CN103987178B - Led驱动方法、驱动电路及其输出电流纹波控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED驱动方法、驱动电路及其输出电流纹波控制器，该控制器包括：线性恒流控制电路，串联在所述功率开关的输出端与所述LED负载之间，所述线性恒流控制电路向所述LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值；恒压控制电路，其第一输入端接收第一基准电压，其第二输入端连接所述功率开关的输出端以接收输出纹波电压，所述恒压控制电路对所述输出纹波电压和第一基准电压进行比较并根据比较结果产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断，以使所述输出纹波电压的平均值与所述第一基准电压相等。本发明能够使得流经LED负载的电流保持不变，消除了工频纹波。

Description

LED驱动方法、驱动电路及其输出电流纹波控制器

技术领域

本发明涉及LED驱动技术，尤其涉及一种LED驱动方法、驱动电路及其输出电流纹波控制器。

背景技术

参考图1，传统的带功率因数调整的降压结构的LED驱动电路包括：整流电路110、输入滤波电容C1、恒流控制电路100、环路补偿电路104、功率开关M1、输出电流采样电阻Rsen1、续流二极管D5、负载滤波电容C4、LED负载105以及电感L1。其中，功率开关M1导通时，输入电流由整流电路110的正端流出，依次流经功率开关M1、输出电流采样电阻Rsen1、LED负载105和负载滤波电容C4形成的并联电路、电感L1，流回到整流电路110的负端；功率开关M1关断时，输入电流为零，电感L1上的电流不能突变，电感L1的电流流经续流二极管D5、输出电流采样电阻Rsen1、LED负载105和负载滤波电容C4形成的并联电路流回电感L1。

可见，流过LED负载105的平均电流与流经输出电流采样电阻Rsen1的平均电流相同，因此，只需要控制流经输出电流采样电阻Rsen1的电流平均值就可以控制输出电流。当以功率开关M1与输出电流采样电阻Rsen1的连接点作为恒流控制电路100的参考地时，输出电流采样电阻Rsen1的另一端的电压值为负值，即-Vsena。恒流控制电路100可以包括极性变换电路106、误差放大器101、环路补偿电路104、PWM控制电路102和驱动电路103。其中，极性变换电路106将负极性的采样电压-Vsena转换成正电压Vsenb，该正电压Vsenb输入到误差放大器101的一个输入端；误差放大器101的另一个输入端接收基准电压VREF1，误差放大器101的输出端接环路补偿电路104，误差放大器101的输出端产生误差电压；环路补偿电路104通常由电阻或者电阻和电容的串联和/或并联组成，根据误差放大器101的输出电压Vcomp来调节PWM信号，输出电压Vcomp就是经过环路补偿后的误差电压；PWM控制电路102根据误差电压Vcomp的大小产生PWM信号，在有功率因数调整的系统中，误差电压Vcomp用于控制功率开关M1的导通时间，在固定导通时间控制电路中，相同的误差电压Vcomp控制的功率开关M1的导通时间相同；驱动电路103接收PWM控制电路102输出的PWM信号以产生驱动信号GT，该驱动信号GT用于驱动功率开关M1。

由于恒流控制器100被用来实现带功率因数调整的功能，恒流控制器100控制产生的恒流输出电流一般含有工频频交流成分，负载滤波电容C4可以滤除高频成分和一部分的工频交流成分。对于常用的50Hz的电网频率，输出到LED负载105的电流含有100Hz工频成分，这样就会产生100Hz的频闪。这种频闪会影响LED负载105的寿命，并造成使用者的视觉疲劳，容易导致近视。

因此，如何降低LED负载上的工频纹波是急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种LED驱动方法、驱动电路及其输出电流纹波控制器，使得流经LED负载的电流保持不变，消除了工频纹波。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种LED驱动电路的输出电流纹波控制器，该LED驱动电路至少包括功率开关和LED负载，，所述输出电流纹波控制器包括：

线性恒流控制电路，串联在所述功率开关的输出端与所述LED负载之间，所述线性恒流控制电路向所述LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值；

恒压控制电路，其第一输入端接收第一基准电压，其第二输入端连接所述功率开关的输出端以接收输出纹波电压，所述恒压控制电路对所述输出纹波电压和第一基准电压进行比较并根据比较结果产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断，以使所述输出纹波电压的平均值与所述第一基准电压相等。

根据本发明的一个实施例，所述线性恒流控制电路和恒压控制电路的参考地相同，该参考地连接至所述线性恒流控制电路与所述LED负载的串联连接点。

根据本发明的一个实施例，所述恒压控制电路包括：

误差放大器，其第一输入端接收所述第一基准电压，其第二输入端接收所述输出纹波电压，其输出端产生误差电压；

补偿电路，与所述误差放大器的输出端相连，所述补偿电路对所述误差电压进行积分以得到控制电压；

PWM控制电路，接收所述控制电压，所述PWM控制电路根据所述控制电压产生PWM控制信号，所述PWM控制信号包含有固定导通时间的信息，该固定导通时间由所述控制电压控制；

驱动电路，接收所述PWM信号，所述驱动电路根据该PWM信号产生所述驱动信号。

根据本发明的一个实施例，所述误差放大器为跨导性误差放大器。

根据本发明的一个实施例，所述补偿网络由电容组成，或者由电容和电阻组成。

根据本发明的一个实施例，所述线性恒流控制电路为电压控制电流结构。

根据本发明的一个实施例，所述线性恒流控制电路包括：

运算放大器，其第一输入端接收第二基准电压；

开关管，其栅极连接所述运算放大器的输出端，其漏极连接所述功率开关的输出端，其源极连接所述运算放大器的第二输入端；

下拉电阻，其第一端连接所述开关管的源极，其第二端连接所述LED负载。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种LED驱动电路，包括：

上述任一项所述的输出电流纹波控制器；

功率开关，其输入端连接输入信号正端，其控制端连接所述恒压控制电路以接收所述驱动信号，其输出端连接所述线性恒流控制电路；

负载电容，其第一端连接所述功率开关的输出端；

电感，其第一端连接所述负载电容的第二端，其第二端连接输入信号负端；

续流二极管，其阳极连接所述电感的第二端，其阴极连接所述功率开关的输出端；

其中，所述线性恒流控制电路配置为与LED负载串联后再与所述负载电容并联。

根据本发明的一个实施例，该LED驱动电路还包括：整流电路，对交流信号进行整流，该整流电路的输出端口连接所述输入信号正端和输入信号负端。

根据本发明的一个实施例，该LED驱动电路还包括：输入滤波电容，其第一端连接所述输入信号正端，其第二端连接所述输入信号负端。

根据本发明的一个实施例，所述功率开关导通时，输入电流由所述输入信号正端流入，依次流经所述功率开关、所述线性恒流控制电路和LED负载串联后再与所述负载电容并联形成的电路以及所述电感，流回到所述输入信号负端；所述功率开关关断时，所述电感上的电流流经所述续流二极管D5、所述线性恒流控制电路和LED负载串联后再与负载滤波电容并联形成的电路，流会到所述电感L1，形成续流回路，流经所述线性恒流控制电路的电流不变则流经所述LED负载的电流也不变，使得所述LED负载上无工频纹波电流。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种LED驱动方法，包括：

将线性恒流控制电路串联在功率开关的输出端与LED负载之间，并将串联后的线性恒流控制电路和LED负载与负载电容并联，所述线性恒流控制电路向所述LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值；

采用恒压控制电路检测所述功率开关的输出端的输出纹波电压，将该输出纹波电压和第一基准电压进行比较，并根据比较结果产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断，以使所述输出纹波电压的平均值与所述第一基准电压相等；

所述恒压控制电路控制所述功率开关的输入端的输入电流跟随输入电压变化，以实现功率因数调整作用，使得所述输出纹波电压完全被所述负载电容吸收。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的LED驱动电路中，线性恒流控制电路与LED负载串联，该线性恒流控制电路向LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值，也就是电流值在设定后是固定不变的，从而保证输出到LED负载上的电流不含工频纹波。

另外，恒压控制电路检测线性恒流电路上的纹波电压大小并控制功率开关的开通和关断，经过环路控制以后，使得线性恒流控制电路上的纹波电压或者说功率开关输出端的纹波电压的平均值保持不变。

附图说明

图1是现有技术中一种降压结构的LED驱动电路的电路结构示意图；

图2是本发明实施例的LED驱动电路的电路结构示意图；

图3是本发明实施例的LED驱动电路中的线性恒流控制电路的详细电路结构示意图；

图4是本发明实施例的LED驱动电路中的恒压控制电路的详细电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图2，本实施例的LED驱动电路包括：输出电流纹波控制器200、功率开关M1、负载电容C4、LED负载105、电感L1以及续流二极管D5。另外，该LED驱动电路还可以包括整流电路110和输入滤波电容C1。

其中，输出电流纹波控制器200包括恒压控制电路201和线性恒流控制电路202。进一步而言，恒压控制电路201串联在功率开关M1的输出端与LED负载205之间，线性恒流控制电路202向LED负载305提供电流，该电流具有预设的电流值。恒压控制电路201的第一输入端接收第一基准电压VREF2，恒压控制电路201的第二输入端连接功率开关M1的输出端以接收输出纹波电压Vsen2，恒压控制电路201对输出纹波电压Vsen2和第一基准电压VREF2进行比较，并根据比较结果产生驱动信号GT，该驱动信号GT用于控制功率开关M1的导通和关断，以使输出纹波电压Vsen2的平均值与第一基准电压VREF2相等。

优选地，恒压控制电路201和线性恒流控制电路202的参考地相同，该参考地连接至线性恒流控制电路202与LED负载205的串联连接点。

功率开关M1连接在输入信号正端与线性恒流控制电路202的输入端之间。进一步而言，功率开关M1的输入端连接输入信号正端，功率开关M1的控制端连接恒压控制电路201以接收驱动信号GT，功率开关M1的输出端连接线性恒流控制电路202的输入端。该功率开关M1例如可以是MOS功率开关管，或者其他适当的开关器件。

LED负载205与线性恒流控制电路202串联，更加具体而言，LED负载205的阳极连接线性恒流控制电路202的输出端。

负载电容C4的第一端连接功率开关M1的输出端，负载电容C4的第二端与LED负载205的阴极连接。换言之，线性恒流控制电路202与LED负载205串联，之后再与负载电容C4并联。

电感L的第一端连接负载电容的第二端以及LED负载205的阴极，电感L的第二端连接输入信号负端。

续流二极管D5的阳极连接电感的第二端以及信号输入负端，续流二极管D5的阴极连接功率开关M1的输出端。

整流电路110对交流信号Vac进行整流，其输出端口连接上述输入信号正端和输入信号负端。输入滤波电容C1的第一端连接该输入信号正端，输入滤波电容C1的第二端连接该输入信号负端。

该线性恒流控制电路202例如可以是电压控制电流结构，也就是通过输入的第二基准电压VREF3来控制输出至LED负载205的电流。

参考图3，图3示出了一种线性恒流控制电路的具体电路，包括：运算放大器301，其第一输入端接收第二基准电压VREF3；开关管M2，其栅极连接运算放大器301的输出端，其漏极连接功率开关M2(参考图2)的输出端，其源极连接运算放大器301的第二输入端；下拉电阻Rcs，其第一端连接开关管M2的源极，其第二端连接LED负载205(参考图2)，另外，下拉电阻Rcs的第二端还作为参考地，也就是下拉电阻Rcs的第二端相当于接地。

对于图3所示的线性恒流控制电路，在第二基准电压VREF3设定后，其输出至LED负载的电流的电流值将维持不变，该电流值为VREF3/Rcs，其中VREF3为第二基准电压VREF3的电压值，Rcs为下拉电阻Rcs的电阻值。

参考图4，图4示出了恒压控制电路的一种具体结构，包括：误差放大器401、PWM控制电路402、驱动电路403以及补偿电路404。

进一步而言，误差放大器401的第一输入端接收第一基准电压VREF2，其第二输入端连接至功率开关M2(参见图2)的输出端以接收输出纹波电压Vsen2，误差放大器401对第一基准电压VREF2和输出纹波电压Vsen2进行比较，计算而后则之间的误差电压，该误差电压经由误差放大器401的输出端输出。该误差放大器401例如可以是跨导型误差放大器，或者其他适当类型的误差放大器。

补偿电路404对误差放大器401输出的误差电压进行积分以得到控制电压Vcomp2。该补偿电路404可以由电容组成，或者也可以由电阻和电容经过串联和/或并联组成。例如，在图4所示的实例中，补偿电路404包括：电容C2，其第一端连接误差放大器401的输出端，其第二端接地；电阻R1其第一端连接电容C2的第一端；电容C3，其第一端连接电阻R1的第二端，其第二端连接电容C2的第二端。

PWM控制电路402接收控制电压Vcom2，根据该控制电压Vcomp2产生PWM控制信号。该PWM控制电路402包含有固定导通时间的信息，该固定导通时间由控制电压Vcomp2控制，例如可以和控制电压Vcomp2的电压值成正比，相同的误差电压Vcomp2控制的功率开关M1的固定导通时间相同。

驱动电路403接收该PWM控制电路402输出的PWM信号，根据该PWM信号产生驱动信号GT，该驱动信号GT用于控制LED驱动电路中的功率开关的导通和关断。

上述恒压控制电路控制功率开关的导通和关断，使得输入电流跟随输入电压变化，也就是该恒压控制电路“原生地”附带有功率因数调整功能。

结合图2和图4，误差放大器401对第一基准电压VREF2和输出纹波电压Vsen2进行比较，经过环路控制以后，使得输出纹波电压Vsne2的电压平均值与第一基准电压VREF2相等。因此，可以通过调节第一基准电压VREF2的电压值的大小，来调节输出纹波电压Vsen2的大小。

下面对该LED驱动电路的工作过程简单介绍如下：功率开关M1导通时，输入电流经由整流电路110的正端传输至输入信号正端，依次流经功率开关M1、线性恒流控制电路202和LED负载205串联后再与负载电容C4并联形成的电路、以及电感L1，流回到整流电路110的负端；功率开关M1关断时，输入电流为零，由于电感L1上的电流不能突变，因此，电感L1上的电流流经续流二极管D5、线性恒流控制电路202和LED负载205串联后再与负载电容C4并联形成的电路，流回至电感L1，形成续流回路。可见，流经LED负载205的电流与流经线性恒流控制电路202的电流基本相同，如果流经线性恒流控制电路202的电流不变，则流经LED负载205的电流也不变。由于线性恒流控制电路202可以实现由第二基准电压VREF3控制的恒流输出，因此，流经LED负载205的电流不发生改变，其中不含有工频纹波电流。

实际上，工频纹波的消除是通过负载电容C4和线性恒流控制电路202共同实现的。当流经电感L1的电流与线性恒流控制电路202的电流不相等时，电流差值的部分将完全由负载电容C4提供，从而在负载电容C4上产生纹波电压。由于LED负载205两端的电压是固定的，因此该纹波电压完全施加至线性恒流控制电路202上，也即图3中的功率管M2的源漏之间。

另外，本实施例还提供了一种LED驱动方法，包括如下步骤：

步骤1，将线性恒流控制电路串联在功率开关的输出端与LED负载之间，并将串联后的线性恒流控制电路和LED负载与负载电容并联，所述线性恒流控制电路向所述LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值；

步骤2，采用恒压控制电路检测所述功率开关的输出端的输出纹波电压，将该输出纹波电压和第一基准电压进行比较，并根据比较结果产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断，以使所述输出纹波电压的平均值与所述第一基准电压相等；

步骤3，所述恒压控制电路控制所述功率开关的输入端的输入电流跟随输入电压变化，以实现功率因数调整作用，使得所述输出纹波电压完全被所述负载电容吸收。

进一步而言，步骤1中，线性恒流控制电路提供的电流值在设定后是固定不变的，保证了流经LED负载的电流不含工频纹波。

步骤2中，恒压控制电路和线性恒流控制电路可以具有相同的参考地，该参考地可以连接至线性恒流控制电路与LED负载的连接点。

步骤3中，恒压控制电路实现功率因数调整作用，产生的输出纹波电压完全由负载电容承载，转换成降落在线性恒流控制电路上的纹波电压。

通过上述驱动方法，线性恒流控制电路提供给LED负载的电流维持不变，没有工频纹波分量，同时恒压控制电路控制输入电流跟随输入电压变化，实现了较高的功率因数，工频纹波电流完全流入至负载电容，由工频纹波电流转化得到的纹波电压则完全降落至线性恒流控制电路上。

综上，本发明公开了带功率因数调整的低输出电流纹波的LED驱动电路和LED驱动方法，使用线性恒流控制电路与LED负载串接以使得流经LED负载的电流值固定不变，从而完全消除了工频纹波，并通过控制输出纹波电压的平均值的大小来控制输入电流的大小，同时实现了功率因数调整功能；输入电流的纹波全部流入到负载电容中，转换成降落在线性恒流控制电路上的纹波电压，实现了输入功率的控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种LED驱动电路，其特征在于，包括：

功率开关和LED负载；

输出电流纹波控制器,该输出电流纹波控制器包括线性恒流控制电路，串联在所述功率开关的输出端与所述LED负载之间，所述线性恒流控制电路向所述LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值；恒压控制电路，其第一输入端接收第一基准电压，其第二输入端连接所述功率开关的输出端以接收输出纹波电压，所述恒压控制电路对所述输出纹波电压和第一基准电压进行比较并根据比较结果产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断，以使所述输出纹波电压的平均值与所述第一基准电压相等；

所述功率开关的输入端连接输入信号正端，其控制端连接所述恒压控制电路以接收所述驱动信号，其输出端连接所述线性恒流控制电路；

负载电容，其第一端连接所述功率开关的输出端，第二端连接所述LED负载的阴极；

电感，其第一端连接所述负载电容的第二端，其第二端连接输入信号负端；

续流二极管，其阳极连接所述电感的第二端，其阴极连接所述功率开关的输出端；

其中，所述线性恒流控制电路配置为与LED负载串联后再与所述负载电容并联，所述线性恒流控制电路和恒压控制电路的参考地相同，该参考地连接至所述线性恒流控制电路与所述LED负载的串联连接点。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述恒压控制电路包括：

误差放大器，其第一输入端接收所述第一基准电压，其第二输入端接收所述输出纹波电压，其输出端产生误差电压；

补偿电路，与所述误差放大器的输出端相连，所述补偿电路对所述误差电压进行积分以得到控制电压；

PWM控制电路，接收所述控制电压，所述PWM控制电路根据所述控制电压产生PWM控制信号，所述PWM控制信号包含有固定导通时间的信息，该固定导通时间由所述控制电压控制；

驱动电路，接收所述PWM信号，所述驱动电路根据该PWM信号产生所述驱动信号。

3.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述误差放大器为跨导性误差放大器。

4.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述补偿网络由电容组成，或者由电容和电阻组成。

5.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述线性恒流控制电路为电压控制电流结构。

6.根据权利要求5所述的LED驱动电路，其特征在于，所述线性恒流控制电路包括：

运算放大器，其第一输入端接收第二基准电压；

开关管，其栅极连接所述运算放大器的输出端，其漏极连接所述功率开关的输出端，其源极连接所述运算放大器的第二输入端；

下拉电阻，其第一端连接所述开关管的源极，其第二端连接所述LED负载。

7.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，还包括：

整流电路，对交流信号进行整流，该整流电路的输出端口连接所述输入信号正端和输入信号负端。

8.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于，还包括：

输入滤波电容，其第一端连接所述输入信号正端，其第二端连接所述输入信号负端。

9.根据权利要求8所述的LED驱动电路，其特征在于，所述功率开关导通时，输入电流由所述输入信号正端流入，依次流经所述功率开关、所述线性恒流控制电路和LED负载串联后再与所述负载电容并联形成的电路以及所述电感，流回到所述输入信号负端；所述功率开关关断时，所述电感上的电流流经所述续流二极管(D5)、所述线性恒流控制电路和LED负载串联后再与负载滤波电容并联形成的电路，流会到所述电感(L1)，形成续流回路，流经所述线性恒流控制电路的电流不变则流经所述LED负载的电流也不变，使得所述LED负载上无工频纹波电流。

10.一种LED驱动方法，其特征在于，包括：

将线性恒流控制电路串联在功率开关的输出端与LED负载之间，并将负载电容的第一端连接所述功率开关的输出端，第二端连接所述LED负载的阴极，使串联后的线性恒流控制电路和LED负载与负载电容并联，并且将电感的第一端连接所述负载电容的第二端，第二端连接输入信号负端，将续流二极管的阳极连接所述电感的第二端，阴极连接所述功率开关的输出端，所述线性恒流控制电路向所述LED负载提供电流，该电流具有预设的电流值；

采用恒压控制电路检测所述功率开关的输出端的输出纹波电压，将该输出纹波电压和第一基准电压进行比较，并根据比较结果产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断，以使所述输出纹波电压的平均值与所述第一基准电压相等；

所述功率开关的输入端连接输入信号正端，所述恒压控制电路控制所述功率开关的输入端的输入电流跟随输入电压变化，以实现功率因数调整作用，使得所述输出纹波电压完全被所述负载电容吸收，

其中所述线性恒流控制电路和恒压控制电路的参考地相同，该参考地连接至所述线性恒流控制电路与所述LED负载的串联连接点。