CN103582217B - 一种电流纹波可控的led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流纹波可控的LED驱动电路，包括用于生成点亮LED需要的电流的降压式变换电路和用于生成控制该降压式变换电路包括的开关晶体管所需要的PWM信号的PWM信号生成电路；所述LED驱动电路还包括：低通滤波电路，用于将PWM调光信号转换成直流电平，该直流电平的幅度与该PWM调光信号的脉冲宽度或电平幅度成比例；纹波控制电路，用于为该开关晶体管提供与该直流电平的幅度呈比例的截止时间，从而通过所述PWM信号生成电路控制流过LED的电流的纹波。本发明的LED电流纹波的变化与TRIAC导通角或PWM的宽度呈比例变化，使电流纹波可控，不受线电压波动或开关频率占空比变化的影响。

Description

一种电流纹波可控的LED驱动电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电流纹波可控的LED驱动电路。

背景技术

最近几年，越来越多的LED（Light Emitting Diode，发光二极管）被用在家用照明，商业照明和公用照明等领域。由于LED比传统的白炽灯，日光灯更加高效节能，单位流明更强，目前已经被广泛推广和应用。

传统的调光照明设备都是TRIAC（三端双向可控硅开关元件）加白炽灯的结构，在用LED替代白炽灯后，为了使传统的TRIAC调光系统达到调节LED光线强弱的目的，目前最常见的是BUCK（降压式变换）架构的解决方案，此方案是将TRIAC产生的PWM波或低频的PWM（脉冲宽度调制）控制信号换成直流电平，通过LED驱动芯片功率开光管和电感，续流二极管和滤波电容等元件转换成直流电流控制LED，达到调节亮度的目的。

通常这种结构中频率是固定的，LED亮度的调节是通过改变占空比的大小来调节。

此种方法的缺点是功率开关晶体管的OFF-TIME（截止时间）的时间是变化的，不是恒定的，任何因素导致的LED电流变化，都会导致OFF-TIME变化，因此电流的纹波也会随着OFF-TIME的变化而变化，而纹波变化带来的直接后果是效率的降低和LED寿命的减少。

图1是目前广泛使用的LED驱动芯片的PWM信号波形和电流波形，从图中可以看出，PWM的频率是固定的，在电压波动的过程中，OFF-TIME（截止时间）变化，因此LED电流的纹波或跟随变化。在图1中，上面的波形是PWM信号波形，下面的波形是电感电流，Δi1是目前广泛使用的LED驱动芯片的电感电流峰值。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电流纹波可控的LED驱动电路，使得

本发明的主要目的在于提供一种电流纹波可控的LED驱动电路，其LED电流纹波的变化与TRIAC导通角或PWM的宽度呈比例变化，使电流纹波可控，不受线电压波动或开关频率占空比变化的影响，提高效率和LED的寿命。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电流纹波可控的LED驱动电路，包括用于生成点亮LED需要的电流的降压式变换电路和用于生成控制该降压式变换电路包括的开关晶体管所需要的PWM信号的PWM信号生成电路，所述LED驱动电路还包括：

低通滤波电路，用于将PWM调光信号转换成直流电平，该直流电平的幅度与该PWM调光信号的脉冲宽度或电平幅度成比例；

纹波控制电路，用于为该开关晶体管提供与该直流电平的幅度呈比例的截止时间，从而通过所述PWM信号生成电路控制流过LED的电流的纹波。

实施时，所述低通滤波电路包括滤波电阻和滤波电容；

所述滤波电阻，第一端接入所述PWM调光信号，第二端分别通过与所述纹波控制电路和所述PWM信号生成电路连接并通过所述滤波电容接地。

实施时，所述纹波控制电路包括稳压器和电容充放电电路，其中，

该稳压器，用于将该直流电平转换为电流；

该电容充放电电路包括电流源、充电电容、放电晶体管和电压比较器，其中，

该电流与该电流源提供的电流一起为所述充电电容充电，使得该充电电容的充电时间长短与该直流电平的幅度成比例；

所述电压比较器，用于检测所述充电电容上的电压，在该电压升高到基准电压时向所述PWM生成信号电路输出置位信号，从而通过所述PWM生成信号电路控制所述充电电容通过所述放电晶体管放电。

实施时，所述稳压器包括放大器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和稳压电阻，其中，

所述放大器，正输入端与所述低通滤波电路的输出端连接，负输入端与所述第一晶体管的漏极连接并通过所述稳压电阻接地，输出端与所述第一晶体管的栅极连接；

所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极连接；

所述第二晶体管，栅极与所述第二晶体管的漏极连接，源极接电源端；

所述第三晶体管，栅极与所述第二晶体管的栅极连接，漏极与所述电压比较器的正输入端连接并通过所述充电电容接地。

实施时，所述PWM信号生成电路包括缓冲器、锁存器、峰值电流比较器、前沿消隐电路、二输入与门、控制晶体管、反相器和驱动器，其中，

所述缓冲器，输入端与所述电压比较器的输出端连接，输出端与所述锁存器的置位端连接，用于对所述电压比较器的输出信号进行整形并将整形后的信号输入所述锁存器的置位端；

所述锁存器的复位端与所述峰值电流比较器的输出端连接；

所述锁存器的正相输出端、所述锁存器的反相输出端分别与所述二输入与门的第一输入端、所述二输入与门的第二输入端连接；

所述二输入与门的输出端分别与所述放电晶体管、所述反相器的输入端和所述驱动器的输入端连接；

所述反相器的输出端通过所述前沿消隐电路与所述控制晶体管连接；

所述峰值电流比较器，正输入端分别与所述降压式变换电路包括的开关晶体管的源极连接并通过所述控制晶体管接地，负输入端与所述低通滤波电路的输出端连接；

所述驱动器的输出端与所述降压式变换电路包括的开关晶体管的栅极连接。

实施时，所述降压式变换电路包括开关晶体管、采样电阻、电感、续流二极管和滤波电容，其中，

所述滤波电容并联于LED灯串两端；

所述滤波电容，第一端通过依次连接的所述电感、所述开关晶体管和所述采样电阻接地；

所述续流二极管，阳极连接于所述电感和所述开关晶体管之间，阴极与所述滤波电容的第二端连接。

实施时，本发明所述的电流纹波可控的LED驱动电路还包括：异常保护电路，用于在工作电压和工作温度异常时通过所述PWM信号生成电路控制截止所述开关晶体管。

实施时，本发明所述的电流纹波可控的LED驱动电路还包括异常保护电路；

所述异常保护电路包括欠压锁定保护电路、过温保护电路和与非门，其中，

所述欠压锁定保护电路、所述过温保护电路分别与所述与非门的第一输入端、所述与非门的第二输入端连接；

所述与非门的输出端与所述锁存器的反相输入端连接。

与现有技术相比，本发明所述的电流纹波可控的LED驱动电路，在TRIAC和PWM调光系统调光的过程中，使得流过LED电流的纹波可以随TRIAC的导通角和PWM的脉冲宽度呈比例变化，在所需的LED驱动电流下，LED的电流纹波可以控制，线电压或其他干扰引起LED电流变化，所导致电流纹波波动可以有效的减小和避免，从而提高LED的发光效率和延长LED的寿命。

附图说明

图1是目前广泛使用的LED驱动的PWM信号波形和电感电流波形；

图2是本发明第一实施例所述的电流纹波可控的LED驱动电路的结构框图；

图3是本发明第二实施例所述的电流纹波可控的LED驱动电路的结构框图；

图4是本发明第三实施例所述的电流纹波可控的LED驱动电路的电路图；

图5是本发明所述的电流纹波可控的LED驱动电路的PWM信号波形和电感电流波形；

图6是对比了固定频率LED驱动和本发明的LED驱动的PWM信号波形和电感电流波形。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再做进一步详细的说明。

本发明的具体实施的方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步的说明。

本发明提供了一种适合于TRIAC和PWM调光的电流纹波可控的LED驱动电路。

本发明提供如下解决方案：

所述电流纹波可控的LED驱动电路包括一个纹波控制电路，用于提供与TRIAC的导通角、PWM宽度和线性电压呈比例的OFF-TIME，以此来控制流过LED电流的纹波；一个低通滤波电路，用于将PWM调光信号转换成直流电平；一个PWM信号生成电路，用于生成控制开关管所需要的PWM波形；一个异常保护电路，在系统工作电压和工作温度异常时提供保护，防止灾难进一步发生并扩大；一个BUCK（降压式变换）电路，生成点亮LED需要的电流。

所述纹波控制电路包括一个将调光信号转换成电流的稳压器、一个电容、一个电流源、一个晶体管和一个比较器、构成的电容充放电电路；稳压器产生的与调光信号成比例的电流，通过该晶体管的漏极与该电容相连，和电流源共同为电容充电，使得该电容的充电时间长短与调光信号电平幅度成线性关系；该比较器检测到该电容上的电压到达基准电压后，该比较器输出置位信号，通过该晶体管给该电容放电。

所述低通滤波电路包括一个滤波电阻和一个滤波电容，低通滤波电路将输入的调光信号转换成直流电平，该直流电平与输入信号的脉冲宽度或电平成比例；低通滤波器的中心频率根据调光信号的频率设定，中心频率通常比调光频率低40dB，这样几乎可以无损耗的将调光信号转换成直流电平。

所述PWM信号生成电路包括一个为振荡频率输出波形整形的缓冲器，生成PWM信号需要的锁存器，峰值电流比较器，消除干扰用的前沿消隐电路、晶体管和反相器，控制PWM信号输出的二输入与门和控制开关管导通截止的驱动器电路。

所述异常保护电路包含一个UVLO（欠压锁定）电路和一个过温保护电路；

所述BUCK电路包含一个开关晶体管、一个采样电阻、一个电感，一个续流二极管、一个滤波电容、一个由串联或者并联，或者串并联构成的LED灯串。

如图2所示，本发明第一实施例的电流纹波可控的LED驱动电路包括用于生成点亮LED需要的电流的降压式变换电路21和用于生成控制该降压式变换电路21包括的开关晶体管所需要的PWM信号的PWM信号生成电路22；

所述LED驱动电路还包括：

低通滤波电路23，用于将PWM调光信号转换成直流电平，该直流电平的幅度与该PWM调光信号的脉冲宽度或电平幅度成比例；

纹波控制电路24，用于为该开关晶体管提供与该直流电平的幅度呈比例的截止时间，从而通过所述PWM信号生成电路22控制流过LED的电流的纹波；

该直流电平的幅度还与TRIAC的导通角成比例。

本发明第一实施例所述的电流纹波可控的LED驱动电路使得LED电流纹波的变化与TRIAC导通角或PWM调光信号的脉冲宽度呈比例变化，使流过LED的电流纹波可控，不受线性电压波动或开关频率占空比变化的影响，提高效率和LED的寿命。

实施时，如图3所述，在本发明第二实施例所述的电流纹波可控的LED驱动电路中，还包括异常保护电路25，用于在工作电压和工作温度异常时通过所述PWM信号生成电路22控制截止所述开关晶体管。

本发明三实施例所述的LED驱动电路基于本发明第二实施例所述的LED电路。如图4所示，在本发明第三实施例所述的LED驱动电路中，

所述低通滤波电路23包括滤波电阻R1和滤波电容C1；

所述滤波电阻R1，第一端接入所述PWM调光信号，第二端分别通过与所述纹波控制电路24和所述PWM信号生成电路22连接并通过所述滤波电容C1接地;

所述纹波控制电路24包括稳压器241和电容充放电电路242，其中，

该稳压器241，用于将该直流电平转换为电流；

该电容充放电电路242包括电流源2421、充电电容C2、放电晶体管TF和电压比较器2422，其中，

该电流与该电流源2421提供的电流一起为所述充电电容C2充电，使得该充电电容C2的充电时间长短与该直流电平的幅度成比例；

所述电压比较器2422，用于检测所述充电电容C2上的电压，在该电压升高到基准电压时向所述PWM生成信号电路22输出置位信号，从而通过所述PWM生成信号电路22控制所述充电电容C2所述放电晶体管TF放电;

所述电压比较器2422包括但不限于MOSFET（沟道金属氧化物半导体场效应晶体管）和BIPOLAR(双极性）晶体管构成的单晶体管比较器，RAIL2RAIL（轨对轨）结构的比较器，FOLDED CASCADE（折叠级联结构的比较大器，OTA（跨导）结构的比较器；

电流源2421包括但不限于基准电压与电阻，基准电流与电流镜构成的电流源；

所述稳压器241包括放大器2411、第一晶体管T1、第二晶体管T2第三晶体管T3和稳压电阻R2，其中，

所述放大器2411，正输入端与所述低通滤波电路23的输出端连接，负输入端与所述第一晶体管T1漏极连接并通过所述稳压电阻R2接地，输出端与所述第一晶体管T1栅极连接；

所述第一晶体管T1的源极与所述第二晶体管T2的漏极连接；

所述第二晶体管T2，栅极与所述第二晶体管T2的漏极连接，源极接电源端；

所述第三晶体管T3，栅极与所述第二晶体管T2的栅极连接，漏极与所述电压比较器2422的正输入端连接并通过所述充电电容C2接地；

所述放大器2411包括单晶体管放大器、轨对轨结构的运算放大器、折叠级联结构的运算放大器或跨导运算放大器;

所述第一晶体管T1、所述第二晶体管T2和所述第三晶体管T3包括但不限于MOSFET和BIPOLAR晶体管；

所述放大器2411，其连接形式包括但不限于放大器输出端与反向输入端连接构成的跟随器结构，放大器与MOSFT或BIPOLAR晶体管相互组合而构成的负反馈结构；

所述PWM信号生成电路22包括缓冲器221、锁存器222、峰值电流比较器223、前沿消隐电路224、二输入与门225、控制晶体管TC、反相器226和驱动器227，其中，

所述缓冲器221，输入端与所述电压比较器2422输出端连接，输出端与所述锁存器222的置位端连接，用于对所述电压比较器2422的输出信号进行整形并将整形后的信号输入所述锁存器222的置位端；

所述锁存器222的复位端与所述峰值电流比较器223的输出端连接；

所述锁存器222的正相输出端、所述锁存器222的反相输出端分别与所述二输入与门225的第一输入端、所述二输入与门225的第二输入端连接；

所述二输入与门225的输出端分别与所述放电晶体管TC、所述反相器226的输入端和所述驱动器227的输入端连接；

所述反相器226的输出端通过所述前沿消隐电路224与所述控制晶体管TC连接；

所述峰值电流比较器223，正输入端分别与所述降压式变换电路21包括的开关晶体管的源极连接并通过所述控制晶体管TC接地，负输入端与所述低通滤波电路的输出端连接；

所述驱动器227的输出端与所述降压式变换电路包括的开关晶体管的栅极连接;

所述降压式变换电路23包括开关晶体管TK、采样电阻R3、电感L、续流二极管D和滤波电容C3，其中，

所述滤波电容C3并联于LED灯串（由依次串联的LED灯141a至LED灯141n组成）两端；

所述滤波电容C3，第一端通过依次连接的所述电感L、所述开关晶体管TK和所述采样电阻R3接地；

所述续流二极管D，阳极连接于所述电感L和所述开关晶体管TK之间，阴极与所述滤波电容C3的第二端连接；

所述异常保护电路25包括欠压锁定保护电路251、过温保护电路252和与非门253，其中，

所述欠压锁定保护电路251、所述过温保护电路252分别与所述与非门253的第一输入端、所述与非门253的第二输入端连接；

所述与非门的输出端253与所述锁存器222的反相输入端连接。

本发明第三实施例所述的LED驱动电路在工作时，在采样电阻R3的电压到达峰值电流的限制电压时，复位锁存器222，通过驱动器227关闭开关晶体管TK，在开关晶体管TK关闭后，由电感L经续流二极管D提供LED灯串141a至141n需要的电流，维持LED灯串导通；开关晶体管TK的OFF-TIME由纹波控制电路24决定，截止时间长短与输入的调光信号成线性变化，在调光信号固定的条件下，纹波保持不变；电压比较器2422的输出端与缓冲器221相连，振荡器的输出波形经缓冲器221整形后，输出到锁存器222的置位端，在充电电容C2的电压到达基准电压(1.2V)后，电压比较器2422输出置位信号，经锁存器222输出，由驱动器227输出，控制开关晶体管TK导通，为电感L充电，同时提供LED灯串141a至141n需要的电流，维持LED灯串导通；异常保护电路25提供了UVLO（欠压锁定）保护和过温保护，保证电路的正常工作，同时也防止电路异常后灾难进一步生成和扩大。

整个驱动电路的架构是BUCK（降压式变换）结构，因此OFF-TIME时间可以如下计算：

$t_{\mathrm{OFF}}=\frac{C\×\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔI}}---\left(1\right)$

C的值为固定值,ΔV为基准电压,是个固定值，ΔI为充电电容C2的充电电流，可以如下计算：

$\mathrm{\ΔI}=\frac{V_{\mathrm{LPF}}}{R}---\left(2\right)$

V_LPF为低通滤波电路23的输出电压，在调光信号确定后，为恒定值，电阻R的值为固定值，所以为ΔI固定值，因此可知OFF-TIME在调光信号固定的情况下，为恒定值。

从图4可知，电感电流的峰峰值可以计算如下：

$\mathrm{\Δi}\≅t_{\mathrm{OFF}}\×\frac{V_{\mathrm{LED}}}{L}$

因此在t_OFF不变的情况下电感电流的峰值Δi为恒定值，因此电感电流的纹波也为恒定值。

综合得知，本发明实施例能够完成电流纹波可控的LED驱动，使得纹波变化过大导致的LED效率降低，寿命减少问题。

图5是本发明所述的电流纹波可控的LED驱动电路的PWM信号波形和电感电流波形，从图中可以看出，PWM的频率不是固定的，但是OFF-TIME是固定的，在电压波动的过程中，OFF-TIME不变，因此LED电流的纹波或跟随变化。

图6是对比了固定频率LED驱动和本发明的LED驱动的PWM信号波形和电感电流波形，从两者对比中可以明显看到，本发明的LED电流在电压波动的过程中，是保持恒定的。

在图5中，上面的波形是PWM信号波形，下面的波形是电感电流，Δi2是本发明的电感电流峰值；

在图6中，上面的两条波形是固定频率的PWM信号和电感电流波形，下面的两条波形是本发明的PWM信号和电感电流波形，从图中可以看出本发明的电感电流峰峰值明显小于广泛使用的LED驱动方案的电感电流峰值；Δi1是目前广泛使用的LED驱动芯片的电感电流峰值，Δi2是本发明的电感电流峰值。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电流纹波可控的LED驱动电路，包括用于生成点亮LED需要的电流的降压式变换电路和用于生成控制该降压式变换电路包括的开关晶体管所需要的PWM信号的PWM信号生成电路，其特征在于，所述LED驱动电路还包括：

低通滤波电路，用于将PWM调光信号转换成直流电平，该直流电平的幅度与该PWM调光信号的脉冲宽度或电平幅度成比例；

纹波控制电路，用于为该开关晶体管提供与该直流电平的幅度呈比例的截止时间，从而通过所述PWM信号生成电路控制流过LED的电流的纹波；

所述低通滤波电路包括滤波电阻和滤波电容；

所述滤波电阻，第一端接入所述PWM调光信号，第二端分别通过与所述纹波控制电路和所述PWM信号生成电路连接并通过所述滤波电容接地；

所述纹波控制电路包括稳压器和电容充放电电路，其中，

该稳压器，用于将该直流电平转换为电流；

该电容充放电电路包括电流源、充电电容、放电晶体管和电压比较器，其中，

该电流与该电流源提供的电流一起为所述充电电容充电，使得该充电电容的充电时间长短与该直流电平的幅度成比例；

所述电压比较器，用于检测所述充电电容上的电压，在该电压升高到基准电压时向所述PWM生成信号电路输出置位信号，从而通过所述PWM生成信号电路控制所述充电电容通过所述放电晶体管放电。

2.如权利要求1所述的电流纹波可控的LED驱动电路，其特征在于，所述稳压器包括放大器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和稳压电阻，其中，

所述放大器，正输入端与所述低通滤波电路的输出端连接，负输入端与所述第一晶体管的漏极连接并通过所述稳压电阻接地，输出端与所述第一晶体管的栅极连接；

所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极连接；

所述第二晶体管，栅极与所述第二晶体管的漏极连接，源极接电源端；

所述第三晶体管，栅极与所述第二晶体管的栅极连接，漏极与所述电压比较器的正输入端连接并通过所述充电电容接地。

3.如权利要求1或2所述的电流纹波可控的LED驱动电路，其特征在于，

所述PWM信号生成电路包括缓冲器、锁存器、峰值电流比较器、前沿消隐电路、二输入与门、控制晶体管、反相器和驱动器，其中，

所述缓冲器，输入端与所述电压比较器的输出端连接，输出端与所述锁存器的置位端连接，用于对所述电压比较器的输出信号进行整形并将整形后的信号输入所述锁存器的置位端；

所述锁存器的复位端与所述峰值电流比较器的输出端连接；

所述锁存器的正相输出端、所述锁存器的反相输出端分别与所述二输入与门的第一输入端、所述二输入与门的第二输入端连接；

所述二输入与门的输出端分别与所述放电晶体管、所述反相器的输入端和所述驱动器的输入端连接；

所述反相器的输出端通过所述前沿消隐电路与所述控制晶体管连接；

所述峰值电流比较器，正输入端分别与所述降压式变换电路包括的开关晶体管的源极连接并通过所述控制晶体管接地，负输入端与所述低通滤波电路的输出端连接；

所述驱动器的输出端与所述降压式变换电路包括的开关晶体管的栅极连接。

4.如权利要求3所述电流纹波可控的LED驱动电路，其特征在于，

所述降压式变换电路包括开关晶体管、采样电阻、电感、续流二极管和滤波电容，其中，

所述滤波电容并联于LED灯串两端；

所述滤波电容，第一端通过依次连接的所述电感、所述开关晶体管和所述采样电阻接地；

所述续流二极管，阳极连接于所述电感和所述开关晶体管之间，阴极与所述滤波电容的第二端连接。

5.如权利要求1所述的电流纹波可控的LED驱动电路，其特征在于，还包括：异常保护电路，用于在工作电压和工作温度异常时通过所述PWM信号生成电路控制截止所述开关晶体管。

6.如权利要求5所述的电流纹波可控的LED驱动电路，其特征在于，

所述异常保护电路包括欠压锁定保护电路、过温保护电路和与非门，其中，

所述欠压锁定保护电路、所述过温保护电路分别与所述与非门的第一输入端、所述与非门的第二输入端连接；

所述与非门的输出端与所述锁存器的反相输入端连接。