CN103596327A - 非隔离型led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非隔离型LED驱动电路，主要解决现有技术应用电路复杂、寿命短、功率因数低、电磁干扰大的问题。本发明包括整流桥(1)、控制器(2)、储能单元(3)和被驱动单元(4)；整流桥(1)的输出端o通过开关器件Q1连接至储能单元(3)的输入端a；采样电阻R_S跨接于储能单元(3)的输入端a和输入端b之间，用于采样流过储能单元(3)的电流，并产生采样信号V_S；控制器(2)通过判断采样信号V_S的大小控制开关器件Q1的导通与关断；储能单元(3)的两个输出端均连接到被驱动单元(4)，为其提供工作电压和工作电流。本发明有效地简化了应用电路，延长了使用寿命，改善了功率因数和电磁干扰，可用于三端可控硅调光器和非隔离型AC-DC转换器。

Description

非隔离型LED驱动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别是一种非隔离型LED驱动电路，适用于三端可控硅调光器和非隔离型AC-DC转换器。

背景技术

发光二级管简称为LED。由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。据《2013-2017年中国LED照明产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析认为，LED照明市场一直被认为是LED最重要、最具发展前景的应用，总体来看，宏观环境对于LED照明应用的发展非常有利，主要表现为：1）节能减排成为全球关注的议题并得到积极推进；2）传统光源技术成长缓慢，面临发展瓶颈；3）由于LED照明技术的不断进步与成本的不断降低，长期市场的障碍已不大。LED照明是当下的热点，但是LED驱动电路的设计却给工程设计带来了挑战。

目前市面上最主流的LED驱动方案为原边反馈PSR隔离型结构，比传统的副边反馈省却了光耦和稳压器。这种结构尽管已广泛应用于LED照明，但必须使用大电解电容和变压器，使得LED灯的使用寿命受到限制，且应用电路设计比较复杂，很难实现小型化。此外，上述LED驱动电路不能直接用于三端可控硅调光器，必须通过添加额外电路来实现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有LED驱动电路的不足，提出了一种非隔离型LED驱动电路，以提高功率因数，降低电磁干扰，延长使用寿命，使其能直接用于三端可控硅调光器。

为实现上述目的，本发明包括：整流桥1和被驱动单元4；其特征在于还包括：控制器2和储能单元3；

所述整流桥1，其输出端o通过开关器件Q1连接至储能单元3的输入端a，该输入端a通过采样电阻R_S连接至参考地，用于对流过储能单元3的电流进行采样，并输出采样信号V_S；

所述控制器2，其输入端CS连接采样信号V_S，其输出端G连接至开关器件Q1的控制端，通过判断采样信号V_S的大小控制开关器件Q1的导通与关断；

所述储能单元3，其输入端b连接至参考地，其输出端c和输出端d均连接至被驱动单元4，为被驱动单元4提供工作电压和工作电流。

作为优选，上述非隔离型LED驱动电路，其中所述控制器2包括：计时器21、比较器22、或门23和基准模块24；

所述基准模块24，用于产生两个零温度系数的基准电压V_REF1和V_REF2，且V_REF1>V_REF2；

所述计时器21，其输出端连接至或门23的第一输入端D，用于对开关器件Q1的导通时间进行计时；

所述比较器22，其第一输入端A作为控制器2的CS端，连接采样信号V_S；其第二输入端B连接第一基准电压V_REF1；其第三输入端C连接第二基准电压V_REF2；其输出端O连接至或门23的第二输入端E；

所述或门23，其输出端作为控制器2的输出端G，控制开关器件Q1的导通与关断。

作为优选，上述非隔离型LED驱动电路，其中所述储能单元3包括电感L1、二极管D1和电容C_OUT；其中二极管D1的负端作为储能单元3输入端a，其正端作为储能单元3的输出端c，并通过电容C_OUT连接至电感L1的一端；电感L1的另一端作为储能单元3的输入端b，电感L1与电容C_OUT的公共端作为储能单元3的输出端d。

上述非隔离型LED驱动电路，其中所述被驱动的单元4包括一个或多个LED灯，其采用串联连接或并联连接或串并联连接后跨接于储能单元3的输出端c和储能单元3的输出端d之间，且任意一个LED灯的的正端或负端均可作为接地端。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明由于添加了控制器，使得LED驱动电路在输入电压较低时处于恒定导通时间的工作模式，降低了电感电流的峰值，减小了输入功率，从而提高了功率因数PF；在输入电压较高时，控制器通过比较采样电阻R_S上的采样信号与基准电压来控制开关器件的导通和关断时间，使得整个电路的工作频率随输入电压的变化而变化，从而减小了电磁干扰EMI，可用于可控硅调光；

（2）本发明的由于添加了储能单元，使得LED驱动电路既可以实现升压又可以实现降压，无需使用电解电容，提高了整个电路的使用寿命；

（3）本发明采用的非隔离型结构，无需变压器，从而延长整个电路的使用寿命，充分利用了LED的使用寿命长的特点。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的第一实施例电路原理图；

图3是本发明第一实施例中开关器件导通时的工作电流流向示意图；

图4是本发明第一实施例中开关器件关断时的工作电流流向示意图；；

图5是本发明第二实施例电路原理图以及工作电流流向示意图；

图6是本发明第三实施例电路原理图以及工作电流流向示意图；

图7是本发明的外部输入交流电经过整流桥后一个周期内的电压以及电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明的LED驱动电路包括：整流桥1，控制器2，储能单元3，被驱动单元4，开关器件Q1和采样电阻R_S；

所述整流桥1，设有两个输入端m、n和两个输出端h、o；该第一输入端m连接外部交流电源的正端，第二输入端n连接外部交流电源的负端，第一输出端h连接至地，第二输出端o通过开关器件Q1连接至储能单元3的输入端a。

所述储能单元3，设有两个输入端a、b和两个输出端c、d；该第一输入端a通过采样电阻R_S连接至参考地，用于对流过储能单元的电流进行采样，并输出采样信号V_S；第二输入端b连接至参考地，第一输出端c和第二输出端d连接至被驱动单元4，为被驱动单元4提供工作电压和工作电流。

所述控制单元2，设有一个输入端CS和一个输出端G；该输入端CS连接采样信号V_S，输出端G连接到开关器件Q1的控制端；通过判断采样信号V_S的大小控制开关器件Q1的导通与关断。

所述被驱动单元4，包括一个或多个LED灯；这些LED灯经串联连接或并联连接或串并联连接后跨接于储能单元3的输出端c和储能单元3的输出端d之间，且任意一个LED灯的正端或负端均可作为接地端。

针对图1所示的结构框图，本发明给出了如下实施例：

实施例1

参照图2，本实例的控制器2包括：计时器21、比较器22、逻辑门23和基准模块24；储能单元3包括：二极管D1、电感L1和电容C_OUT；被驱动单元4，包括N个LED灯，N≥2；整流桥1采用传统的全桥整流结构；开关器件Q1采用N型场效应管。

所述各部件的连接关系如下：

整流桥1的输出端o连接至N型场效应管的漏极，该N型场效应管的源极连接至储能单元3的输入端a，并通过采样电阻R_S连接到参考地，采样电阻R_S上的电压为采样信号V_S。

二极管D1的负端作为储能单元3的输入端a，其正端作为储能单元3的输出端c，并通过电容C_OUT连接至电感L1的一端；电感L1的另一端作为储能单元3的输入端b连接到参考地，电感L1与电容C_OUT的公共端作为储能单元3的输出端d。

基准模块24，采用传统带隙基准结构实现，用于产生两个零温度系数的基准电压V_REF1和V_REF2，且V_REF1>V_REF2。

计时器21，其输出端连接至或门23的第一输入端D，用于对N型场效应管的导通时间进行计时。

比较器22，其第一输入端A作为控制器2的CS端，连接采样信号V_S；其第二输入端B连接第一基准电压V_REF1；其第三输入端C连接第二基准电压V_REF2；其输出端O连接或门23的第二输入端E；该或门23的输出端作为控制器2的输出端G，并连接至N型场效应管的栅极，控制N型场效应管的导通与关断。通过比较采样信号V_S与基准电压V_REF1和基准电压V_REF2控制N型场效应管的导通与关断。

N个LED灯采用串联连接结构，第1个LED灯的正端连接至储能单元3的输出端d；第N个LED灯的负端连接至储能单元3的输出端c；这N个LED灯中的任意一个LED灯的正端或负端均可作为接地端g，本实例选取第1个LED灯的正端作为接地端。

本实例的工作原理如下：

根据图3给出的LED驱动电路的工作电流流向。当N型场效应管导通时，计时器21开始计时，充电电流I_C整流桥1、N型场效应管、采样电阻R_S为电感L1充电，电容C_OUT为被驱动单元4供电，此时二极管D1不导通，流过电感L1的充电电流I_C不断增大，采样电阻R_S两端电压不断升高，即采样信号V_S增大，当采样信号V_S的电压高于基准电压V_REF1时或计时器21计时达到设定值N型场效应管关断，计时器21清零。

图4给出的LED驱动电路的工作电流流向。当N型场效应管关断时，电感L1与电容C_OUT为被驱动单元4供电，流过电感L1上的放电电流I_D逐渐减小，采样电阻R_S两端的电压逐渐降低，即采样信号V_S减小，当采样信号V_S的电压低于基准电压V_REF2时N型场效应管导通，计时器21开始计时。

实施例2

参照图5，本实例的整流桥1，控制器2，储能单元3和开关器件Q1所采用的部件，及各部件之间的连接关系均与实施例1相同；被驱动单元4，包括M个LED灯，M≥1。

M个LED灯采用并联连接结构；这M个LED灯的正端连接至储能单元3的输出端d；负端连接至储能单元3的输出端c；这M个LED灯的正端或负端均可作为接地端g，本实例选取负端作为接地端g。

本实例的工作原理如下：

根据图5给出的LED驱动电路的工作电流流向。当N型场效应管导通时，计时器21开始计时，充电电流I_C流过整流桥1、N型场效应管、采样电阻R_S为被驱动单元4供电，并给电容C_OUT充电；此时二极管D1不导通，流过电感L1的充电电流I_C不断增大，采样电阻R_S两端电压不断升高，即采样信号V_S增大，当采样信号V_S的电压高于基准电压V_REF1时或计时器21计时达到设定值时N型场效应管关断，计时器21清零；当N型场效应管关断时，电感L1与电容C_OUT为被驱动单元4供电，流过电感L1上的放电电流I_D电流逐渐减小，采样电阻R_S两端的电压逐渐降低，即采样信号V_S减小，当采样信号V_S的电压低于基准电压V_REF2时N型场效应管导通，计时器21开始计时。

实施例3

参照图6，本实例的整流桥1，控制器2和储能单元3所采用的部件，及各部件之间的连接关系均与实施例1相同；被驱动单元4，包括H个LED灯，H≥3；开关器件Q1采用N型三级管。

H个LED灯采用串并联连接结构，其连接方式多样，本实例选取的连接方式为：第H-1个LED灯与第H个LED灯并联后与其余H-2个LED灯串联连接；第1个LED灯的正端连接至储能单元3的输出端d；第H-1个LED灯与第H个LED灯的负端连接至储能单元3的输出端c；该H个LED灯中任意一个LED灯的正端或负端均可作为接地端g，本实例选取第H-2个LED灯的负端作为接地端g。

本实例的工作原理如下：

根据图6给出的LED驱动电路的工作电流流向。当N型三级管导通时，计时器21开始计时，充电电流I_C流过整流桥1、N型三级管、采样电阻R_S为被驱动单元4供电，并给电容C_OUT充电；此时二极管D1不导通，流过电感L1的充电电流I_C不断增大，采样电阻R_S两端电压不断升高，即采样信号V_S增大，当采样信号V_S的电压高于基准电压V_REF1时或计时器21计时达到设定值时N型三级管关断，计时器21清零；当N型三级管关断时，电感L1与电容C_OUT为被驱动单元4供电，流过电感L1上的放电电流I_D电流逐渐减小，采样电阻R_S两端的电压逐渐降低，即采样信号V_S减小，当采样信号V_S的电压低于基准电压V_REF2时N型三级管导通，计时器21开始计时。

参照图7，本发明的效果可论证如下：

当外部输入的交流电压V_IN较高时，本发明的LED驱动电路工作在恒定峰值电流模式，此时，恒定峰值电流I_PKC和输入功率P分别表示如下：

$I_{\mathrm{PKC}}=\frac{V_{\mathrm{RE}1F}}{R_S}---\left(1\right)$

$P=\frac{1}{2}*I_{\mathrm{PKC}}*\frac{V_{\mathrm{OUT}}*V_{\mathrm{AVE}}}{V_{\mathrm{OUT}}+V_{\mathrm{AVE}}}---\left(2\right)$

其中V_OUT为被驱动单元4两端的电压差，由于被驱动单元4由LED灯构成，根据LED的特性可知，正常工作时V_OUT几乎保持不变；V_AVE为外部输入交流电的平均电压，其为定值；因此输入功率P与恒定峰值电流I_PKC成正比。

当开关器件Q1导通时，其导通时间

其中L为电感L1的电感值；当开关器件Q1关断时，其关断时间

开关器件Q1的周期T＝T_ON+T_OFF，频率

由于V_IN随外部输入交流电的周期而变化，因此开关器件Q1的频率也随外部输入交流电的周期而变化，有利于降低电磁干扰EMI；

当V_IN较低时，本发明LED驱动电路工作在恒定导通时间模式，恒定导通时间为T_ONC，峰值电流

与VIN成正比，有效地提高了功率因数。

以上仅是本发明的三个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (9)

1.一种非隔离型LED驱动电路，包括：整流桥（1）和被驱动单元（4）；其特征在于还包括：控制器（2）和储能单元（3）；

所述整流桥（1），其输出端o通过开关器件Q1连接至储能单元（3）的输入端a，该输入端a通过采样电阻R_S连接至参考地，用于对流过储能单元（3）的电流进行采样，并输出采样信号V_S；

所述控制器（2），其输入端CS连接采样信号V_S，其输出端G连接至开关器件Q1的控制端，通过判断采样信号V_S的大小控制开关器件Q1的导通与关断；

所述储能单元（3），其输入端b连接至参考地，其输出端c和输出端d均连接至被驱动单元（4），为被驱动单元（4）提供工作电压和工作电流。

2.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述控制器（2）包括：计时器（21）、比较器（22）、或门（23）和基准模块（24）；

所述基准模块（24），用于产生两个零温度系数的基准电压V_REF1和V_REF2，且V_REF1>V_REF2；

所述计时器（21），其输出端连接至或门（23）的第一输入端D，用于对开关器件Q1的导通时间进行计时；

所述比较器（22），其第一输入端A作为控制器（2）的CS端，连接采样信号V_S；其第二输入端B连接第一基准电压V_REF1；其第三输入端C连接第二基准电压V_REF2；其输出端O连接至或门（23）的第二输入端E；

所述或门（23），其输出端作为控制器（2）的输出端G，控制开关器件Q1的导通与关断。

3.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述储能单元（3）包括电感L1、二极管D1和电容C_OUT；其中二极管D1的负端作为储能单元（3）输入端a，其正端作为储能单元（3）的输出端c，并通过电容C_OUT连接至电感L1的一端；电感L1的另一端作为储能单元（3）的输入端b，电感L1与电容C_OUT的公共端作为储能单元（3）的输出端d。

4.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述被驱动单元（4）采用一个LED灯，该LED灯跨接于储能单元（3）的输出端c和储能单元（3）的输出端d之间，且该LED灯的正端或负端均可作为接地端。

5.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述被驱动单元（4）包括多个LED灯，这些LED灯串联连接后跨接于储能单元（3）的输出端c和储能单元（3）的输出端d之间，且任意一个LED灯的正端或负端均可作为接地端。

6.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述被驱动单元（4）包括多个LED灯，这些LED灯并联连接后跨接于储能单元（3）的输出端c和储能单元（3）的输出端d之间，且这些LED灯的正端或负端均可作为接地端。

7.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述被驱动单元（4）包括多个LED灯，这些LED灯经串并联连接后跨接于储能单元（3）的输出端c和储能单元（3）的输出端d之间，且任意一个LED灯的正端或负端均可作为接地端。

8.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述开关器件Q1采用场效应管或三极管。

9.根据权利要求1所述的非隔离型LED驱动电路，其特征在于所述的流过储能单元（3）的电流，包括充电电流和放电电流。

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