CN103298199A - 交流高压多段分区驱动光源装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流高压多段分区驱动光源装置及其方法，该装置包括电源、信号控制模块、n段恒流驱动模块、n个mos管和n段LED灯，其中n为等于或大于2的自然数；信号控制模块上设有一个输入端和n个输出端，电源分别与信号控制模块的输入端和n段LED灯电连接，各段恒流驱动模块与各个mos管一一对应串联，第一段至第m段的LED灯串联后与第m个mos管电连接，其中m为小于或等于n的自然数。本发明根据导通区的功率及兼顾LED光源分布的需要，将LED光源分成多段工作，有效实现了分段越多光效越高的效果，且实现了导通区最大化，无光耗区最小化的效果，提高了电源效率，延长了LED灯的使用寿命，提高了电厂的供电效率。

Description

交流高压多段分区驱动光源装置及其方法

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其涉及一种交流高压多段分区驱动光源装置及其方法。 

背景技术

LED光源在照明产业中得到广泛的应用，尤其是在液晶显示器的背光、街道照明和家用电器。在现有技术驱动装置中，电源产生的交流输入电压和交流输入电流，通常光源需要在恒流区，如图7所示，在图中的阴影区域中，光源才能正常的工作，而电源从通电到恒流区这段时间内，光源是无法进行工作的，因此这段时间所造成的就是无用功。另外，电压与时间的工作关系成正弦波形，该正弦波形中的方波区为导通区，即为LED光源做功区(也是上述说的恒流区)。为了保证LED灯最终输出的亮度达到用户的需求，这些光源的功率均比较大，而LED灯的工作电流一般在20mA左右。 

为了保证LED灯能正常工作，目前经常使用到的方式有两种，第一种方式如图8所示，增大该LED光源的占空比，虽然这种形式达到了电路开通时间长，整机性能有所提高，但是无功功耗区很大，因此造成光源的功率很小；第二种方式如图9所示，缩小占空比，虽然减少了无功功耗区，但是LED光源工作时间极其短，也无法得到有益效果。 

通过上述描述，现有的光源驱动装置已无法满足市场的需求。 

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种结构简单、功率大及工作效率高的交流高压多段分区驱动光源装置及其方法，有效达到导通区最大化且无功耗区最小化的效果。 

为实现上述目的，本发明提供一种交流高压多段分区驱动光源装置，包括电源、信号控制模块、n段恒流驱动模块、n个mos管和n段LED灯，其中 n为等于或大于2的自然数；所述信号控制模块上设有一个输入端和n个输出端，所述电源分别与信号控制模块的输入端和n段LED灯电连接，所述各段恒流驱动模块与各个mos管一一对应串联，所述第一段至第m段的LED灯串联后与第m个mos管电连接，其中m为小于或等于n的自然数。 

其中，所述信号控制模块上设有用于检测导通电压的电压检测单元。 

其中，所述电源上设有用于接收交流电压并将交流电压提供至各段LED灯上的桥式整流器。 

其中，所述各段上的LED灯与LED灯之间均串联。 

为实现上述目的，本发明还提供一种交流高压多段分区驱动光源方法，包括以下步骤： 

A、将LED灯分成n段分先后导通工作，且确定各段LED灯所需的导通电压，其中n为等于或大于2的自然数； 

B、当电压上升到第m段LED灯的导通电压时，信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第m段恒流驱动模块，第m段恒流驱动模块导通与其串联的第m个mos管，所述第m-1个mos管关闭；其中m为小于或等于n的自然数； 

C、第一段至第m段LED灯串联后通过第m个mos管导通后通电工作。 

其中，所述在B步骤中，所述信号控制模块上的电压检测单元分别检测各段LED灯的导通电压。 

其中，所述完成A步骤之前还包括一个步骤，所述D步骤为：电源上的交流电压通过桥式整流器的转换后，再分压给各段的LED灯。 

其中，所述LED灯包括第一段LED灯、第二段LED灯、第三段LED灯和第四段LED灯；工作步骤如下： 

A1、当电压上升到第一段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第一段恒流驱动模块，所述第一段恒流驱动模块导通与其串联的第一个mos管，所述第一段LED灯通过与第一个mos管的导通通电工作； 

B1、当电压上升到第二段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第二段恒流驱动模块，所述第二段恒流驱动 模块导通与其串联的第二个mos管，所述第一个mos管关闭，所述串联的第一段LED灯和第二段LED灯均通过第二个mos管导通通电工作； 

C1、当电压上升到第三段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第三段恒流驱动模块，所述第三段恒流驱动模块导通与其串联的第三个mos管，所述第二个mos管关闭，所述串联的第一段LED灯、第二段LED灯和第三段LED灯均通过第三个mos管导通通电工作； 

D1、当电压上升到第四段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第四段恒流驱动模块，所述第四段恒流驱动模块导通与其串联的第四个mos管，所述第三个mos管关闭，所述串联的第一段LED灯、第二段LED灯、第三段LED灯和第四段LED灯均通过第四个mos管导通通电工作。 

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的交流高压多段分区驱动光源装置及其方法，将LED灯分成多段，当电压上升到某段LED灯所需的导通电压时，信号控制模块就输出信号给该段的恒流驱动模块，该段的恒流驱动模块导通与其串联的mos管，与此同时，前个mos管停止工作，该段的恒流驱动模块通过mos管即供电给第一段至该段的LED灯，第一段至该段的LED灯导通工作，在相同的工作时间内，有效在增大了LED光源的做功效率。本发明根据导通区的功率及兼顾LED光源分布的需要，将LED光源分成多段工作，且工作过程自动化，无需人工控制，有效实现了分段越多光效越高的效果，且实现了导通区最大化，无光耗区最小化的效果，提高了电源效率，延长了LED灯的使用寿命，提高了电厂的供电效率。 

附图说明

图1为本发明的交流高压多段分区驱动光源装置及其方法的结构示意图； 

图2为本发明中n＝4时的结构示意图； 

图3为本发明中n＝4时导通电压与时间的关系图； 

图4为本发明中n＝4时0°上升到90°时的工作状态原理图； 

图5为本发明中n＝4时的局部示意图； 

图6为本发明中n＝4时的四段LED灯的示意图； 

图7为电流与电压的关系图； 

图8为现有技术中第一种电压与时间的关系图； 

图9为现有技术中第二种电压与时间的关系图。 

主要元件符号说明如下： 

10、电源                     11、信号控制模块 

12、第一段恒流驱动模块       13、第二段恒流驱动模块 

14、第三段恒流驱动模块       15、第四段恒流驱动模块 

16、第一段LED灯              17、第二段LED灯 

18、第三段LED灯              19、第四段LED灯 

20、第一个mos管              21、第二个mos管 

22、第三个mos管              23、第四个mos管 

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。 

请参阅图1，本发明的交流高压多段分区驱动光源装置，包括电源10、信号控制模块11、n段恒流驱动模块、n个mos管和n段LED灯，其中n为等于或大于2的自然数；信号控制模块11上设有一个输入端和n个输出端，电源10分别与信号控制模块11的输入端和n段LED灯电连接，各段恒流驱动模块与各个mos管一一对应串联，第一段至第m段的LED灯串联后与第m个mos管电连接，其中m为小于或等于n的自然数。上述n个mos管的逻辑工作关系如下：1)先触发先导通；2)后触发后导通，导通前前个的mos管自动关闭；3)只允许一段导通。 

各段LED灯的导通特性需要电源10在稳定电压的条件下，提供了一个恒定的电流，所以在这里导通的波形是一个方波，即使各段导通电压相等，各段的LED灯的数量相同，各段电流是一层一层叠加的方波，导通的占空比底层最大，顶层最小。由于各段导通时间(占空比)长短不同，因此各段LED灯各自做功量也是不同的。 

在本实施例中，信号控制模块11上设有用于检测导通电压的电压检测单 元(图未示)。且电源10上设有用于接收交流电压并将交流电压提供至各段LED灯上的桥式整流器(图未示)，电源10中的交流高压通过桥式整流器(图未示)处理后，提供给各段LED灯使用。 

在本实施例中，各段上的LED灯与LED灯之间均串联。 

本发明的交流高压多段分区驱动光源方法，包括以下步骤： 

第一步：将LED灯分成n段分先后导通工作，且确定各段LED灯所需的导通电压，其中n为等于或大于2的自然数； 

第二步：当电压上升到第m段LED灯的导通电压时，信号控制模块11检测到该导通电压后，将信号传输给第m段恒流驱动模块，第m段恒流驱动模块导通与其串联的第m个mos管，第m-1个mos管关闭；其中m为小于或等于n的自然数； 

第三步：第一段至第m段LED灯串联后通过第m个mos管导通后通电工作。 

在本发明中，在第一步中，信号控制模块11上的电压检测单元(图未示)分别检测各段LED灯的导通电压。 

在本发明中，完成第一步之前还包括一个步骤，该步骤为：电源10上的交流电压通过桥式整流器(图未示)的转换后，再分压给各段的LED灯。 

为了更好的说明本发明，下面重点举出一个n＝4的具体实施例进行说明 

请进一步参与图2-6，LED灯包括第一段LED灯16、第二段LED灯17、第三段LED灯18和第四段LED灯19；工作步骤如下： 

第一步骤：当电压上升到第一段LED灯16的导通电压时，信号控制模块11检测到该导通电压后，将信号传输给第一段恒流驱动模块12，第一段恒流驱动模块12导通与其串联的第一个mos管20，第一段LED灯16通过与第一个mos管20的导通通电工作； 

第二步骤：当电压上升到第二段LED灯17的导通电压时，信号控制模块检测11到该导通电压后，将信号传输给第二段恒流驱动模块13，第二段恒流驱动模块13导通与其串联的第二个mos管21，第一个mos管20关闭，串联的第一段LED灯16和第二段LED灯17均通过第二个mos管21导通通电工作； 

第三步骤：当电压上升到第三段LED灯18的导通电压时，信号控制模块 11检测到该导通电压后，将信号传输给第三段恒流驱动模块14，第三段恒流驱动模块14导通与其串联的第三个mos管22，第二个mos管21关闭，串联的第一段LED灯16、第二段LED灯17和第三段LED灯18均通过第三个mos管22导通通电工作； 

第四步骤：当电压上升到第四段LED灯19的导通电压时，信号控制模块11检测到该导通电压后，将信号传输给第四段恒流驱动模块15，第四段恒流驱动模块15导通与其串联的第四个mos管23，第三个mos管22关闭，串联的第一段LED灯16、第二段LED灯17、第三段LED灯18和第四段LED灯19均通过第四个mos管23导通通电工作。 

现主要对四段LED灯的工作进行分析：当电压上升到Vf1时，由信号控制模块11的输出端输出信号到第一恒流驱动模块12，第一恒流驱动模块12开始工作，进而导通与其串联的第一个mos管20，第一段LED灯16导通，同理，当电压达到vf2、vf3、vf4时，信号控制模块11会自动检测导通电压，且第一、二、三、四个mos管会相继导通，但后一个mos管导通时，前一个的mos管会自动关闭，最后由第四个mos23管给第一段LED灯16、第二段LED灯17、第三段LED灯18和第四段LED灯19供电。在四段四区中，第一段LED灯16、第二段LED灯17是主区，第三段LED灯18是次区，第四段LED灯19是辅区，因此第一段LED灯16、第二段LED灯17主区发光主区对发光贡献最大，第四段LED灯19区贡献最少是为了减少无光功耗。请进一步参阅4，图4中U表示电压的有效值，V表示电压的标准工作值，再分析波形变化各段有用功及无用功的数量值，并以此来决定四段的合理分配。 

1)电压波形从O至A时，A区导通，a区是无功耗的，发光时导通角最大占空比最大，高发率最高，做功了也最大。 

2)电压波形从A到B时，在B LED尚未导通前为保持A区的恒流，第一恒流驱动模块12必须承担A到B此区的压降，电流数值为20MA，b区是有功耗、a是无发光的、无功耗区，同理c、d均为恒流驱动模块的无效功耗区。因此合理分区的原则是应底层区最大化，因为此区发光有效功率最大，由于MOS管导通压降很低，故功耗甚微，A区由于仅有电压无电流而无功耗，a是不耗功的区。该图中b、c、d、e这四个不产生光效的工作区(即无用功区)， b区存在于A区发光后B区发光前，c区存在于B区发光后C区发光前，d区存在于C区发光后D区发光前，e区存在于D区发光后，到正弦波最大值，此四区由b到c到d到e呈轮转状态，只从一区转到上一区，一个时间点只存在b、c、d、e中的一个区，而与之不同的是A、B、C、D四发光区发光的状态是A→A+B→A+B+C→A+B+C+D，即为A区中第一段LED灯16发光，B区中第一段LED灯16和第二段LED灯17发光，C区中第一段LED灯16、第二段LED灯17和第三段LED灯18发光，D区中第一段LED灯16、第二段LED灯17、第三段LED灯18和第三LED灯19发光。 

四区LED数量分配选定： 

A区：51个LED灯，单个VF＝3.1V，51×3.1V＝158V，有效值是112V； 

B区：20个LED灯，单个VF＝3.1V，20×3.1V＝62V，有效值是44V； 

C区：12个LED灯，单个VF＝3.1V，12×3.1V＝37V，有效值是26V； 

D区：8个LED灯，单个VF＝3.1V，8×3.1V＝25V，有效值是18V。 

上述四区功率计算：电压将瞬间峰值换算成有效值，电流为有效，因此： 

A区：158V÷1.4142×0.02A＝2.236W；B区：62V÷1.4142×0.02A＝0.877W；C区：37.2V÷1.4142×0.02A＝0.526W；D区：24.8V÷1.4142×0.02A＝0.351W；四区总功率为3.99W约等于4W；输入总功率为220V×0.02A＝4.4W；电源效率为4W/4.4W×100％＝90.9％。 

通过上述的计算可以知道本发明提供的方法，LED光源的电源效率＝各区总总功率/输入总功率；而输入总功率是固定的，各区总功率为各区有效功率的总和，而各区有效功率＝电压*电流*功率因数。本发明即是如果分区越多，电源的效率就越高。本驱动装置无容性及感性元件，只要在布线合理，较少分布电容或电感。即使在a区有电压无电流状态也不会造成移相，功率因素为1.0，提高了电厂的供电效率。 

本发明中，前段的LED灯的数量大于或等于后段的LED灯的数量。每区内LED效率n段导通电压是不同的，做功多的区应配置较多的LED灯数，如上述具体实施例中n为4中，每段LED灯的数量如图6所示：第一段LED灯16为51个串联的灯串，第二段LED灯17为20个串联的灯串，第三段LED灯18为12个串联的灯串，第四段LED灯19为8个串联的灯串，LED灯是直接 封装在一块5.0cm直径的线路板上。本发明并不局限于上述各段LED灯的数量，使用者可以根据导通区的功率及兼顾光源分布来确定各段LED灯的数量，如果对各段LED灯的数量的改变，只要能保证前段的LED灯的数量大于或等于后段LED灯的数量，那么也可以理解为对本发明的简单变形或者变换，落入本发明的保护范围。 

本发明的优势在于：将LED灯分成多段，当电压上升到某段LED灯所需的导通电压时，信号控制模块11就输出信号给该段的恒流驱动模块，该段的恒流驱动模块导通与其串联的mos管，与此同时，前个mos管停止工作，该段的恒流驱动模块通过mos管即供电给第一段至该段的LED灯，第一段至该段的LED灯导通工作，在相同的工作时间内，有效在增大了LED光源的做功效率。本发明根据导通区的功率及兼顾LED光源分布的需要，将LED光源分成多段工作，且工作过程自动化，无需人工控制，有效实现了分段越多光效越高的效果，且实现了导通区最大化，无光耗区最小化的效果，提高了工作效率，延长了LED灯的使用寿命。 

在图3、8和9中，阴影区表示导通区，该正弦波形中空白区为无功功耗区。通过对三个图进行对比，可以知道图3中的导通区总和最大，无功功耗区总和最小，因此三种方式中，图3最适合，通过上述一个实施例的计算可以得出LED光源分段分区越多，得到的电源效率越高，提高了电源的使用效率。 

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种交流高压多段分区驱动光源装置，其特征在于，包括电源、信号控制模块、n段恒流驱动模块、n个mos管和n段LED灯，其中n为等于或大于2的自然数；所述信号控制模块上设有一个输入端和n个输出端，所述电源分别与信号控制模块的输入端和n段LED灯电连接，所述各段恒流驱动模块与各个mos管一一对应串联，所述第一段至第m段的LED灯串联后与第m个mos管电连接，其中m为小于或等于n的自然数。

2.根据权利要求1所述的交流高压多段分区驱动光源装置，其特征在于，所述信号控制模块上设有用于检测导通电压的电压检测单元。

3.根据权利要求1所述的交流高压多段分区驱动光源装置，其特征在于，所述电源上设有用于接收交流电压并将交流电压提供至各段LED灯上的桥式整流器。

4.根据权利要求1或3所述的交流高压多段分区驱动光源装置，其特征在于，所述各段上的LED灯与LED灯之间均串联。

5.一种交流高压多段分区驱动光源方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将LED灯分成n段分先后导通工作，且确定各段LED灯所需的导通电压，其中n为等于或大于2的自然数；

B、当电压上升到第m段LED灯的导通电压时，信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第m段恒流驱动模块，第m段恒流驱动模块导通与其串联的第m个mos管，所述第m-1个mos管关闭；其中m为小于或等于n的自然数；

C、第一段至第m段LED灯串联后通过第m个mos管导通后通电工作。

6.根据权利要求5所述的交流高压多段分区驱动光源方法，其特征在于，所述在B步骤中，所述信号控制模块上的电压检测单元分别检测各段LED灯的导通电压。

7.根据权利要求5所述的交流高压多段分区驱动光源方法，其特征在于，所述完成A步骤之前还包括一个步骤，所述D步骤为：电源上的交流电压通过桥式整流器的转换后，再分压给各段的LED灯。

8.根据权利要求5所述的交流高压多段分区驱动光源方法，其特征在于，所述LED灯包括第一段LED灯、第二段LED灯、第三段LED灯和第四段LED灯；工作步骤如下：

A1、当电压上升到第一段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第一段恒流驱动模块，所述第一段恒流驱动模块导通与其串联的第一个mos管，所述第一段LED灯通过与第一个mos管的导通通电工作；

B1、当电压上升到第二段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第二段恒流驱动模块，所述第二段恒流驱动模块导通与其串联的第二个mos管，所述第一个mos管关闭，所述串联的第一段LED灯和第二段LED灯均通过第二个mos管导通通电工作；

C1、当电压上升到第三段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第三段恒流驱动模块，所述第三段恒流驱动模块导通与其串联的第三个mos管，所述第二个mos管关闭，所述串联的第一段LED灯、第二段LED灯和第三段LED灯均通过第三个mos管导通通电工作；

D1、当电压上升到第四段LED灯的导通电压时，所述信号控制模块检测到该导通电压后，将信号传输给第四段恒流驱动模块，所述第四段恒流驱动模块导通与其串联的第四个mos管，所述第三个mos管关闭，所述串联的第一段LED灯、第二段LED灯、第三段LED灯和第四段LED灯均通过第四个mos管导通通电工作。

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