CN103561508A - 一种高集成度无电容电感led驱动拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，可以是并联拓扑结构、串联拓扑结构，也可以是并联拓扑结构和串联拓扑结构的组合。并联拓扑结构，所述并联拓扑结构包括一个并联驱动模块或多个串联的并联驱动模块，所述并联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为并联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED。所述串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，所述串联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为串联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED；MOS管的高电压端接本串联驱动模块的LED串的负极。本发明集成度高，驱动效率高，成本低，且寿命长，安全可靠。

Description

一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构

技术领域

本发明涉及LED（发光二极管）照明领域，特别涉及一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构。

背景技术

LED芯片以其高效，高集成度，以及高寿命在新型节能光源领域得到广泛应用。在LED光源中，电源驱动是比较关键的技术。由于LED负载的高度非线性，以限流为主要机制的驱动模块成为技术主流。目前比较流行的驱动技术包括隔离和非隔离类开关电源模块，以及无电感电容的驱动方案。隔离和非隔离类开关电源方案技术成熟，效率和功率因数都能满足电网需求。但是由于模块中需利用电容，电感或变压器等储能器件，寿命以及集成度，成本都受到一定影响，限制了其应用范围。而无电感电容的驱动方案集成度高，成本低，但是目前的技术在效率，功率因数，EMI辐射干扰，以及和可控硅调光器的兼容性等方面存在一定问题。

如上所述，传统开关电源LED需要电感电容等储能元器件的支持，集成度和价格方面没有竞争力，同时电解电容的寿命也成为LED发光模组的瓶颈。目前市场对无电感电容的硅模组驱动技术需求很大。目前硅模组驱动技术主要有AC LED，其直接利用LED的单向导电特性，把LED作为整流器件，不需要其他器件，集成度和成本都有很大优势。但是AC LED只在电压达到峰值的时候才能输出最大发光强度，LED利用率低。而且AC LED对调光器以及不同输入电压的适应性都不好，应用领域受到一定限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服上述现有AC LED利用率低的缺陷，提出一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，可以提高LED利用率。

为了解决上述问题，本发明提供一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，包括并联拓扑结构，所述并联拓扑结构包括一个并联驱动模块或多个串联的并联驱动模块，所述并联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为并联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED。

优选地，所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构通过控制所述并联驱动模块中MOS管是否导通，以控制与所述MOS管并联的LED串是否有电流通过，从而控制所述并联拓扑结构中所驱动的LED的个数。

优选地，所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构还包括与所述并联拓扑结构相连的串联拓扑结构，

所述串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，所述串联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为串联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED；MOS管的高电压端接本串联驱动模块的LED串的负极；

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，前一个串联驱动模块中MOS管的高电压端与后一个串联驱动模块中LED串的正极相连。

优选地，所述串联拓扑结构中的MOS管的低电压端接地或通过电阻接地。

优选地，当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，每个串联驱动模块中的LED串具有相同数量的LED。

优选地，当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，在工作时，仅有一个MOS管导通；当一MOS管导通，仅在其前端的LED有电流通过。

优选地，所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构还包括控制器，所述控制器与所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构中的MOS管的栅极相连，用于控制MOS管的栅极电压，以控制MOS管是否导通或开启，从而控制所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构中所驱动的LED的个数。

为了解决上述问题，本发明提供一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，包括串联拓扑结构，所述串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，所述串联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为串联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED；MOS管的高电压端接本串联驱动模块的LED串的负极；

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，前一个串联驱动模块中MOS管的高电压端与后一个串联驱动模块中LED串的正极相连。

优选地，所述串联拓扑结构中的MOS管的低电压端接地或通过电阻接地。

优选地，当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，在工作时，仅有一个MOS管导通；当一MOS管导通，仅在其前端的LED有电流通过。

本发明的LED驱动拓扑结构具有如下优点：

1、集成度高，驱动效率高，成本低。

2、不需要电感电容等储能器件，寿命长，安全可靠。

3、动态范围广，可以适用于电压波动较大的领域。

4、可兼容不同的可控硅调光器。

附图说明

图1为本发明实施例的MOS管和LED并联的拓扑结构；

图2为本发明实施例的MOS管和LED串联的拓扑结构；

图3为本发明实施例的组合拓扑结构；

图4为本发明的一个电流控制实例。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

大多数交直流电源都是输出阻抗较低的电压源。对于这类电源线性电阻性负载的负载电流和输出电压成正比，功率因数较高。和普通线性电阻相比，LED的IV曲线具有很强的非线性，负载电流对电压极为敏感，因此LED负载不适合直接接在交直流电源上。

假设LED的阈值电压为Vt，理想输出功率时的电压为Vp。当输入电压为V的时候，理想LED负载数n应该是Vt<V/n<Vp。然而，在实际应用中，要能够根据输入电压的大小实现调节单个的LED数量，技术难度较大。同时，即使能够调节单个LED的数量，依然难以保证LED处于最佳工作状态。本发明采用叠加式以及混合模式MOSFET开关结构来解决LED数量配置技术，同时可采用一个LDO（低压差线性稳压器）限流开关来进一步控制电流大小。

本发明实施例的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，可以是并联拓扑结构、串联拓扑结构，也可以是并联拓扑结构和串联拓扑结构的组合。

并联拓扑结构包括一个并联驱动模块或多个串联的并联驱动模块，所述并联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为并联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED，如图1所示。

图1为四个并联驱动模块串联的例子，但本发明并不仅限于此，并联驱动模块可以是一个或多个。当MOS管导通时，电流经过MOS管，而与MOS并联的LED串没有电流通过，这样，通过控制所述并联驱动模块中MOS管是否导通，以控制与所述MOS管并联的LED串是否有电流通过，从而控制所述并联拓扑结构中所驱动的LED的个数。即通过不同的MOS管的开关组合，可以使得电流通过任意数量的LED。

和MOS管M1，M2，M3，M4并联的LED串中，LED可以是多个，比如，1，2，4，8，等等。

串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，所述串联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为串联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED；MOS管的高电压端接本串联驱动模块的LED串的负极，如图2所示。当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，前一个串联驱动模块中MOS管的高电压端与后一个串联驱动模块中LED串的正极相连。MOS管的低电压端接地或通过电阻接地。

图2为串联拓扑结构包括3个串联驱动模块的例子，但本发明并不仅限于此，串联驱动模块可以是一个或多个。

在优选的方案中，每个LED串中的LED数量相同。

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，在工作时，仅有一个MOS管导通；当一MOS管导通，仅在其前端的LED有电流通过。比如，如图2所示，当MOS管M1导通时，仅仅在MOS管M1前端的LED有电流通过；当MOS管M1开启，MOS管M2导通时，仅仅在MOS管M2前端的（包括MOS管M1前端的）LED导通；当MOS管M1和M2开启，MOS管M3导通时，图2中所有LED都有电流通过。

可以采用并联拓扑结构和串联拓扑结构组合的方式，如图3所示。其中MOS管M1-M3采用如并联拓扑结构，M4-M6串联拓扑结构，但是本发明中LED和MOS管组合的数量不限于图3中所示。

并联拓扑结构和串联拓扑结构组合的方式，适用于当器件和工艺条件限制，使得单独的并联拓扑结构或串联拓扑结构不能完全满足设计要求的情况。

如图3所示，MOS管M1-M3可以以任意组合开启或导通。当其中任意一个MOS管导通时，电流不通过与其并联的LED串；当其中任何一个MOS管开启时，电流通过与其并联的LED串。MOS管M4-M6中只有一个导通。当MOS管M4导通时，电流通过M4而不通过M4后面的LED串。当MOS管M4开启而MOS管M5导通时，电流通过MOS管M5前的LED串而不通过MOS管M5后的LED串。当MOS管M4和M5开启，MOS管M6导通时，电流通过MOS管M4后面的两串LED串组合。

本发明可以通过分离器件实现，也可以通过集成芯片实现。其电流逻辑控制电路可以采用反馈式控制。反馈机制视系统要求。图4给出一个控制电流的实例。系统通过测量采样电阻Rs上的压降来测量通过LED的电流。该电流采样通过比较器C1和目标电流比较。比较结果输入控制器。控制器通过控制M1-M6栅极电压来控制MOS管M1-M6的开关。当电流超过目标电流时，控制器增加串入电流通路的LED数量；当电流低于目标电流时，控制器减少串入电流通路的LED数量。

本发明可以通过调节LED负载的数量和调节导通电流，来调节负载电流，同时实现高输出效率和高功率因数的性能。和其他类似技术相比，本发明利用特殊的开关拓扑结构使得负载达到最优化，开关切换时序也达到最优化，具有最好的负载和时序效率。

目前利用AC LED技术，以及类似的无电感电容的LED驱动技术，驱动效率难以达到90%以上。本发明在理论上效率可以接近100%。由于开关损耗等问题，在实际应用中效率可以达到95%以上。利用本发明结构的LED驱动功率因数可以达到97%以上，对电网污染和干扰小，完全满足电网对LED照明设备的要求。在成本方面，本发明的实现可以采用单芯片或者双芯片组合实现，价格低廉，成本竞争优势大。同时驱动电路可以和发光芯片集成在同一个照明腔体内，实现了最大集成化。由于摆脱了对电解电容的依赖性，寿命可以达到两万小时以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，包括并联拓扑结构，所述并联拓扑结构包括一个并联驱动模块或多个串联的并联驱动模块，所述并联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为并联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED。

2.如权利要求1所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，通过控制所述并联驱动模块中MOS管是否导通，以控制与所述MOS管并联的LED串是否有电流通过，从而控制所述并联拓扑结构中所驱动的LED的个数。

3.如权利要求1所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，还包括与所述并联拓扑结构相连的串联拓扑结构，

所述串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，所述串联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为串联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED；MOS管的高电压端接本串联驱动模块的LED串的负极；

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，前一个串联驱动模块中MOS管的高电压端与后一个串联驱动模块中LED串的正极相连。

4.如权利要求3所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，

所述串联拓扑结构中的MOS管的低电压端接地或通过电阻接地。

5.如权利要求3所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，每个串联驱动模块中的LED串具有相同数量的LED。

6.如权利要求3所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，在工作时，仅有一个MOS管导通；当一MOS管导通，仅在其前端的LED有电流通过。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构中的MOS管的栅极相连，用于控制MOS管的栅极电压，以控制MOS管是否导通或开启，从而控制所述高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构中所驱动的LED的个数。

8.一种高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，包括串联拓扑结构，所述串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，所述串联驱动模块包括MOS管和LED串，所述MOS管与LED串为串联连接，所述LED串包括一个或多个串联的LED；MOS管的高电压端接本串联驱动模块的LED串的负极；

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，前一个串联驱动模块中MOS管的高电压端与后一个串联驱动模块中LED串的正极相连。

9.如权利要求8所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，

所述串联拓扑结构中的MOS管的低电压端接地或通过电阻接地。

10.如权利要求8或9所述的高集成度无电容电感LED驱动拓扑结构，其特征在于，

当所述串联拓扑结构包括多个串联驱动模块时，在工作时，仅有一个MOS管导通；当一MOS管导通，仅在其前端的LED有电流通过。

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