2负端的电压值时，比较器CMP2再次翻转输出低电平，场效应晶体管M2截止。虽然当前Vin处于下降阶段，但是仍然大于LED灯串的导通电压，因此LED灯串被导通，场效应晶体管M1也被导通。
输入电压Vin继续下降，当其下降到低于LED的导通电压时，LED被关断。
应当理解，由于Vin在整流后表现为半波正弦波形，而采样保持模块在比较器CMP2负端又保持了LED上次关断的输入电压，因此LED在Vin的下降阶段的导通时间可以等于其在Vin的上升阶段的导通时间。
同样，通过改变可调电阻Rset的设定值，可以改变LED的电流导通宽度/LED导通时间，其导通时间的极限为Vin满足LED导通电压对应的时间。比如，增加Rset的电阻值减小计时器的充电电流，延长计时器的充电时间/计时时间，从而改变LED的导通时间。当然，导通阈值设定也可以通过可调电阻之外的形式来实现，比如对计时器施加可调的电压或电流，从而改变其计时时间。
图6是根据本发明另一个实施例的导通时间可调的LED驱动电路的示意图。
如图6所示，交流电源AC经过整流桥整流之后为整个电路供电，Vin为整流后的电源电压，VLED为LED灯串在导通时的压降，I_LED为LED灯串上流过的电流。M1和M2为场效应晶体管，用于对LED的导通和断开进行控制，其在图中显示为两个NMOS管。
当电源电压Vin上升达到VLED时，LED灯串导通。
恒流控制由放大器AMP和低通滤波器LPF来实现。在LED导通后，通过M1、AMP和LPF形成的负反馈环路，可以将V1值拉高，通过AMP的输出来控制M1的栅极电压，从而改变其漏源电流。换言之，通过工作在负反馈环境下的AMP和低通滤波，使得I_LED的值实现长时平均。
比较器CMP的正端是通过电压采样模块采样得到的当前的Vin值，负端是VREF2，VREF2可以是由可控电压源输出的电压值，其可以被设定为略高于LED的导通电压。当LED供电电压上升阶段导通时，Vin值会持续上升。那么，当Vin高于VREF2时，比较器CMP翻转输出高电平，场效应晶体管M2被导通，场效应晶体管M1的栅极电压被拉低从而截止，从而LED也被断开。
接下来，Vin继续上升，到达峰值后逐渐回落。当Vin的值再次低于比较器CMP负端的电压值VREF2时，比较器CMP再次翻转输出低电平，场效应晶体管M2截止。虽然当前Vin处于下降阶段，但是仍然大于LED灯串的导通电压，因此LED灯串被导通，场效应晶体管M1也被导通。
输入电压Vin继续下降，当其下降到低于LED的导通电压时，LED被关断。
应当理解，由于Vin在整流后表现为半波正弦波形，而采样保持模块在比较器CMP负端的输入电压VREF2可以保持不变或者有所调整，因此LED在Vin的下降阶段的导通时间可以等于或者不等于其在Vin的上升阶段的导通时间。
同样，通过改变VREF2的值，可以改变LED的电流导通宽度/LED导通时间，其导通时间的极限为Vin满足LED导通电压对应的时间。比如，增加VREF2的值将延长供电电压Vin达到VREF2的时间，从而延长LED的导通时间；而减小VREF2的值将缩短供电电压Vin达到VREF2的时间，从而缩短LED的导通时间。
本领域技术人员应当理解，即使没有恒流控制部分，本发明的LED导通时间可调仍然能够实现。虽然在实施例中电路中仅接入一串LED，但是在多路LED同时接入的情况下，本发明的LED导通时间可调仍然适用。另外，采样保持模块可以用积分器等时序电路实现。虽然实施例中场效应晶体管采用NMOS晶体管，但是也可以适用PMOS、JFET等实现。
公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种导通时间可调的LED驱动器，包括：
一路或多路LED，其在供电电压上升到LED导通电压时导通；
导通阈值设定模块，用于设定LED导通阈值；以及
控制模块，用于根据所述LED导通时间在供电电压上升到超过LED导通电压预定阈值时断开所述一路或多路LED，并且在供电电压下降到超过LED导通电压预定阈值时导通所述一路或多路LED，其中，所述预定阈值与所述LED导通阈值相关。
2.根据权利要求1所述的LED驱动器，其中，所述控制模块包括：
电压采样模块，用于对供电电压进行采样得到当前采样值；
第一比较器，用于将所述当前采样值和第一阈值作为其两个输入，所述第一阈值与所述LED导通阈值相关；以及
开关模块，用于通过所述第一比较器的输出翻转来断开或导通所述一路或多路LED。
3.根据权利要求2所述的LED驱动器，其中，所述控制模块还包括：
计时器，其在供电电压上升到LED导通电压后被触发开始计时，计时时间与所述LED导通阈值相关；以及
采样记录模块，用于在所述计时结束时得到所述当前采样值的记录值，其中，所述第一阈值是所述记录值。
4.根据权利要求2所述的LED驱动器，其中，所述开关模块为第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，在供电电压上升阶段，所述第一比较器的翻转导致所述第二场效应晶体管的导通和第一场效应晶体管的截止，在供电电压下降阶段，所述第一比较器的翻转导致所述第二场效应晶体管的截止和第一场效应晶体管的导通。
5.根据权利要求3所述的LED驱动器，其中，所述控制模块还包括：
第二比较器，用于检测所述一路或多路LED在供电电压上升阶段的导通，并且在导通时通过输出翻转触发所述计时器开始计时。
6.根据权利要求3所述的LED驱动器，其中，所述导通阈值设定模块是可调电阻、可控电压源和可控电流源之一，用于设定所述计时器的计时时间或者用于设定所述第一阈值。
7.根据权利要求4所述的LED驱动器，还包括：
运算放大器和低通滤波器，用于与所述第一场效应晶体管形成负反馈环路，在LED导通时使LED上的电流保持恒定。
8.根据权利要求4所述的LED驱动器，其中，所述场效应晶体管是NMOS、PMOS和JFET之一。
9.根据权利要求4、5、7之一所述的LED驱动器，还包括：
下拉电阻，其第一端连接到所述第一场效应管和所述第二比较器的一个输入端，其第二端接地，用于在LED断开时将所述第一端的电压拉低，在LED导通时所述运算放大器和低通滤波器将所述第一端的电压拉高。
10.根据权利要求1所述的LED驱动器，还包括：整流桥，用于将交流电压整流成直流电压后对所述LED驱动器供电。
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