CN104661411B - Led驱动电路及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED驱动电路及驱动方法。通过由二极管整流器提供的DC电压驱动多个串联的LED，二极管整流器连接到三相电源并且将来自三相电源的三相电流转换为用于驱动发光二极管的DC电压。为了减少DC电压中的纹波，可以将串联的发光二极管划分为第一组和第二组二极管，并且提供驱动第一组二极管的第一恒流源，并提供驱动第二组二极管的第二恒流源。第一和第二恒流源都跨接整流器电路的输出端，并且用于交替地驱动各组发光二极管。可以提供调光和备用的单相操作的能力。所述发光二极管可以远离整流器，并且通过仅由两条导线形成的单相功率传输系统连接到整流器。

Description

LED驱动电路及驱动方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月20日申请的、序列号为14/518,239的美国专利申请的优先权，特此通过引用的方式将其合并到本文中。

技术领域

本发明涉及操作放光二极管(LED)的驱动电路和驱动方法。

背景技术

通常，LED用作交流(AC)供电的光源需要驱动器将AC线路功率转换为稳定的直流(DC)功率以保持恒定的光输出。这种LED驱动器是自备电源，其具有与LED的电特性(例如，正向电压和驱动电流)相匹配的输出。通常，该驱动器构建在单个PCB上并连接到包括LED阵列的LED PCB。

图1示出了使用已知的反激变换器拓扑的典型的AC-DC LED驱动器电路。电路10包括具有带电(L)端子和中性(N)端子的AC电源12和将AC(例如，正弦)输入波形转换为DC波形(例如，半波整流波形)的整流器电路14。运行该电路，以便当开关Q1导通时，直接从整流的正弦波提取电流。能量存储在变压器T1的初级绕组的磁化电感中。整流二极管D1反向偏置并且由次级电容Cout提供LED电流。当Q1断开时，二极管D1导通并且存储的能量转移到变压器T1的次级线圈并到达输出端。控制器芯片U1(例如，可以是iWatt公司生产的用于AC/DCLED驱动器的iW3620数字脉冲宽度调制(PWM)恒流控制器)通过将与次级输出电压和LED电流有关的信息(该信息由变压器T1的辅助绕组反映)与恒定参考进行比较并基于该比较调节开关Q1的占空比来调节LED电流。

如图1所示的AC-DC驱动器是复杂并且庞大的电路。需要设计合适的电磁干扰滤波器以抑制驱动器或其他设备产生的传导干扰。该电路的寿命通常受到该电路中使用的电解电容器限制。

另一方面，最近已经开发了多个LED照明产品，其中多个串联的LED利用内置的LED驱动电路工作，所述内置的LED驱动电路可以直接利用AC电源工作。内置驱动电路具有被配置为容纳在标准的AC插座中的AC输入连接。然而，这种产品的缺点是：AC线路电压是正弦的，并且低频AC LED系统通常在整流模式下工作，这导致AC驱动的LED以两倍于行频的速率打开和关闭。图2A示意性地示出了这种已知的AC驱动的LED。在该已知的电路中，桥式整流器BR1将电源V1的AC输出转换为使串联的LED串S1正向偏置的脉动DC电压，这导致串S1中的所有LED导通，并从而发光。电阻器R1限制通过LED串S1的电流。

图2B示出了这种AC驱动的LED的光输出。可以看出，全部的关断时间大约占40％。在某些情况下，这个百分比的关断时间可能会被观察者看作为闪烁，并且可能会成为某些消费者接受LED照明设备的障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服了前述的AC驱动的LED照明设备缺点的LED照明系统和其中的驱动电路。

根据本发明，该目的通过为串联的LED串提供驱动电路获得，其中所述驱动电路具有可连接到三相电源的输入端。因此，根据本发明的LED照明系统构成三相驱动的LED照明设备。

为了进一步改进这种三相驱动的LED照明设备的调节和效率，在优选的实施例中，所述驱动电路包括换向恒流源。

使用这种换向恒流源驱动串联的LED串使LED“可见”的驱动电压中的纹波最小化，从而减少了关断时间并使发射光中没有明显的闪烁。与传统电源相比，这种三相电源的尺寸可以非常小。在电路中没有电磁干扰滤波器。因为电路中没有使用电解电容器，所以可靠性将更高。因为使用了非常少的部件，所以电路更加环保。对于如在公共区域照明设备、仓库、农业等使用的高功率电源，该电路非常节约成本。

根据本发明，不是在单个印刷电路板上提供整流器电路和驱动电路，而是使整流器电路位于远离由其供电的LED的位置。整流器电路产生通过双线电缆系统(即，单相传输系统)提供给LED的DC纹波电流。因此，被驱动的LED位于的单个或多个地点本身不需要为了向该地点或那些地点提供三相功率而配备三电缆系统。只有整流器电路需要连接到三相电源，并且LED通过标准的双线单相传输系统连接到整流器电路。

根据本发明的一个方面，一种LED驱动电路，包括：整流器，其包括适于连接到三相电源以分别从所述三相电源接收三相电流的三个输入端；所述整流器包括多个二极管，所述多个二极管连接成对所述三相电流进行整流以产生横跨所述整流器的两个输出端的DC电压；单相功率传输系统，其由分别连接到所述整流器的所述两个输出端的两条导线组成，以及多个LED，其在远离所述整流器的至少一个位置串联地跨接所述两条导线，并且由所述整流器在所述两个输出端产生的所述DC电压驱动，并且在远离所述整流器的所述至少一个位置通过所述传输系统与所述整流器物理地分离；其中，将所述多个LED划分为多组LED，所述多组LED中的至少一组LED由第一恒流源驱动，该第一恒流源包括彼此串联的第一场效应晶体管(FET)、第一电阻器和双极晶体管(BJT)，其中：第一场效应管的第一端限定该第一恒流源的第一端，并且连接至该至少一组LED的远离整流器高压输出端的一端，第一场效应管的第二端连接至第一电阻器的第一端，第一电阻器的第二端连接至双极晶体管的第一端，并且双极晶体管的第二端连接至整流器的低压输出端；该多组LED中的另一组LED由第二恒流源驱动，该第二恒流源包括彼此串联的第二场效应晶体管(FET)和第二电阻器，其中：第二场效应管的第一端限定第二恒流源的第一端并且连接至该另一组LED的远离整流器高压输出端的一端，第二场效应管的第二端连接至该第二电阻器的第一端，该第二电阻器的第二端连接至该整流器的低压输出端，以及该第二场效应管和该第二电阻器之间的节点连接至双极晶体管的控制栅极；其中该LED驱动电路还包括恒压源，该恒压源包括串联的第三电阻器和齐纳二极管或可控电压源以及与该齐纳二极管或可控电压源并联的电容，其中：第三电阻器的第一端连接至第一恒流源的第一端，第三电阻器的第二端连接至该齐纳二极管的第一端或该可控电压源的第一端，以及连接至该第一场效应管和第二场效应管各自的栅极，以及该齐纳二极管的第二端或该可控电压源的第二端连接至该整流器的低压输出端；以及其中，随着整流器的输出电压的升高，当通过第二场效应管的电流达到整流值时，双极晶体管关断第一场效应管，第一场效应管和第二场效应管根据整流器的输出电压交替导通。

根据本发明的另一个方面，一种LED的驱动方法，包括：将整流器的三个输入端连接到三相电源以分别在所述三个输入端从所述三相电源接收三相电流；在所述整流器中，对所述三相电流进行整流以产生横跨所述整流器的两个输出端的DC电压；将由两条导线组成的单相功率传输系统连接到所述整流器的所述两个输出端；以及在远离所述整流器的至少一个位置，将多个LED串联地跨接所述单相功率传输系统的所述两条导线，并且在所述至少一个位置利用由所述整流器产生的所述DC电压驱动所述LED，其中通过所述单相功率传输系统使所述LED与所述整流器物理地分离；其中，将所述多个LED划分为多组LED，所述多组LED中的至少一组LED由第一恒流源驱动，该第一恒流源包括彼此串联的第一场效应晶体管(FET)、第一电阻器和双极晶体管(BJT)，其中：第一场效应管的第一端限定该第一恒流源的第一端，并且连接至该至少一组LED的远离整流器高压输出端的一端，第一场效应管的第二端连接至第一电阻器的第一端，第一电阻器的第二端连接至双极晶体管的第一端，并且双极晶体管的第二端连接至整流器的低压输出端；该多组LED中的另一组LED由第二恒流源驱动，该第二恒流源包括彼此串联的第二场效应晶体管(FET)和第二电阻器，其中：第二场效应管的第一端限定第二恒流源的第一端并且连接至该另一组LED的远离整流器高压输出端的一端，第二场效应管的第二端连接至该第二电阻器的第一端，该第二电阻器的第二端连接至该整流器的低压输出端，以及该第二场效应管和该第二电阻器之间的节点连接至双极晶体管的控制栅极；其中包括串联的第三电阻器和齐纳二极管或可控电压源以及与该齐纳二极管或可控电压源并联的电容的恒压源，其中：第三电阻器的第一端连接至第一恒流源的第一端，第三电阻器的第二端连接至该齐纳二极管的第一端或该可控电压源的第一端，以及连接至该第一场效应管和第二场效应管各自的栅极，以及该齐纳二极管的第二端或该可控电压源的第二端连接至该整流器的低压输出端；以及其中，随着整流器的输出电压的升高，当通过第二场效应管的电流达到整流值时，双极晶体管关断第一场效应管，第一场效应管和第二场效应管根据整流器的输出电压交替导通。

在本发明的一个方面，一种发光二极管(LED)驱动电路包括：整流器，其包括适于连接到三相电源以分别从所述三相电源接收三相电流的三个输入端；所述整流器包括多个二极管，所述多个二极管连接成对所述三相电流进行整流以产生横跨所述整流器的两个输出端的直流(DC)电压；单相功率传输系统，其由分别连接到所述整流器的所述两个输出端的两条导线组成，以及多个LED，其在远离所述整流器的至少一个位置串联地跨接所述两条导线，并且由所述整流器在所述两个输出端产生的所述DC电压驱动，并且在远离所述整流器的所述至少一个位置通过所述传输系统与所述整流器物理地分离。

在本发明的另一方面，多个LED包括多组LED，其中每组中的LED串联，并且各组LED都在与所述整流器分离的各个不同的远程位置单独地跨接单相功率传输系统的两条导线。

在本发明的另一方面，一种用于驱动发光二极管(LED)的方法，包括：将整流器的三个输入端连接到三相电源以分别在所述三个输入端从所述三相电源接收三相电流；在所述整流器中，对所述三相电流进行整流以产生横跨所述整流器的两个输出端的DC电压；将由两条导线组成的单相功率传输系统连接到所述整流器的所述两个输出端；以及在远离所述整流器的至少一个位置，将多个LED串联地跨接所述单相传输系统的所述两条导线，并且在所述至少一个位置利用由所述整流器产生的所述DC电压驱动所述LED，其中通过所述单相功率传输系统使所述LED与所述整流器物理地分离。

在本发明的另一方面，包括将所述多个LED划分为多组LED，其中每组LED包括多个串联的LED；以及在不同程度地远离所述整流器的各个位置，将每组LED单独地跨接所述两条导线。

附图说明

附图仅是举例说明的目的，而不一定是按照比例来绘制。然而，通过参考下面结合附图的详细描述，可以最好地理解本发明本身，其中：

图1如上所述，是传统的AC-DC LED驱动器的电路图。

图2A如上所述，是传统的AC驱动的LED照明设备的电路图。

图2B如上所述，示出了如图2A所示的AC驱动的LED照明设备的光输出波形。

图3是根据本发明的三相驱动的LED照明设备的电路图。

图4示出了图3的三相驱动的LED照明设备的光输出波形。

图5是本发明的实施例的电路图，其中，驱动电路包括换向恒流源。

图6示出了用于操作图5所示的电路的整流的三相电压波形。

图7示出了图5电路中所示的两个恒流源中的第一恒流源的电流波形。

图8示出了图5电路中所示的两个恒流源中的第二恒流源的电流波形。

图9示出了图5的电路中的LED串的光输出波形。

图10示出了提供给图5所示的电路的相L1的输入电流波形。

图11是本发明另一个实施例的具有分级调光功能的示意性电路图。

图12示出了图11的实施例中的可变电压源中的不同电压的光输出波形。

图13是根据本发明另一个实施例的既允许以三相模式操作又允许以单相模式操作的示意性电路图。

图14分别示出了图13的实施例的三相模式和单相模式的光输出波形。

图15是根据本发明的使用单相传输网络的配电系统的框图。

具体实施方式

图3是根据本发明的三相LED驱动电路的第一实施例的电路图。二极管D1至D6形成的三相整流器连接到输入端，三相电源的三个相L1、L2和L3在所述输入端提供给驱动电路。由二极管D1至D6形成的三相整流器将输入信号L1、L2和L3转换为施加于发光二极管串S1的DC电压。电阻器R1限制通过LED串S1的电流。

图3中的LED的光输出在图4中以波形示出。如从图4可以看出的，其中没有关断时间。相反，其中有速率6倍于行频的纹波。在很多国家，这种闪烁处于理论上不会被感觉到的300或360Hz。图3所示的电路效率约为85％。然而，因为只有R1用于限制LED串S1的电流，所以线电压的变化可能导致光输出的变化。

为了提高效率和电流调整，在根据图5所示的发明的驱动电路的另一个实施例中，将驱动的LED串划分为正向电压比为8:1的两个子串，并且提供了两个分别驱动LED子串的恒流源。

图5示出的驱动电路还具有由二极管D1至D6形成的整流器，其连接到具有输入端L1、L2和L3的三相源。假设三相源是380V的三相电源，图6示出了通过图5的A和B的整流的三相电压波形。

图5的实施例中的LED串S1由每个LED具有50V的正向电压的8个串联的LED形成。电阻器R3、齐纳二极管ZD1和电容C1形成使场效应晶体管M1和M2的各个栅极偏压的恒压源。由晶体管M1、电阻器R1和双极晶体管Q1形成的电流源用于驱动LED串S1。当横跨A和B的电压上升到超过500V时，包括单个50V的LED的附加LED串S2开始通过由晶体管M2和电阻器R2形成的另一个电流源而导通。随着横跨A和B的电压进一步的升高，通过M2的电流达到整流值，并且晶体管Q1关断晶体管M1。图7和图8分别示出了晶体管M1和M2的电流波形。应当注意的是，晶体管M1和M2根据横跨A和B的电压变化而交替导通，从而使功耗最小化。在低电压时，只导通LED串S1。在高电压时，导通LED串S1和S2。

图9示出了图5示出的实施例的光输出。与图4中所示出的图3的实施例的光输出相比，从图9可以看出，纹波被最小化到少于8％。效率也提高到95％。

图10示出了L1的输入电流波形。其他相L2和L3将具有相同的波形，但是将相对于相偏移。在具有这种输入电流波形的情况下，图5所示的实施例的功率因数具有0.95的典型值。

图11示出了用于分级调光的改进的电路。齐纳二极管ZD1由可控电压源VZ代替。LED电流与VZ的电压成比例。图12示出了增加或降低VZ的电压的效果。该分级调光特性使该电路适用于传统的0-10V照明设备的调光。

图13示出了可用于三相输入和单相输入的电路。在这种情况下，需要将中性输入连接到电路。将LED串S1进一步划分为子串S1A和S1B。由晶体管M0、电阻器R0和双极性晶体管Q0形成的附加电流源用于驱动LED串S1A。在三相输入的情况下，该附加电流源永不导通，并且该电路如图5所描述的电路那样操作。在只具有单相输入的情况下，例如，断开相L2和L3，当整流电压高于200V时，S1A导通。因为单相的峰值输入电压不足以导通LED串S1B和S2，所以将只有LED串S1A一直点亮。图14示出了三相输入和单相输入的光波形。应当注意的是，在单相输入期间，在LED关断时间内，光输出减少并且纹波频率降低。正常情况下，电路应当在三相输入模式下操作。单相操作仅用于三相电源不可用的功率故障情况下。

尽管图13示出的实施例使用了根据图11的实施例的可变电压源VZ进行分级调光，但是还可以如图5的实施例那样，通过用齐纳二极管ZD1代替可变电压源VZ，而使图13示出的电路被设计有恒流源。

如图15所示，其中示出的电路的前端(即，整流器电路)可以在物理上与如图15中的虚线所示的LED电流电路相分离。如图15所示，那些电路部分可以通过双线单相传输系统彼此物理地分离。

通过使整流器电路处于整个系统的前端，例如，位于为数英里的路灯提供功率的变电站，将三相功率转换为分配给LED(例如，在各个地点照明的路灯)的DC纹波功率。因此，在那些地点的LED电路只需要包含被指定为图15中的LED电流电路的那部分。

在传输系统的前端转换三相功率的优点是：前述的DC纹波功率只需要两条导线来进行功率分配，这样就可使用现有的供电电缆向实际地点的LED提供功率。因此不需要为了使用如本文所描述的三相电源而将现有的或标准的双线单相线缆系统改变为三线或四线系统。

另外，因为每个LED不需要在本地设有其自己的整流器电路，所以降低了整个系统的总成本。

尽管可以建议所属领域技术人员对本发明作出修改和改变，但是发明人的意图是：将在其对本领域作出贡献的合理和适当的范围内作出的所有修改和改变都体现到本专利要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种LED驱动电路，包括：

整流器，其包括适于连接到三相电源以分别从所述三相电源接收三相电流的三个输入端；

所述整流器包括多个二极管，所述多个二极管连接成对所述三相电流进行整流以产生横跨所述整流器的两个输出端的DC电压；

单相功率传输系统，其由分别连接到所述整流器的所述两个输出端的两条导线组成，以及

多个LED，其在远离所述整流器的至少一个位置串联地跨接所述两条导线，并且由所述整流器在所述两个输出端产生的所述DC电压驱动，并且在远离所述整流器的所述至少一个位置通过所述传输系统与所述整流器物理地分离；

其中，将所述多个LED划分为多组LED，所述多组LED中的至少一组LED由第一恒流源驱动，该第一恒流源包括彼此串联的第一场效应晶体管(FET)、第一电阻器和双极晶体管(BJT)，其中：

第一场效应管的第一端限定该第一恒流源的第一端，并且连接至该至少一组LED的远离整流器高压输出端的一端，

第一场效应管的第二端连接至第一电阻器的第一端，

第一电阻器的第二端连接至双极晶体管的第一端，并且

双极晶体管的第二端连接至整流器的低压输出端；

该多组LED中的另一组LED由第二恒流源驱动，该第二恒流源包括彼此串联的第二场效应晶体管(FET)和第二电阻器，其中：

第二场效应管的第一端限定第二恒流源的第一端并且连接至该另一组LED的远离整流器高压输出端的一端，

第二场效应管的第二端连接至该第二电阻器的第一端，

该第二电阻器的第二端连接至该整流器的低压输出端，以及

该第二场效应管和该第二电阻器之间的节点连接至双极晶体管的控制栅极；

其中该LED驱动电路还包括恒压源，该恒压源包括串联的第三电阻器和齐纳二极管或可控电压源以及与该齐纳二极管或可控电压源并联的电容，其中：

第三电阻器的第一端连接至第一恒流源的第一端，

第三电阻器的第二端连接至该齐纳二极管的第一端或该可控电压源的第一端，以及连接至该第一场效应管和第二场效应管各自的栅极，以及

该齐纳二极管的第二端或该可控电压源的第二端连接至该整流器的低压输出端；以及

其中，随着整流器的输出电压的升高，当通过第二场效应管的电流达到整流值时，双极晶体管关断第一场效应管，第一场效应管和第二场效应管根据整流器的输出电压交替导通。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其中，所述多组LED中的每组LED包括多个串联连接的LED，并且其中每组LED在与所述整流器分离的各个不同的远程位置单独地跨接所述两条导线。

3.一种LED的驱动方法，包括：

将整流器的三个输入端连接到三相电源以分别在所述三个输入端从所述三相电源接收三相电流；

在所述整流器中，对所述三相电流进行整流以产生横跨所述整流器的两个输出端的DC电压；

将由两条导线组成的单相功率传输系统连接到所述整流器的所述两个输出端；以及

在远离所述整流器的至少一个位置，将多个LED串联地跨接所述单相功率传输系统的所述两条导线，并且在所述至少一个位置利用由所述整流器产生的所述DC电压驱动所述LED，其中通过所述单相功率传输系统使所述LED与所述整流器物理地分离；

其中，将所述多个LED划分为多组LED，所述多组LED中的至少一组LED由第一恒流源驱动，该第一恒流源包括彼此串联的第一场效应晶体管(FET)、第一电阻器和双极晶体管(BJT)，其中：

第一场效应管的第一端限定该第一恒流源的第一端，并且连接至该至少一组LED的远离整流器高压输出端的一端，

第一场效应管的第二端连接至第一电阻器的第一端，

第一电阻器的第二端连接至双极晶体管的第一端，并且

双极晶体管的第二端连接至整流器的低压输出端；

该多组LED中的另一组LED由第二恒流源驱动，该第二恒流源包括彼此串联的第二场效应晶体管(FET)和第二电阻器，其中：

第二场效应管的第一端限定第二恒流源的第一端并且连接至该另一组LED的远离整流器高压输出端的一端，

第二场效应管的第二端连接至该第二电阻器的第一端，

该第二电阻器的第二端连接至该整流器的低压输出端，以及

该第二场效应管和该第二电阻器之间的节点连接至双极晶体管的控制栅极；

其中包括串联的第三电阻器和齐纳二极管或可控电压源以及与该齐纳二极管或可控电压源并联的电容的恒压源，其中：

第三电阻器的第一端连接至第一恒流源的第一端，

第三电阻器的第二端连接至该齐纳二极管的第一端或该可控电压源的第一端，以及连接至该第一场效应管和第二场效应管各自的栅极，以及

该齐纳二极管的第二端或该可控电压源的第二端连接至该整流器的低压输出端；以及

其中，随着整流器的输出电压的升高，当通过第二场效应管的电流达到整流值时，双极晶体管关断第一场效应管，第一场效应管和第二场效应管根据整流器的输出电压交替导通。

4.根据权利要求3所述的LED的驱动方法，其中所述多组LED中的每组LED包括彼此串联连接的LED；以及在不同程度地远离所述整流器的各个位置，将所述LED组单独地跨接所述两条导线。