CN103534919B - Led驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED驱动电路，无需设置用于点亮LED灯泡的驱动IC电路的电源电容器，能够减小电路尺寸，并能够降低成本。在采用反激式转换器结构的LED驱动电路中，通过将经变压器T次级侧的平滑电容器(C2)平滑后的LED(51～53)的阳极电压与驱动IC电路(4)的VCC端子作为公共节点，并在启动时利用启动电路向平滑电容器(C2)的初级侧提供电流，从而不再需要设置以往为了向驱动IC电路(4)供电而设置的辅助绕组、平滑电容器、及整流二极管。因此，能够减少零部件的数量，使LED驱动电路的结构变得简单，从而能够减小LED驱动电路的尺寸和成本。

Description

LED驱动电路
技术领域
本发明涉及一种LED驱动电路，将交流商用电源转换成供发光二极管(在下文中称为LED)发光所需的直流电压，并控制LED的点亮，尤其涉及无需以往为了向LED驱动电路中的控制电路供电而设置的变压器辅助绕组、限流电阻、整流二极管、平滑电容器等的LED驱动电路。
背景技术
在使用LED灯泡的发光设备中，存在利用商用电源来将其点亮的发光设备。在对这种发光设备进行点亮控制时，通常使用反激式转换器结构的LED驱动电路，从而利用商用电源和AC-DC转换器来生成驱动LED的直流电压。
图6是示出现有的反激式转换器结构的LED驱动电路的一个例子的电路图。
这里所示的LED驱动电路是从AC电源1的商用电源电压生成所希望的直流输出电压Vout并驱动LED51～53的电路。该LED驱动电路包括：二极管桥式整流电路2、交流开关3、构成输入滤波电路的电感器Lin和电容器C1、2个平滑电容器C2、C3、相位补偿电容器Ccomp、开关元件M1、控制该开关元件M1的通/断的驱动IC电路4、感测电阻R1、电流感测电阻R2、限流电阻R3、2个整流二极管D1、D2、以及变压器T。
另外，图7中示出了驱动IC电路4的内部电路结构。驱动IC电路4具有VCC端子41、VH端子42、IS端子43、FB端子44、COMP端子45、OUT端子46以及GND端子47，驱动IC电路4的主要电路部分主要由启动电路10和脉冲控制电路20构成。
启动电路10包括：低压故障保护电路(下文称之为UVLO)11、向UVLO11提供2个不同阈值电压作为UVLO解除电压Vref1和UVLO电压Vref2的基准电压源12(其中，Vref1＞Vref2)、结型场效应晶体管(JFET)13、生成启动电流Ist的电流源电路14、开关15、以及倒相电路16。
这里，结型场效应晶体管(下文中称之为JFET)13的漏极与高压VH端子42相连接，其源极经由电流源电路14而与开关15的一端相连接。另外，JFET13的栅极接地。JFET13的源极电位越是高于栅极电位，漏极电流就越低。因此，当源极电位过高时，只有比电流源电路14所规定的电流要小的电流流过。
脉冲控制电路20包括：误差放大器21、基准电压源22、比较器23、RS触发器24(下文称之为RSFF)、振荡器25、与门(AND)电路26、以及缓冲放大器27。在脉冲控制电路20中，利用从振荡器25输出的固定周期脉冲信号来对RSFF24进行置位。另外，利用误差放大器21，对在FB端子44接收到的与负载等级相对应的电压信号与从基准电压源22输出的基准电压Vref之差进行放大，并在比较器23中对该放大后的信号(误差信号)与输入到IS端子43的电流感测电压信号Vs进行比较，当该电压信号达到误差信号时，对RSFF24进行复位。从RSFF24的输出端子Q输出的输出信号(Q输出)经由与门电路26和缓冲放大器27，作为脉宽被调制的脉冲信号从OUT端子46输出。由此，驱动IC电路4构成为利用从OUT端子46输出的脉冲信号来控制开关元件M1的通/断(当RSFF24的Q输出为H(高)电平时，开关元件M1接通)。
返回图6，在LED驱动电路中，当交流开关3接通时，AC电源1的商用电源电压被整流，并施加到变压器T的输入侧。此时，在驱动IC电路4中，与高压VH端子42相连接的电容器C1的端子电压上升，启动电流Ist从VH端子42经由驱动IC电路4的内部电路即启动电路10而流向VCC端子41。也就是说，启动电路10具有在启动时向电容器提供电流的电流提供电路的功能。因此，能够开始对与VCC端子41相连接的平滑电容器C3进行充电。
驱动IC电路4在VCC端子41的电压达到UVLO11的阈值电压中的UVLO解除电压Vref1时，启动电路10中的开关15断开，从而能够切断从VH端子42流向VCC端子41的启动电流Ist。
与此同时，由启动电路10提供给与门电路26的信号从之前的L(低)电平切换到H(高)电平，且对于OUT端子46的输出信号，能够根据RSFF24的Q输出信号来进行通/断控制。即，LED驱动电路的开关元件M1在接收到来自驱动IC电路4的OUT端子46的输出信号时重复进行通/断动作。
开关元件M1设置在变压器T的初级线圈L1一侧，通过开关元件M1的通/断动作，在次级线圈L2一侧感应出基于初级线圈L1上施加的输入电压Vin的电压。由此，变压器T的次级线圈L2中感应出的电压经由次级侧整流二极管D2与平滑电容器C2而被整流及平滑，成为直流输出电压Vout，且该直流输出电压Vout被施加到串联连接的多个LED51～53上。
这里，为了使LED51～53能用直流输出电压Vout稳定地发光，需要将流入到其中的电流控制为恒定。在RSFF24被来自驱动IC电路4内置的振荡器25的信号置位，且OUT端子46的输出从L电平变为H电平时，开关元件M1接通。另外，虽然有负载电流I0从二次线圈L2和平滑电容器C2流向LED51～53，但该负载电流10被电流感测电阻R2转换成电压，且被输入至驱动IC电路4的FB端子44。另外，COMP端子45的电压电平取决于FB端子44的电压信号与基准电压源22的基准电压Vref之间的误差度。即，误差放大器21是跨导放大器，从误差放大器21流向与COMP端子45相连接的电容器Ccomp的电流对应于FB端子44的电压信号与基准电压源22的基准电压Vref之差，且COMP端子45的电压电平取决于由电容器Ccomp进行积分后得到的电流。
而且，当IS端子43的电压信号Vs达到COMP端子45的电压电平时，RSFF24被复位，OUT端子46的输出从H电平变为L电平，开关元件M1断开。这里，当流入LED51～53的负载电流10低于一设定值时，开关元件M1的占空比变宽，而当流入LED51～53的电流高于该设定值时，开关元件M1的占空比变窄。换言之，驱动IC电路4以使具有一定大小的负载电流10流向变压器T的次级线圈L2一侧的方式工作，并对LED51～53进行占空比控制(参照专利文献1)。
现有的这种LED驱动电路的特征在于，当电源电压提供给LED51～53的驱动IC电路4时，向变压器T追加极性与次级线圈L2相同而构成辅助绕组的线圈L3，且将该线圈L3与驱动IC电路4的VCC端子41相连接。即，如上所述，当VCC端子41的电压达到UVLO解除电压Vref1时，启动电路10中的开关15断开，从而切断从VH端子42流向VCC端子41的启动电流Ist，然后，通过开关元件M1的开关动作，在构成辅助绕组的线圈L3中产生电动势，由此向驱动IC电路4供电。此外，为了将线圈L3与VCC端子41相连接，整流二极管D1和平滑电容器C3是必需的。VCC端子41的电压值取决于次级线圈L2与线圈L3的匝数比，但为了使VCC端子41的电压不会因变压器T的初级侧所产生的浪涌电压而上升，必须插入限流电阻R3，并使其与整流二极管D1串联。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-2011-35112(段落[0013]至[0039]，图1)
专利文献2：JP-A-2008-278640(段落[0051]至[0056]，图5)
专利文献3：JP-A-2009-232624(段落[0018]至[0035]，图3)
发明内容
发明所要解决的技术问题
在图6所示的现有的LED驱动电路中，为了在启动后稳定地向驱动IC电路4供电，除了驱动IC电路4以外，不仅要在变压器T中另外设置辅助绕组，还必须额外地纳入整流二极管D1、限流电阻R3、平滑电容器C3等。
然而，对于LED灯泡，需要将LED驱动电路及LED主体一起收容在与现有的白炽灯泡尺寸相同的灯泡内，并且通常难以将具有大量零部件的LED驱动电路收纳在LED灯泡的有限空间内，这就意味着减少构成LED驱动电路的零部件的数量十分重要。
图8是示出现有的LED驱动电路的另一示例的图。
在该LED驱动电路中，对图7所示的驱动IC电路4的供电(对与VCC端子411相连接的电容器C4的供电)始终经由与VH端子42相连接的启动电路10来进行。因此，不再需要在变压器T中设置辅助绕组。
然而，在该LED启动电路中，为了使提供给VCC端子41即电源端子的电压稳定，需要在VCC端子41与GND端子47之间设置大电容的电容器C4。而且，由于直接向VH端子42提供高压输入电压Vin来向驱动IC电路4提供工作电流，因此，存在驱动IC电路4上的功耗增大的问题。
专利文献2中，公开了一种电源装置及照明设备的发明，通过使LED的阳极电压与驱动IC电路的电源共用，能够获得稳定的内部电源，并且能够省略辅助绕组等零部件。
然而，这里所公开的电源装置的结构中，只有在开关晶体管(33)开始进行开关时，才会向控制电路(53)供电。同时，如果没有向控制电路(53)供电，开关晶体管(33)就无法开始进行开关。结果产生这种结构的电源装置无法启动驱动IC电路的问题。
另一专利文献3中，也公开了一种电源装置及照明设备的发明，通过从变压器的次级侧向驱动IC电路提供控制电路的电源，从而能够稳定地点亮半导体发光元件。
在专利文献3中，设置有启动控制器(28)，从而能够使驱动IC电路启动，解决了专利文献2所存在的问题。其中，启动控制器(28)与开关变压器(14)的初级绕组(14a)相连接，当接通电源而将波纹电流平滑电容器(13)的输出提供给开关变压器(14)的初级绕组(14a)时，该启动控制器(28)在规定时间内向控制电路(26)提供启动输出。即，在启动时，启动控制器(28)在规定时间内向控制电路(26)供电。同时，为了使开关晶体管(15)进行开关，需要瞬间流过数百mA的电流，以对开关晶体管的栅极电容进行充放电。
因此，启动控制器(28)需要能够对数百mA的电流进行通/断，而当用半导体元件来构成启动控制器(28)时，其芯片尺寸将会很大。另外，在要减小启动控制器(28)的芯片尺寸的情况下，还要另外准备缓冲电容器。而且，为了从该缓冲电容器瞬间地提供数百mA的电流，需要设置大电容电容器。由此，专利文献3的发明对于LED灯泡电源装置或此种照明设备而言，又会带来成本上的问题。
在了解这些点的基础上而做出的本发明的目的在于提供一种LED驱动电路，不需要设置用以点亮LED灯泡的驱动IC电路的电源电容器，并能够减小电路尺寸，降低成本。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题，本发明提供一种LED驱动电路，将交流电源的交流电压转换成供发光二极管(在下文中称为LED)发光所需的直流电压，并控制LED的点亮。该LED驱动电路包括：整流电路，该整流电路将所述交流电源转换成直流；电压转换电路，该电压转换电路具有变压器和开关元件，所述变压器的初级侧与经所述整流电路转换后的直流电压相连接，所述电压转换电路将经所述整流电路转换后的直流电压转换成所希望的大小，并将其从所述变压器的次级侧提供给所述LED；电容器，该电容器与连接所述变压器的次级侧与所述LED的路径相连接；控制电路，该控制电路通过控制所述开关元件的占空比，向所述LED提供规定的电流；以及电流提供电路，该电流提供电路连接在所述整流电路与所述电容器之间，向所述电容器提供启动电流，所述控制电路由所述电容器进行供电。
发明效果
根据本发明，通过将经变压器的次级侧的电容器平滑后的LED的阳极电压与驱动IC电路的电源端子作为公共节点，并在启动时利用启动电路向电容器的初级侧提供电流，不再需要设置以往向驱动IC电路供电所需的辅助绕组、平滑电容器、及整流二极管。因此，能够减少零部件的数量，使LED驱动电路的结构变得简单，从而能够减小LED驱动电路的尺寸和成本。
通过与示出作为本发明示例的优选实施例的附图相关的以下描述，本发明的上述以及其他目的、特征、以及优点将得以阐明。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的LED驱动电路的示图。
图2是表示图1的LED驱动电路的各部信号波形的时序图。
图3是示出了标准蓝光激励式白光LED的顺向电压和电流特性的示图。
图4是示出了驱动IC电路的相对于电源电压的电源电流特性及启动电流特性的示图。
图5是示出根据本发明的第二实施例的LED驱动电路的示图。
图6是示出现有的反激式转换器结构的LED驱动电路的一个示例的示图。
图7是示出驱动IC电路的内部电路结构的示图。
图8是示出现有的LED驱动电路的另一个示例的图。
具体实施方式
下面，参考附图给出对本发明的各实施例的描述。
图1是示出根据本发明的第一实施例的LED驱动电路的示图。这里，对与图6所示的现有的反激式转换器结构的LED驱动电路中的组件对应的组件给予相同的附图标记，并且省略其描述。
LED驱动电路5为了控制串联连接的多个LED51～53使其恒定，将变压器T的初级侧电路及次级侧电路的接地侧短路，并将电流感测电阻R2与LED53的阴极电极之间的连接点上的电压信号反馈到驱动IC电路4的FB端子44。
驱动IC电路4具有前述如图7所示的内部电路结构，驱动IC电路4的VCC端子41与设置在变压器T的次级侧的平滑电容器C2的一端相连接。从而，经平滑电容器C2平滑后的LED51～53的阳极电压与驱动IC电路4的VCC端子被用作为一个公共的节点。因此，能够用平滑电容器C2中累积的电荷来向驱动IC电路4提供驱动电流。从而，不再需要以往向驱动IC电路供电所需要的辅助绕组、平滑电容器、及整流二极管。因此，能够减少零部件的数量，使LED驱动电路的结构变得简单，从而能够减小LED驱动电路的尺寸和成本。
另外，在LED驱动电路5启动时，利用设置在驱动IC电路中的启动电路来从变压器的初级侧向平滑电容器C2提供电流，因此，即使开关元件M1尚未开始进行开关动作，平滑电容器C2的电压也会上升，从而使驱动IC电路4获得电源而开始工作。
以下，基于图2所示的时序图，对上述情况以及交流开关3在通/断时的动作进行说明。
图2的时序图示出图1的LED驱动电路5的各部信号波形。
图2中的(A)示出交流开关3在通断时的时序。当交流开关3接通，并有如图2中的(B)所示的经整流后的商用电源电压Vin施加在LED驱动电路5的输入侧时，驱动IC电路4的高压VH端子42的电压、以及与VH端子42相连接的输入滤波电容器C1的端子电压一起上升。在驱动IC电路4中，启动电流Ist从VH端子41经由内置的启动电路10流向VCC端子41，开始对与VCC端子41相连接的平滑电容器C2进行充电(时刻t1)。
此时，流向驱动IC电路4的电流大小相当于驱动IC电路4消耗的电流大小，但由于图2中的(C)所示的VCC端子41的电压(=Vout)在LED51～53的顺向电压(=Vled)以下，因此，作为负载的LED51～53中没有电流流过(参考图2中的(E))。
在构成驱动IC电路4的UVLO11中，阈值电压中的UVLO解除电压Vref1需要设定为低于电流开始流入LED51～53时的顺向电压(=Vled)。
由此，VCC端子41的电压与串联连接的第一个LED51的阳极电压同样地被从平滑电容器C2输出的直流输出电压Vout所规定。因此，在直流输出电压Vout达到UVLO解除电压Vref1的时刻t2，启动电路10中的开关15断开，从VH端子42流向VCC端子41的启动电流被切断。此外，在时刻t2开始驱动IC电路4中的开关动作，由此，用于使LED51～53中流过恒定电流的恒定电流控制开始。
即，当直流电压Vout达到UVLO解除电压Vref1时，驱动IC电路4的OUT端子46的电压信号重复H/L，使开关元件M1通/断的开关动作开始进行。此时，初级侧的电力经由变压器T而提供给次级侧，因此，平滑电容器C2的端子电压进一步上升。然后，在平滑电容器C2的端子电压达到有顺向电流开始流向LED51～53时的电压VFmin的时刻t3，LED51～53被点亮。
另外，平滑电容器C2的端子电压一直上升直到流向LED51～53的电流达到控制为恒定的电流值(=Io)为止，之后，保持在恒定电流值。此时，变压器T的输出侧所设置的平滑电容器C2的电压(=Vout)是LED51～53的阳极-阴极电压Vled与电流感测电阻R2的端子间电压(=Io·R2)之和。由此，直流输出电压Vout在时刻t4变为由下式规定的恒定电压，
Vled+Io·R2
驱动IC电路4的VCC端子41也变成恒定电压(=Vled+Io·R2)，从而利用负载电流Io实现稳定的点亮控制。
然后，在时刻t5，交流开关3断开，电压Vin变为0V，不再有电力从变压器T的初级侧提供给次级侧。在LED驱动电路5的驱动IC电路4中，也不再有电流从驱动IC电路4的VH端子42流向VCC端子41。因此，平滑电容器C2中的电荷被用于负载和驱动IC电路4上消耗的电流，平滑电容器C2的电压下降。
当平滑电容器C2的端子电压在开始有顺向电流流向LED51～53时(时刻t6)的电压VFmin以下时，LED51～53彻底熄灭。然后，在平滑电容器C2的端子电压为UVLO电压Vref2以下的时刻t7，驱动IC电路4中，驱动IC电路4的OUT端子46的电压信号重复H/L的开关动作停止。之后，平滑电容器C2的残留电压以驱动IC电路4上的电流消耗的形式消耗，最终下降到0V。
接下来，对LED电流及驱动IC电路4上消耗的电流相对于平滑电容器C2的端子电压的情况进行说明。
图3是示出了标准蓝光激励式白光LED的顺向电压和电流特性的示图。对于LED51～53中的每一个LED，将有电流开始流过的顺向电压设为2.8V，将标准驱动电流设为350mA/3.5V，对6个这样的LED进行串联连接的示例进行说明。
顺向电压从2.8V×6个串联=18V开始流过，在标准驱动电流Io=350mA下上升到3.5V×6个串联=21V。作为白光LED的发光方式，有RGB式、蓝光激励式和紫外激励式，LED的照明通常使用蓝光激励式。
在上述实施方式中，使用由蓝光LED的蓝色与通过蓝色激励的YAG发光体发出的黄色混合而成的准白色的蓝光激励式、利用紫外线发光且经R、G、B荧光体进行波长转换来作为激励光源的紫外激励式较为合适。
图4示出了驱动IC电路4的相对于电源电压的电源电流(Icc1和Icc2)特性及启动电流(Ist)特性。
这里，将UVLO解除电压Vref1设定为12V，将UVLO电压Vref2设定为9V。由于LED顺向电流要大于因驱动IC电路4的启动电路10而从VH端子42流向VCC端子41的启动电流Ist(=8mA)，因此，在UVLO解除以前，当启动电流Ist从VH端子42流向LED51～53时，平滑电容器C2的电压有可能不会上升。然而，由于UVLO解除电压Vref1为12V，而顺向电流开始流向LED51～53时的电压为18V，因此，在开始进行开关之前，不会有启动电流Ist从VH端子42流向LED51～53。换言之，当顺向电流流向LED51～53时，UVLO电路的低电压时动作锁定已被解除，LED驱动电路6的开关动作已经开始，且顺向电流正经由变压器T而提供给LED51～53，因此，能够稳定地将平滑电容器C2的电压保持在所期望的值。
图5示出根据本发明的第二实施例的LED驱动电路6。这里，对与图6所示的现有的反激式转换器结构的LED驱动电路中的电路组件对应的电路组件也给予相同的附图标记，并且省略其描述。
在LED驱动电路6中，一未设有内置高压启动电路10(参考图7)的驱动IC电路被用作为驱动IC电路7。因此，当交流开关3接通时，要提供给变压器T次级侧的平滑电容器C2的启动电流由设置在平滑电容器C2与初级侧的Vin之间作为电流提供电路的启动电阻Rst提供。
对于实施方式2的LED驱动电路6，优选将流向启动电阻Rst的电流设置在10mA左右，以利用驱动IC电路7对LED51～53进行稳定的恒定电压控制。
以上描述简单地示出了本发明的原理。进一步地，对于本领域技术人员而言，能够进行很多的修改和改变，本发明并不限于上述示出和描述出的准确的配置和应用，且根据所附权利要求及其等效物，所有的相应修改示例和等效物被视为落在本发明范围内。
标号说明
1 AC电源
2 二极管桥式整流电路；
3 交流开关
4、7 驱动IC电路
5、6 LED驱动电路
10 启动电路
11 低压故障保护电路(UVLO)
12 基准电压源
13 结型场效应晶体管(JFET)。
14 电流源电路
15 开关
16 倒相电路
20 脉冲控制电路
21 误差放大器
22 基准电压源
23 比较器
24 RSFF(RS触发器)
25 振荡器
26 与门电路
27 缓冲放大器
41 VCC端子
42 VH端子
43 IS端子
44 FB端子
45 COMP端子
46 OUT端子
47 GND端子
51～53 LED
C1、C4、 Ccomp 电容器
C2、C3 平滑电容器
D1、D2 整流二极管
Io 基准驱动电流
Ist 启动电流
L1 初级线圈
L2 次级线圈
L3 线圈
Lin 电感器
M1 开关元件
R1 感测电阻
R2 电流感测电阻
Rst 启动电阻
T 变压器
Vin 提供给初级线圈L1的输入电压(整流后的商用电源电压)
Vled LED的阳极-阴极电压
Vout 直流输出电压
Vref1 UVLO解除电压
Vref2 UVLO电压
Vs 电流感测电压信号

Claims (2)

1.一种LED驱动电路，将交流电源的交流电压转换成供发光二极管(在下文中称为LED)发光所需的直流电压，并控制LED的点亮，其特征在于，包括：
整流电路，该整流电路将所述交流电源转换成直流；
电压转换电路，该电压转换电路具有变压器和开关元件，所述变压器的初级侧与经所述整流电路转换后的直流电压相连接，所述电压转换电路将经所述整流电路转换后的所述直流电压转换成所希望的大小，并将其从所述变压器的次级侧提供给所述LED；
电容器，该电容器与连接所述变压器的次级侧与所述LED的路径相连接；
控制电路，该控制电路通过控制所述开关元件的占空比，向所述LED提供规定的电流；以及
电流提供电路，该电流提供电路连接在所述整流电路与所述电容器之间，向所述电容器提供启动电流，
所述控制电路由所述电容器进行供电，
所述电流提供电路是设置在所述控制电路内部的启动电路。
2.一种LED驱动电路，将交流电源的交流电压转换成供发光二极管(在下文中称为LED)发光所需的直流电压，并控制LED的点亮，其特征在于，包括：
整流电路，该整流电路将所述交流电源转换成直流；
电压转换电路，该电压转换电路具有变压器和开关元件，所述变压器的初级侧与经所述整流电路转换后的直流电压相连接，所述电压转换电路将经所述整流电路转换后的所述直流电压转换成所希望的大小，并将其从所述变压器的次级侧提供给所述LED；
电容器，该电容器与连接所述变压器的次级侧与所述LED的路径相连接；
控制电路，该控制电路通过控制所述开关元件的占空比，向所述LED提供规定的电流；以及
电流提供电路，该电流提供电路连接在所述整流电路与所述电容器之间，向所述电容器提供启动电流，
所述控制电路由所述电容器进行供电，
所述电流提供电路是启动电阻。
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