CN104168697B - 用于led驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路，属于输出电流控制电路技术领域。本发明的输出电流控制电路包括：一开关分段调光控制单元，用于产生一组开关分段调光控制信号；一输出电流基准电压产生单元，用于产生所需的输出电流基准电压；一比较器单元，用于将峰值电流采样电阻上的电压值与LED输出电流基准电压进行比较；一电感零电流检测单元，用于对电感电流过零的时刻进行检测；一电感空闲时间控制单元，用于对电感的空闲时间进行控制；一逻辑与驱动单元，用于对电感空闲时间控制单元和比较器单元的输出信号进行逻辑控制。本发明能有效的提高了系统的效率和降低了系统的成本，提高LED驱动电源的质量和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种输出电流控制电路，尤其涉及一种用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路。
背景技术
随着LED驱动电源的发展以及绿色节能环保的要求，目前LED驱动电源普遍具有调光功能。在各种调光方式中，开关分段调光是最为简单方便的一种。LED驱动电源的开关分段调光电路，利用普通开关的反复开启与关闭来切换调光状态，从而得到不同调光状态下的LED输出电流，以实现分段调光的目的。
在开关分段调光的LED输出电流大小控制方面，传统的解决方法是利用开关分段调光控制电路来检测普通开关的开启与关闭动作，产生一组对应不同的调光状态的控制信号，根据这些控制信号选取不同的LED输出电流基准电压，从而得到不同大小的LED输出电流。
图1是传统的具有开关分段调光功能的LED恒流驱动电路，通常包括：整流桥D1～D4，输入滤波电容C1，供电电阻R1，供电电容C2，控制芯片U1，峰值电流采样电阻R2，功率开关管Q1，电感L1，续流二极管D5，输出电容C3，输出电阻R3和LED负载LEDs。在控制芯片U1内部，通常包括：开关分段调光控制单元，电压基准单元，输出电流控制单元和逻辑与驱动单元；其中输出电流控制单元的电路如图2所示。当开关第一次开启时，开关分段调光控制单元输出一控制信号DIM1，该控制信号使得开关S1闭合，从而选取了VREF作为LED输出电流基准电压。当开关关闭并第二次开启时，开关分段调光控制单元输出一控制信号DIM2，该控制信号使得开关S2闭合，从而选取了1/2*VREF作为LED输出电流基准电压。当开关关闭并第三次开启时，开关分段调光控制单元输出一控制信号DIM3，该控制信号使得开关S3闭合，从而选取了1/4*VREF作为LED输出电流基准电压。随着开关的反复开启与闭合，输出电流控制电路选取不同的LED输出电流基准电压，从而得到不同大小的LED输出电流。
图3为传统的具有开关分段调光功能的LED恒流驱动电路在开关分段调光时对应的关键节点波形图。从图中可以看到，在第二段调光时，由于LED输出电流基准电压为第一段调光时的一半，则对应电感峰值电流大小和控制芯片的工作周期也为第一段调光时的一半。更进一步地，在第三段调光时，由于LED输出电流基准电压为第一段调光时的1/4，则对应电感峰值电流大小和控制芯片的工作周期也为第一段调光时的1/4。由此可以得到，在开关分段调光中，这种单纯减小LED输出电流基准电压的输出电流控制技术，在实现了输出LED调光目的同时也成比例的增大了LED驱动电源的工作频率。
传统的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路存在以下缺点：传统的输出电流控制电路在开关分段调光过程中会成比例的增大了LED驱动电源的工作频率。LED驱动电源工作频率的增大则会增加功率开关管以及整个系统的功耗，也会增加整个LED驱动电源的温升，从而降低了系统的效率和可靠性；更严重的是，工作频率的增大会使得整个LED驱动电源的电磁干扰变大，这需要增加额外的抗电磁干扰电路，从而增加了系统的成本和调试难度。在讲究成本和效率并追求高质量和可靠性的LED驱动电源设计中，这种传统的开关分段调光的输出电流控制电路越来越具有局限性。
发明内容
针对传统的开关分段调光的输出电流控制技术的局限性，本发明的目的在于提供一种用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路包括：一输出电流基准电压产生单元，用于产生所需的输出电流基准电压；一第一比较器单元，用于将峰值电流采样电阻上的电压值与输出电流基准电压进行比较；一电感零电流检测单元，用于对电感电流过零的时刻进行检测；一电感空闲时间控制单元，用于对电感的空闲时间进行控制；一逻辑与驱动单元，用于对电感空闲时间控制单元和第一比较器单元的输出信号进行逻辑控制，进而驱动功率开关管和控制电感空闲时间控制单元；
更进一步地，用于LED驱动电源开关分段调光的控制芯片还包括一开关分段调光控制单元，用于产生一组开关分段调光控制信号。
所述开关分段调光控制单元的第一和第二输出端连接输出电流基准电压产生单元的输入端，所述输出电流基准电压产生单元的输出端连接所述第一比较器单元的负输入端，所述第一比较器单元的正输入端与峰值电流采样电阻连接，所述第一比较器单元的输出端与所述逻辑与驱动单元的第一个输入端连接；所述电感零电流检测单元的输出端连接所述电感空闲时间控制单元的第一个输入端，所述开关分段调光控制单元的第三输出端与所述电感空闲时间控制单元的第二个输入端连接，所述电感空闲时间控制单元的输出端连接所述逻辑与驱动单元的第二输入端；所述逻辑与驱动单元的输出端分别连接功率开关管的输入端和所述电感空闲时间控制单元的第三个输入端。
更进一步地，所述电感空闲时间控制单元由一开关控制逻辑单元，第一固定电流源，第二固定电流源，第一开关，第二开关，采样电容，比较器基准电压和第二比较器单元组成；所述开关控制逻辑单元的输出端分别控制第一开关和第二开关，所述第一开关的一端连接所述采样电容，所述第一开关的另一端连接所述第一固定电流源，所述第一固定电流源的另一端连接电源VDD；所述第二开关的一端连接所述采样电容，所述第二开关的另一端连接所述第二固定电流源，所述第二固定电流源的另一端连接GND；所述第二比较器单元的负输入端连接所述采样电容，所述第二比较器单元的正输入端连接所述比较器基准电压，所述第二比较器单元的输出端与所述逻辑与驱动单元的第二个输入端连接。
更进一步地，如图4所示，本发明同时公开了一种LED恒流驱动电路，该LED恒流驱动电路包括：一整流桥，一输入滤波电容，一供电电阻，一供电电容，一峰值电流采样电阻，一功率开关管，一电感，一续流二极管，一输出电容，一输出电阻，一LED负载和一普通开关。
上述的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路可在两段或两段以上的开关分段调光的LED驱动电源中应用。
上述的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路可在非隔离或隔离拓扑的开关电源系统中应用。
本发明中LED驱动电源的控制芯片集成了一电感空闲时间控制电路，通过将改变输出电流基准电压与控制电感空闲时间相结合的技术，在实现了开关分段调光功能的同时也控制了LED驱动电源的工作频率。这有效的提高了LED驱动电源的效率和降低了系统的成本，同时也提高了LED驱动电源的质量和可靠性。
与传统的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制技术相比较，本发明的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路，通过把减小输出电流基准电压与控制电感空闲时间相结合的方法来实现对输出电流的调光控制，这能把LED驱动电源的工作频率控制在一个合适的范围内，避免了LED驱动电源在开关分段调光时工作频率成比例增大的问题。通过本发明的输出电流控制电路，能有效的提高了系统的效率和降低了系统的成本，同时也提高了LED驱动电源的质量和可靠性。
附图说明
图1为传统的具有开关分段调光功能的LED恒流驱动电路；
图2为传统的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路；
图3为传统的具有开关分段调光功能的LED恒流驱动电路的关键节点波形图；
图4为本发明实施例1的具有开关分段调光输出电流控制电路的LED恒流驱动电路图；
图5为本发明实施例1中电感空闲时间控制单元的一个具体实施图；
图6为本发明实施例1的具有开关分段调光输出电流控制电路的LED恒流驱动电路的关键节点波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明解决了传统的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制技术的控制芯片工作频率随输出电流基准电压减小而成比例增大的问题，提供了解决该问题的开关分段调光的输出电流控制电路。通过把减小输出电流基准电压与控制电感空闲时间相结合的方法，把LED驱动电源的工作频率控制在一个合适的范围内，有效的解决了传统的输出电流控制技术在开关分段调光时工作频率成比例增大的问题。
结合图3所示波形分析，工作在临界模式的降压型LED驱动电源的输出LED电流可以由以下公式表示：
ILED＝12×ILP＝12×VREFRCS
其中，ILP为电感的峰值电流；RCS为峰值电流采样电阻值；VREF为输出电流基准电压。从上式可以看到，在进行开关分段调光时，传统的解决方法是减小输出电流基准电压VREF，从而成比例的减小了LED输出电流，以实现调光的目的。工作在临界模式的降压型LED驱动电源的工作频率可以由以下公式表示:
f＝1TON+TOFF＝VLED×(1-VLEDVDC)L×ILP
其中，TON为功率开关管的导通时间；TOFF为功率开关管的关断时间；VLED为输出LED电压；VDC为输入整流后的母线电压；L为电感量。从上式可以看到，在开关分段调光时，减小输出电流基准电压VREF，则成比例的减小了电感峰值电流ILP，从而成比例的增大了LED驱动电源的工作频率。从图3可以看到，当第三段调光的LED电流为第一段调光时的1/4时，对应的工作频率则是第一段调光时的4倍，这超出了LED驱动电源的合适频率范围。
从输出LED电流的表达公式可以看到，为了实现输出LED电流的减小，除了减小输出电流基准电压VREF的方法之外，还可以通过将系数“1/2”减小的方法来实现。因此，本发明了公开了一种将减小输出电流基准电压和减小输出电流系数相结合的开关分段调光输出电流控制电路，在实现输出LED调光目的同时也控制了LED驱动电源的工作频率。
如图4所示，为本发明的用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路。用于LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路包括：输出电流基准电压产生单元406，比较器单元411，电感零电流检测单元412，电感空闲时间控制单元413，逻辑与驱动单元414。所述LED驱动电源还包括：开关分段调光控制单元405，整流桥400，输入滤波电容401，供电电阻402，供电电容403，峰值电流采样电阻415，功率开关管416，续流二极管417，电感418，输出电容419，输出电阻420，LED负载421和普通开关422。
当所述普通开关422第一次开启时，所述LED驱动电源工作在第一段调光状态。此时所述开关分段调光控制单元405输出DIM4信号，则所述输出电流基准电压产生单元406的开关409闭合并输出基准电压407到所述比较器单元411的负输入端，作为第一段调光的输出电流基准电压，此时LED输出100％电流。当所述普通开关422关闭后并第二次开启时，所述LED驱动电源工作在第二段调光状态。此时所述开关分段调光控制单元405输出DIM4、DIM5信号，则所述基准电压407仍然作为第二段调光的输出电流基准电压；同时所述电感空闲时间控制单元413对所述电感418的空闲时间进行控制，使输出LED电流的系数变为“1/4”。此时LED输出50％电流，工作频率为第一段调光时的50％。当所述普通开关422关闭后并第三次开启时，所述LED驱动电源工作在第三段调光状态。此时所述开关分段调光控制单元405输出DIM5、DIM6信号，则所述基准电压产生单元406的开关410闭合并输出基准电压408到所述比较器单元411的负输入端，作为第三段调光的输出电流基准电压。此时的输出电流基准电压为第一段调光时的50％。所述电感空闲时间控制单元413对所述电感418的空闲时间进行控制，使得输出LED电流的系数保持为“1/4”。此时LED输出25％电流，工作频率与第一段调光时相同。当所述普通开关422关闭后并第四次开启时，所述LED驱动电源重新工作在第一段调光状态，如此循环下去。根据本发明电路的技术，可以调整LED输出电流基准电压的变化比例和LED输出电流系数的变化比例来得到不同的调光亮度，所述LED驱动电源仍然会工作在合适的工作频率范围内。
图5为本发明中电感空闲时间控制单元413的一个具体实施图。所述电感空闲时间控制单元413由开关控制逻辑单元500，第一固定电流源501，第二固定电流源504，第一开关502，第二开关503，采样电容505，比较器基准电压506和比较器单元507组成。在第二和第三段调光时，所述电感空闲时间控制单元413对所述电感418的空闲时间进行控制。当所述功率开关管416开始导通时，所述第一开关502闭合，所述第一固定电流源对所述采样电容505进行充电，此时所述电感418的电流从零开始随时间斜坡上升至峰值并使所述功率开关管416开始关断。此时所述电感418的电流从峰值开始随时间斜坡下降。当所述电感418的电流下降到零后，所述电感零电流检测单元412输出零电流检测信号ZCD，则所述第一开关502断开，所述第二开关503闭合，此时所述第二固定电流源504对所述采样电容505进行放电。当所述采样电容505上的电压下降到比所述比较器基准电压506低时，所述比较器单元507翻转，输出一信号到所述逻辑与驱动单元414，所述逻辑与驱动单元414进而驱动所述功率开关管416重新导通。当所述第一固定电流源501与所述第二固定电流源502的电流比例为1:1时，可以得到所述电感418的电流波形在每个周期中增加了一个与工作时间比例为1:1的空闲时间。因此使得输出LED电流的系数由“1/2”变成了“1/4”，实现了LED分段调光目的。
图6为本发明的具有开关分段调光功能的LED恒流驱动电路的关键节点波形图。从图中可以看到，由于控制电感空闲时间和改变输出电流基准电压的共同作用，在第二段调光时，所述电感418的峰值电流保持不变而每个周期中增加了一个与工作时间比例为1:1的空闲时间，从而得到50％的LED输出电流和50％的工作频率。在第三段调光时，所述电感418的峰值电流变为第一段调光的50％，同时增加了一个与工作时间比例为1:1的空闲时间，从而得到25％的LED输出电流和与第一段调光相同的工作频率。因此，本发明的输出电流控制电路，通过将改变输出电流基准电压与控制电感空闲时间相结合的技术，在实现了开关分段调光功能的同时也控制了LED驱动电源的工作频率。这有效的提高了LED驱动电源的效率和降低了系统的成本，同时也提高了LED驱动电源的质量和可靠性。
本说明书所述的仅是本发明的较佳的具体实施方式，用于说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，凡本领域的技术人员依据本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验来对本发明做出了一些调整和改变而得到的技术方案，例如将本发明的输出电流控制电路的技术应用在四段甚至更多段的开关分段调光的LED驱动电源中。仍为本发明的要义所在，皆应在本发明的范围之内。
Claims (4)
1.一种应用在两段或两段以上的开关分段调光的LED驱动电源中的输出电流控制电路，其特征在于：所述的输出电流控制电路包括：一开关分段调光控制单元，用于产生一组开关分段调光控制信号；
一输出电流基准电压产生单元，用于产生所需的输出电流基准电压；
一第一比较器单元，用于将峰值电流采样电阻上的电压值与输出电流基准电压进行比较；
一电感零电流检测单元，用于对电感的电流过零的时刻进行检测；
一电感空闲时间控制单元，用于对电感的空闲时间进行控制；
一逻辑与驱动单元，用于对所述电感空闲时间控制单元和所述第一比较器单元的输出信号进行逻辑控制，进而驱动功率开关管和控制所述电感空闲时间控制单元；
所述开关分段调光控制单元的第一和第二输出端连接输出电流基准电压产生单元的输入端，所述输出电流基准电压产生单元的输出端连接所述第一比较器单元的负输入端，所述第一比较器单元的正输入端与峰值电流采样电阻连接，所述第一比较器单元的输出端与所述逻辑与驱动单元的第一个输入端连接；所述电感零电流检测单元的输出端连接所述电感空闲时间控制单元的第一个输入端，所述开关分段调光控制单元的第三输出端与所述电感空闲时间控制单元的第二个输入端连接，所述电感空闲时间控制单元的输出端连接所述逻辑与驱动单元的第二输入端；所述逻辑与驱动单元的输出端分别连接功率开关管的输入端和所述电感空闲时间控制单元的第三个输入端。
2.根据权利要求1所述的应用在两段或两段以上的开关分段调光的LED驱动电源中的输出电流控制电路，其特征在于：所述电感空闲时间控制单元由一开关控制逻辑单元，第一固定电流源，第二固定电流源，第一开关，第二开关，采样电容，比较器基准电压和第二比较器单元组成；所述开关控制逻辑单元的输出端分别控制第一开关和第二开关，所述第一开关的一端连接所述采样电容，所述第一开关的另一端连接所述第一固定电流源，所述第一固定电流源的另一端连接电源VDD；所述第二开关的一端连接所述采样电容，所述第二开关的另一端连接所述第二固定电流源，所述第二固定电流源的另一端连接GND；所述第二比较器单元的负输入端连接所述采样电容，所述第二比较器单元的正输入端连接所述比较器基准电压，所述第二比较器单元的输出端与所述逻辑与驱动单元的第二个输入端连接。
3.一种应用于非隔离或隔离拓扑的开关电源系统的LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路，其特征在于：所述的LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路包括：一开关分段调光控制单元，用于产生一组开关分段调光控制信号；
一输出电流基准电压产生单元，用于产生所需的输出电流基准电压；
一第一比较器单元，用于将峰值电流采样电阻上的电压值与输出电流基准电压进行比较；
一电感零电流检测单元，用于对电感的电流过零的时刻进行检测；
一电感空闲时间控制单元，用于对电感的空闲时间进行控制；
一逻辑与驱动单元，用于对所述电感空闲时间控制单元和所述第一比较器单元的输出信号进行逻辑控制，进而驱动功率开关管和控制所述电感空闲时间控制单元；
所述开关分段调光控制单元的第一和第二输出端连接输出电流基准电压产生单元的输入端，所述输出电流基准电压产生单元的输出端连接所述第一比较器单元的负输入端，所述第一比较器单元的正输入端与峰值电流采样电阻连接，所述第一比较器单元的输出端与所述逻辑与驱动单元的第一个输入端连接；所述电感零电流检测单元的输出端连接所述电感空闲时间控制单元的第一个输入端，所述开关分段调光控制单元的第三输出端与所述电感空闲时间控制单元的第二个输入端连接，所述电感空闲时间控制单元的输出端连接所述逻辑与驱动单元的第二输入端；所述逻辑与驱动单元的输出端分别连接功率开关管的输入端和所述电感空闲时间控制单元的第三个输入端。
4.根据权利要求3所述的应用于非隔离或隔离拓扑的开关电源系统的LED驱动电源开关分段调光的输出电流控制电路，其特征在于：所述电感空闲时间控制单元由一开关控制逻辑单元，第一固定电流源，第二固定电流源，第一开关，第二开关，采样电容，比较器基准电压和第二比较器单元组成；所述开关控制逻辑单元的输出端分别控制第一开关和第二开关，所述第一开关的一端连接所述采样电容，所述第一开关的另一端连接所述第一固定电流源，所述第一固定电流源的另一端连接电源VDD；所述第二开关的一端连接所述采样电容，所述第二开关的另一端连接所述第二固定电流源，所述第二固定电流源的另一端连接GND；所述第二比较器单元的负输入端连接所述采样电容，所述第二比较器单元的正输入端连接所述比较器基准电压，所述第二比较器单元的输出端与所述逻辑与驱动单元的第二个输入端连接。
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENZHEN TPOWER SEMICONDUCTOR CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: DENG XIAOBING Effective date: 20141226 |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20141226 Address after: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Futian District Binhe Road and Yitian road at the junction of South East Plaza 3 Building No. 1804 Applicant after: SHENZHEN TPOWER SEMICONDUCTOR CO., LTD. Address before: Six, A District, 518000 floor, building B2, digital technology park, Nanshan District high tech Southern District, Shenzhen, Guangdong Applicant before: Deng Xiaobing |
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