CN104661392A - 一种led开关恒流驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED开关恒流驱动电路，所述LED开关恒流驱动电路至少包括：电压输入模块；连接于所述电压输入模块的LED模块；连接于所述LED模块的功率管，通过调节功率管的开关占空比可以实现恒流；连接于功率管输出端的滤波器，用于对采样电压进行滤波；将采样电压和参考电压进行比较的误差放大器；产生PWM信号的脉冲宽度调制电路；调整PWM信号幅值的电流限制电路；用于调整和驱动所述功率管门电压的控制电路和驱动电路。本发明通过一种开关和线性结合的新拓扑结构来实现LED的恒流，不需要电感和电解电容，采用开关的方式来控制功率管，效率比纯线性的控制架构高。

Description

一种LED开关恒流驱动电路

技术领域

本发明涉及LED驱动控制技术领域，特别是涉及一种LED开关恒流驱动电路。

背景技术

LED因具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、可靠性高等传统光源不及的优点，已被广泛应用于指示灯、显示器及照明领域。

LED是一种低压直流条件下工作的半导体器件。对照明应用而言，外置电压需大于LED的正向驱动电压VF值，同时需要通过一个恒流控制电路使LED二极管工作在恒定的电流条件下，以实现照明的应用要求。当输入电压高于LED的VF时，一般会采用所谓的Buck降压电路使电压降至和VF一致而使之工作；反之，当输入电压低于LED的VF时，须采用Boost升压电路使电压和VF相匹配，从而实现正常的恒流控制工作。

如图1所示即为传统技术中常用的Buck开关架构的LED恒流驱动电路，控制开关管11导通和截止的驱动信号一般是PWM（脉宽调制）信号，当驱动信号使开关管11导通时，电容C开始充电，输出电压加在LED灯串12上。电容C在充电过程中电感L的电流逐渐增加，储存的能量也逐渐增加，此时续流二极管D反向截止。当驱动信号使开关管11截止时，开始释放能量，电感L中的电流开始减小，产生的感应电动势使续流二极管D导通，电流通过电感L、续流二极管D，构成回路给LED灯串12传递能量，LED灯串12上的电压低于输入电压。如图2所示即为传统技术中常用的Boost开关架构的LED恒流驱动电路，当驱动信号使开关管21导通时，电容C开始充电，输入电压流过电感L，二极管D防止电容C对地放电，电感L上的电流逐渐增大，随着电感电流增加，电感L里储存了一些能量。当驱动信号使开关管21截止时，由于电感L的电流保持特性，电感L开始缓慢的给电容C充电，电容C两端电压升高，此时LED灯串22上的电压高于输入电压了。但是Buck和Boost开关拓扑结构的LED恒流驱动电路需要使用电感、电容等储能器件，应用设计相对复杂，而且还影响灯具的使用寿命。

线性控制是有别于Buck和Boost开关拓扑的另外一种常见的拓扑，它避免使用电感，而是通过控制功率管的导通阻抗来使LED灯串的电流和电压保持在设定值。如图3所示，随输入电压的不断增大，流过LED灯串32的电流不断增大，当检测电阻Rcs上的电压大于参考电压Vref时，误差放大器33输出控制信号使功率管31的导通阻抗增大，流过LED灯串32的电流减小；当检测电阻Rcs上的电压小于参考电压Vref时，误差放大器33输出控制信号使功率管31的导通阻抗减小，流过LED灯串32的电流增大；通过这种功率管导通阻抗大小的调节使流过LED灯串的电流保持恒定。因为流过LED灯串的电流等于输入电流，所以线性控制的效率实际上就是LED灯串电压Vled与输入电压Vin的比值，特别是Vin与Vled的差值比较大的时候，该差值全部落在功率管上，功耗很大，因此这种线性控制的缺点是效率较低。

Buck和Boost开关拓扑结构的LED恒流驱动电路需要使用电感、电容等储能器件，应用设计相对复杂，而且还影响灯具的使用寿命。线性控制拓扑结构的LED恒流驱动电路设计相对简单，对灯具的使用寿命不产生影响，但是效率低是该拓扑结构的主要缺陷。这些是目前此类LED恒流驱动控制芯片的基本限制，如何设计出一种应用设计简单、对灯具寿命不产生影响，同时又具有比较高效率的LED恒流驱动电路成为现在LED驱动设计领域急需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种LED开关恒流驱动电路，用于解决现有技术中Buck和Boost开关拓扑结构的LED恒流驱动电路需要使用电感、电容等储能器件，应用设计相对复杂，影响灯具的使用寿命；线性控制的LED恒流驱动电路效率较低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED开关恒流驱动电路，所述LED开关恒流驱动电路至少包括：

电压输入模块，用于提供可调输入电压；

LED模块，连接于所述电压输入模块；

功率管，连接于所述LED模块，通过调节该功率管的开关占空比可实现所述LED模块的恒流；

滤波器，连接于所述功率管的输出端，用于对所述功率管的输出信号进行滤波；

连接于所述滤波器输出端的误差放大器，用于将所述滤波器的输出电压和参考电压进行比较，并将比较结果放大输出；

脉冲宽度调制电路，连接于所述误差放大器输出端并与一振荡器相连，通过所述误差放大器的输出结果及所述振荡器共同作用产生PWM信号，用于调节所述功率管的开关信号的占空比；

电流限制电路，连接于所述功率管的输出端，用于限制流过所述LED模块的峰值电流，调整所述功率管的开关信号的幅值；

控制电路，所述控制电路连接于所述脉冲宽度调制电路和所述电流限制电路，通过所述脉冲宽度调制电路和所述电流限制电路输出的信号来整合所述功率管的开关的信号的占空比和幅值；

驱动电路，连接于所述控制电路和所述功率管的控制端之间，用于驱动所述功率管的门电压。

优选地，所述电压输入模块包括一交流电源及一整流单元，所述整流单元包括并联的两组二极管组，各二极管组包括串联的两个二极管，所述交流电源的两极分别连接于各二极管组的两个二极管之间。

优选地，所述电压输入模块输出的电压为连续增大或连续减小。

优选地，所述电压输入模块输出的电压为正弦电压整流后的整流电压。

优选地，还包括一滤波电容，所述滤波电容一端与所述电压输入模块的输出端相连，另一端接地。

优选地，还包括一补偿电容，所述补偿电容一端与所述滤波器的输出端相连，另一端接地，用于稳定所述滤波器的输出电压。

优选地，还包括一检测电阻，所述检测电阻一端与所述功率管的输出端相连，另一端接地，用于将流经所述LED模块的电流转换为电压信号。

优选地，还包括一补偿电容，所述补偿电容一端与所述误差放大器的输出端相连，另一端接地，用于稳定所述误差放大器的输出电压。

优选地，还包括一滤波电容，所述滤波电容并联于所述LED模块。

优选地，所述参考电压为预设的定值或变化值。

如上所述，本发明的一种LED开关恒流驱动电路，具有以下有益效果：本发明结合开关拓扑和线性拓扑的各自优点，摈弃两种拓扑各自的缺点，形成了一种开关和线性结合的新的拓扑结构来实现LED的恒流，完全不需要电感，也可以省去电解电容，同时采用开关的方式来控制功率管，应用设计简单、不影响灯具的使用寿命，同时效率比纯线性的控制架构高。

附图说明

图1显示为现有技术中的Buck开关架构的LED恒流驱动电路示意图。

图2显示为现有技术中的Boost开关架构的LED恒流驱动电路示意图。

图3显示为现有技术中的线性控制的LED恒流驱动电路示意图。

图4显示为本发明的LED开关恒流驱动电路的电压输入模块后不接滤波电容的示意图。

图5显示为本发明的LED开关恒流驱动电路的电压输入模块后接滤波电容的示意图。

图6显示为本发明的LED开关恒流驱动电路的整流后的输入电压Vin的波形示意图。

图7显示为本发明的LED开关恒流驱动电路的检测电压Vcs、滤波器输出端的电压Vfb及参考电压Vref的波形示意图。

图8显示为本发明的LED开关恒流驱动电路的误差放大信号Vcomp的波形示意图。

图9显示为本发明的LED开关恒流驱动电路的功率管门电压Vgate的波形示意图。

元件标号说明

1           Buck开关架构的LED恒流驱动电路

11          开关管

12          LED灯串

2           Boost开关架构的LED恒流驱动电路

21          开关管

22          LED灯串

3           线性控制的LED恒流驱动电路

31          功率管

32          LED灯串

33          误差放大器

4           LED开关恒流驱动电路

41          电压输入模块

42          LED模块

M           功率管

43          滤波器

44          误差放大器

45          脉冲宽度调制电路

46          振荡器

47          电流限制电路

48          控制电路

49          驱动电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图4所示，本发明提供一种LED开关恒流驱动电路4，所述LED开关恒流驱动电路4至少包括：电压输入模块41；LED模块42；功率管M；滤波器43；误差放大器44；脉冲宽度调制电路45；振荡器46；电流限制电路47；控制电路48及驱动电路49。

所述电压输入模块41，用于提供可调输入电压Vin。

如图4所示，所述电压输入模块包括一交流电源AC及一整流单元，所述整流单元包括并联的两组二极管组，各二极管组包括串联的两个二极管，所述交流电源的两极分别连接于各二极管组的两个二极管之间。所述电压输入模块41输出的电压为连续增大或连续减小的正弦电压整流后的整流电压。如图6所示，所述整流电路将正弦电压的反向电压进行反向，得到周期相同的两段正向交流电压Vin。

所述电压输入模块41的输出端可以接滤波电容也可以不接滤波电容，如图4所示为本发明的LED开关恒流驱动电路的电压输入模块后不接滤波电容的示意图，Vin是正弦交流电压整流后不带大容量的滤波电容的输出电压。如图5所示为本发明的LED开关恒流驱动电路的电压输入模块后接滤波电容的示意图，滤波电容C4一端与所述电压输入模块的输出端相连，另一端接地。

所述LED模块42连接于所述电压输入模块41，作为照明设备。

如图4所示，所述LED模块42由3个串联的LED灯组成，所述LED模块42的两端并联有滤波电容C3，所述滤波电容C3用于防止浪涌现象，保护LED模块工作在稳定状态下。

所述功率管M连接于所述LED模块42，通过调节该功率管M的开关占空比可实现所述LED模块42的恒流，所述功率管M受所述驱动电路49控制。

如图4所示，所述功率管M的输出端还连接有检测电阻Rcs，所述检测电阻Rcs的一端与所述功率管M的输出端相连，另一端接地，用于将流经所述LED模块42的电流转换为电压信号Vcs。

如图4所示，所述滤波器43连接于所述功率管M的输出端，用于对所述功率管M的输出信号进行滤波。所述滤波器43的输出端还连接有补偿电容C2，补偿电容C2的一端接于滤波器43的输出端，另一端接地，能稳定误差放大器44的输入电压Vfb。

如图4所示，所述误差放大器44的输入端分别连接所述滤波器43的输出端及参考电压Vref，将所述滤波器43的输出电压和参考电压Vref进行比较，并产生误差放大电压Vcomp，所述误差放大电压Vcomp用于调整开关信号的占空比，所述误差放大器44的输出端还连接有补偿电容C1，所述补偿电容C1的一端接所述误差放大器44的输出端，另一端接地，用于稳定所述误差放大器44的输出电压Vcomp。

如图4所示，所述脉冲宽度调制电路45连接于所述误差放大器44并与一振荡器46相连，通过所述误差放大器44的输出结果及所述振荡器46共同作用产生PWM信号，用于调节所述功率管M的开关信号的占空比。

如图4所示，所述电流限制电路47连接于所述功率管M的输出端，用于限制流过所述LED模块42的峰值电流，调整所述功率管M的开关信号的幅值。

如图4所示，所述控制电路48连接于所述脉冲宽度调制电路45和所述电流限制电路47之后，通过所述脉冲宽度调制电路45和所述电流限制电路47输出的信号来整合所述功率管M的开关信号的占空比和幅值，得到一个新的开关信号，该开关信号的占空比受所述脉冲宽度调制电路45输出的PWM信号控制，该开关信号的幅值受所述电流限制电路47的输出信号控制，如图9所示为占空比为50%、幅值为5V的开关信号。该开关信号控制所述功率管M的导通与关断，进而调整流过LED模块42的电流。

如图4所示，所述驱动电路49连接于所述控制电路48和所述功率管M的控制端之间，用于驱动所述功率管M的门电压。

上述LED开关恒流驱动电路4的工作原理如下：

如图6所示，交流电压通过二极管的整流后输出，本实施例中Vin是正弦交流电压整流后不带大容量的滤波电容的输出电压，该波形以正弦信号的前半周期为一个周期。如图4所示，当芯片启动、内部电源电压正常工作以后，功率管M导通。输入电压Vin的值连续增大，当输入电压Vin达到LED模块42的VF时，LED模块42被导通，功率管M上有电流通过，该电流在检测电阻Rcs上表现为检测电压Vcs，该电压Vcs反映了流过LED模块42的电流变化，呈现类似LED电流波形的电压波形，由于控制功率管门电压的信号是具有一定占空比的脉冲信号，所以如图7所示，电流流过检测电阻Rcs时会产生具有类似输入电压包络的脉冲式检测电压Vcs。该电压波形经过滤波器43进行初步滤波以后，滤除了高频信号，如图7所示，脉冲式的Vcs波形被转换成有一定纹波，和输入电压的频率一致的低频信号Vfb，同时稳定时的Vfb和Vcs在一个两倍工频周期内的平均值保持一致。Vfb被送入误差放大器44的输入端，误差放大器44的另一个输入端是基准电压Vref，基准电压Vref可以是预先设定的定值，也可以是变化值，本实施例中，基准电压Vref为预先设定的定值，如图7所示，基准电压Vref在一个两倍工频周期内为定值。误差放大器44将Vfb与参考电压Vref进行比较，并将误差结果Vcomp放大输出，误差放大器44的输出端COMP还连接有一个较大的补偿电容C1，使得在系统稳定以后一个两倍工频周期内COMP端的误差信号Vcomp保持恒定，如图8所示。误差放大器44的输出误差信号Vcomp和振荡器46产生的振荡信号共同控制脉冲宽度调制电路45产生与误差信号Vcomp有关的PWM信号。同时，电流限制电路47实时检测流过LED模块42的电流，根据此电流的大小来调整回路中的电压大小，脉冲宽度调制电路45产生的PWM信号和电流限制电路47产生电压调整信号通过控制电路48产生一组有一定占空比和幅值的开关信号，再经由驱动电路49作用于功率管M的栅极，控制功率管M的导通与截止，如图9所示，该栅极电压Vgate为具有一定占空比的开关调制信号。通过不同的开关信号的占空比控制功率管M的导通与关断，通过不同的开关信号的幅值控制功率管M的导通程度，进一步达到调节流过LED模块42的电流大小的目的，使该电流为匹配LED模块42工作电压VF的10ms以上的周期时间内恒定的电流值。同时，如图4所示，LED模块42并联有滤波电容C3，可以有效防止浪涌现象，保护LED模块工作在稳定状态下。

当输入电压变化的时候，开关导通时流过LED的电流会相应地不一样，并呈现同向变化的关系。由于本发明采用的是开关控制的方式，因此流过LED的电流呈现脉冲式，并且由于不同输入电压下LED的峰值电流不一样，因此脉冲式的LED电流峰值呈现出类似输入电压的形状。由于误差放大器44的存在，同时在COMP端连接较大的补偿电容C1，不但达到了放大的作用，还达到了有源滤波器的作用，从而实现了Vfb的平均值紧紧跟随Vref，从而实现了LED的恒流。LED的平均电流Iled_avg=Vcs_avg/Rcs=Vfb_avg/Rcs=Vref/Rcs。

以上是单个周期10ms以内的工作过程，图6至图9是Vin、Vcs、Vfb、Vref、Vcomp、Vgate各点电压在一个两倍工频周期内的波形示意图，其他的时间是重复这个周期的工作。

综上所述，本发明的LED开关恒流驱动电路形成了一种开关和线性结合的新的拓扑结构来实现LED的恒流。交流输入电压经过整流以后可以不需要电解电容进行滤波，也不需要电感，直接接在LED灯串上，通过控制功率管的开关占空比来实现LED平均电流在10ms以上的周期时间内的恒定，同时由于LED电压和电流的非线性，当电压Vin稍微大于LED的VF时流过LED的电流急剧增加，过大的电流会伤害LED，但是只要通过电流限制电路限定最大的峰值电流在合适的电压范围内就不会伤害LED。通过功率管的开关占空比变化，电流流过检测电阻Rcs时会产生具有类似输入电压包络的脉冲式电压Vcs，再经过简单的滤波以后输入到运放的输入端，通过运放输出端COMP脚连接到地的补偿电容，稳定环路并产生PWM信号，控制功率管的开关占空比的变化，从而保证10ms左右的周期时间内的平均电流的恒定。本发明的优点是完全不需要电感，也可以省去电解电容，同时采用开关的方式来控制功率管，应用设计简单、不影响灯具的使用寿命，同时效率比纯线性的控制架构高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种LED开关恒流驱动电路，其特征在于，所述LED开关恒流驱动电路至少包括：

电压输入模块，用于提供可调输入电压；

LED模块，连接于所述电压输入模块；

功率管，连接于所述LED模块，通过调节该功率管的开关占空比实现所述LED模块的恒流；

滤波器，连接于所述功率管的输出端，用于对所述功率管的输出信号进行滤波；

连接于所述滤波器输出端的误差放大器，用于将所述滤波器的输出电压和参考电压进行比较，并将比较结果放大输出；

脉冲宽度调制电路，连接于所述误差放大器输出端并与一振荡器相连，通过所述误差放大器的输出结果及所述振荡器共同作用产生PWM信号，用于调节所述功率管的开关信号的占空比；

电流限制电路，连接于所述功率管的输出端，用于限制流过所述LED模块的峰值电流，调整所述功率管的开关信号的幅值；

控制电路，所述控制电路连接于所述脉冲宽度调制电路和所述电流限制电路，通过所述脉冲宽度调制电路和所述电流限制电路输出的信号来整合所述功率管的开关信号的占空比和幅值；

驱动电路，连接于所述控制电路和所述功率管的控制端之间，用于驱动所述功率管的门电压。

2.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：所述电压输入模块包括一交流电源及一整流单元，所述整流单元包括并联的两组二极管组，各二极管组包括串联的两个二极管，所述交流电源的两极分别连接于各二极管组的两个二极管之间。

3.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：所述电压输入模块输出的电压为连续增大或连续减小。

4.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：所述电压输入模块输出的电压为正弦电压整流后的整流电压。

5.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：还包括一滤波电容，所述滤波电容一端与所述电压输入模块的输出端相连，另一端接地。

6.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：还包括一补偿电容，所述补偿电容一端与所述滤波器的输出端相连，另一端接地，用于稳定所述滤波器的输出电压。

7.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：还包括一检测电阻，所述检测电阻一端与所述功率管的输出端相连，另一端接地，用于将流经所述LED模块的电流转换为电压信号。

8.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：还包括一补偿电容，所述补偿电容一端与所述误差放大器的输出端相连，另一端接地，用于稳定所述误差放大器的输出电压。

9.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：还包括一滤波电容，所述滤波电容并联于所述LED模块。

10.根据权利要求1所述的LED开关恒流驱动电路，其特征在于：所述参考电压为预设的定值或变化值。