CN104619092A - 一种led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种LED驱动电路，包括交流输入开关(110)、输入端与所述交流输入开关(110)连接的整流滤波模块(120)、用于为负载LED提供恒定电流的电流调节模块(130)、以及输入端与所述整流滤波模块(120)连接的供电模块(140)，整流滤波模块(120)的输出端连接于所述电流调节模块(130)；所述LED驱动电路(100)还包括控制模块(150)，所述电流调节模块(130)用于为所述控制模块(150)发送采样信号，所述供电模块(140)用于为所述控制模块(150)提供工作电压；采用自动选择模式，使电路在高输入电压时工作于BCM模式以减少开关损耗；而在低输入电压时自动进入CCM模式，可以有效的提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免产生噪声。

Description

一种LED驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种LED驱动电路。

背景技术

现有技术Buck恒流LED驱动电路典型工作原理如图1所示，高压MOS的源极与电流检测电阻Rcs连接，而该MOS的栅极固定接在VCC端，当低压MOS被驱动模块打开后，节点VS电压将被拉低，从而高压MOS导通，电感的电流将以固定斜率增大，VCS电压也随之增大，当电感电流增大到使得VCS与控制器内部比较电压Vref相等时，驱动模块将关闭低压MOS，节点VS将快速上升，当VS上升到VCC-VS＜Vth时，功率开关M1截止，此时高压MOS的漏极电压VD将快速上升至Vin，电感上的电流以固定斜率下降。当电感电流下降到0时VD将产生谐振，并通过高压MOS的寄生电容耦合到VS，BCM检测及控制模块通过检测VS的下降沿作为电感放电结束的信号，发送给逻辑电路，使高压MOS重新导通，开始下一周期，因此电路工作于BCM(临界导通模式)。于是，Io＝Ipk/2，通过控制Ipk，可实现输出LED恒流的目的。

现有技术在低输入电压时存在如下明显问题：

1、随着输入电压的下降，高压MOS的导通时间越来越长，VD不断增大，因此高压MOS的导通损耗也越来越大；

2、若输入电压接近于Vout，当高压MOS导通时，此时电感两端的压差为

V_L＝V_in-V_out-V_D＝V_in-V_out-IL·(R_M1+R_M2+R_CS)

可以看出，Ipk越大，VL越小，Vin-Vout的余量越小，电路的最小工作电压将越高。

3、低输入电压时导通时间很长，因而电路工作频率很低，甚至有可能低于20KHz，因此存在人耳噪声的可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，克服现有技术的上述缺陷，提供一种LED驱动电路，采用自动选择模式，使电路在高输入电压时工作于BCM模式以减少开关损耗；而在低输入电压时自动进入CCM模式，可以有效的提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免产生噪声。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种LED驱动电路，包括交流输入开关、输入端与所述交流输入开关连接的整流滤波模块、用于为负载LED提供恒定电流的电流调节模块、以及输入端与所述整流滤波模块连接的供电模块，整流滤波模块的输出端连接于所述电流调节模块；所述LED驱动电路还包括控制模块，所述电流调节模块用于为所述控制模块发送采样信号，所述供电模块用于为所述控制模块提供工作电压；

所述控制模块连接于所述电流调节模块，其中，所述控制模块包括比较单元、处理单元、用于检测电感电流下降沿并向所述处理单元发送信号的BCM控制单元、输出单元及最小频率限制单元；所述比较单元连接所述电流调节模块并接入所述采样信号，并将所述采样信号与预设的第一电压进行误差放大后的信号同所述采样信号与一个三角波进行加法运算后的信号进行比较，所述比较单元的输出端连接所述处理单元；所述处理单元连接所述BCM控制单元、所述最小频率限制单元及所述输出单元，所述BCM控制单元连接于所述电流调节模块和所述处理单元之间，所述处理单元根据所述比较单元的比较结果以及所述BCM控制单元和所述最小频率限制单元输入的信息，发出控制信号给所述输出单元，并由所述输出单元根据此信号控制所述电流调节模块中的开关管的导通和关闭；所述最小频率限制单元的输出端连接于所述处理单元的一置位端。

优选地，所述比较单元包括误差放大器、三角波产生器和比较器；所述误差放大器的两个输入端分别连接参考电压和所述采样信号，输出端连接所述比较器的一个输入端；所述三角波产生器在与所述采样信号叠加后连接于所述比较器的另一个输入端；所述比较器的输出端连接于所述处理单元。

优选地，所述比较单元还包括用于保证电路环路稳定的积分电路和加法器，所述积分电路连接于所述误差放大器的输出端和所述比较器的输入端之间；所述加法器用于将所述三角波产生器产生的信号与所述采样信号进行叠加。

优选地，所述处理单元包括用于处理电压信号的RS触发器；所述BCM控制单元的输出端连接于所述RS触发器的一个置位端，所述RS触发器的复位端连接于所述比较单元的输出端，所述RS触发器的输出端连接于所述输出单元。

优选地，所述输出单元包括用于驱动所述电流调节模块开启和关闭的驱动模块，所述驱动模块连接于所述RS触发器和电流调节模块之间。

优选地，所述供电模块包括启动电阻和第一电容；所述启动电阻一端连接所述整流滤波单元输出端正极，另一端连接所述第一电容的正极；所述第一电容的负极连接所述控制模块的GND端，并与电流检测电阻以及电感相连。

优选地，所述整流滤波单元包括整流桥和第二电容，所述整流桥的输入端正极经所述交流输入开关接入交流电源，所述第二电容的正极连接在所述整流桥的输出端的正极，所述第二电容的负极连接整流桥的输出端的负极并接地。

优选地，所述电流调节模块包括高压MOS管、低压MOS管和电流检测电阻；所述高压MOS管的漏极连接于所述供电单元的Vin端，所述高压MOS管的源级连接于所述低压MOS管的漏极，所述高压MOS管的栅极连接于所述供电单元的VCC端；所述低压MOS管的栅极连接于所述控制单元的输出端，所述低压MOS管的源级连接于所述电流检测电阻；所述电流检测电阻连接于所述低压MOS管和负载LED之间。

实施本发明具有以下有益效果：采用自动选择模式，使电路在高输入电压时工作于BCM模式以减少开关损耗；而在低输入电压时自动进入CCM模式，可以有效的提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免产生噪声。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术LED驱动电路的电路图；

图2是本发明LED驱动电路的功能框图；

图3是本发明LED驱动电路一实施例的电路图；

图4为本发明LED驱动电路一实施例中各信号波形图。

具体实施方式

本发明针对现有技术中电压的下降高压MOS的导通损耗越来越大；电路的最小工作电压高以及低输入电压时电路工作频率太低，甚至有可能存在人耳噪声的问题，提供了一种LED驱动电路，采用自动选择模式，使电路在高输入电压时工作于BCM模式以减少开关损耗；而在低输入电压时自动进入CCM模式，可以有效的提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免产生噪声。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图2是本发明LED驱动电路的功能框图。如图2所示，本发明的LED驱动电路100，包括交流输入开关110，输入端与交流输入开关110连接的整流滤波模块120，整流滤波模块120的输入端经交流输入开关110接入交流电源Vac，用于为负载LED提供恒定电流的电流调节模块130，以及输入端与整流滤波模块120连接的供电模块140，LED驱动电路100还包括控制模块150，供电模块140的输出端连接于控制模块150，并为控制模块150提供工作电压；控制模块150连接于供电模块140和电流调节模块130之间，其中，控制模块150包括比较单元151、处理单元152、BCM控制单元153、输出单元154和最小频率限制单元155；比较单元151连接电流调节模块输出的电流采样信号Vcs，并将Vcs与预设的的第一电压进行误差放大后的信号同采样信号Vcs与一个三角波进行加法运算后的信号进行比较，比较单元151的输出端连接处理单元152；BCM控制单元153连接电流调节模块130的输出端和处理单元152的其中一个输入端；最小频率限制单元连接处理单元的一个输入端；处理单元152根据最小频率限制单元155、BCM控制单元153和比较单元151的输出信号，发出控制信号给输出单元154，并由输出单元154根据此信号以控制电流调节模块中的开关管的导通和关闭。LED驱动电路100工作时，若Vin较高，由于导通时间短，频率较高，因此最小频率限制单元155不起作用，此时由BCM控制单元153决定电流调节模块130何时导通；若输入电压较低，由于导通时间长，频率比较低，此时最小频率限制单元155起作用，将由最小频率限制单元155控制电流调节模块130何时开始导通，此时LED驱动电咯100将工作于CCM模式下，而不需要等电感电流下降为零。电流调节模块130的关闭始终由比较单元的输出所决定。本发明的LED驱动电路100采用自动选择模式的方法，使系统在高输入电压时工作于BCM模式，以减少开关损耗，而在低压时自动进入CCM模式，可以有效地提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免人耳噪声。

图3是本发明LED驱动电路一实施例的电路图。如图3所示，在本实施例中，整流滤波单元120包括整流桥和第二电容Cin，整流桥的输入端正极经交流输入开关110接入交流电源，第二电容Cin的正极连接在整流桥的输出端的正极，第二电容Cin的负极连接整流桥的输出端的负极并接地。

供电单元140包括启动电阻Rst和第一电容C0，启动电阻Rst一端连接整流滤波单元120的整流桥的输出端正极，另一端连接第一电容C0的正极。第一电容C0的负极连接控制模块150的GND端，并与电流检测电阻Rcs以及电感相连。

电流调节模块130包括高输入电压MOS管M1、低压MOS管M2和电流检测电阻Rcs；高输入电压MOS管M1的漏极连接于供电单元140的Vin端，高输入电压MOS管M1的源级连接于低压MOS管M2的漏极，高输入电压MOS管M1的栅极连接于供电单元140的VCC端；低压MOS管M2的栅极连接于控制单元150的输出端，低压MOS管M2的源级连接于电流检测电阻Rcs；电流检测电阻Rcs连接于低压MOS管M2和负载LED之间。

控制模块150包括比较单元151、处理单元152、BCM控制单元153、输出单元154及最小频率控制单元155；比较单元151连接电流调节模块130并接入采样信号，并将采样信号与预设的第一电压进行误差放大后的信号同采样信号与一个三角波进行加法运算后的信号进行比较，比较单元151的输出端连接处理单元152；处理单元152连接BCM控制单元153、最小频率限制单元155及输出单元154，BCM控制单元153连接于电流调节模块130和处理单元152之间，处理单元152根据比较单元151的比较结果以及BCM控制单元153和最小频率限制单元155输入的信息，发出控制信号给输出单元154；输出单元154的输出端连接于电流调节模块130，以控制电流调节模块中M2的开启和关闭，从而控制电流调节模块130的占空比。LED驱动电路100工作时，若Vin较高，由于导通时间短，频率较高，因此最小频率限制单元155不起作用，此时由BCM控制单元153决定低压MOS管M2何时导通；若输入电压较低，由于导通时间长，频率比较低，此时最小频率限制单元155起作用，将由最小频率限制单元155控制低压MOS管M2何时开始导通，此时LED驱动电路100将工作于CCM模式下，而不需要等电感电流下降为零。低压MOS管M2的关闭始终由比较单元的输出所决定。本发明的LED驱动电路100采用自动选择模式的方法，使系统在高输入电压时工作于BCM模式，以减少开关损耗，而在低输入电压时自动进入CCM模式，可以有效地提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免人耳噪声。

在本实施例中，比较单元151包括误差放大器1511、三角波产生器1512和比较器1513，还包括用于保证电路环路稳定的积分电路1514和加法器1515。处理单元152包括用于处理电压信号的RS触发器1521。RS触发器1521的复位端接收比较器1513的输出，而两个置位端分别接收最小频率限制单元155和BCM控制单元153的输出。输出单元154包括用于驱动电流调节模块130开启和关闭的驱动模块1541。误差放大器1511的两个输入端分别连接参考电压Vref和代表输出电流的电流采样信号VCS，输出端连接积分电路1514的输入端；积分电路1514连接于误差放大器1511的输出端和比较器1513的一个输入端之间。参考电压Vref和采样信号VCS经过误差放大器1511的信号处理后输出至积分电路1514，进行滤波，以保证LED驱动电路环路的稳定。三角波产生器1512在与采样信号VCS经过加法器1515叠加后连接于比较器1513的另一个输入端；比较器1513的输出端连接于处理单元152中的RS触发器1521的复位端。采样信号VCS与三角波产生器1512发出的一个三角波进行加法运算，并将运算后的信号发送至比较器1513；并与积分电路1514滤波后的输出信号进行比较，并将比较后的结果输出至RS触发器1521的复位端，同时RS触发器1521还接收BCM控制单元153和最小频率限制单元155的输出作为两个置位端信号，根据复位端信号和两个置位端信号来控制低压MOS管M2的开关，从而控制LED控制电路100的占空比。当LED控制电路100稳定时，参考电压Vref和工作电压VCS相等，从而得到需要的输出电流Iout。公式如下：

$I_{\mathrm{OUT}}=I_{\mathrm{CS}}+I_{\mathrm{OP}}\≈\frac{V_{\mathrm{CS}}}{R_{\mathrm{CS}}}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{CS}}}$

LED驱动电路100工作时，若Vin较高，由于导通时间短，频率较高，因此最小频率限制单元155不起作用，此时由BCM控制单元153决定低压MOS管M2何时导通；若输入电压较低，由于导通时间长，频率比较低，此时最小频率限制单元155起作用，将由最小频率限制单元155控制低压MOS管M2何时开始导通，此时LED驱动电路100将工作于CCM模式下，而不需要等电感电流下降为零。低压MOS管M2的关闭始终由比较单元的输出所决定。。本发明的LED驱动电路100采用自动选择模式的方法，使系统在高输入电压时工作于BCM模式，以减少开关损耗，而在低压时自动进入CCM模式，可以有效地提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压。采用这种自动选择模式，使电路在高输入电压时工作于BCM模式以减少开关损耗；而在低输入电压时自动进入CCM模式，可以有效的提高低压工作时的效率，并降低了最小工作电压，同时可以避免产生噪声。

图4为本发明LED驱动电路一实施例中各信号波形图。如图4所示，GD线是LED驱动电路100中的驱动模块1541输出的驱动信号。IL线是LED驱动电路100中的电感L的电流信号。VS线为高压MOS管M1的源级电压

IM1线是高压MOS管的电流信号。VCS线是LED驱动电路100中的工作电压的电压信号。GD驱动信号的一个周期Ts内包含Ton和Toff两个阶段，IL在Ton内呈线性上升状态，在Toff内呈线性下降状态。VS信号基本上与驱动信号GD反向。IM1信号在Ton内与IL相等，在Toff内为零。VCS信号在Ton内等于IL与RCS的乘积，在Toff内为零。

由图3结合公式可以比较BCM和CCM状态下的导通损耗。对于高压MOS管M1来说，其导通损耗为：

$P_{M1}=\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{ON}}}{\∫}}{I}_{M1}^2\·R_{M1}\mathrm{dt}}{T_s}=\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{ON}}}{\∫}}(I_1+\mathrm{\α}\·t)\mathrm{dt}}{T_s}{R}_{M1}$

其中，为电感L电流上升斜率，而I1为电感L电流的初始值。

若工作于BCM，则I1＝0，Ipk＝2Iout，此时M1的导通损耗为：

$P_{M1,\mathrm{BCM}}=\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{ON}}}{\∫}}(I_1+\mathrm{\α}\·t)\mathrm{dt}}{T_s}{R}_{M1}=\frac{1}{3}{I}_{\mathrm{PK}}^2\·R_{M1}\·\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T_S}=\frac{1}{3}{I}_{\mathrm{PK}}^2\·R_{M1}\·D=\frac{4}{3}{I}_{\mathrm{out}}^2\·R_{M1}\·D$

若工作于CCM，则：

$P_{M,\mathrm{CCM}}=\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{ON}}}{\∫}}(I_1+\mathrm{\α}\·t)\mathrm{dt}}{T_s}{R}_{M1}=(I_1^2+I_1\·\mathrm{\ΔI}+\frac{1}{3}{\mathrm{\ΔI}}^2)\·R_{M1}\·D$

其中ΔI为纹波电流大小。

如取I1＝0.5Iout，则ΔI＝Iout，Ipk＝1.5Iout，因此系统的Ipk下降为现有技术的75％，而M1的导通损耗将变为：

$P_{M1,\mathrm{CCM}}=(I_1^2+I_1\·\mathrm{\ΔI}+\frac{1}{3}{\mathrm{\ΔI}}^2)\·P_{M1}\·D=\frac{13}{12}{I}_{\mathrm{out}}^2\·R_{M1}\·D$

同理，对于电感ESR，在BCM和CCM时的导通损耗分别为：

$P_{\mathrm{ESR},\mathrm{BCM}}=\frac{4}{3}{I}_{\mathrm{out}}^2\·R_{\mathrm{ESD}}$

$P_{\mathrm{ESR},\mathrm{CCM}}=\frac{13}{12}{I}_{\mathrm{out}}^2\·R_{\mathrm{ESD}}$

对比以上公式可以看出，CCM模式下的M1导通损耗和电感ESR损耗将比BCM模式下小20％左右，因此本发明的低输入电压转换的LED驱动电路可以显著减小导通损耗，从而提高转换效率；并降低了电感峰值电流Ipk，可使驱动器能工作于更低的Vin；同时，通过合适的设定最小工作频率(如30KHz)，可以避免人耳噪声。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种LED驱动电路(100)，其特征在于，包括交流输入开关(110)、输入端与所述交流输入开关(110)连接的整流滤波模块(120)、用于为负载LED提供恒定电流的电流调节模块(130)、以及输入端与所述整流滤波模块(120)连接的供电模块(140)，整流滤波模块(120)的输出端连接于所述电流调节模块(130)；所述LED驱动电路(100)还包括控制模块(150)，所述电流调节模块(130)用于为所述控制模块(150)发送采样信号，所述供电模块(140)用于为所述控制模块(150)提供工作电压；

所述控制模块(150)连接于所述电流调节模块(130)，其中，所述控制模块(150)包括比较单元(151)、处理单元(152)、用于检测电感电流下降沿并向所述处理单元(152)发送信号的BCM控制单元(153)、输出单元(154)及最小频率限制单元(155)；所述比较单元(151)连接所述电流调节模块(130)并接入所述采样信号，并将所述采样信号与预设的第一电压进行误差放大后的信号同所述采样信号与一个三角波进行加法运算后的信号进行比较，所述比较单元(151)的输出端连接所述处理单元(152)；所述处理单元(152)连接所述BCM控制单元(153)、所述最小频率限制单元(155)及所述输出单元(154)，所述BCM控制单元(153)连接于所述电流调节模块(130)和所述处理单元(152)之间，所述处理单元(152)根据所述比较单元(151)的比较结果以及所述BCM控制单元(153)和所述最小频率限制单元(155)输入的信息，发出控制信号给所述输出单元(154)，并由所述输出单元(154)根据此信号控制所述电流调节模块(130)中的开关管的导通和关闭；所述最小频率限制单元(155)的输出端连接于所述处理单元(152)的一置位端。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述比较单元(151)包括误差放大器(1511)、三角波产生器(1512)和比较器(1513)；所述误差放大器(1511)的两个输入端分别连接参考电压和所述采样信号，输出端连接所述比较器(1513)的一个输入端；所述三角波产生器(1512)在与所述采样信号叠加后连接于所述比较器(1513)的另一个输入端；所述比较器(1513)的输出端连接于所述处理单元(152)。

3.根据权利要求2所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述比较单元(151)还包括用于保证电路环路稳定的积分电路(1514)和加法器(1515)，所述积分电路(1514)连接于所述误差放大器(1511)的输出端和所述比较器(1513)的输入端之间；所述加法器(1515)用于将所述三角波产生器(1512)产生的信号与所述采样信号进行叠加。

4.根据权利要求1所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述处理单元(152)包括用于处理电压信号的RS触发器(1521)；所述BCM控制单元(153)的输出端连接于所述RS触发器(1521)的一个置位端，所述RS触发器(1531)的复位端连接于所述比较单元(151)的输出端，所述RS触发器(1531)的输出端连接于所述输出单元(154)。

5.根据权利要求1所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述输出单元(154)包括用于驱动所述电流调节模块(130)开启和关闭的驱动模块(1541)，所述驱动模块(1541)连接于所述RS触发器(1521)和电流调节模块(130)之间。

6.根据权利要求1所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述供电模块(140)包括启动电阻(Rst)和第一电容(C0)；所述启动电阻(Rst)一端连接所述整流滤波单元(120)输出端正极，另一端连接所述第一电容(C0)的正极；所述第一电容(C0)的负极连接所述控制模块(150)的GND端，并与电流检测电阻(Rcs)以及电感相连。

7.根据权利要求1所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述整流滤波单元(120)包括整流桥和第二电容(Cin)，所述整流桥的输入端正极经所述交流输入开关(110)接入交流电源，所述第二电容(Cin)的正极连接在所述整流桥的输出端的正极，所述第二电容(Cin)的负极连接整流桥的输出端的负极并接地。

8.根据权利要求1所述的LED驱动电路(100)，其特征在于，所述电流调节模块(130)包括高压MOS管(M1)、低压MOS管(M2)和电流检测电阻(Rcs)；所述高压MOS管(M1)的漏极连接于所述供电单元(140)的Vin端，所述高压MOS管(M1)的源级连接于所述低压MOS管(M2)的漏极，所述高压MOS管(M1)的栅极连接于所述供电单元(140)的VCC端；所述低压MOS管(M2)的栅极连接于所述控制单元(150)的输出端，所述低压MOS管(M2)的源级连接于所述电流检测电阻(Rcs)；所述电流检测电阻(Rcs)连接于所述低压MOS管(M2)和负载LED之间。