CN103260318A - 可调光的led驱动电路及其调光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调光的LED驱动电路及其调光方法。所述可调光的LED驱动电路包括，第一级功率级电路，第二级功率级电路，第一控制电路和第二控制电路；所述第一控制电路用以控制在所述交流电源的每一半波周期内，当所述第一输出电压处于上升状态，并且所述第一输出电压小于所述上限电压时，所述第一级功率级电路的输入电流维持为第一电流；所述第一电流不小于所述电子变压器的维持电流；当所述第一输出电压上升至所述上限电压后，所述输入电流维持为第二电流；所述第二控制电路根据所述第一电流和所述第一输出电压生成一调光信号，并保证所述第二级功率级电路的输出电流与所述调光信号表征的期望驱动电流一致。

Description

可调光的LED驱动电路及其调光方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种可调光的LED驱动电路及其调光方法。
背景技术
对照明领域而言，由于可控硅相控（斩波法）调光方法具有体积小、价格合理和调光功率范围宽的优点，因此可控硅相控调光法是目前应用最为广泛的调光方法，广泛应用于舞台照明和环境照明领域。应用可控硅相控工作原理，通过控制可控硅整流元件的导通角，将交流电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，从而控制灯电路的供电电压，实现对灯负载的调光功能。
参考图1A，所示为一种现有的采用可控硅相控调光方法的调光电路原理框图，其包括交流输入源101、三端双向可控硅106、触发电路113、整流桥107、维持电阻108和由二极管109和滤波电容110组成的滤波电路。其中，触发电路113可以为由双向触发二极管105、可调电阻102、电阻103和电容104等几部分组成。三端双向可控硅106的阳极连接至交流输入源101的一端，阴极连接至整流桥107；依次串联连接的可调电阻102、电阻103和电容104组成的触发电路中的A点连接至三端双向可控硅106的控制极。
在工作过程中，通过调节可调电阻102的电阻值，改变三端双向可控硅106控制极的电压，当控制极的电压大于一定电压时，可控硅整流元件106开始导通，从而控制可控硅整流元件106的导通角相对于交流输入源101的相位。从图1B所示的可控硅前沿触发的相控调光工作波形原理图可以看出，在正弦交流输入源101的电压过零后的某一时刻t1（或某一相位wt1），在可控硅整流元件106的控制极上加一正触发脉冲Vtrg1，使可控硅整流元件106触发导通，根据可控硅整流元件的开关特性，这一导通将维持到正弦波的正半周结束。所以在正弦波的正半周（即0～π区间）中，0～wt1范围内即α控制角内，可控硅整流元件106不导通；而在wt1～π的相位区间即
Figure BDA00003272652600011
导通角内可控硅导通。同样在正弦交流电的负半周，在t2时刻（即相位角wt2）施加触发脉冲Vtrg2，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。通过改变触发脉冲的触发时间（或相位）就可以改变可控硅导通角
Figure BDA00003272652600022
（或控制角α）的大小，从而获得一相位缺失的交流电压Vacin，经过整流桥107进行整流后，获得一直流电压Vdcin，可见导通角
Figure BDA00003272652600021
越大，电路的输出电压Vdc越高，通过开关电源驱动器111对负载112进行控制，从而使得负载112的发光越亮。
但是，采用图1A所示的采用现有技术的可调光的LED驱动电路中需要设置滤波电容110。由于滤波电容110的容值很大，电路中的LC谐振导致通过三端双向可控硅的电流不可控，三端双向可控硅不能维持导通，因此，LED出现频闪。此外，传统电路中的电子变压器原是针对卤素灯(而非LED灯)负载设计的，电子变压器要求在工作过程中保持一个最小维持电流才能正常工作。因此，在带有电子变压器的LED驱动电路中，通过增加一个假负载（如维持电阻108）的方法来解决电流不可控以及电子变压器关断的问题，但增加的假负载的功率消耗导致工作效率降低。
因此，在带有电子变压器的LED驱动电路中，如何保证既能满足电子变压器最小工作电流的要求，又能对LED灯负载进行精确调光，使LED灯负载不会发生频闪，且整机工作效率高是当前极具挑战性的一项工作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可调光的LED驱动电路及其调光方法，以解决现有技术中工作效率低，稳定性差以及LED灯闪烁的问题。
依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路，外部的交流电源依次经三端双向可控硅，电子变压器和整流桥处理后得到一直流电压，还包括，第一级功率级电路，第二级功率级电路，第一控制电路和第二控制电路；其中，
所述第一级功率级电路的输入端接收所述直流电压，所述第二功率级电路的输入端连接至所述第一级功率级电路的输出端，一LED负载连接至所述第二级功率级电路的输出端；
所述第一控制电路用以根据接收到的所述第一级功率级电路的输出端的第一输出电压、第一基准电压和一上限电压生成第一控制信号，以控制所述第一输出电压的平均值维持为所述第一基准电压；并且，
控制在所述交流电源的每一半波周期内，当所述第一输出电压处于上升状态，并且所述第一输出电压小于所述上限电压时，所述第一级功率级电路的输入电流维持为第一电流；所述第一电流不小于所述电子变压器的维持电流；当所述第一输出电压上升至所述上限电压后，所述第一输出电压连续下降；并且，所述输入电流维持为第二电流；
所述第二控制电路根据所述第一电流和所述第一输出电压生成一调光信号，并据以控制所述第二级功率级电路，保证所述第二级功率级电路的输出电流与所述调光信号表征的期望驱动电流一致。
依据本发明一实施例的所述第一控制电路包括导通信号发生电路，关断信号发生电路和第一逻辑电路；其中，
所述导通信号发生电路包括一时钟信号发生电路，用以产生一时钟信号；
所述关断信号发生电路包括第一电压比较电路和反馈控制电路；
所述第一电压比较电路用以将所述第一输出电压与所述上限电压进行比较，以产生第一关断信号；
所述反馈控制电路用以接收所述第一输出电压，所述第一基准电压和包含电感电流峰值信息的一斜坡信号，以产生第二关断信号；
所述第一逻辑电路分别与所述导通信号发生电路和所述关断信号发生电路连接，以产生第一控制信号来控制第一级功率级电路中的第一主功率开关管的开关状态。
具体的，所述反馈控制电路包括电压误差计算电路，补偿电路，箝位电路，和方波信号发生电路；其中，
所述电压误差计算电路包括一运算放大器，所述运算放大器的第一输入端接收所述第一输出电压，第二输入端接收所述第一基准电压，以在输出端产生一电压误差信号；
所述补偿电路接收所述电压误差信号，并对所述电压误差信号进行补偿运算，以获得一补偿信号；
所述箝位电路连接至补偿电路的输出端，所述箝位电路具有一箝位电压；当所述补偿信号小于所述箝位电压时，所述补偿信号被箝位至所述箝位电压；所述箝位电压根据所述电子变压器的维持电流确定；
所述方波信号发生电路包括一比较器，所述比较器的第一输入端接收所述补偿信号，第二输入端接收所述斜坡信号，以在输出端生成所述第二关断信号。
具体的，所述第一逻辑电路包括第一RS触发器和第一或门；其中，所述第一或门的两个输入端分别与所述第一电压比较电路和所述反馈控制电路连接，以接收所述第一关断信号和所述第二关断信号；所述第一RS触发器的置位端接收所述时钟信号，复位端连接至所述或门的输出端，输出端的输出信号作为所述第一控制信号；
在所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅导通后，当所述第一输出电压大于所述上限电压时，关断所述第一主功率开关管，直至所述三端双向可控硅再次导通；
当所述第一输出电压小于所述上限电压，并且，所述时钟信号有效时，导通所述第一主功率开关管；当所述斜坡信号大于所述补偿信号时，关断所述第一主功率开关管。
具体的，所述箝位电路包括一箝位电压源和一二极管；所述箝位电压源连接至所述二极管的阳极，所述二极管的阴极连接至所述补偿电路的输出端。
依据本发明一实施例的所述第二控制电路包括调光信号发生电路和输出电流控制电路；其中，
在所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅的导通时间区间内，如果所述第一输出电压小于所述上限电压，所述调光信号发生电路根据所述第一电流的维持时间来产生所述调光信号；
如果所述第一输出电压大于所述上限电压，所述调光信号发生电路根据所述第一电流的起始时刻至所述第一输出电压下降至一下限电压的时刻的时间区间来产生所述调光信号；
所述输出电流控制电路根据当前所述第二级功率级电路的输出电流和所述期望驱动电流之间的误差生成第二控制信号，以来控制所述第二级功率级电路。
具体的，所述调光信号发生电路包括第二电压比较电路，输入电流比较电路，第二逻辑电路和平均值电路；其中，
所述第二电压比较电路用以比较所述第一输出电压和所述下限电压；
所述输入电流比较电路用以比较所述输入电流和一电流基准；
所述第二逻辑电路包括第二或门，所述第二或门的两个输入端分别接收所述第二电压比较电路的输出信号和所述输入电流比较电路的输出信号，以在输出端生成一方波信号；
所述平均值电路用以对接收到的所述方波信号和一基准电压进行平均值运算，以获得所述调光信号。
具体的，所述输出电流控制电路为峰值电流控制电路或者平均电流控制电路或者线性控制电路。
具体的，所述第一电压比较电路和所述第二电压比较电路共用一迟滞比较器，所述迟滞比较器的上限门限电压为所述上限电压，下限门限电压为所述下限电压。
具体的，所述第一级功率级电路为升压型拓扑结构；所述第二级功率级电路为降压型拓扑结构或升压-降压型拓扑结构。
依据本发明一实施例的一种LED负载的调光方法，包括，
接收外部的交流电源；
调节三端双向可控硅的导通角，所述交流电源依次经三端双向可控硅，电子变压器和整流桥处理后以得到一相位缺失的直流电压；
所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅触发导通后，第一级功率级电路接收所述直流电压，以使能所述第一级功率级电路；
比较所述第一级功率级电路的输出端的第一输出电压和一上限电压；
当所述第一输出电压处于上升状态，并且小于所述上限电压时，控制所述第一级功率级电路，使得输入电流维持为第一电流；并且，所述第一电流大于所述电子变压器的维持电流；
当所述第一输出电压上升至所述上限电压后，所述第一输出电压连续下降；并且，所述输入电流维持为第二电流；
第二级功率级电路接收所述第一输出电压；
根据所述第一电流和所述第一输出电压生成一调光信号；
根据所述调光信号和所述第二级功率级电路的输出电流，控制第二级功率级电路，保证所述输出电流与所述调光信号表征的期望驱动电流一致。
依据本发明一实施例的所述调光信号的产生方法包括以下步骤：
在所述交流电源的每一半波周期内，比较所述第一输出电压和所述上限电压；
当所述第一输出电压小于所述上限电压时，根据所述第一电流的维持时间来产生所述调光信号；
当所述第一输出电压大于所述上限电压时，根据所述第一电流的起始时刻至所述第一输出电压下降至一下限电压的时刻的时间区间来产生所述调光信号。
依据本发明一实施例的第二级功率级电路的输出电流的控制方法包括以下步骤：
根据当前所述输出电流和所述期望驱动电流之间的误差，控制所述第二级功率级电路中的功率开关管的开关状态，维持所述输出电流和所述期望驱动电流一致。
依据本发明一实施例的的第一级功率级电路的控制方法包括以下步骤：
比较所述第一输出电压和所述上限电压；
当所述第一输出电压小于所述上限电压时，利用峰值电流控制方法控制所述第一级功率级电路的第一主功率开关管的开关状态；
当所述第一输出电压大于所述上限电压时，关断所述第一主功率开关管。
具体的，所述峰值电流控制方法包括以下步骤：
计算所述第一输出电压和第一基准电压之间的误差，以产生一误差信号；
对所述误差信号进行补偿运算，以产生补偿信号；
比较所述补偿信号和一箝位信号；所述箝位信号由所述维持电流确定；
当所述补偿信号大于所述箝位信号，维持所述补偿信号；
当所述补偿信号小于所述箝位信号时，将所述补偿信号箝位至所述箝位信号；
比较所述补偿信号和一斜坡信号；所述斜坡信号表征所述第一级功率级电路的电感电流峰值；
当时钟信号有效以及所述斜坡信号小于所述补偿信号时，导通所述第一主功率开关管，所述输入电流持续上升，所述第一输出电压持续上升；
所述斜坡信号大于所述补偿信号时，关断所述第一主功率开关管，所述输入电流开始下降，直至所述时钟信号再次变为有效状态。
依据本发明实施例的可调光的LED驱动电路及其调光方法，采用两级功率级电路的驱动电路结构，第一级功率级电路用以实现对输入电流和输出电压的控制，第二级功率级电路用以实现对LED负载的恒流驱动。
通过这种调光控制，一方面，通过第一级功率级电路控制输入电流在三端双向可控硅的导通时间内，其数值维持为大于电子变压器的维持电流，从而避免了维持电阻的使用，即避免了维持电阻所带来的功率损耗；同时也避免了电子变压器的频繁或者提前关断所造成的LED负载发生闪烁的问题。
另一方面，第二级功率级电路的输入电源为第一级功率级电路的输出电压，由于通过第一级功率级电路已经能够实现对第二级功率级电路的输入电源的精确控制，因此，不再需要滤波电容，避免了滤波电流给电路带来的负面影响，提高了电路的稳定性和可靠性。
再者，LED负载的调光需求能够通过对输入电流和输出电压的检测间接获得，进而通过第二级功率级电路实现对LED负载的驱动电流的精确控制，获得精确的调光操作。
附图说明
图1A所示为采用现有技术的一种可控硅调光电路的原理框图；
图1B所示为图1A所示的可控硅调光电路的工作波形图；
图2所示为依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路的原理框图；
图3所示为依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路中的第一控制电路的原理框图；
图4所示为依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路中的第二控制电路的原理框图；
图5A所示为依据本发明实施例的可调光的LED驱动电路在第一工作模式的工作波形图；
图5B所示为依据本发明实施例的可调光的LED驱动电路在第二工作模式的工作波形图；
图6所示为依据本发明一实施例的LED负载的调光方法的流程图；
图7所示为依据本发明一实施例的LED负载的调光方法中的调光信号的产生方法的流程图；
图8所示为依据本发明一实施例的LED负载的调光方法中的第一级功率级电路的控制方法的一流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2，200所示为依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路的原理框图。在该实施例中，可调光的LED驱动电路包括依次顺序连接的三端双向可控硅201，电子变压器202，整流桥203，第一级功率级电路204，第二级功率级电路205，以及第一控制电路206和第二控制电路207。其中，
外部的交流电源AC依次经过三端双向可控硅201，电子变压器202和整流桥203处理后得到一呈相位缺失的正弦半波形状的直流电压VDC。当然，三端双向可控硅还需要相应的触发电路，在此对其不再进行详细说明。
这里，以第一级功率级电路204为升压型拓扑结构，第二级功率级电路205为降压型拓扑结构为例，电感L1，第一主功率开关管Q1，二极管D1和电容Cout1组成一升压型拓扑结构；第二主功率开关管Q2，二极管D2，电感L2和电容Cout2组成一降压型拓扑结构。
直流电压VDC为第一级功率级电路204提供电源供应，输入电流Iin与流过电感L1的电感电流一致。电容Cout1两端的电压作为第一输出电压Vout1，并为第二级功率级电路205提供电源供应，第二级功率级电路205的输出端的输出电流ILED为LED负载提供驱动电流。
第一控制电路206用以控制第一输出电压Vout1和输入电流Iin。具体的，第一控制电路206接收第一输出电压Vout1，第一基准电压VREF1，输入电流信息和上限电压Vth_up，以据以产生第一控制信号PWM1。第一控制电路206对第一级功率级电路204的控制可以通过第一控制电路206的输出的第一控制信号PWM1对第一主功率开关管Q1的开关状态的控制来实现。
通过第一控制电路206对第一级功率级电路204的控制，保证第一输出电压Vout1的平均值与第一基准电压VREF1维持一致。同时，在交流电源AC的每一半波周期内，当第一输出电压Vout1处于上升状态，并且，小于上限电压Vth_up时，第一控制电路206控制输入电流Iin维持为第一电流Iin1。并且，通过箝位电压VCLAMP保证第一电流Iin1的数值不小于电子变压器202的维持电流。而当第一输出电压Vout1上升至上限电压Vth_up后，第一控制电路206控制输入电流Iin维持为第二电流Iin2。
这里，第一控制电路206可以采用峰值电流控制方式。
由于输入电流Iin和所述第一输出电压Vout1的波形的形状可以间接表征三端双向可控硅201的导通角度，因此，第二控制电路207根据输入电流Iin的第一电流Iin1和第一输出电压Vout1生成一调光信号。所述调光信号表征三端双向可控硅201的当前导通角所需要的LED负载的期望驱动电流。根据LED负载的当前驱动电流和所述调光信号，第二控制电路207生成第二控制信号PWM2，来控制第二级功率级电路205中的第二主功率开关管Q2的开关状态，实现对第二级功率级电路205的控制。LED负载的调光控制得以实现，并且能够精确实现对LED负载的恒流驱动。
这里，第二控制电路207可以采用峰值电流控制模式或者平均电流控制模式或者线性控制方式来实现对LED负载的恒流驱动。所述第二电流Iin2的数值可以为零值，也可以为一较小的数值。第二级功率级电路205也可以为升压-降压型拓扑结构。
在图2所示的依据本发明实施例的可调光的LED驱动电路中，通过第一控制电路对第一级功率级电路的控制，使得输入电流在三端双向可控硅的导通时间内，其数值始终大于电子变压器的维持电流，从而避免了维持电阻的使用，减小了功率损耗，同时也避免了LED负载频闪的问题。另外，基本恒定的第一输出电压能够作为第二级功率级电路的电源供应，因此，也不再需要滤波电容。
LED负载的调光需求能够通过对输入电流和第一输出电压的检测间接获得，进而通过第二级功率级电路实现对LED负载的驱动电流的精确控制，获得精确的调光操作。
参考图3，所示为依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路中的第一控制电路的原理框图。为方便说明，在该图示中，省略了三端双向可控硅201，电子变压器202和整流桥203。
第一控制电路300包括关断信号发生电路301，导通信号发生电路302和第一逻辑电路303。其中，关断信号发生电路301包括第一电压比较电路301-2和反馈控制电路301-1。
具体的，第一电压比较电路301-2用以比较第一输出电压Vout1与上限电压Vth_up，以产生第一关断信号Soff1。
第一电压比较电路301-2的一种实现方式可以为迟滞比较器306，其上限门限电压为上限电压Vth_up，下限门限电压为下限电压Vth_low，或者与上限电压和下限电压成比例的电压信号。迟滞比较器306的同相输入端接收第一输出电压Vout1或者与之成比例的一电压信号，反相输入端接收基准值Vovp_ref或者与之成比例的一电压信号，输出端的输出信号作为第一关断信号Soff1。当第一输出电压Vout1上升至上限电压Vth_up时，第一关断信号Soff1变为高电平。
反馈控制电路301-1采用峰值电流控制电路，以根据第一输出电压Vout1，第一基准电压VREF1和包含电感电流峰值信息的斜坡信号产生第二关断信号Soff2。
反馈控制电路301-1的一种实现方式可以通过电压误差计算电路，补偿电路，箝位电路和方波信号发生电路来实现。
这里，电压误差计算电路可以包括运算放大器302，其同相输入端接收第一输出电压Vout1，反相输入端接收第一基准电压VREF1，以计算第一输出电压Vout1和第一基准电压VREF1之间的误差。
补偿电路用以对运算放大器302输出的误差信号进行补偿运算，以获得补偿信号Vcomp。补偿电路可以通过多种方式来实现，例如，电容303或者电阻和电容组成的RC电路等。
箝位电路连接至补偿电路的输出端，其具有一由所述电子变压器的维持电流所确定的一箝位电压。箝位电路的一种实现方式可以通过一箝位电压源VCLAMP和一二极管304来实现。二极管304的阳极连接至箝位电压源VCLAMP，阴极连接至补偿电路的输出端。箝位电压的数值为箝位电压源VCLAMP的数值与二极管304的压降之差。当补偿信号Vcomp小于所述箝位电压时，补偿信号Vcomp被箝位至所述箝位电压。
方波信号发生电路包括比较器304，用以比较补偿信号Vcomp和表征电感电流峰值信息的电压信号Vpk1，输出端的方波信号作为第二关断信号Soff2。电感电流峰值可以采用与第一主功率开关管Q1串联的电阻R1两端的电压信号Vpk1来间接获得。在该实施例中，考虑到功率开关管的占空比的变化对输入电流的影响，为了提高稳定性，在电压信号Vpk1的基础上叠加一斜坡信号Vramp1后，再与补偿信号Vcomp进行比较，以消除第一控制信号的不同的占空比对平均电感电流值的扰动，提高系统的稳定性。
采用这种控制方式，补偿信号Vcomp决定了电感电流峰值的大小，因此，通过箝位电压源VCLAMP可以保证输入电流的第一电流的最小值不小于电子变压器的维持电流。
导通信号发生电路302可以包括振荡器307，以产生固定频率的时钟信号CLK1。
第一逻辑电路303包括第一或门308和第一RS触发器309。或门308的两个输入端分别接收第一关断信号Soff1和第二关断信号Soff2。第一RS触发器309的置位端接收时钟信号CLK1，复位端接收或门308的输出信号，输出端的输出信号作为第一控制信号PWM1，以来控制第一主功率开关管Q1的开关状态。
参考图4，所示为依据本发明一实施例的可调光的LED驱动电路中的第二控制电路的原理框图。
在该实施例中，第二控制电路400包括调光信号发生电路401和输出电流控制电路410。其中，在交流电源AC的每一半波周期内，在三端双向可控硅201的导通时间区间内，如果第一输出电压Vout1始终小于上限电压Vth_up，调光信号发生电路401根据第一电流Iin1的维持时间来产生调光信号Vdim。
而如果第一输出电压Vout1大于上限电压Vth_up，调光信号发生电路401根据第一电流Iin1的起始时刻至第一输出电压Vout1下降至下限电压Vth_low的时刻的时间区间来产生调光信号Vdim。
输出电流控制电路410根据当前所述第二级功率级电路205的输出电流和调光信号表征的期望驱动电流之间的误差生成第二控制信号PWM2，以来控制第二级功率级电路205中的第二主功率开关管Q2的开关状态。
具体的，调光信号发生电路401可以通过第二电压比较电路，输入电流比较电路，第二逻辑电路和平均值电路来实现。
第二电压比较电路用以比较第一输出电压Vout1与下限电压Vth_low。这里，以图3所示的迟滞比较器306作为其一种实现方式。
输入电流比较电路用以比较输入电流Iin和一电流阈值Ith，可以通过比较器416来实现。比较器416的同相输入端接收表征输入电流Iin的电压信号，反相输入端接收表征电流阈值Ith的另一电压信号。电流阈值Ith可以为一数值较小的电流值，例如零值，或者电子变压器的维持电流等。
第二逻辑电路包括或门404，或门404的一输入端连接至比较器416的输出信号，以接收输入电流Iin和一电流阈值Ith的比较结果；另一输入端接收第一输出电压Vout1与下限电压Vth_low的比较结果。或门404的输出端的输出信号作为表征三端双向可控硅的导通角的方波信号Vangle。
平均值电路403用以对接收到的方波信号Vangle和一基准电压VREF2进行平均值运算，以获得表征三端双向可控硅201的导通角的平滑的调光信号Vdim。平均值电路可以为任何合适形式的电路结构。在该实施例中，平均值电路403包括反相器405，可控开关406和可控开关407。可控开关406的开关状态与方波信号Vangle一致，可控开关407的开关状态与方波信号Vangle互补。电阻408和电容409对可控开关406和可控开关407的公共连接点处的电压进行滤波运算，从而在电容409的一端生成调光信号Vdim。
输出电流控制电路410采用峰值电流控制方式。其包括运算放大器411，补偿电容412，比较器413、振荡器414和RS触发器415组成。
运算放大器411的同相输入端接收调光信号Vdim，反相输入端接收表征LED负载的当前驱动电流的电压信号VILED，输出端的误差信号经过补偿电容412进行补偿运算，以获得补偿信号Vcomp2。比较器413的同相输入端接收表征第二级功率级电路205的电感电流峰值的电压信号Vpk2，反相输入端接收补偿信号Vcomp2。
RS触发器415的置位端接收振荡器414输出的时钟信号CLK2，复位端接收比较器413的输出信号，输出端的输出信号作为第二控制信号PWM2。
以下将结合具体工作波形来详细说明包含图4和图5所示的第一控制电路和第二控制电路的可调光的LED驱动电路的工作原理。
参考图5A，所示为依据本发明实施例的可调光的LED驱动电路在第一工作模式的工作波形图。
在交流电源AC的一半波周期内，在t0时刻，三端双向可控硅201被触发导通，开始输出直流电压VDC。第一主功率开关管Q1导通，输入电流Iin开始逐渐上升，电压信号Vpk1逐渐上升，第一输出电压Vout1开始逐渐上升。当电压信号Vpk1和斜坡信号Vramp1之和上升至补偿信号Vcomp时，比较器305的输出信号变为高电平。通过或门308复位第一RS触发器308，Q端的输出信号变为低电平，第一控制信号PWM1关断主功率开关管Q1。因此，输入电流Iin开始下降，直至时钟信号CLK1再次变为高电平，输入电流Iin再次开始逐渐上升。由于时钟信号CLK1的频率很高，因此，输入电流Iin的数值下降幅度很小。输入电流Iin的数值小幅波动，波形基本平滑，维持为一恒定值（第一电流Iin1）。
在图5A所示的第一工作模式时，LED负载所需的功率较大，第一控制电路206控制输入电流Iin为一较高的数值。通过设置较大数值的上限电压Vth_up和下限电压Vth_low，在该工作模式时，第一输出电压Vout1不会超出上限电压Vth_up。迟滞比较器306的输出信号保持为低电平，因此，第一主功率开关管Q1的关断信号始终由反馈控制电路301-1决定，直至当前半波周期结束（时刻t1）。在三端双相可控硅201的关断时间区间内（时刻t1至时刻t2），直流电压VDC为零值，输入电流Iin下降至零值（第二电流Iin2）并持续保持。直至在下一半波周期内，三端双相可控硅201在时刻t2再次导通。周而复始，通过上述峰值电流控制模式实现对第一输出电压Vout1和输入电流Iin的控制。第一输出电压Vout1的平均值维持为第一基准电压VREF1。通过上述峰值电流控制方式，在三端双相可控硅201的导通时间区间内，如果有输入电流，则控制输入电流维持为第一电流。并且，通过箝位电路对第一电流的数值的箝位，使得第一电流足以满足电子变压器202的维持电流的需求。因此，在该工作模式时，迟滞比较器306的输出信号始终维持为低电平，因此表征三端双向可控硅201的导通角的方波信号Vangle根据输入电流（第一电流）的持续时间确定。在三端双向可控硅201的导通时间区间内，输入电流始终大于电流阈值，因此比较器416的输出信号始终保持为高电平，直至当前半波周期结束。
参考图5B，所示为依据本发明实施例的可调光的LED驱动电路在第二工作模式的工作波形图。
在交流电源AC的一半波周期内，在t3时刻，三端双向可控硅201被触发导通，开始输出相位缺失的直流电压VDC。第一主功率开关管Q1导通，输入电流Iin开始逐渐上升，电压信号Vpk1逐渐上升，第一输出电压Vout1开始逐渐上升。当电压信号Vpk1和斜坡信号Vramp1之和上升至补偿信号Vcomp时，比较器305的输出信号变为高电平。通过或门308复位第一RS触发器308，Q端的输出信号变为低电平，第一控制信号PWM1关断主功率开关管Q1。因此，输入电流Iin开始下降，直至时钟信号CLK1再次变为高电平，输入电流Iin再次开始逐渐上升。由于时钟信号CLK1的频率很高，因此，输入电流Iin的数值下降幅度很小。输入电流Iin的数值小幅波动，波形基本平滑，维持为一恒定值（第一电流Iin1）。
在图5A所示的第一工作模式时，LED负载所需的功率较小，第一控制电路206控制输入电流Iin为一较小的数值。但是由于箝位电路对第一电流的箝位，第一电流的数值足以满足电子变压器202的维持电流的需求。当输入电流的最小值大于LED负载的需求时，在时刻t4，第一输出电压Vout1超出上限电压Vth_up。迟滞比较器306的输出信号变为高电平，因此，第一主功率开关管Q1被关断，第一输出电压Vout1持续下降，输入电流下降至零值，直至当前半波周期结束（时刻t6）。将迟滞比较器306的回差设置为一较大数值，使得第一输出电压下降至下限电压所需的时间（时刻t5）接近当前半波周期的结束时刻。在该工作模式时，在时刻t3至时刻t4，输入电流大于电流阈值，因此比较器416的输出信号保持为高电平，方波信号也保持为高电平。在时刻t4至时刻t5，虽然，比较器416的输出信号变为低电平，但是迟滞比较器306的输出信号变为高电平，因此，方波信号仍然保持为高电平。在时刻t5至下一半波周期三端双向可控硅201的导通时刻t7，迟滞比较器306的输出信号和比较器416的输出信号均为低电平，方波信号变为低电平。
因此，在该工作模式时，表征三端双向可控硅201的导通角的方波信号Vangle根据第一电流的起始时刻至第一输出电压下降至下限电压的时刻来确定。
以上结合具体实施例详细说明了第一控制电路和第二控制电路的实现方式，根据本发明的教导，本领域技术人员可以推知其他的合适的电路结构，例如，反馈控制电路，输出电路控制电路根据控制模式，可以使用其他的电路结构。第二级功率级电路也可以选择为升压-降压型拓扑结构。
以下结合具体实施例详细说明依据本发明的LED负载的调光方法。
参考图6，所示为依据本发明一实施例的LED负载的调光方法的流程图。LED负载的调光方法包括以下步骤：
S601：接收外部的交流电源；
S602：调节三端双向可控硅的导通角，所述交流电源依次经三端双向可控硅，电子变压器和整流桥处理后以得到一相位缺失的直流电压；
S603：所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅触发导通后，第一级功率级电路接收所述直流电压，以使能所述第一级功率级电路；
S604：比较所述第一级功率级电路的输出端的第一输出电压和一上限电压；
S605：当所述第一输出电压处于上升状态，并且小于所述上限电压时，控制所述第一级功率级电路，使得输入电流维持为第一电流；并且，所述第一电流大于所述电子变压器的维持电流；
S606：当所述第一输出电压上升至所述上限电压后，所述第一输出电压连续下降；并且，所述输入电流维持为第二电流；
S607：第二级功率级电路接收所述第一输出电压；
S608：根据所述第一电流和所述第一输出电压生成一调光信号；
S609：根据所述调光信号和所述第二级功率级电路的输出电流，控制第二级功率级电路，保证所述输出电流与所述调光信号表征的期望驱动电流一致。
这里，所述第二电流可以为零值。所述第一级功率级电路可以为升压型拓扑结构；所述第二级功率级电路可以为降压型拓扑结构或升压-降压型拓扑结构。
上述依据本发明的LED负载的调光方法，第二级功率级电路实现对LED负载的驱动。通过第一级功率级电路的控制，在三端双向可控硅的导通时间内，当输入电流不为零时，其数值能够始终大于电子变压器的维持电流，避免了维持电阻的使用，减小了功率损耗，同时也避免了LED负载频闪的问题。另外，基本恒定的第一输出电压能够作为第二级功率级电路的电源供应，因此，也不再需要滤波电容。
另一方面，LED负载的调光需求能够通过对第一电流和第一输出电压的检测间接获得，进而通过第二级功率级电路实现对LED负载的驱动电流的精确控制，获得精确的调光操作。
图6中所示的LED负载的调光方法中，调光信号的产生方法可以通过以下方式实现。具体的，其包括以下步骤：
在所述交流电源的每一半波周期内，比较所述第一输出电压和所述上限电压；
当所述第一输出电压始终小于所述上限电压时，根据所述第一电流的维持时间来产生所述调光信号；
当所述第一输出电压大于所述上限电压时，根据所述第一电流的起始时刻至所述第一输出电压下降至一下限电压的时刻的时间区间来产生所述调光信号。
参考图7，所示为依据本发明一实施例的调光信号的产生方法的流程图。具体的，所述调光信号的产生方法包括以下步骤：
S701：比较所述输入电流和一电流阈值，生成第一方波信号；当所述输入电流大于所述电流阈值时，所述第一方波信号处于有效状态；
S702：比较所述第一输出电压和所述下限电压，生成第二方波信号；当所述第一输出电压小于所述上限电压而大于所述下限电压时，所述第二方波信号处于有效状态；
S703：根据所述第一方波信号和所述第二方波信号生成一方波信号；当所述第一方波信号或者所述第二方波信号处于有效状态时，所述方波信号处于有效状态；
S704：对所述方波信号进行平均值运算，以生成所述调光信号。
图6中所示的LED负载的调光方法中，第二级功率级电路的输出电流的控制方法的一种具体实施例可以包括以下步骤：
根据当前所述输出电流和所述期望驱动电流之间的误差，控制所述第二级功率级电路中的第二主功率开关管的开关状态，维持所述输出电流和所述期望驱动电流一致。
当然，第二级功率级电路可以采用不同的电流控制模式，例如，峰值电流控制模式或者平均值电流控制模式或者基于LED灯串的线性电流控制模式。根据电流控制模式的不同，对输出电流的采样可以通过采样电感电流，输出电流或者流过各LED灯串的驱动电流来控制。
参考图8，所示为依据本发明一实施例的第一级功率级电路的控制方法的一流程图。具体的，第一级功率级电路的控制方法包括以下步骤：
S801：比较所述第一输出电压和所述上限电压；
S802：当所述第一输出电压小于所述上限电压时，利用峰值电流控制方法控制所述第一级功率级电路的第一主功率开关管的开关状态；
S803：当所述第一输出电压大于所述上限电压时，关断所述第一主功率开关管。
其中，峰值电流控制方法可以通过以下方法实现。其可以包括以下步骤：
计算所述第一输出电压和第一基准电压之间的误差，以产生一误差信号；
对所述误差信号进行补偿运算，以产生补偿信号；
比较所述补偿信号和一箝位信号；所述箝位信号由所述维持电流确定；
当所述补偿信号大于所述箝位信号，维持所述补偿信号；
当所述补偿信号小于所述箝位信号时，将所述补偿信号箝位至所述箝位信号；
比较所述补偿信号和一斜坡信号；所述斜坡信号表征所述第一级功率级电路的电感电流峰值；
当时钟信号有效以及所述斜坡信号小于所述补偿信号时，导通所述第一主功率开关管，所述输入电流持续上升，所述第一输出电压持续上升；
所述斜坡信号大于所述补偿信号时，关断所述第一主功率开关管，所述输入电流开始下降，直至所述时钟信号再次变为有效状态。
需要说明的是，本发明各个实施例间名称相同的器件功能也相同。电路的结构包括但并不限定于以上公开的形式，只要能够实现本发明实施例所述的相关电路的功能即可。例如，第二级功率级电路的输出电流控制电路根据电流控制模式的不同，可以采用任何合适电路结构的电流控制电路。虽然在上述实施例中并没有进行详细说明，但是本领域技术人员根据电流控制模式选择合适的已知的或者改进的输出电流控制电路。因此，本领域技术人员在本发明实施例公开的电路的基础上所做的相关的改进，也在本发明实施例的保护范围之内。
另外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (19)

1.一种可调光的LED驱动电路，外部的交流电源依次经三端双向可控硅，电子变压器和整流桥处理后得到一直流电压，其特征在于，还包括，第一级功率级电路，第二级功率级电路，第一控制电路和第二控制电路；其中，
所述第一级功率级电路的输入端接收所述直流电压，所述第二功率级电路的输入端连接至所述第一级功率级电路的输出端，一LED负载连接至所述第二级功率级电路的输出端；
所述第一控制电路用以根据接收到的所述第一级功率级电路的输出端的第一输出电压、第一基准电压和一上限电压生成第一控制信号，以控制所述第一输出电压的平均值维持为所述第一基准电压；并且，
控制在所述交流电源的每一半波周期内，当所述第一输出电压处于上升状态，并且所述第一输出电压小于所述上限电压时，所述第一级功率级电路的输入电流维持为第一电流；所述第一电流不小于所述电子变压器的维持电流；当所述第一输出电压上升至所述上限电压后，所述第一输出电压连续下降；并且，所述输入电流维持为第二电流；
所述第二控制电路根据所述第一电流和所述第一输出电压生成一调光信号，并据以控制所述第二级功率级电路，保证所述第二级功率级电路的输出电流与所述调光信号表征的期望驱动电流一致。
2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一控制电路包括导通信号发生电路，关断信号发生电路和第一逻辑电路；其中，
所述导通信号发生电路包括一时钟信号发生电路，用以产生一时钟信号；
所述关断信号发生电路包括第一电压比较电路和反馈控制电路；
所述第一电压比较电路用以将所述第一输出电压与所述上限电压进行比较，以产生第一关断信号；
所述反馈控制电路用以接收所述第一输出电压，所述第一基准电压和包含电感电流峰值信息的一斜坡信号，以产生第二关断信号；
所述第一逻辑电路分别与所述导通信号发生电路和所述关断信号发生电路连接，以产生第一控制信号来控制第一级功率级电路中的第一主功率开关管的开关状态。
3.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括电压误差计算电路，补偿电路，箝位电路，和方波信号发生电路；其中，
所述电压误差计算电路包括一运算放大器，所述运算放大器的第一输入端接收所述第一输出电压，第二输入端接收所述第一基准电压，以在输出端产生一电压误差信号；
所述补偿电路接收所述电压误差信号，并对所述电压误差信号进行补偿运算，以获得一补偿信号；
所述箝位电路连接至补偿电路的输出端，所述箝位电路具有一箝位电压；当所述补偿信号小于所述箝位电压时，所述补偿信号被箝位至所述箝位电压；所述箝位电压根据所述电子变压器的维持电流确定；
所述方波信号发生电路包括一比较器，所述比较器的第一输入端接收所述补偿信号，第二输入端接收所述斜坡信号，以在输出端生成所述第二关断信号。
4.根据权利要求3所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一逻辑电路包括第一RS触发器和第一或门；其中，所述第一或门的两个输入端分别与所述第一电压比较电路和所述反馈控制电路连接，以接收所述第一关断信号和所述第二关断信号；所述第一RS触发器的置位端接收所述时钟信号，复位端连接至所述或门的输出端，输出端的输出信号作为所述第一控制信号；
在所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅导通后，当所述第一输出电压大于所述上限电压时，关断所述第一主功率开关管，直至所述三端双向可控硅再次导通；
当所述第一输出电压小于所述上限电压，并且，所述时钟信号有效时，导通所述第一主功率开关管；当所述斜坡信号大于所述补偿信号时，关断所述第一主功率开关管。
5.根据权利要求3所述的LED驱动电路，其特征在于，所述箝位电路包括一箝位电压源和一二极管；所述箝位电压源连接至所述二极管的阳极，所述二极管的阴极连接至所述补偿电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第二控制电路包括调光信号发生电路和输出电流控制电路；其中，
在所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅的导通时间区间内，如果所述第一输出电压小于所述上限电压，所述调光信号发生电路根据所述第一电流的维持时间来产生所述调光信号；
如果所述第一输出电压大于所述上限电压，所述调光信号发生电路根据所述第一电流的起始时刻至所述第一输出电压下降至一下限电压的时刻的时间区间来产生所述调光信号；
所述输出电流控制电路根据当前所述第二级功率级电路的输出电流和所述期望驱动电流之间的误差生成第二控制信号，以来控制所述第二级功率级电路。
7.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述调光信号发生电路包括第二电压比较电路，输入电流比较电路，第二逻辑电路和平均值电路；其中，
所述第二电压比较电路用以比较所述第一输出电压和所述下限电压；
所述输入电流比较电路用以比较所述输入电流和一电流阈值；
所述第二逻辑电路包括第二或门，所述第二或门的两个输入端分别接收所述第二电压比较电路的输出信号和所述输入电流比较电路的输出信号，以在输出端生成一方波信号；
所述平均值电路用以对接收到的所述方波信号和一基准电压进行平均值运算，以获得所述调光信号。
8.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述输出电流控制电路为峰值电流控制电路或者平均电流控制电路或者线性控制电路。
9.根据权利要求2或7所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一电压比较电路和所述第二电压比较电路共用一迟滞比较器，所述迟滞比较器的上限门限电压为所述上限电压，下限门限电压为所述下限电压。
10.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第二电流值为零值。
11.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一级功率级电路为升压型拓扑结构；所述第二级功率级电路为降压型拓扑结构或升压-降压型拓扑结构。
12.一种LED负载的调光方法，其特征在于，包括，
接收外部的交流电源；
调节三端双向可控硅的导通角，所述交流电源依次经三端双向可控硅，电子变压器和整流桥处理后以得到一相位缺失的直流电压；
所述交流电源的每一半波周期内，在所述三端双向可控硅触发导通后，第一级功率级电路接收所述直流电压，以使能所述第一级功率级电路；
比较所述第一级功率级电路的输出端的第一输出电压和一上限电压；
当所述第一输出电压处于上升状态，并且小于所述上限电压时，控制所述第一级功率级电路，使得输入电流维持为第一电流；并且，所述第一电流大于所述电子变压器的维持电流；
当所述第一输出电压上升至所述上限电压后，所述第一输出电压连续下降；并且，所述输入电流维持为第二电流；
第二级功率级电路接收所述第一输出电压；
根据所述第一电流和所述第一输出电压生成一调光信号；
根据所述调光信号和所述第二级功率级电路的输出电流，控制第二级功率级电路，保证所述输出电流与所述调光信号表征的期望驱动电流一致。
13.根据权利要求12所述的LED负载的调光方法，其特征在于，所述调光信号的产生方法包括以下步骤：
在所述交流电源的每一半波周期内，比较所述第一输出电压和所述上限电压；
当所述第一输出电压小于所述上限电压时，根据所述第一电流的维持时间来产生所述调光信号；
当所述第一输出电压大于所述上限电压时，根据所述第一电流的起始时刻至所述第一输出电压下降至一下限电压的时刻的时间区间来产生所述调光信号。
14.根据权利要求13所述的LED负载的调光方法，其特征在于，所述调光信号的产生方法包括以下步骤：
比较所述输入电流和一电流阈值，生成第一方波信号；当所述输入电流大于所述电流阈值时，所述第一方波信号处于有效状态；
比较所述第一输出电压和所述下限电压，生成第二方波信号；当所述第一输出电压小于所述上限电压而大于所述下限电压时，所述第二方波信号处于有效状态；
根据所述第一方波信号和所述第二方波信号生成一方波信号；当所述第一方波信号或者所述第二方波信号处于有效状态时，所述方波信号处于有效状态；
对所述方波信号进行平均值运算，以生成所述调光信号。
15.根据权利要求12所述的LED负载的调光方法，其特征在于，第二级功率级电路的输出电流的控制方法包括以下步骤：
根据当前所述输出电流和所述期望驱动电流之间的误差，控制所述第二级功率级电路中的功率开关管的开关状态，维持所述输出电流和所述期望驱动电流一致。
16.根据权利要求12所述的LED负载的调光方法，其特征在于，第一级功率级电路的控制方法包括以下步骤：
比较所述第一输出电压和所述上限电压；
当所述第一输出电压小于所述上限电压时，利用峰值电流控制方法控制所述第一级功率级电路的第一主功率开关管的开关状态；
当所述第一输出电压大于所述上限电压时，关断所述第一主功率开关管。
17.根据权利要求16所述的LED负载的调光方法，其特征在于，所述峰值电流控制方法包括以下步骤：
计算所述第一输出电压和第一基准电压之间的误差，以产生一误差信号；
对所述误差信号进行补偿运算，以产生补偿信号；
比较所述补偿信号和一箝位信号；所述箝位信号由所述维持电流确定；
当所述补偿信号大于所述箝位信号，维持所述补偿信号；
当所述补偿信号小于所述箝位信号时，将所述补偿信号箝位至所述箝位信号；
比较所述补偿信号和一斜坡信号；所述斜坡信号表征所述第一级功率级电路的电感电流峰值；
当时钟信号有效以及所述斜坡信号小于所述补偿信号时，导通所述第一主功率开关管，所述输入电流持续上升，所述第一输出电压持续上升；
当所述斜坡信号大于所述补偿信号时，关断所述第一主功率开关管，所述输入电流开始下降，直至所述钟信号再次变为有效状态。
18.根据权利要求12所述的LED负载的调光方法，其特征在于，所述第二电流为零值。
19.根据权利要求12所述的LED负载的调光方法，其特征在于，所述第一级功率级电路为升压型拓扑结构；所述第二级功率级电路为降压型拓扑结构或升压-降压型拓扑结构。
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