CN103687201B - 一种led灯串的恒流驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED灯串的恒流驱动系统，包括：预稳压模块，对输入电压进行降压处理，输出直流电压并产生基准电压；高压保护模块，对基准电压转换得到阈值电压，进而使输入电压与阈值电压进行比较，产生控制LED灯串通断的控制信号；低温度系数恒流模块，以直流电压作为工作电压，产生PTAT电流，并对PTAT电流进行温度补偿及微调后在控制信号的作用下向LED灯串输出恒定电流。本发明通过采用分别具有正、负温度系数的热敏电阻R_C1、R_C2对PTAT电流进行温度补偿，电流修调电路对PTAT电流大小进行修调，保证恒定电流的高精确度；通过高压保护电路在过压时控制恒定电流关断，保证了系统的可靠性。

Description

一种LED灯串的恒流驱动系统

技术领域

本发明涉及照明LED驱动领域，具体涉及一种LED灯串的恒流驱动系统。

背景技术

LED是一种新型光源，具有能耗低、效率高、寿命长等特点，目前已广泛应用于各个领域，尤其是照明设备中。为了使LED的发光亮度保持稳定，通常需要用恒流电源来驱动LED负载。而且，恒流源能使LED的使用寿命延长，并且多个恒流源可以与适当的控制电路灵活配合，驱动多路LED阵列。

现有技术的照明LED恒流驱动装置中，通常有两种方法实现恒流。一种是采用开关电源对输出电流进行调制，包括开关脉冲脉宽调制（PWM）和开关脉冲频率调制（PFM）等方法。另一种是采用恒流二极管产生恒定电流。

中国专利申请号201110421756.X的发明申请公开了一种多路恒流LED驱动电路及LED驱动芯片，包括均流转换单元、整流滤波单元和恒流控制单元。均流转换单元通过多个变压器将电源电压均等耦合至多路LED负载端，恒流控制单元通过采样电阻和光耦元器件进行采样反馈，用开关电源芯片对输出电流进行调制，实现多路恒流输出。这种方法会用到电感、电容和光耦元器件，缩短了恒流驱动的使用寿命，且电路比较复杂，成本较高。

中国专利申请号201210545511.2的发明申请公开了一种220V可调光的恒流驱动高压LED电路。其通过恒流二极管来驱动LED负载，并使该电路可以匹配市售标准型可控硅调光器来实现调光。这种方法用到的恒流二极管的工作电压范围比较窄，一般为30～100V，因此功耗很大，容易损坏。另外，采用恒流二极管产生的恒定电流具有较大的温度系数，输出电流的精确度低。

综上所述，现有技术存在可靠性差且精确度低的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种具有高压保护的低温度系数的恒流驱动系统，旨在解决现有技术所存在的可靠性差和精确度低的问题。

一种LED灯串的恒流驱动系统，包括：

预稳压模块，对输入电压进行降压处理，输出直流电压并产生基准电压；

高压保护模块，对基准电压转换得到阈值电压，进而使所述的输入电压与阈值电压进行比较，产生控制LED灯串通断的控制信号；

低温度系数恒流模块，以所述的直流电压作为工作电压，产生PTAT电流，并对所述的PTAT电流进行温度补偿及微调后在控制信号的作用下向LED灯串输出恒定电流。

所述的低温度系数恒流模块包括用于产生PTAT电流的PTAT电流产生电路、用于对PTAT电流进行温度补偿的温度补偿电路以及用于对PTAT电流进行微调的电流修调电路。

电流修调电路能够修调PTAT电流的工艺角偏差，防止PTAT电流的上下波动，保证恒定电流的精确度。

PTAT全称为proportional to absolute temperature，PTAT电流产生电路产生的PTAT电流与绝对温度成正比。

所述的预稳压模块包括电阻R₁、齐纳二极管ZD₁和MOS管NM₁；MOS管NM₁的漏极与电阻R₁的一端相连并接收所述的输入电压，栅极与电阻R₁的另一端和齐纳二极管ZD₁的阴极相连并输出所述的基准电压，源极输出所述的直流电压；齐纳二极管ZD₁的阳极接地。

优选的，所述的MOS管NM₁采用高压NMOS管，用于将高电压的输入电压降低至低压的直流电压，从而为恒流源内部电路提供直流电源。

所述的高压保护模块包括四个电阻R₂～R₅和一个比较器；电阻R₄的一端接收所述的输入电压，另一端与电阻R₅的一端和比较器的正相输入端相连；电阻R₂的一端接收所述的基准电压，另一端与电阻R₃的一端和比较器的反相输入端相连；电阻R₃的另一端与电阻R₅的另一端相连并接地；比较器的输出端输出所述的控制信号。

所述的电阻R₂～R₅的电阻值及齐纳二极管ZD₁的稳压值V_z决定了最大可输入的输入电压，即阈值电压V_t。

$V_t=V_z\·\frac{R3}{R2+R3}\·\frac{R4+R5}{R5}$

若所述的输入电压大于阈值电压，则控制信号关断低温度系数恒流模块中输出的恒定电流，所述的LED恒流驱动系统不工作；

若所述的输入电压不大于阈值电压，则控制信号不工作，所述的LED恒流驱动系统正常工作。

所述的PTAT电流产生电路包括两个PMOS管PM₁～PM₂，一电流拷贝管PM₃，两个NMOS管NM₂～NM₃，一误差放大器和两个三极管Q₁～Q₂；两个PMOS管PM₁～PM₂及电流拷贝管PM₃的源极共连并接收所述的直流电压，PMOS管PM₁的漏极与误差放大器的正相输入端以及三极管Q₁的集电极和基极相连；三极管Q₁的发射极与所述的温度补偿电路相连；两个PMOS管PM₁～PM₂及电流拷贝管PM₃的栅极共连并接误差放大器的输出端；PMOS管PM₂的漏极与误差放大器的反相输入端以及三极管Q₂的集电极和基极相连；PMOS管PM₃的漏极与NMOS管NM₂的漏极和栅极、NMOS管NM₃的漏极以及电流修调电路相连；NMOS管NM₂的源极与三极管Q₂的发射极和NMOS管NM₃的源极相连并接地；NMOS管NM₃的栅极接收所述的控制信号。

电流拷贝管PM₃为PMOS管。

三级管Q₁内部包含N个并联的内部三极管，三级管Q₁的内部三极管与三级管Q₂的内部三极管个数比为N：1，N为自然数且N＞1。

所述的温度补偿电路包括两个电阻R_C1～R_C2；电阻R_C1的一端与电阻R_C2的一端相连并接PTAT电流产生电路，电阻R_C1的另一端与电阻R_C2的另一端相连并接地。

所述的电阻R_C1为具有正温度系数的热敏电阻，所述的电阻R_C2为具有负温度系数的热敏电阻。

所述的电流修调电路包括一电阻R₀、四个NMOS管NM₄～NM₇和四个熔断器F1～F4；NMOS管NM₄的漏极与R₀的一端相连后接PTAT电流产生电路，栅极与R₀的另一端和熔断器F1的一端相连，源极与熔断器F1的另一端共连后接地；三个NMOS管NM₅～NM₇的栅漏两端均共连且与电阻R₀的一端相连后接PTAT电流产生电路，三个NMOS管NM₅～NM₇的源极分别与三个熔断器F2～F4的一端相连，三个熔断器F2～F4的另一端共连后接地。

所述的四个NMOS管NM₄～NM₇宽长比的比例为8:4:2:1。

本发明的工作原理：

本发明通过预稳压电路将经整流的高压输入电压降压稳定在5V的直流电源，低温度系数恒流电路中PTAT电流产生电路产生恒定的输出电流，温度补偿电路抵消了PTAT电流产生电路的正温度系数，电流修调电路对输出电流进行微调，其中高压保护电路在高压输入电压超过阈值电压后发出控制信号使输出电流关断。

本发明的有益效果：

本发明的LED恒流驱动系统通过采用分别具有正、负温度系数的热敏电阻R_C1、R_C2对PTAT电流进行温度补偿，电流修调电路对PTAT电流大小进行修调，保证恒定电流的高精确度；通过高压保护电路在过压时控制输出电流关断，保证了系统的可靠性；该电路可以集成为芯片，避免使用电感、电容等器件，成本较低。

附图说明

图1为本发明的恒流驱动系统的整体框图。

图2为本发明中预稳压模块的电路图。

图3为本发明中高压保护模块的电路图。

图4为本发明中低温度系数恒流模块的框图。

图5为本发明中的电流修调电路图。

图6为本发明输出的恒定电流的温度曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及相关原理进行详细说明。

如图1所示，本发明的恒流驱动系统包括预稳压模块、高压保护模块和低温度系数恒流模块；经整流桥BD整流的输入电压V_in经LED恒流驱动系统后输出恒定电流I_out至LED灯串。

本发明中通过预稳压电路将高压输入电压V_in降压稳定在5V的直流电源V_dd，低温度系数恒流模块产生恒定电流，其内部具有温度补偿电路和修调电路保证恒定电流的精确度，本发明实现了在无电感电容等高成本元器件的条件下，产生低温度系数的恒定电流。高压保护电路在电压超过阈值电压后发出控制信号dis使输出的恒定电流关断，保证了电路的安全可靠。

在本发明中，电路输出端的LED灯串由多个LED通过串并联构成。如图1所示，N个相同的LED串联构成了输出端的LED灯串。

本发明的恒流驱动系统包括：

预稳压模块，220V交流市电AC经过桥式整流后的高压输入电压V_in输入预稳压模块，产生5V直流电压V_dd和基准电压V_z，其电路图如图2所示。

高压保护模块，整流后的高压输入电压V_in与基准电压V_z输入高压保护电路模块，产生控制信号dis。当直流电压V_in超过阈值电压时，控制信号dis有效，使系统输出电流关断至零。其电路图如图3所示。

低温度系数恒流模块，直流电压V_dd与控制信号dis输入低温度系数恒流电路，产生恒定电流I_out。该电路内部具有温度补偿电路和电流修调电路，保证输出电流的高精度。其电路图如图4所示。

以下结合各模块电路图对恒流驱动系统进一步说明：

图2是本发明中的预稳压模块。预稳压模块包括电阻R₁、齐纳二极管ZD₁和高压NMOS管NM₁；高压NMOS管NM₁的漏极与电阻R₁的一端相连并接收输入电压V_in，栅极与电阻R₁的另一端和齐纳二极管ZD₁的阴极相连并输出基准电压V_z，源极输出直流电压V_dd；齐纳二极管ZD₁的阳极接地。

高压NMOS管NM₁接在经整流后的高压输入电压V_in和直流电压V_dd之间，用于将高电压降至直流低压并为输出端负载提供驱动能力。电阻R₁接在高压输入电压V_in输入端和基准电压输出端V_z之间，用于限定电流大小，降低功耗。齐纳二极管ZD₁接在基准电压输出端V_z和地之间，当其流过反向电流时，会产生稳定的反向电压，作为基准电压V_z。因此，直流电压V_dd的电压值如下式所示：

V_dd=V_z-V_gs1

本发明中将直流电压V_dd设计为5V的直流电压，V_gs1为高压NMOS管NM₁的栅源电压，直流电压V_dd的电压值可根据需要进行调整。

图3是本发明的高压保护模块。高压保护模块包括四个电阻R₂～R₅和一个比较器；电阻R₄的一端接收输入电压V_in，另一端与电阻R₅的一端和比较器的正相输入端相连；电阻R₂的一端接收基准电压V_z，另一端与电阻R₃的一端和比较器的反相输入端相连；电阻R₃的另一端与电阻R₅的另一端相连并接地；比较器的输出端输出控制信号dis。

由于基准电压V_z保持恒定不变，因此当输入电压V_in升高至某一预设的阈值电压V_t时，会使比较器正相输入端电压大于负向输入端电压，比较器输出端控制信号dis电平由原始的低电平翻转为高电平。此时系统电路进入高压保护状态，控制信号dis有效，将系统输出的电流关断，保证系统安全低功耗。

在图3所示电路中，控制信号dis为高电平有效。另外，电阻的数量与阻值可根据需要来设定，用于调整高压保护的阈值线电压V_t的值以及比较器的输入共模电压。在图3所示电路中，高压保护的阈值线电压V_t如下式所示：

$V_t=V_z\·\frac{R3}{R2+R3}\·\frac{R4+R5}{R5}$

当输入电压V_in超过阈值线电压V_t时，控制信号dis有效，系统输出的恒定电流关断，进入高压保护状态。反之，控制信号dis无效，系统处于正常工作状态。

图4是本发明中的低温度系数恒流模块。低温度系数恒流模块包括PTAT（正比于绝对温度）电流产生电路、温度补偿电路和电流修调电路。

PTAT电流产生电路包括两个PMOS管PM₁～PM₂，一电流拷贝管PM₃，两个NMOS管NM₂～NM₃，一误差放大器和两个三极管Q₁～Q₂；两个PMOS管PM₁～PM₂及电流拷贝管PM₃的源极共连并接收直流电压V_dd，PMOS管PM₁的漏极与误差放大器的正相输入端以及三极管Q₁的集电极和基极相连；三极管Q₁的发射极与温度补偿电路相连；两个PMOS管PM₁～PM₂及电流拷贝管PM₃的栅极共连并接误差放大器的输出端；PMOS管PM₂的漏极与误差放大器的反相输入端以及三极管Q₂的集电极和基极相连；PMOS管PM₃的漏极与NMOS管NM₂的漏极和栅极、NMOS管NM₃的漏极以及电流修调电路相连；NMOS管NM₂的源极与三极管Q₂的发射极和NMOS管NM₃的源极相连并接地；NMOS管NM₃的栅极接收所述的控制信号。

三级管Q₁内部包含N个并联的内部三极管，三级管Q₁的内部三极管与三级管Q₂的内部三极管个数比为N：1，N为自然数且N＞1，本实施例中，N=8。

电流拷贝管PM₃为PMOS管。

温度补偿电路包括两个并联的电阻R_C1～R_C2；电阻R_C1的一端作为温度补偿电路的输入端，另一端作为温度补偿电路的输出端。

如图5所示，电流修调电路包括一电阻R₀、四个NMOS管NM₄～NM₇和四个熔断器F1～F4；NMOS管NM₄的漏极与R₀的一端相连后接PTAT电流产生电路，栅极与R₀的另一端和熔断器F1的一端相连，源极与熔断器F1的另一端共连后接地；三个NMOS管NM₅～NM₇的栅漏两端均共连且与电阻R₀的一端相连后接PTAT电流产生电路，三个NMOS管NM₅～NM₇的源极分别与三个熔断器F2～F4的一端相连，三个熔断器F2～F4的另一端共连后接地。

电阻R₀两端的电压为V_trim。

PTAT电流产生电路的结构采用经典的带隙基准电路结构，在电流拷贝管PM₃处经电流拷贝产生PTAT电流I_out。图4中PM₃代表电流拷贝的一个实例，实际电路中可根据需要进行多次电流拷贝，温度补偿电路由两个具有正、负温度系数的热敏电阻R_C1、R_C2并联组成，通过调节热敏电阻R_C1、R_C2的阻值，可以抵消PTAT电流产生电路的正温度系数，使PTAT电流I_out具有低温度系数。电流修调电路与PTAT电流通路并联，用于对PTAT电流进行修调，补偿由于工艺角等因素产生的偏差，保证恒定电流的精确度。电路中还通过控制信号dis使能NMOS管NM₃，由控制信号dis控制其通断，当控制信号dis有效时，使能MOS管NM₃开通，使恒定电流关断，系统进入高压保护状态。

图6中横轴为温度，纵轴为输出的恒定电流。由图6可知，在-40℃～125℃的温度范围内，输出的恒定电流的波动小于0.25mA，温度系数小于3.5uA/℃

综上所述，本发明采用具有正、负温度系数的热敏电阻并联来补偿输出的PTAT电流温度系数，并具有高压保护电路，在过压时使恒定电流关断。与传统的恒流驱动系统相比，既没有像开关电源一样使用电感、电容等高成本元器件，也没有使用输出电流具有较高温度系数的恒流二极管。本发明中的恒流电路具有温度补偿电路和四位的电流修调电路模块，使输出的恒定电流具有低温度系数和高精确度。由于高压保护电路的作用，系统电路正常工作时的端电压设定在阈值电压V_t以内，过压时输出的电流关断，保证了可靠性。另外，由于输出的电流为恒定电流I_out，不存在过流问题，因此不需要过流保护电路。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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LED灯串的恒流驱动系统，其特征在于，包括：

预稳压模块，对输入电压进行降压处理，输出直流电压并产生基准电压；

高压保护模块，对基准电压转换得到阈值电压，进而使所述的输入电压与阈值电压进行比较，产生控制LED灯串通断的控制信号；

低温度系数恒流模块，以所述的直流电压作为工作电压，产生PTAT电流，并对所述的PTAT电流进行温度补偿及微调后在控制信号的作用下向LED灯串输出恒定电流；

所述的低温度系数恒流模块包括用于产生PTAT电流的PTAT电流产生电路、用于对PTAT电流进行温度补偿的温度补偿电路以及用于对PTAT电流进行微调的电流修调电路；

所述的预稳压模块包括电阻R₁、齐纳二极管ZD₁和MOS管NM₁；MOS管NM₁的漏极与电阻R₁的一端相连并接收所述的输入电压，栅极与电阻R₁的另一端和齐纳二极管ZD₁的阴极相连并输出所述的基准电压，源极输出所述的直流电压；齐纳二极管ZD₁的阳极接地；所述的MOS管NM₁采用高压NMOS管；

所述的高压保护模块包括四个电阻R₂～R₅和一个比较器；电阻R₄的一端接收所述的输入电压，另一端与电阻R₅的一端和比较器的正相输入端相连；电阻R₂的一端接收所述的基准电压，另一端与电阻R₃的一端和比较器的反相输入端相连；电阻R₃的另一端与电阻R₅的另一端相连并接地；比较器的输出端输出所述的控制信号；

所述的PTAT电流产生电路包括两个PMOS管PM₁～PM₂，一电流拷贝管PM₃，两个NMOS管NM₂～NM₃，一误差放大器和两个三极管Q₁～Q₂；两个PMOS管PM₁～PM₂及电流拷贝管PM₃的源极共连并接收所述的直流电压，PMOS管PM₁的漏极与误差放大器的正相输入端以及三极管Q₁的集电极和基极相连；三极管Q₁的发射极与所述的温度补偿电路相连；两个PMOS管PM₁～PM₂及电流拷贝管PM₃的栅极共连并接误差放大器的输出端；PMOS管PM₂的漏极与误差放大器的反相输入端以及三极管Q₂的集电极和基极相连；PMOS管PM₃的漏极与NMOS管NM₂的漏极和栅极、NMOS管NM₃的漏极以及电流修调电路相连；NMOS管NM₂的源极与三极管Q₂的发射极和NMOS管NM₃的源极相连并接地；NMOS管NM₃的栅极接收所述的控制信号；

所述的温度补偿电路包括两个电阻R_C1～R_C2；电阻R_C1的一端与电阻R_C2的一端相连并接PTAT电流产生电路，电阻R_C1的另一端与电阻R_C2的另一端相连并接地；所述的电阻R_C1为具有正温度系数的热敏电阻，所述的电阻R_C2为具有负温度系数的热敏电阻；

所述的电流修调电路包括一电阻R₀、四个NMOS管NM₄～NM₇和四个熔断器F1～F4；NMOS管NM₄的漏极与R₀的一端相连后接PTAT电流产生电路，栅极与R₀的另一端和熔断器F1的一端相连，源极与熔断器F1的另一端共连后接地；三个NMOS管NM₅～NM₇的栅漏两端均共连且与电阻R₀的一端相连后接PTAT电流产生电路，三个NMOS管NM₅～NM₇的源极分别与三个熔断器F2～F4的一端相连，三个熔断器F2～F4的另一端共连后接地；

所述的四个NMOS管NM₄～NM₇宽长比的比例为8:4:2:1。