CN103561509B - 开关管分离式led驱动电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关管分离式LED驱动电路结构，包括串联拓扑结构、输入电压检测单元、负载电流检测单元和控制单元，串联拓扑结构包括一个或多个串联驱动模块，输入电压检测单元和负载电流检测单元分别与控制单元相连；输入电压检测单元用于检测所述串联拓扑结构的输入电压，并将输入电压信息输出至所述控制单元；负载电流检测单元用于检测每个串联驱动模块的负载电流，并将负载电流信息输出至控制单元；控制单元与每个串联驱动模块中MOS管的栅极相连，用于根据输入电压信息和负载电流信息控制MOS管的栅极电压，使LED串导通时，负载电流与输入电压成正比关系。本发明能够提高驱动效率，改善了电路的功率因数，且改善了与TRIAC调光器的兼容性。

Description

开关管分离式LED驱动电路结构

技术领域

本发明涉及LED（发光二极管）照明领域，特别涉及一种开关管分离式LED驱动电路结构。

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。由于对LED应用的高集成度以及低成本要求，无电感电容等储能器件的LED驱动方案在市场中占的份额越来越大，在未来的应用中会成为主流LED驱动方案。在该类驱动方案中，控制IC通过对LED通路开关MOS管的栅极电压调节来控制实际导通电流经过的LED的数量，以弥补因为LED非线性而导致的导通电流对输入电压的过度敏感，从而达到限流目的。

在图1的一个典型应用中，一个控制IC（图中未示出）控制四段LED灯串的导通。控制IC通过调节M1到M4这四个MOS管的导通来调节实际负载。当输入电压较小的时候，MOS管M1导通，电流只通过第一段LED灯串，当输入电压增加的时候，MOS管M1电阻逐渐增加，以达到限流目的。当输入电压足够高时，MOS管M1完全开启，电流通过第二段灯串。当输入电压继续增加时，MOS管M2电阻逐渐增加，以此类推。

在目前市场应用的控制芯片，当输入电压在某段灯串开启范围内的时候，控制IC采用恒流控制。图2是一个典型的该类芯片的IV曲线。从该曲线可以看出该类控制驱动的等效负载特性。当电压逐渐增加时，负载电流呈现一个台阶型曲线，在某一串LED芯片点亮的区间，负载电流保持常数。台阶的具体形状视各LED芯片串的数量而定，同一个芯片可以有不同的设置。

图3显示的是当输入为交流电压时，电流随时间变化曲线。从中我们可以看出电流的不连续特性。

虽然传统的电流反馈电路有效的解决了LED负载的非线性问题，实现了可以接受交流电直接输入的光驱动引擎，但是该类驱动还是存在一些问题。主要有以下问题：

1、驱动效率不高。由于MOS管在某些工作点压降较大，驱动效率很难达到90%以上，这使得该类驱动难以在效率上和开关电源类驱动相竞争。

2、功率因子不高。由于电流的台阶曲线不完全和输入电压吻合，功率因子约在95%。

3、谐波干扰。台阶曲线存在高频谐波成分，构成电网干扰。这个问题比第2点更加突出。

4、和某些TRIAC（三端双向交流开关）调光设备的不匹配。这个问题是在应用中相对比较严重的一个问题。由于TRIAC的开启和关闭受导通电流控制，当导通电流过度反馈时，在某些工作点TRIAC会形成双稳态，这类双稳态导致TRIAC的开启关闭时间不确定，从而导致LED芯片的发光会有闪烁现象，这样的闪烁在应用中是客户无法接受的。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服上述现有技术的问题，提出一种开关管分离式LED驱动电路结构，以提高LED的驱动效率。

为了解决上述问题，本发明提供一种开关管分离式LED驱动电路结构，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；所述开关管分离式LED驱动电路结构还包括输入电压检测单元、负载电流检测单元和控制单元，所述输入电压检测单元和负载电流检测单元分别与所述控制单元相连；

所述输入电压检测单元用于检测所述串联拓扑结构的输入电压，并将输入电压信息输出至所述控制单元；

所述负载电流检测单元用于检测每个串联驱动模块的负载电流，并将负载电流信息输出至控制单元；

所述控制单元与每个串联驱动模块中MOS管的栅极相连，用于根据输入电压信息和负载电流信息控制MOS管的栅极电压，使LED串导通时，负载电流与输入电压成正比关系。

优选地，所述输入电压检测单元包括相连的第一电压采样电阻和第二电压采样电阻，所述第一电压采样电阻的一端接串联拓扑结构的高电压端，第一电压采样电阻的另一端接第二电压采样电阻和控制单元的电压输入端；所述第二电压采样电阻的一端接第一电压采样电阻和控制单元的电压输入端，另一端接串联拓扑结构的低电压端。

优选地，所述输入电压检测单元包括相连的电压采样电阻和非线性器件，所述电压采样电阻的一端接串联拓扑结构的高电压端，另一端接所述非线性器件和控制单元的电压输入端；所述非线性器件的一端接电压采样电阻和控制单元的电压输入端，另一端接串联拓扑结构的低电压端。

优选地，所述非线性器件为二极管。

优选地，所述负载电流检测单元包括一个或多个电流采样电阻，所述电流采样电阻与串联拓扑结构中MOS管的一一对应，每个电流采样电阻位于所对应的MOS管的低电压端和串联拓扑结构的低电压端之间，每个电流采样电阻与MOS管之间的连接点连接控制单元相应的电流输入端。

优选地，所述控制单元包括一个或多个控制模块，所述控制模块与串联拓扑结构中MOS管的一一对应，每个控制模块包括：依次相连的放大器、模数转换器和数字信号处理器，其中，

所述放大器的电压输入端接收输入电压信息，电流输入端接收所对应的串联驱动模块的负载电流信息，输出端接所述模数转换器，所述放大器用于将输入电压信息与负载电流信息进行比较并放大，输出至模数转换器；

所述模数转换器用于将接收到的模拟信号转换为数字信号，发送至数字信号处理器；

所述数字信号处理器与所对应的MOS管的栅极相连，用于将接收到的数字信号进行滤波后，控制所连接的MOS管的栅极电压，使负载电流与输入电压成正比关系。

和传统恒流控制相比，本发明在使用效果上有以下优点：

1、效率有5%左右的提高。和恒流驱动相比，在大电压输入情况下LED驱动电流增加，MOS管压降降低，驱动效率增加。

2、功率因数有5%-10%的提高。由于输入电流和输入电压曲线的匹配较好，改善了电路的功率因数。

3、和TRIAC调光器的兼容性大大改善。由于恒流驱动在一固定区间电流保持恒定，对某类TRIAC调光器会产生因为双稳态存在而导致的频闪效应。采用本发明，电流始终是电压的单调函数，不会产生双稳态，因而避免了TRIAC调光器的频闪。

附图说明

图1为一个典型的分段LED驱动电路；

图2为图1所示的电路的LED负载电流和输入电压的函数曲线；

图3为典型应用中当输入为交流信号时的负载电流曲线；

图4为本发明实施例的开关管分离式LED驱动电路结构的示意图；

图5为本发明实施例的电流和输入电压成正比的IV曲线；

图6为本发明应用实例的控制模块组成示意图。

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。

本发明提出一种新的电流反馈控制的机制（Algorithm），其核心思想是，当输入电压在某一灯串导通区间内变化时，电流不是一个常数，而是随电压呈线性变化。

如图4所示，开关管分离式LED驱动电路结构，包括串联拓扑结构，以及输入电压检测单元、负载电流检测单元和控制单元。其中，串联拓扑结构为上文所述类似图1的结构，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。

输入电压检测单元和负载电流检测单元分别与所述控制单元相连；所述输入电压检测单元用于检测所述串联拓扑结构的输入电压，并将输入电压信息输出至所述控制单元；所述负载电流检测单元用于检测每个串联驱动模块的负载电流，并将负载电流信息输出至控制单元；所述控制单元与每个串联驱动模块中MOS管的栅极相连，用于根据输入电压信息和负载电流信息控制MOS管的栅极电压，使LED串导通时，负载电流与输入电压成正比关系。

在图4中，输入电压检测单元包括相连的第一电压采样电阻Rs1和第二电压采样电阻Rs2，所述第一电压采样电阻Rs1的一端接串联拓扑结构的高电压端，第一电压采样电阻Rs1的另一端接第二电压采样电阻Rs2和控制单元的电压输入端；所述第二电压采样电阻Rs2的一端接第一电压采样电阻Rs1和控制单元的电压输入端，另一端接串联拓扑结构的低电压端。

在其它应用实例中，也可以把Rs2置换为其他非线性器件，以获得其他负载电流与电压关系的电路。比如，把Rs2置换为一个二极管，以匹配二极管的电流电压特性。

所述负载电流检测单元可包括一个或多个电流采样电阻，所述电流采样电阻与串联拓扑结构中MOS管的一一对应，每个电流采样电阻位于所对应的MOS管的低电压端和串联拓扑结构的低电压端之间，每个电流采样电阻与MOS管之间的连接点连接控制单元相应的电流输入端。在本发明实施例中，电流采样电阻为R1、R2、R3，分别对应MOS管M1、M2、M3。

控制单元通过比较电压采样电阻和电流采样电阻上的压降来控制MOS管开关上的栅极电压，目标负载电流为一个和输入电压成正比的信号。

如图5所示，为一个典型的输出电流电压曲线。当电压在某一LED串导通范围内，导通电流和输入电压成正比。为了保证MOS管的开关顺序，在MOS管切换区间，电流有一个小的台阶突变。该突变幅度较小，不会对功率因子造成实质性影响。

所述控制单元包括一个或多个控制模块，所述控制模块与串联拓扑结构中MOS管的一一对应，如图6所示，每个控制模块包括：依次相连的放大器、模数转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP），其中，

所述放大器的电压输入端接收输入电压信息，电流输入端接收所对应的串联驱动模块的负载电流信息，输出端接所述模数转换器，所述放大器用于将输入电压信息与负载电流信息进行比较并放大，输出至模数转换器；

所述模数转换器用于将接收到的模拟信号转换为数字信号，发送至数字信号处理器；

所述数字信号处理器与所对应的MOS管的栅极相连，用于将接收到的数字信号进行滤波后，控制所连接的MOS管的栅极电压，使负载电流与输入电压成正比关系。

在具体应用中，可以根据系统精度，带宽要求，以及输入电压变化幅度等特点来采用不同的数字或模拟反馈系统。

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 (1)

1.一种开关管分离式LED驱动电路结构，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；其特征在于，

所述开关管分离式LED驱动电路结构还包括输入电压检测单元、负载电流检测单元和控制单元，所述输入电压检测单元和负载电流检测单元分别与所述控制单元相连；

所述输入电压检测单元用于检测所述串联拓扑结构的输入电压，并将输入电压信息输出至所述控制单元；

所述负载电流检测单元用于检测每个串联驱动模块的负载电流，并将负载电流信息输出至控制单元；

所述控制单元与每个串联驱动模块中MOS管的栅极相连，用于根据输入电压信息和负载电流信息控制MOS管的栅极电压，使LED串导通时，负载电流与输入电压成正比关系；

所述控制单元包括一个或多个控制模块，所述控制模块与串联拓扑结构中MOS管的一一对应，每个控制模块包括：依次相连的放大器、模数转换器和数字信号处理器，其中，

所述放大器的电压输入端接收输入电压信息，电流输入端接收所对应的串联驱动模块的负载电流信息，输出端接所述模数转换器，所述放大器用于将输入电压信息与负载电流信息进行比较并放大，输出至模数转换器；

所述模数转换器用于将接收到的模拟信号转换为数字信号，发送至数字信号处理器；

所述数字信号处理器与所对应的MOS管的栅极相连，用于将接收到的数字信号进行滤波后，控制所连接的MOS管的栅极电压，使负载电流与输入电压成正比关系。