CN104377971A - 一种基于电压反馈的反激直驱led电源电路及电视机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电压反馈的反激直驱LED电源电路及电视机，包括反激式变换器，通过反激式变换器转换输出一路供电电源和一路LED驱动电源；所述LED驱动电源连接LED灯条的正极，LED灯条的负极连接一开关电路，流过LED灯条的电流在所述开关电路导通时传输至三端可调分流基准源的参考极，所述基准源根据供电电源和LED驱动电源的电压变化，调节反馈至反激式变换器的电流大小，以恒定通过反馈式变换器输出的各路电源的电压幅值。本发明对LED驱动电源进行恒压控制，通过稳定LED驱动电源的电压来保证流过LED灯条的电流恒定，从而在满足LED灯条恒流驱动要求的基础上，有效降低了电源成本，简化了电源架构。

Description

一种基于电压反馈的反激直驱LED电源电路及电视机
技术领域
 本发明属于电源电路技术领域，具体地说，是涉及一种反激式LED驱动电源的电路架构以及采用所述电源电路设计的电视机。
背景技术
目前，电视机生产商的竞争越来越激烈，这就给电源等用于电视机的电路模块造成了很大的降成本压力。而当前元器件的降成本空间已经非常小，要想通过降低元器件的成本来把电源的成本降下来是非常困难的。因此，就必须寻找更有优势的电源架构来完成降成本的目的。
经过近几年的技术发展，一种新兴的反激式AC-DC变换器在目前的液晶和LED电视产品上得到了广泛应用。利用反激式AC-DC变换器设计的电源模块不仅可以为电视机的系统主板提供其所需的供电电源（通常为12V的直流电源），同时还可以为电视机中的LED背光灯条提供其所需的驱动电源，所述驱动电源通常是从几十伏至几百伏不等的高压。
在电视机的实际应用中，系统主板对电源模块输出的12V供电电源要求恒压，且必须达到较高的精度；而对于电源模块输出的LED驱动电源则要求恒流，以稳定背光亮度。为了获得电流恒定的LED驱动电源，目目前行业流行的设计方案是在电源电路中设置恒流驱动控制IC以及与所述IC配合工作的升压/降压用的MOS管和续流二极管，利用所述恒流驱动控制IC对反激式AC-DC变换器输出的电压进行DC-DC变换从而达到恒流控制。这种传统的电源电路设计方案由于需要使用集成芯片进行恒流控制，因此硬件成本较高，导致电源模块成本的上升，进而影响了电视产品的市场竞争力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电压反馈的反激式直驱LED电源电路，通过采用分立元件搭建模拟电路来控制反激式变换器输出的LED驱动电源的电压恒定，通过稳定LED驱动电源的电压来实现流过LED灯条的电流恒定，由此可以省去恒流驱动控制IC的使用，降低了电源电路的硬件成本。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，包括反激式变换器，通过所述反激式变换器转换输出至少一路供电电源和一路用于驱动LED灯条的LED驱动电源；所述LED驱动电源连接LED灯条的正极，LED灯条的负极连接一开关电路，流过LED灯条的电流在所述开关电路导通时传输至一颗三端可调分流基准源的参考极，所述开关电路接收用于调节LED灯条亮度的控制信号，在所述控制信号的控制下通断； 所述供电电源经由第一分压网络形成的分压传输至所述三端可调分流基准源的参考极，所述三端可调分流基准源根据所述供电电源和LED驱动电源的电压变化，调节反馈至所述反激式变换器的电流大小，所述反激式变换器根据接收到的反馈电流调节其输出的各路电源的电压幅值。
作为所述开关电路的一种优选电路组建方式，在所述开关电路中设置有一颗N沟道MOS管、一颗NPN型三极管和一颗PNP型三极管，所述N沟道MOS管的栅极接收所述的控制信号，漏极连接LED灯条的负极，源极通过分流电阻接地，并连接所述PNP型三极管的发射极；所述PNP型三极管的集电极连接所述三端可调分流基准源的参考极，基极连接所述NPN型三极管的集电极；所述NPN型三极管的基极接收所述的控制信号，NPN型三极管的发射极接地。
作为所述开关电路的另外一种电路组建方式，在所述开关电路中设置有两颗NPN型三极管和一颗PNP型三极管，第一颗NPN型三极管的基极接收所述的控制信号，集电极连接LED灯条的负极，发射极通过分流电阻接地，并连接所述PNP型三极管的发射极；所述PNP型三极管的集电极连接所述三端可调分流基准源的参考极，基极连接第二颗NPN型三极管的集电极；第二颗NPN型三极管的基极接收所述的控制信号，第二颗NPN型三极管的发射极接地。
为了提高对开关电路通断控制的准确性，将所述控制信号首先经由一整形电路处理后，再传输至所述的开关电路；在所述整形电路中设置有一运算放大器，所述运算放大器的同相输入端接收所述的控制信号，反相输入端接收所述供电电源经由第二分压网络分压后形成的偏置电压，运算放大器的输出端输出整形后的控制信号至所述的开关电路。
优选的，所述控制信号为PWM信号，所述偏置电压的幅值小于0.8V。
进一步的，所述三端可调分流基准源的阳极接地，阴极连接一光耦的发光侧，光耦的受光侧连接所述的反激式变换器；所述三端可调分流基准源根据所述供电电源和LED驱动电源的电压变化改变流过所述光耦的电流，进而调节通过光耦反馈至反激式变换器的电流大小。
又进一步的，在所述光耦的发光侧的两端并联有一电阻，所述电阻的一端连接三端可调分流基准源的阴极，另一端通过一限流电阻连接所述的供电电源。
再进一步的，在所述反激式变换器中设置有反激PWM控制器和开关变压器，所述反激PWM控制器接收所述光耦反馈的电流，并根据所述电流调节其输出至开关变压器的PWM信号的占空比，以稳定通过开关变压器输出的供电电源和LED驱动电源的幅值。
基于上述电压反馈的反激直驱LED电源电路的结构设计，本发明还提出了一种采用所述电源电路设计的电视机，包括系统主板和显示屏，在所述显示屏中设置有LED灯条；在所述电视机中还设置有基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，所述电源电路包括反激式变换器，通过所述反激式变换器转换输出至少一路供电电源和一路用于驱动LED灯条的LED驱动电源；所述供电电源传输至系统主板，为系统主板供电；所述LED驱动电源连接LED灯条的正极，LED灯条的负极连接一开关电路，流过LED灯条的电流在所述开关电路导通时传输至一颗三端可调分流基准源的参考极，所述开关电路接收用于调节LED灯条亮度的控制信号，在所述控制信号的控制下通断；所述供电电源经由第一分压网络形成的分压传输至所述三端可调分流基准源的参考极，所述三端可调分流基准源根据所述供电电源和LED驱动电源的电压变化，调节反馈至所述反激式变换器的电流大小，所述反激式变换器根据接收到的反馈电流调节其输出的各路电源的电压幅值。
进一步的，所述供电电源通过一DC-DC稳压器转换生成系统主板所需的待机电源。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用分立元件搭建恒流控制电路代替传统的集成芯片，采用对反激式变换器输出的LED驱动电源进行恒压控制的方式，通过稳定LED驱动电源的电压来保证流过LED灯条的电流恒定，从而在满足LED灯条恒流驱动要求的基础上，有效降低了电源成本，简化了电源架构。将采用所述电源架构设计的电源模块应用在电视机的电路设计中，利用反激式变换器一并输出电视机系统主板所需的供电电源和背光LED所需的恒流驱动电源，并可以利用反激式变换器输出的主板供电电源经DC-DC稳压器进一步生成系统主板所需的待机电源，由此不仅可以简化电视产品的电源板设计，降低硬件成本，提高电视产品的市场竞争力，而且可以减少能量损耗，提高电源运行的稳定性。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的电源电路的整体架构方框图；
图2是图1所示电压反馈电路中LED驱动电源反馈部分的一种实施例的电路原理图；
图3是图1所示电压反馈电路中LED驱动电源反馈部分的另外一种实施例的电路原理图；
图4是图1所示电压反馈电路中LED驱动电源反馈部分的第三种实施例的电路原理图；
图5是图1所示电压反馈电路中供电电源和LED驱动电源共用部分的一种实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
在现有的电源电路设计中，通常使用反激式变换器来生成LED灯条所需的驱动电源OUT_LED（以下称LED驱动电源），例如150V的直流电源，参见图1所示。为了保证LED灯条发光亮度的稳定性，需要保持流过LED灯条的电流恒定，因此，必须专门设计LED恒流控制电路，对通过反激式变换器输出的LED驱动电源OUT_LED进行恒流控制。
本实施例为了降低电源电路的硬件成本，改变传统采用恒流驱动控制IC构建电源电路，实现恒流控制的设计方式，提出了一种采用分立元件组建的电压反馈电路，通过所述电压反馈电路对反激式变换器输出的LED驱动电源进行稳压控制，通过稳定LED驱动电源的电压幅值，来对流过LED灯条的电流实现恒流控制，进而在满足LED灯条的恒流驱动控制要求的前提下，可以省去LED恒流驱动控制IC的使用，实现电源电路硬件成本的显著降低，为使用该类电源电路设计的电子产品（例如电视机、电脑等）提供更大的降成本空间。
本实施例的电压反馈电路接收通过反激式变换器输出的两路直流电源：一路为低压直流电源，例如电视机系统主板所需的供电电源OUT_12V，通常为+12V的直流电源；另一路为高压直流电源，例如电视机显示屏的背光板所需的LED驱动电源OUT_LED。所述电压反馈电路根据接收到的两路直流电源的电压变化，调节其反馈至反激式变换器的电流大小，反激式变换器根据接收到的电流变化调节其输出的各路直流电源的幅值，进而使得所述供电电源OUT_12V和LED驱动电源OUT_LED的电压幅值维持稳定。
为了降低成本，本实施例的电压反馈电路采用分立元件搭建而成，结合图2、图5所示，包括一个开关电路、一颗三端可调分流基准源U3和第一分压网络。将通过反激式变换器输出的LED驱动电源OUT_LED传输至LED灯条的正极，将LED灯条的负极LED-连接至所述的开关电路，通过控制所述开关电路通断来控制LED灯条的供电回路导通或者切断，进而实现对LED灯条的开关时序的准确控制。
以配置有LED背光灯条的电视机产品为例说明，当用户需要调节显示屏的背光亮度时，可以通过遥控器或者设置在电视机本体上的按键板输入相应的操作指令，系统主板上的控制器根据用户输入的操作指令生成用于调节LED背光灯条亮度的控制信号，例如占空比可调的PWM信号，通过调节LED背光灯条的开关时序，来改变显示屏的背光亮度。
本实施例以所述控制信号为PWM信号为例进行说明。将所述PWM信号传输至开关电路的控制端，对开关电路的通断时序进行控制。当所述开关电路受控导通时，LED灯条的供电回路连通，采集流过LED灯条的电流，并传输至所述三端可调分流基准源U3的参考极，通过三端可调分流基准源U3感知流过LED灯条的电流变化，进而相应地调节其反馈至反激式变换器的电流，以稳定通过反激式变换器输出的LED驱动电源的电压幅值。
为了在调节LED驱动电源的电压幅值的过程中，能够维持供电电源OUT_12V的电压稳定，以满足电视机系统主板的供电要求，本实施例将通过反激式变换器输出的供电电源OUT_12V经由第一分压网络形成的分压也传输至所述三端可调分流基准源U3的参考极。所述三端可调分流基准源U3综合考虑供电电源OUT_12V和LED驱动电源OUT_LED两者的电压变化，以调节其反馈至所述反激式变换器的电流大小。所述反激式变换器根据接收到的反馈电流调节其输出的各路电源的电压幅值，以维持各路电源的电压幅值稳定。
作为所述开关电路的其中一种优选电路组建方式，参见图2所示，本实施例在所述开关电路中设置有一颗N沟道MOS管Q7、一颗NPN型三极管Q14和一颗PNP型三极管Q13。将系统主板输出的用于调节背光亮度的控制信号（以下以PWM信号为例进行说明）分别传输至N沟道MOS管Q7的栅极和NPN型三极管Q14的基极，将N沟道MOS管Q7的漏极连接至LED灯条的负极，源极一路通过分流电阻R56接地，另一路连接至PNP型三极管Q13的发射极。将所述PNP型三极管Q13的集电极连接至三端可调分流基准源U3的参考极，基极通过电阻R73连接至NPN型三极管Q14的集电极，所述NPN型三极管Q14的发射极接地。
在本实施例中，所述分流电阻R56的阻值选取原则应满足：ILED*R56=Vref。其中，Vref为三端可调分流基准源U3的参考极电压；ILED为要求流过LED灯条的恒定电流。
当PWM信号处于高电平时，N沟道MOS管Q7和NPN型三极管Q14受控饱和导通，N沟道MOS管Q7的导通使LED灯条的供电回路连通，流过LED灯条的电流一部分通过N沟道MOS管Q7的漏极和源极流向分流电阻R56，另一部分流向PNP型三极管Q13的发射极。所述NPN型三极管Q14饱和导通后，拉低PNP型三极管Q13的基极电位，使PNP型三极管Q13饱和导通，继而使流入PNP型三极管Q13的发射极的电流通过PNP型三极管Q13的集电极流向三端可调分流基准源U3的参考极。当流过LED灯条的电流发生波动时，通过PNP型三极管Q13传输至三端可调分流基准源U3的电流发生改变，使得流过三端可调分流基准源U3的阴极和阳极的电流发生变化，将所述电流变化反馈至反激式变换器，进而实现对反激式变换器输出的各路电源的电压幅值的相应调整。
当PWM信号转入低电平时，N沟道MOS管Q7和NPN型三极管Q14截止，PNP型三极管Q13关断，停止向三端可调分流基准源U3的参考极反馈电流。
为了提高对LED灯条开关时序控制的精确度，本实施例对系统主板输出的PWM信号的波形首先进行整形处理，然后再传输至所述的开关电路。如图3所示，将系统主板输出的PWM信号经由限流电阻R53传输至一运算放大器U5的同相输入端+，将反激式变换器输出的供电电源OUT_12V经由第二分压网络分压后，形成偏置电压施加至所述运算放大器U5的反相输入端-。在本实施例中，所述第二分压网络优选采用电阻分压网络，例如由分压电阻R58和R57连接而成的分压电路。将所述分压电路连接在供电电源OUT_12V与地之间，其分压节点连接至所述运算放大器U5的反相输入端-，合理地配置所述分压电阻R58和R57的阻值，以限制所述偏置电压的幅值在0.8V以下，以保证运算放大器U5不至于悬空而产生误动作。将通过运算放大器U5整形输出的PWM信号通过电阻R55传输至N沟道MOS管Q7的栅极，并通过电阻R74作用于NPN型三极管Q14的基极，以实现对N沟道MOS管Q7和NPN型三极管Q14开关时序的准确控制。
当然，在设计所述开关电路时，也可以利用NPN型三极管Q8替换图2中的N沟道MOS管Q7(优选散热效果较好的MOS管)，并配合所述的三极管Q13和Q14来构建所述的开关电路，如图4所示。此时，只需将NPN型三极管Q8的集电极连接至LED灯条的负极LED-；将NPN型三极管Q8的基极一路通过电阻R55连接至运算放大器U5的输出端，另一路通过限流电阻R74连接至NPN型三极管Q14的基极；将NPN型三极管Q8的发射极通过分流电阻R56接地，并与PNP型三极管Q13的发射极相连接，由此构成的开关电路在实现对LED灯条开关时序控制的同时，采集流过LED灯条的电流，并反馈至三端可调分流基准源U3的参考极，进而实现对反激式变换器输出的LED驱动电源的恒压控制。
当然，所述的PNP型三极管Q13和NPN型三极管Q14也可以选用MOS管替换，由此形成的开关电路同样可以满足设计要求。本实施例对开关电路的具体组建形式并不仅限于以上举例。
在本实施例中，所述反激式变换器优选采用反激式AC-DC变换器，如图1所示。在所述反激式AC-DC变换器中设置有整流滤波电路Z1、反激PWM控制器和开关变压器T1，所述整流滤波电路Z1接收外部的交流输入电源AC，并对所述交流输入电源AC进行整流变换和滤波处理后，输出直流电源DC分别传输至反激PWM控制器和开关变压器T1的初级。所述反激PWM控制器对开关变压器T1初级的供电回路进行通断控制，通过调节开关变压器T1的开关时序，来调节通过开关变压器T1的次级输出的各路直流电源的电压幅值。
当然，对于外部输入的电源为直流电源的情况，在设计所述电源电路时可以选用反激式DC-DC变换器替换图1所示的反激式AC-DC变换器，来设计所述电源电路的整体架构，本实施例对反激式变换器的具体选型不做具体限制。
在对流过LED灯条的电流进行稳流控制的过程中，会导致反激式变换器输出的供电电源OUT_12V的电压幅值发生波动，为了稳定供电电源OUT_12V的电压幅值，以满足电视机系统主板对供电电源的恒压要求，本实施例将通过反激式变换器输出的供电电源OUT_12V经由第一分压网络分压后，也反馈至所述三端可调分流基准源U3的参考极，共同对流过基准源U3的电流实现调节。
在本实施例中，所述第一分压网络优选采用电阻分压网络，例如由两个电阻R23、R24串联而成，一端连接反激式变换器的输出端，接收供电电源OUT_12V，另一端接地，将分压网络的分压节点连接三端可调分流基准源U3的参考极，三端可调分流基准源U3的阳极接地，阴极连接反激式变换器的反激PWM控制器。出于保护反激式变换器的设计目的，本实施例优选将三端可调分流基准源U3的阴极连接至一光耦PC1的发光侧，例如连接发光二极管的阴极，发光二极管阳极通过限流电阻R21连接所述的供电电源OUT_12V，在所述发光二极管的两端还可以进一步并联电阻R20。将光耦PC1的受光侧连接至反激式变换器的反激PWM控制器，例如可以将受光三极管的集电极连接反激PWM控制器，发射极接地。当通过反激式变换器输出的供电电源OUT_12V或LED驱动电源OUT_LED发生波动时，由于三端可调分流基准源U3的参考极电压保持恒定，因此导致流过三端可调分流基准源U3的电流发生变化，进而引起流过光耦PC1的电流发生变化，并将所述电流变化反馈至反激式变换器中的反激PWM控制器。所述反激PWM控制器根据接收到的反馈电流，调节其输出的PWM信号的占空比，通过改变开关变压器T1的开关时序，调整其输出的电压幅值，以保持供电电源OUT_12V和LED驱动电源OUT_LED稳定，进而在满足系统主板的恒压供电要求的同时，通过控制LED驱动电源的电压稳定来满足LED灯条的恒流驱动要求。
为了提高电压反馈电路工作的稳定性，在所述三端可调分流基准源U3的阴极与第一分压网络的分压节点之间还可以进一步跨接滤波电容C5以及由电容C6和电阻R22连接而成的串联支路，如图5所示，以用来调整反馈的响应速度，保证电路的稳定性。
对于电视机系统主板在待机时所需的待机电源，例如+5V的直流电源，可以利用DC-DC稳压器对反激式变换器输出的供电电源OUT_12V直接转换生成，如图1所示，以进一步简化电路设计，降低硬件成本。
以上所述是基于单串LED灯条的情况。本实施例所提出的设计方案同样也适用于多串灯条并联的情况，由于并联的每串灯条的导通压降相同，因此，只需采用相同的做法将每一串灯条的电压反馈到所述三端可调分流基准源U3的参考极即可。
本发明的反激直驱LED电源电路尤其适合应用在100W以下，具有两路输出的反激变换器的二合一电源（电源和驱动二合一）上。这种电源额定功率一般小于75W，因此无需设计PFC功率因数校正回路。这种新架构与传统开关电源相比具有结构简单、成本低等优点，可以使小功率电视电源的架构得以改进。这种新架构在成本和可靠性的优势是显而易见的，而且也比较容易实现，因此推广起来相对容易。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，包括反激式变换器，通过所述反激式变换器转换输出至少一路供电电源和一路用于驱动LED灯条的LED驱动电源；其特征在于：所述LED驱动电源连接LED灯条的正极，LED灯条的负极连接一开关电路，流过LED灯条的电流在所述开关电路导通时传输至一颗三端可调分流基准源的参考极，所述开关电路接收用于调节LED灯条亮度的控制信号，在所述控制信号的控制下通断； 
所述供电电源经由第一分压网络形成的分压传输至所述三端可调分流基准源的参考极，所述三端可调分流基准源根据所述供电电源和LED驱动电源的电压变化，调节反馈至所述反激式变换器的电流大小，所述反激式变换器根据接收到的反馈电流调节其输出的各路电源的电压幅值。
2.根据权利要求1所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：在所述开关电路中设置有一颗N沟道MOS管、一颗NPN型三极管和一颗PNP型三极管，所述N沟道MOS管的栅极接收所述的控制信号，漏极连接LED灯条的负极，源极通过分流电阻接地，并连接所述PNP型三极管的发射极；所述PNP型三极管的集电极连接所述三端可调分流基准源的参考极，基极连接所述NPN型三极管的集电极；所述NPN型三极管的基极接收所述的控制信号，NPN型三极管的发射极接地。
3.根据权利要求1所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：在所述开关电路中设置有两颗NPN型三极管和一颗PNP型三极管，第一颗NPN型三极管的基极接收所述的控制信号，集电极连接LED灯条的负极，发射极通过分流电阻接地，并连接所述PNP型三极管的发射极；所述PNP型三极管的集电极连接所述三端可调分流基准源的参考极，基极连接第二颗NPN型三极管的集电极；第二颗NPN型三极管的基极接收所述的控制信号，第二颗NPN型三极管的发射极接地。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：所述控制信号经由一整形电路处理后，再传输至所述的开关电路；在所述整形电路中设置有一运算放大器，所述运算放大器的同相输入端接收所述的控制信号，反相输入端接收所述供电电源经由第二分压网络分压后形成的偏置电压，运算放大器的输出端输出整形后的控制信号至所述的开关电路。
5.根据权利要求4所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：所述控制信号为PWM信号，所述偏置电压的幅值小于0.8V。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：所述三端可调分流基准源的阳极接地，阴极连接一光耦的发光侧，光耦的受光侧连接所述的反激式变换器；所述三端可调分流基准源根据所述供电电源和LED驱动电源的电压变化改变流过所述光耦的电流，进而调节通过光耦反馈至反激式变换器的电流大小。
7.根据权利要求6所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：在所述光耦的发光侧的两端并联有一电阻，所述电阻的一端连接三端可调分流基准源的阴极，另一端通过一限流电阻连接所述的供电电源。
8.根据权利要求6所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，其特征在于：在所述反激式变换器中设置有反激PWM控制器和开关变压器，所述反激PWM控制器接收所述光耦反馈的电流，并根据所述电流调节其输出至开关变压器的PWM信号的占空比，以稳定通过开关变压器输出的供电电源和LED驱动电源的幅值。
9.一种电视机，设置有系统主板和显示屏，在所述显示屏中设置有LED灯条，其特征在于：在所述电视机中还设置有如权利要求1至8中任一项权利要求所述的基于电压反馈的反激直驱LED电源电路，所述供电电源传输至系统主板，为系统主板供电。
10.根据权利要求9所述的电视机，其特征在于：所述供电电源通过一DC-DC稳压器转换生成系统主板所需的待机电源。
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