CN104080256B - 自适应led电流纹波消除电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应LED电流纹波消除电路包括：功率管Q108、电流采样电阻R109、运算放大器U110、以及一个自适应基准电压产生电路。功率管Q108的漏极接LED灯负载的阴极、源极接电流采样电阻R109的一端、运算放大器U110的反相输入端以及自适应基准电压产生电路的输入端；自适应基准电压产生电路的输出端接运算放大器U110的同相输入端；运算放大器U110的输出端接功率管Q108的栅极；电流采样电阻R109的另一端作为该自适应LED电流纹波消除电路的接地端。自适应基准电压产生电路用于根据采样电压，自动调节其输出电压，控制运算放大器U110，从而能够控制功率管Q108的工作状态从线性区转移到饱和区。本发明用于消除LED频闪。

Description

自适应LED电流纹波消除电路

技术领域

本发明涉及照明驱动电路，尤其涉及LED恒流驱动电路。

背景技术

LED是典型的电流型器件，对工作电流的稳定性要求很高。传统的LED恒流驱动电路的简单示意图如图1所示，包括交流输入源，整流桥，恒流驱动模块，滤波电容和LED负载，该LED负载和滤波电容直接并联。

为了达到高功率因数的要求，上述恒流驱动模块输出的电流含有工频纹波分量，例如输入源频率为50Hz，则恒流驱动模块输出的电流含有100Hz的纹波，滤波电容上的电压也含有100Hz的纹波。同时，流过LED负载的电流也含有100Hz的纹波，导致LED负载输出的光含有100Hz的频闪。尽管人的肉眼难以觉察这种低频频闪，但是人眼长期处在这种照明环境下，会造成视觉神经疲劳，危害人体健康，IEEE在2010年、2013年相继提出LED照明闪烁对健康的潜在危害，如光敏性癫痫、偏头痛、眩晕等等，所以对无闪烁LED照明的呼声越来越大。而且较大的电流纹波，会影响LED的发光效率，并缩短其使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种自适应LED电流纹波消除电路，能够达到消除LED频闪的目的。

为达到上述目的，本发明在现有的LED恒流驱动电路中，加入了该自适应LED电流纹波消除电路。

现有的LED恒流驱动电路包括：整流电路、恒流电路、输出滤波电容、LED灯负载。

该自适应LED电流纹波消除电路包括：功率管Q108、电流采样电阻R109、运算放大器U110、以及一个自适应基准电压产生电路。功率管Q108的漏极接LED灯负载的阴极、源极接电流采样电阻R109的一端、运算放大器U110的反相输入端以及自适应基准电压产生电路的输入端；自适应基准电压产生电路的输出端接运算放大器U110的同相输入端；运算放大器U110的输出端接功率管Q108的栅极；电流采样电阻R109的另一端作为该自适应LED电流纹波消除电路的接地端。

LED驱动电流流经功率管Q108，在电流采样电阻R109上产生采样电压，自适应基准电压产生电路用于根据采样电压，自动调节其输出电压，控制运算放大器U110，使得当LED驱动电流中的纹波电流波动超过设定波动范围时，运算放大器U110的输出减小，从而控制功率管Q108的工作状态从线性区转移到饱和区。

所述自适应基准电压产生电路包括：开关K117、电容C119、基准电压生成电路、比较器U124和U125、或门G128、与门G131、电流源I135、电流源I133、电容C134。

开关K117受控于时钟信号CLK_A，时钟信号CLK_A为高电平则开关K117导通，时钟信号CLK_A为低电平则开关K117截止。开关K117的一端作为自适应基准电压产生电路的输入端连接电流采样电阻R109的一端，获取采样的电压信号V_CS；同时电压信号V_CS分别输入至比较器U124的同相输入端和比较器U125的反相输入端，以及运算放大器U110的反相输入端；开关K117的另一端接电容C119的一端、以及基准电压生成电路的输入端；电容C119的另一端接自适应LED电流纹波消除电路的接地端。基准电压生成电路用于根据保持在电容C119上的电压V_{CS_Sampled}，产生两个基准电压V_{CS_Sampled}+ΔV和V_{CS_Sampled}-ΔV，并分别送至比较器U124的反相输入端和比较器U125的同相输入端；比较器U124和U125各自的输出端接或门G128的两个输入端，或门G128的输出端接与门G131的一个输入端，时钟信号CLK_B输入与门G131的另一个输入端；与门G131的输出端接电流源I133的受控端。电流源I135的第一端接供电端，第二端接电流源I133的第一端、电容C134的一端，以及运算放大器U110的同相输入端；电流源I133的第二端和电容C134的另一端接自适应LED电流纹波消除电路的接地端。

电流采样电阻R109也可以不包含在上述的自适应LED电流纹波消除电路中，而是作为一个外接采样电阻，连接关系则同上述的电流采样电阻R109。

时钟信号CLK_A和时钟信号CLK_B频率相同，两者之间相位相差90^°，信号周期均为T，每周期T均包含4个时段。T1时段内：CLK_A是高电平、CLK_B是低电平；T2时段内：CLK_A是低电平、CLK_B是低电平；T3时段内：CLK_A是低电平，CLK_B是高电平；T4时段内：CLK_A是低电平，CLK_B是低电平。

初始状态下，自适应基准电压产生电路的输出电压接近电源电压，使得运算放大器U110输出高电压，控制功率管Q108导通，并且工作在线性区(也就是MOS管的非饱和区)，LED驱动电流可以不受限制的通过功率管Q108，并且在电流采样电阻R109上产生采样电压，自适应基准电压产生电路可以根据采样电压，自动调节其输出电压，当LED驱动电流中的纹波电流波动超过设定波动范围时，反映到电压的表现上，则反馈的电压V_CS会落在电压区间(V_{CS_Sampled}-ΔV，V_{CS_Sampled}+ΔV)以外，此时自适应基准电压产生电路的输出电压降低，运算放大器U110的输出减小，从而控制功率管Q108的工作状态从线性区转移到饱和区(MOS管的饱和区，即放大区)。功率管Q108进入饱和区工作后，其等效交流输出电阻增大，远远大于LED灯的等效电阻，因此功率管Q108漏端的电压波形可以跟随输出滤波电容上的电压波形，最终抵消落在LED灯上的电压波动，从而消除LED灯的纹波电流。

传统的LED照明驱动电路，由于LED灯的阴极直接接地，输出滤波电容上的电压波动，全部都落在了LED灯上，引起了LED灯的低频频闪。

与现有技术相比较，本发明功率管漏极的电压基本等于输出滤波电容上的电压纹波成分，使LED负载上的电压为一近似无纹波的直流电压，LED负载上的电流为一近似无纹波的直流电流，从而达到LED无频闪的目的。

附图说明

图1是现有的有纹波LED恒流驱动电路的简单示意图。

图2是本发明实施例一提供的无频闪的LED恒流驱动电路的原理图。

图3是本发明实施例采用的时钟频率相位关系图。

图4为本发明实施例二提供的无频闪的LED恒流驱动电路的原理图。

图5为本发明的一种自适应LED电流纹波消除电路的供电方式示意图。

图6为本发明的另一种自适应LED电流纹波消除电路的供电方式示意图。

图7是本发明的一种应用拓扑结构示意图。

图8是本发明的另一种应用拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图2是本发明的实施例一。

在一个现有的LED恒流驱动电路中，加入了本发明提出的自适应LED电流纹波消除电路。因此整个LED恒流驱动电路包括整流滤波电路D101、D102、D103、D104、105，对输入交流电压进行整流，将频率为50/60Hz的交流全波电压，整流成频率为100/120Hz的交流半波电压；恒流电路105，具有功率因数校正功能，输出平均电流恒定，但是存在频率为100/120Hz的纹波电流；C106是输出滤波电容；D107是一组串联的LED灯；Q108是功率管，可以是MOSFET。R109是电流采样电阻；U110是运算放大器；111是自适应基准电压产生电路。

恒流电路105产生的输出电流112，分成LED驱动电流113和输出滤波电容充电电流114两路，其中113送给LED负载D107；114送给输出滤波电容C106。

自适应基准电压产生电路111输出电压信号115，115是基准电压V_REF，送给运算放大器U110的同相输入端，V_REF的初始电压接近电源电压，使得运算放大器U110输出高电压控制功率管Q108工作在线性区(MOS管的非饱和区)，LED驱动电流113可以不受限制的通过功率管Q108；电流采样电阻R109将LED驱动电流信号113转换成电压信号116(即电压Vcs)送给运算放大器U110的反相输入端和自适应基准电压产生电路111。

由于LED驱动电流信号113中包含了频率为100/120Hz的纹波电流，因此电压信号116同样包含频率为100/120Hz的纹波电压。

开关K117在信号118的控制下进行开关切换，信号118是具有某一频率的时钟信号CLK_A，例如在时钟的高电平时间内，信号118控制开关K117导通，在时钟的低电平时间内，信号118控制开关K117截止。在采样频率CLK_A的控制下，逐周期的将电压信号V_CS采样并保持在电容C119上，保持在电容C119上的电压信号120是V_{CS_Sampled}，经过基准电压生成电路121的处理后，产生两路基准电压122和123，其中122为V_{CS_Sampled}+ΔV，送到比较器U124的反相输入端；123为V_{CS_Sampled}-ΔV，送到比较器U125的同相输入端。比较器U124的同相输入端和比较器U125的反相输入端接电压信号116(即电压Vcs)。ΔV取的比较小，一般为几十个毫伏，以抑制纹波波动。

比较器U124输出信号126，比较器U125输出信号127，信号126和127送到或门G128，或门G128输出信号129，与信号130一起送到与门G131，信号130是具有某一频率的时钟信号CLK_B，与门G131的输出132控制电流源I133是否放电，在本发明的此实施例中，当132是高电平时，控制电流源I133放电，电容C134的电压信号115(即V_REF)随着电流源I133的放电而降低。

图3是时钟信号CLK_A和CLK_B的相位关系图。时钟信号CLK_A和时钟信号CLK_B频率相同，两者之间相位相差90°，信号周期均为T，每周期T均包含4个时段：T1时段内：CLK_A是高电平、CLK_B是低电平；T2时段内：CLK_A是低电平、CLK_B是低电平；T3时段内：CLK_A是低电平，CLK_B是高电平；T4时段内：CLK_A是低电平，CLK_B是低电平。T1时段是电压采样过程，T3时段是控制放电过程，这两个过程依靠时钟信号CLK_A和CLK_B区分开。时钟信号CLK_A和CLK_B通常可以通过在自适应基准电压产生电路111中内置两个时钟源产生。

在T1时段内：118信号CLK_A是高电平、130信号CLK_B是低电平，开关K117导通，将T1时段内的V_CS平均电压采样并保持在电容C119上，信号132是低电平，电流源I133不放电。在T2时段内，118信号CLK_A是低电平，130信号CLK_B是低电平，电流源I133不放电。在T3时段内，118信号CLK_A是低电平，130信号CLK_B是高电平，允许与门G131将比较器U124或U125的输出传输给信号132，如果V_CS电压大于或小于V_{CS_Sampled}电压的差值超过ΔV，则控制电流源I133放电，否则电流源I133不放电；在T4时段内，118信号CLK_A是低电平，130信号CLK_B是低电平，电流源I133不放电。

电流源I135对电容C134进行充电，其中电流源I135可以是固定电流源，也可以是受控电流源，在本发明的此实施例中：在上电初期，电流源I135对电容C134充电至接近电源电压，然后停止对电容C134进行充电。在本发明的另一个具体实施例中：在上电初期，电流源I135对电容C134充电至接近电源电压，然后每间隔一段时间就对电容C134充电一次。

LED驱动电流113在电阻R109上转换成电压信号116(即电压Vcs)，116被采样保持在电容C119上，因此电压V_{CS_Sampled}能够反映LED的平均电流。当V_CS电压在T3时段内的纹波电压超过ΔV时，信号132控制电流源I133对电容C134放电，115电压信号V_REF减小，当V_REF电压逐渐下降后，运算放大器U110的输出逐渐减小，控制功率管Q108从线性工作区(非饱和区)逐渐转移到饱和工作区(放大区)，进入饱和工作区后，功率管Q108的等效电阻增大，远大于LED的等效电阻，因此电容C106上的纹波电压，落在了功率管Q108的漏极，使得LED灯串D107两端的电压能够保持恒定，从而消除或减小了LED驱动电流113中的纹波电流。

电流源I135的第一端为电流流入端，第二端为电流流出端；电流源I133的第一端为电流流入端，第二端为电流流出端。

图4是本发明的第二个实施例。在实施例一中，功率管Q108的漏极电压V_D若过高则会引起Q108消耗功率高导致发热严重的问题。因此在图3所示的实施例基础上增加了一个比较器U136，此时电流源I135为受控电流源；比较器U136的同相输入端接电压信号137，137是功率管Q108的漏极电压V_D，反相输入端接电压信号138，138是一个基准电压V₁，比较器U136的输出端接电流源I135的受控端；比较器U136的输出信号139，控制电流源I135是否充电，在本实施例中，信号139为高电平时，控制电流源I135对电容C134进行充电。当电压V_D超过V₁时，电流源I135对电容C134进行充电。

若电压V_REF因为某种原因下降，比如电容C134自放电，则功率管Q108栅极电压会下降，功率管Q108带电流能力下降，而LED驱动电流113的平均值看做是不变的，当LED驱动电流113大于基准电压V_REF和负反馈环路控制产生的电流时，多余的电流会使电压信号V_D增大，超过阈值电压V₁时，电流源I135对电容C134进行充电，基准电压V_REF增大，控制功率管Q108吸收更多的电流，自动完成电流调节过程。

在具体实施时，可以将功率管Q108、运算放大器U110、自适应基准电压产生电路111，比较器U136集成在一起，形成一个自适应LED电流纹波消除电路201。图5是电路201的供电方式，电路201拥有三个端口VDD、CS、D，VDD为电路201供电，CS端用于外接电流采样电阻R109，LED电流从D端流入。

也可以将进一步将电流采样电阻R109也集成进自适应LED电流纹波消除电路，形成自适应LED电流纹波消除电路301，如图6所示。

图5和图6中，LED串中最后一个LED两端的压差约3.4v，足以为自适应LED电流纹波消除电路供电。

最后需要说明的是，虽然本发明的两个实施例中功率管Q108采用MOSFET管，但是Q108采用BJT三极管也是可以的。上述描述中，MOS管的线性工作区(非饱和区)对应三极管的饱和区，MOS管的饱和区(放大区)对应三极管的放大区，照此对应关系即可理解BJT三极管在上述电路中的工作过程。

图7是根据本发明在隔离型反激变换器LED照明中的一个具体应用实施例。

图8是根据本发明在非隔离降压型LED照明中的一个具体应用实施例。

以上所示仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自适应LED电流纹波消除电路，其特征在于，包括：

功率管Q108、电流采样电阻R109、运算放大器U110、以及一个自适应基准电压产生电路(111)；

功率管Q108的漏极接LED灯负载的阴极、源极接电流采样电阻R109的一端、运算放大器U110的反相输入端以及自适应基准电压产生电路(111)的输入端；自适应基准电压产生电路(111)的输出端接运算放大器U110的同相输入端；运算放大器U110的输出端接功率管Q108的栅极；电流采样电阻R109的另一端作为该自适应LED电流纹波消除电路的接地端；

LED驱动电流流经功率管Q108，在电流采样电阻R109上产生采样电压，自适应基准电压产生电路(111)用于根据采样电压，自动调节其输出电压，控制运算放大器U110，使得当LED驱动电流中的纹波电流波动超过设定波动范围时，运算放大器U110的输出减小，从而控制功率管Q108的工作状态从线性区转移到饱和区；

所述自适应基准电压产生电路(111)包括：

开关K117、电容C119、基准电压生成电路（121)、比较器U124和U125、或门G128、与门G131、电流源I135、电流源I133、电容C134；

开关K117受控于时钟信号CLK_A，时钟信号CLK_A为高电平则开关K117导通，时钟信号CLK_A为低电平则开关K117截止；

开关K117的一端作为自适应基准电压产生电路(111)的输入端连接电流采样电阻R109的一端，获取采样的电压信号V _CS；同时电压信号V _CS分别输入至比较器U124的同相输入端和比较器U125的反相输入端，以及运算放大器U110的反相输入端；开关K117的另一端接电容C119的一端、以及基准电压生成电路（121)的输入端；电容C119的另一端接自适应LED电流纹波消除电路的接地端；

基准电压生成电路（121)用于根据保持在电容C119上的电压V _{CS_Sampled}，产生两个基准电压V _{CS_Sampled}+ΔV和V _{CS_Sampled}-ΔV，并分别送至比较器U124的反相输入端和比较器U125的同相输入端；比较器U124和U125各自的输出端接或门G128的两个输入端，或门G128的输出端接与门G131的一个输入端，时钟信号CLK_B输入与门G131的另一个输入端；与门G131的输出端接电流源I133的受控端；其中的ΔV为毫伏级纹波波动抑制电压；

电流源I135的第一端接供电端，第二端接电流源I133的第一端、电容C134的一端，以及运算放大器U110的同相输入端；电流源I133的第二端和电容C134的另一端接自适应LED电流纹波消除电路的接地端；

时钟信号CLK_A和时钟信号CLK_B频率相同，两者之间相位相差90°，信号周期均为T，每周期T均包含4个时段：

T1时段内：CLK_A是高电平、CLK_B是低电平；T2时段内：CLK_A是低电平、CLK_B是低电平；T3时段内：CLK_A是低电平，CLK_B是高电平；T4时段内：CLK_A是低电平，CLK_B是低电平。

2.如权利要求1所述的自适应LED电流纹波消除电路，其特征在于：

所述电流源I135为固定电流源或者受控电流源。

3.如权利要求1所述的自适应LED电流纹波消除电路，其特征在于：

所述电流源I135为受控电流源；并且该自适应LED电流纹波消除电路还包括一个比较器U136；比较器U136的同相输入端接功率管Q108的漏极电压V _D，反相输入端接一个阈值电压V ₁；比较器U136的输出端接电流源I135的受控端；当电压V _D超过V ₁时，电流源I135对电容C134进行充电。

4.如权利要求1～3中任一项所述的自适应LED电流纹波消除电路，其特征在于：功率管Q108为MOSFET管。

5.如权利要求4所述的自适应LED电流纹波消除电路，其特征在于：功率管Q108能够用一BJT三极管替换。

6.如权利要求1～3中任一项所述的自适应LED电流纹波消除电路，其特征在于：

电流采样电阻R109不包含在上述的自适应LED电流纹波消除电路中，而是作为一个外接采样电阻。