CN104507207B - 高性能电流式多切led控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能电流式多切LED控制器，包括输入整流单元、电压采样单元、逻辑控制单元、电流采样单元、恒流控制单元、开关阵列、电容、电阻和LED灯串；逻辑控制单元根据电压采集单元和电流采样单元采集的电压、电流信号发出控制信号给开关阵列控制LED灯串实现三切或四切的串转并的转换，并且发出控制信号调节恒流控制单元的电流值。本发明无纹波、低EMI、高效率、实现单电压输入范围、较高PF值、小型化、集成化和低成本，串联电容分压法极大的扩展了对输入电压变化的自适应并提高了系统效率，而且为LED提供了强大的滤波、供电；创新的电流监测自锁开关，极大的提高了系统的效率并减小了系统尺寸、降低了系统成本。

Description

高性能电流式多切LED控制器
技术领域
本发明涉及一种LED驱动技术，尤其涉及一种高性能电流式多切LED控制器。
背景技术
LED驱动现行技术有以下三种：一是阻容电路，缺点是恒流精度不高，仅适用于5W以下；成本低、效率高达95%左右；尺寸适中但可靠性差，易发生整机烧毁。二是开关电源，缺点是恒流精度高，可宽范围工作；成本高、效率较高、EMI严重、纹波大；尺寸大。三是分段线性，缺点是恒流精度高，与阻容一样不适宜一定电压范围工作；成本适中、效率低、纹波小但灯珠利用率低；尺寸小。总之现有技术中缺点是未采用多切方式：效率低、PF值低无串联电容，效率低且不能适应窄输入电压变化，纹波很大；仅采用电压法作判断，不能适应输入电压的变化：不能适应窄输入电压变化。
发明内容
本发明做要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高性能电流式多切LED控制器，本高性能电流式多切LED控制器无纹波 、低EMI、高效率、实现单电压输入范围、较高PF值、小型化、集成化和低成本。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：包括输入整流单元、电压采样单元、逻辑控制单元、电流采样单元、恒流控制单元、开关阵列、电容、电阻和由LED单元组成的LED灯串；所述LED灯串首部与输入整流单元的输出端电连接，尾部与恒流控制单元电连接，恒流控制单元另一端与电容和电阻依次串联，电阻的另一端接地；所述相邻的两个LED单元之间以及尾部的LED单元处还串接有二极管；所述二极管的阳极与相邻LED单元的负极连接，所述二极管的阴极与相邻LED单元的正极连接；所述尾部的二极管的阴极和首部的LED单元的正极之间还串接有一个二极管，所述串接的二极管的阴极与首部的LED单元的正极连接； 所属电流采样单元一端与逻辑控制单元电连接，另一端与电容的近地端电连接；所述LED单元为单颗LED灯珠或者LED灯串或者LED串并组合；所述输入整流单元的输出与电压采样单元电连接，电压采样单元的输出与逻辑控制单元电连接；所述电压采样单元对经过输入整流单元整流后的输入电压进行采样；所述电流采样单元对流经LED灯串的电流进行采样；所述开关阵列用于控制LED灯串的串并联关系；所述逻辑控制单元根据电压采集单元采集的电压信号和电流采样单元采集的电流信号发出控制信号给开关阵列，通过开关阵列控制LED灯串实现三切或四切的串转并的转换；所述逻辑控制单元根据电压采集单元采集的电压信号和电流采样单元采集的电流信号发出控制信号给恒流控制单元，以调节恒流控制单元的电流值。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述恒流控制单元由运放、基准电压源、MOSFET或者三极管构成的负反馈组合而成；或者所述恒流控制单元由单个恒流二极管或恒流二极管并联组成；所述恒流控制单元通过改变基准电压源的电压值或者开关切换恒流二极管的并联个数来调变电流值。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述逻辑控制单元和开关阵列集成在一起，形成集成芯片。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述逻辑控制单元、开关阵列、恒流控制单元和LED灯串集合在一起，形成集成芯片。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述逻辑控制单元、开关阵列、电压采样单元、电流采集单元。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述逻辑控制单元、开关阵列、电压采样单元、电流采集单元、恒流控制单元、LED灯串集合在一起形成集成芯片。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述LED单元为单颗LED灯珠或者LED灯串或LED串并组合。
本发明在具备串转并的同时还串联了一个电容、采用了多次串转并方式、采用了电流检测手段，这三项重大改进，打破了常规，大大提高了驱动器的性能， 改变了整个LED行业对于线性驱动器性能不佳的认识 。串联电容分压法极大的扩展了对输入电压变化的自适应并提高了系统效率，而且为LED提供了强大的滤波、供电；创新的电流监测自锁开关，极大的提高了系统的效率并减小了系统尺寸、降低了系统成本。本高性能电流式多切LED控制器无纹波 、低EMI、高效率、实现单电压输入范围、较高PF值、小型化、集成化和低成本，这是业界一直苦苦追寻的较为理想化的驱动目标，本发明一并实现了上述所有功能。
附图说明
图1为实施例1中三切实现原理框图。
图2为实施例1中三切分立电路部分集成化原理框图。
图3为实施例1中三切部分电路与LED总集成原理框图。
图4为实施例1中三切分立电路完全集成化原理框图。
图5为实施例1中三切完全电路与LED总集成原理框图。
图6为实施例2中四切实现原理框图。
图7为实施例2中四切分立电路部分集成化原理框图。
图8为实施例2中四切部分电路与LED总集成原理框图。
图9为实施例2中四切分立电路完全集成化原理框图。
图10为实施例2中四切完全电路与LED总集成原理框图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本包括输入整流单元、电压采样单元、逻辑控制单元、电流采样单元、恒流控制单元、开关阵列、电容、电阻和由LED单元组成的LED灯串；所述LED灯串首部与输入整流单元的输出端电连接，尾部与恒流控制单元电连接，恒流控制单元另一端与电容和电阻依次串联，电阻的另一端接地；所述相邻的两个LED单元之间以及尾部的LED单元处还串接有二极管；所述二极管的阳极与相邻LED单元的负极连接，所述二极管的阴极与相邻LED单元的正极连接；所述尾部的二极管的阴极和首部的LED单元的正极之间还串接有一个二极管，所述串接的二极管的阴极与首部的LED单元的正极连接； 所属电流采样单元一端与逻辑控制单元电连接，另一端与电容的近地端电连接；所述LED单元为单颗LED灯珠或者LED灯串或者LED串并组合；所述输入整流单元的输出与电压采样单元电连接，电压采样单元的输出与逻辑控制单元电连接；所述电压采样单元对经过输入整流单元整流后的输入电压进行采样；所述电流采样单元对流经LED灯串的电流进行采样；所述开关阵列用于控制LED灯串的串并联关系；所述逻辑控制单元根据电压采集单元采集的电压信号和电流采样单元采集的电流信号发出控制信号给开关阵列，通过开关阵列控制LED灯串实现三切或四切的串转并的转换；所述逻辑控制单元根据电压采集单元采集的电压信号和电流采样单元采集的电流信号发出控制信号给恒流控制单元，以调节恒流控制单元的电流值。所述开关阵列包括开关K101、K102、K201、K202、K203、K204和k401。
作为优选方案技术方案，所述恒流控制单元由运放、基准电压源、MOSFET或者三极管构成的负反馈组合而成；或者所述恒流控制单元由单个恒流二极管或恒流二极管并联组成；所述恒流控制单元通过改变基准电压源的电压值或者开关切换恒流二极管的并联个数来调变电流值。
进一步的，参见图2，所述逻辑控制单元和开关阵列集成在一起，形成集成芯片；或者参见图3，所述逻辑控制单元、开关阵列、恒流控制单元和LED灯串集合在一起，形成集成芯片；或者参见图4，所述逻辑控制单元、开关阵列、电压采样单元、电流采集单元。或者参见图5，所述逻辑控制单元、开关阵列、电压采样单元、电流采集单元、恒流控制单元、LED灯串集合在一起形成集成芯片。另外可以通过减缓开关切换速度降低EMI问题，可以通过在LED两端并联电容 ，补偿在切换过程中导致的输出电流短时下跌导致的较低频闪烁还可以进一步采样电容上电压，更精确控制却换点 。所述LED单元为单颗LED灯珠或者LED灯串或LED串并组合。
本实施例中的三切原理解析：假设输入电压Vin的峰值是Vp，LED电压VLED为4/5*Vp
电容稳态起始电压为Va，输出单串LED电流为I。整个控制分为两个阶段 ，第一阶段是Vin从峰值到0下降阶段，第二阶段是Vin从0到峰值上升阶段。
第一阶段：
A，Vin下降同时通过整串LED对电容进行充电，当电容电压Vb+LED电压4/5*Vp=Vint1时，电流下降为0，第一次充电结束，检测电流信号控制LED灯串由单串切换为两并，同时控制恒流单元由Io变为2*Io；
B，Vin继续下降同时通过两并LED对电容进行充电，当电容电压Vc+LED电压2/5*Vp=Vint2时，
电流再次下降为0，第二次充电结束，检测电流信号控制LED灯串由两并切换为四并，同时控制恒流单元由2*Io变为4*Io
C,Vin继续下降同时通过四并LED对电容进行充电，当电容电压Vd+LED电压1/5*Vp=Vint3时，
电流第三次下降为0，第三次充电结束，检测电流信号控制开关K401导通，切换为电容供电，同时维持恒流单元为4*Io，之后输入不再提供能量，此时也可以根据电容电压与LED电压的差值以及LED灯珠个数的情况选择切换为三并和3*Io，或者其他的更适合的串并和电流关系。
第二阶段：
A，Vin从0上升，输入不提供能量，LED由电容供电，电容电压下降，此时仍维持第一阶段末的串并以及电流关系 ；
B，Vin电压上升至大于电容电压Ve时(Ve仍大于1/5*Vp) ，自动改为输入供电，此时若电容容值选取较小，电容电压上升斜率大于Vin电压上升斜率，则之后输出状态不断的在 K401关闭，Vin充电→ 电流下降为0，K401打开→电容供电→电压检测，K401关闭，输出配置始终维持第一阶段末的串并以及电流关系；
直到Vin达到Vp时，该循环结束，此时电容剩余电压为Va，应小于1/5*Vp，因此电容也不能无限小 ，若电容过小，电容剩余电压要高于Va，则第一阶段平衡被破坏，整体效率下降 ，此时若电容容值选择较大，电容电压上升斜率小于Vin电压上升斜率，则：
C，当Vin上升至2/5*Vp+Vf时，检测电压信号控制LED灯串由四并切换为两并，同时控制恒流单元由4*Io变为2*Io；
D,当Vin上升至4/5*Vp+Vg时，检测电压信号控制LED灯串由两并切换为单串，同时控制恒流单元由2*Io变为Io；
E，直到Vin上升至Vp时，电容电压为Va，注意Va加上第一阶段第一次充电的电压还应小于1/5*Vp ，此为该电容容值的选取要素之一 。
实施例2
参见图6，本实施例2与实施例1不同之处在于：本实施例2中或者通过开关阵列控制8个LED单元实现四切串转并的转换；还包含开关K103、K104、K205、K206、K207、K208、；K301和K302。本实施例2的其他部分与实施例1相同，不再详述。
基于上述不同， 参见图7、图8、图9和图10，本实施例2的四切原理解析：假设输入电压Vin的峰值是Vp，LED电压VLED为4/5*Vp ，电容稳态起始电压为Va，输出单串LED电流为I。整个控制分为两个阶段，第一阶段是Vin从峰值到0下降阶段，第二阶段是Vin从0到峰值上升阶段。
第一阶段：
A，Vin下降同时通过整串LED对电容进行充电，当电容电压Vb+LED电压8/9*Vp=Vint1时，电流下降为0，第一次充电结束，检测电流信号控制LED灯串由单串切换为两并，同时控制恒流单元由Io变为2*Io；
B，Vin继续下降同时通过两并LED对电容进行充电，当电容电压Vc+LED电压4/9*Vp=Vint2，
电流再次下降为0，第二次充电结束，检测电流信号控制LED灯串由两并切换为四并，同时控制恒流单元由2*Io变为4*Io
C，Vin继续下降同时通过四并LED对电容进行充电，当电容电压Vd+LED电压2/9*Vp=Vint2时，
电流次下降为0，第三次充电结束，检测电流信号控制LED灯串由四并切换为八并同时控制恒流单元由4*Io变为8*Io，
D,Vin继续下降同时通过八并LED对电容进行充电，当电容电压Ve+LED电压1/9*Vp=Vint3时，
电流第四次下降为0，第四次充电结束，检测电流信号控制开关K401导通，切换为电容供电，同时维持恒流单元为8*Io，之后输入不再提供能量，此时也可以根据电容电压与LED电压的差值以及LED灯珠个数的情况选择切换为七并或6并和7*Io或6*Io，或者其他的更适合的串并和电流关系。
第二阶段：
A，Vin从0上升，输入不提供能量，LED由电容供电，电容电压下降，此时仍维持第一阶段末的串并以及电流关系 ；
B，Vin电压上升至大于电容电压Vf时(Vf仍大于1/9*Vp) ，自动改为输入供电此时若电容容值选取较小，电容电压上升斜率大于Vin电压上升斜率，则之后输出状态不断的在K401关闭，Vin充电→ 电流下降为0，K401打开→电容供电→电压检测，K401关闭，输出配置始终维持第一阶段末的串并以及电流关系，
直到Vin达到Vp时，该循环结束，此时电容剩余电压为Va，应小于1/9*Vp，因此电容也不能无限小，
若电容过小，电容剩余电压要高于Va，则第一阶段平衡被破坏，整体效率下降 ，
此时若电容容值选择较大，电容电压上升斜率小于Vin电压上升斜率，则：
C，当Vin上升至2/9*Vp+Vg时，检测电压信号控制LED灯串由八并切换为四并，同时控制恒流单元由8*Io变为4*Io，
D，当Vin上升至4/9*Vp+Vh时，检测电压信号控制LED灯串由四并切换为两并，同时控制恒流单元由4*Io变为2*Io，
E，当Vin上升至8/9*Vp+Vi时，检测电压信号控制LED灯串由两并切换为单串，同时控制恒流单元由2*Io变为Io，
F，直到Vin上升至Vp时，电容电压为Va，注意Va加上第一阶段第一次充电的电压还应小于1/9*Vp， 此为该电容容值的选取要素之一 。

Claims (5)

1.一种高性能电流式多切LED控制器，其特征在于：包括输入整流单元、电压采样单元、逻辑控制单元、电流采样单元、恒流控制单元、开关阵列、电容、电阻和由LED单元组成的LED灯串；所述LED灯串首部与输入整流单元的输出端电连接，尾部与恒流控制单元电连接，恒流控制单元另一端与电容和电阻依次串联，电阻的另一端接地；相邻的两个所述LED单元之间以及尾部的LED单元处还串接有二极管；所述二极管的阳极与相邻LED单元的负极连接，所述二极管的阴极与相邻LED单元的正极连接；所述尾部的二极管的阴极和首部的LED单元的正极之间还串接有一个二极管，所述串接的二极管的阴极与首部的LED单元的正极连接；所述电流采样单元一端与逻辑控制单元电连接，另一端与电容的近地端电连接；所述LED单元为单颗LED灯珠或者LED串或者LED串并组合；所述输入整流单元的输出与电压采样单元电连接，电压采样单元的输出与逻辑控制单元电连接；所述电压采样单元对经过输入整流单元整流后的输入电压进行采样；所述电流采样单元对流经LED灯串的电流进行采样；所述开关阵列用于控制LED灯串的串并联关系；所述逻辑控制单元根据电压采集单元采集的电压信号和电流采样单元采集的电流信号发出控制信号给开关阵列，通过开关阵列控制LED灯串实现三切或四切的串转并的转换；所述逻辑控制单元根据电压采集单元采集的电压信号和电流采样单元采集的电流信号发出控制信号给恒流控制单元，以调节恒流控制单元的电流值。
2.根据权利要求1所述的高性能电流式多切LED控制器，其特征在于：所述恒流控制单元由运放、基准电压源、MOSFET或者三极管构成的负反馈组合而成；或者所述恒流控制单元由单个恒流二极管或恒流二极管并联组成；所述恒流控制单元通过改变基准电压源的电压值或者开关切换恒流二极管的并联个数来调变电流值。
3.根据权利要求1或2所述的高性能电流式多切LED控制器，其特征在于：所述逻辑控制单元和开关阵列集成在一起，形成集成芯片。
4.根据权利要求1或2所述的高性能电流式多切LED控制器，其特征在于：所述逻辑控制单元、开关阵列、恒流控制单元和LED灯串集合在一起，形成集成芯片。
5.根据权利要求1或2所述的高性能电流式多切LED控制器，其特征在于：所述逻辑控制单元、开关阵列、电压采样单元、电流采集单元、恒流控制单元、LED灯串集合在一起形成集成芯片。
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