CN103917020B - 一种led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED驱动电路，包括依次相连的用于对输入AC电源进行整流的整流单元（210）、用于照明的照明单元（220）和用于控制照明单元电流的电流源单元（230），所述电流源单元（230）的输出与整流单元（210）的地线输出相连。无需大电感、电容以及功率因素校正电路，电路中照明单元随AC电源电压自动点亮，无需控制电路，降低了电路的复杂度，有效减小了体积，同时降低了电路的成本，保证了电路的功率因素性能。

Description

一种LED驱动电路

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电路，特别是涉及一种适用于基于AC电源的LED照明驱动电路。

背景技术

LED是一种恒流驱动的半导体器件，相对于白炽灯等传统的光源相比，具有效率高、体积小、亮度高等诸多优点。所以LED照明已经逐步取代传统的照明方式，但是由于LED 的二极管特性，在正向导通时，流过LED的电流和其正压降呈指数关系，相比于传统的照明方式，LED照明需要额外的驱动电路。

如图1所示，为传统的交流（AC）电源LED驱动电路的电路图，该驱动电路包括整流单元110、AC-DC转换电路120、滤波电容130和LED照明单元140；整流单元110和滤波小电容130将外接的交流（AC）电源转换为交流半波电源，AC-DC转换电路将交流半波电源转换为恒流电源，流过LED照明单元140的电流值恒为I_LED，不随外部电压的变化而变化，从而保证LED照明元件能正常工作，发出的光均匀稳定。其中AC-DC转换电路通常采用整流滤波电路或功率因素校正（PFC）开关电源电路，整流滤波电路会导致输入电压和电流具有明显的相位差异，从而无法达到的功率因素要求，功率因素校正（PFC）开关电源电路使用具有PFC功能的电源管理芯片，使用高频变压器以及大电容器件，虽然功率因素校正（PFC）开关电源电路能在性能上达到较为理想的水平，但是成本较高。

常规的驱动电路中使用了滤波电容130，降低了电路的使用寿命，在AC-DC转换电路120中需要使用变压器或电感储能元件，这增加了电路的体积，AC-DC转换电路属于开关电源领域，具有功率因素校正的AC-DC转换器电路较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有功率因素校正的LED驱动电路。

本发明采用的技术方案如下：一种LED驱动电路，其特征在于：包括依次相连的用于对输入AC电源进行整流的整流单元210、用于照明的照明单元220和用于控制照明单元电流的电流源单元230，所述电流源单元230的输出与整流单元210的地线输出相连。

作为优选，所述照明单元包括依次相连的照明子单元22N；所述照明子单元22N包括LED串22Na和开关电流控制电路22Ne。

作为优选，所述开关电流控制电路22Ne为NMOS开关管电流控制电路。

作为优选，所述NMOS开关管电流控制电路包括高压NMOS管22Nb、栅极二极管22Nc和源极二极管22Nd；所述高压NMOS管22Nb的漏极和源极分别与LED串22Na的输入端和输出端相连；所述栅极二极管22Nc的阳极与开关电流控制电压V_CTRL相连，阴极与高压NMOS管22Nb的栅极相连；所述源极二极管22Nd的阳极和阴极分别与高压NMOS管22Nb的源极和栅极相连。

作为优选，所述源极二极管22Nd为稳压二极管。

作为优选，所述电流源单元230包括参考电压输入端、电流输入端和接地端；所述电流输入端与照明单元220的输出端相连；所述参考电压输入端的输入电压与AC电源电压同相。

作为优选，所述电流源单元230还包括运算放大器231和恒流NMOS管232；所述运算放大器231的同相输入端与参考电压输入端相连，反相输入端通过采样电阻233接地，输出端与恒流NMOS管的栅极相连；所述恒流NMOS管232漏极与电流源单元230的电流输入端相连，源极通过采样电阻233接地。

作为优选，所述整流单元210为全波整流电路。

作为优选，所述电流源单元230为有效值恒定电流源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于该高功率因素的LED驱动电路包括整流单元、照明单元以及电流源单元，与传统的LED 驱动电路相比，无需大电感、电容以及功率因素校正电路，电路中照明单元随AC电源电压自动点亮，无需控制电路，降低了电路的复杂度，有效减小了体积，同时降低了电路的成本，保证了电路的功率因素性能；由于电流源单元提供有效值恒定的正弦半波电流，使照明单元保证照明单元的发光均匀稳定，提高了电路的稳定性。

附图说明

图1为传统的交流电源LED驱动电路的电路图。

图2为本发明其中一实施例的交流电源LED驱动电路的电路图。

图3为本发明其中一实施例的电压波形示意图。

图4为图2所示实施例的LED驱动电路的输入电流示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图2所示，一种LED驱动电路，包括依次相连的用于对输入AC电源进行整流的整流单元210、用于照明的照明单元220和用于控制照明单元电流的电流源单元230，所述电流源单元230的输出与整流单元210的地线输出相连。照明单元220的输入与整流单元210的正输出端相连，输出与电流源电源230的输入端相连。

其中，整流单元210用于对AC电源进行整流，使其由正弦交流转变成正弦半波；照明单元220与整流单元210输出端连接，用于照明；电流源单元230与照明单元220连接、并使照明单元220的电流有效值保持恒定。

所述照明单元包括依次相连的照明子单元22N（N=1、2、3、…）；所述照明子单元22N包括LED串（由多个LED串联而成）22Na和开关电流控制电路22Ne。

所述开关电流控制电路22Ne为NMOS开关管电流控制电路。

所述NMOS开关管电流控制电路包括高压NMOS管22Nb、栅极二极管22Nc和源极二极管22Nd；所述高压NMOS管22Nb的漏极和源极分别与LED串22Na的输入端和输出端相连；所述栅极二极管22Nc的阳极与开关电流控制电压V_CTRL相连，阴极与高压NMOS管22Nb的栅极相连；所述源极二极管22Nd的阳极和阴极分别与高压NMOS管22Nb的源极和栅极相连。

对于每一个照明子单元22N，当输入端与输出端电压差小于照明子单元中LED串22Na的阈值电压时，电流源单元提供的电流流过高压NMOS管，LED串22Na上没有电流流过不被点亮；当输入端与输出端电压差达到照明子单元中LED串22Na的阈值电压且高压NMOS管22Nb的栅极与漏极电压差(V_GS)大于高压NMOS管22Nb的阈值电压时，LED串22Na与高压NMOS管22Nb并联，电流和为电流源单元所提供的电流；当输入端与输出端电压差达到照明子单元中LED串22Na的阈值电压且高压NMOS管22Nb的栅极与漏极电压差(V_GS)小于高压NMOS管22Nb的阈值电压时，LED串22Na上的电流为电流源单元所提供的电流。由LED的导电特性可知，当照明子单元的输入端与输出端电压差达到照明子单元中LED串22Na的阈值电压后，随着输入端电压的升高输出端会同步升高，以保证LED串22Na上的压降保持恒定。

所述源极二极管22Nd可以为普通二极管或电阻，在本具体实施例中选用稳压二极管，当照明子单元的输出端电压高于高压NMOS管22Nb的栅极电压会被稳压二极管22Nd钳位为输出端电压，这样可以保护高压NMOS管不被击穿烧毁，驱动电路依然正常工作。

所述电流源单元230包括参考电压输入端、电流输入端和接地端；所述电流输入端与照明单元220的输出端相连；所述参考电压输入端的输入电压与AC电源电压同相。

所述电流源单元230还包括运算放大器231和恒流NMOS管232；所述运算放大器231的同相输入端与参考电压输入端相连，反相输入端通过采样电阻233接地，输出端与恒流NMOS管的栅极相连；所述恒流NMOS管232漏极与电流源单元230的电流输入端相连，源极通过采样电阻233接地。

在本具体实施例中，所述的电流源单元230的参考电压为与AC电源同步的有效值恒定的正弦半波电压，所述照明单元220导通时的电流保持在当前电流源单元中的运算放大器的同相输入端连接的参考电压值除以所述采样电阻233的值，该电流为正弦半波电流且与AC电源电压具有相同的相位，所以输入AC电压与输入AC电流具有相同的相位且输入电流也为正弦波。

AC电源电压经过整流单元210整流后输出正弦半波，整流单元210输出点的电压从0V开始逐渐上升，当该电压值未达到第一照明子单元221中LED串221a所需的导通阈值电压时，电流流过照明单元中的所有驱动高压NMOS管22Nb,随着电压的升高，当该电压值达到第一照明子单元221中LED串221a所需的导通阈值电压时，第一照明子单元221中的LED串221a开始流过电流，LED串和高压NMOS管221b流过的电流和为电流源单元提供的电流，随着电压的升高，由于LED串221a正向导通压降保持不变，第一照明子单元的输出端电压随之升高，当高压NMOS管221b的栅极与输出端电压差小于其开启阈值电压时，高压NMOS管221b关闭，流过LED串221a的电流与电流源单元提供的电流相等，此时，第一照明子单元点亮，其它照明子单元的输入输出端电压未到达LED串的开启阈值电压，电流源单元所提供的电流均流过高压NMOS管, 其它照明子单元的LED串上没有电流流过则没有点亮。

随着AC电源电压继续上升，第一照明子单元221承受的电压保持不变，多余的电压将由第二照明子单元分担，当多余的电压达到了第二照明子单元222的导通阈值电压后，第二照明子单元的LED串222a开始流过电流，随着电压的上升，第二照明子单元的LED串222a流过的电流增大而高压NMOS管222b流过的电流减小，当第二照明子单元的高压NMOS管的栅极与输出端电压差小于其阈值电压时，流过第二照明子单元的LED串222a的电流等于电流源单元提供的电流。此时电流源提供的电流流过第一、第二照明子单元的LED串和其它照明子单元的高压NMOS管，也即第一、第二照明子单元点亮其它照明子单元没有点亮。随着AC电源电压的继续增大，照明单元220中的其它照明子单元将会被依次点亮。

当AC电源电压处在峰值时，整流单元210输出点的电压也处在峰值状态，此时照明子单元全部点亮，随着整流单元210输出点的电压从峰值点降低，由LED的导电特性，照明单元220的输出端电压也会随之降低，当第N照明子单元中高压NMOS管22Nb的栅极电压与输出端电压大于其阈值电压时，第N照明子单元中，流过高压NMOS管22Nb的电流增大而流过LED灯串的电流减小，当电压值小于所有照明子单元的开启电压阈值时，第N照明子单元中，电流只流过高压NMOS管22Nb，此时第N照明子单元不被点亮。同理，随着AC电源电压的下降，照明单元220中点亮的照明子单元的个数逐渐减小。

照明单元220中点亮的照明子单元的个数随着AC电源电压的增大而增多，随着AC电源电压的降低而减少。输入AC电压与输入AC电流具有相同的相位且输入电流也为正弦波，所以该电路具有很高的功率因素。当AC电源的周期小于人眼的识别时间时，人眼观察到的发光将是均匀、稳定的。以50Hz市电为例，经过整流单元输出的正弦半波频率为100Hz，该频率显然超出了人眼识别范围，所以在市电供电时，人眼观察到的发光将是均匀、稳定的。

所述整流单元210为全波整流电路。

所述电流源单元230也可以为有效值恒定电流源，所述的LED驱动电路仍然可以实现随着输入电压的变化自动切换点亮LED串的数量。

如图3所示，照明单元的照明子单元数量取值为5，电压波形310为AC电源经全波整流后的波形，对于220V市电，其峰值为310V。电压波形320为照明子单元点亮时LED串上的电压，可以看出，当照明子单元数量取值越大，对电源电压的利用效率就会越高。从图3中的波形中可以看出，当整流后的电压达到第一照明子单元221的开启电压阈值时，第一照明子单元221开始有电流流过，其余的照明子单元随输入AC电源电压的升高被依次点亮，随输入AC电源电压的降低被依次熄灭，循环变化。

如图4所示，在一个周期过程中照明单元220的电流由电流源单元230控制其保持有效值恒定，从而保证了照明单元220在一定频率范围内的发光均匀稳定。

Claims (6)

1.一种LED驱动电路，其特征在于：包括依次相连的用于对输入AC电源进行整流的整流单元（210）、用于照明的照明单元（220）和用于控制照明单元电流的电流源单元（230），所述电流源单元（230）的输出与整流单元（210）的地线输出相连；所述照明单元包括依次相连的照明子单元（22N）；所述照明子单元（22N）包括LED串（22Na）和开关电流控制电路（22Ne）；所述开关电流控制电路（22Ne）为NMOS开关管电流控制电路；所述NMOS开关管电流控制电路包括高压NMOS管（22Nb）、栅极二极管（22Nc）和源极二极管（22Nd）；所述高压NMOS管（22Nb）的漏极和源极分别与LED串（22Na）的输入端和输出端相连；所述栅极二极管（22Nc）的阳极与开关电流控制电压V_CTRL相连，阴极与高压NMOS管（22Nb）的栅极相连；所述源极二极管（22Nd）的阳极和阴极分别与高压NMOS管（22Nb）的源极和栅极相连。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于：所述源极二极管（22Nd）为稳压二极管。

3.根据权利要求1到2之一所述的LED驱动电路，其特征在于：所述电流源单元（230）包括参考电压输入端、电流输入端和接地端；所述电流输入端与照明单元（220）的输出端相连；所述参考电压输入端的输入电压与AC电源电压同相。

4.根据权利要求3所述的LED驱动电路，其特征在于：所述电流源单元（230）还包括运算放大器（231）和恒流NMOS管（232）；所述运算放大器（231）的同相输入端与参考电压输入端相连，反相输入端通过采样电阻（233）接地，输出端与恒流NMOS管的栅极相连；所述恒流NMOS管（232）漏极与电流源单元（230）的电流输入端相连，源极通过采样电阻（233）接地。

5.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于：所述整流单元（210）为全波整流电路。

6.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于：所述电流源单元（230）为有效值恒定电流源。