CN104936330A - Led驱动电源和包含其的led照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及基于线性驱动模式的LED驱动电源和包含该电源的LED照明装置。按照本发明一个实施例的LED驱动电源包括：桥式整流滤波单元，其与LED负载耦合；场效应管，其串接在所述桥式整流滤波单元和所述LED负载所在的回路内；以及控制单元，其与所述场效应管的栅极耦合以借助施加在所述栅极上的电压使流经所述LED负载的电流基本上保持为设定值，其特征在于，进一步包括阻容降压单元，其耦合在所述桥式整流滤波单元与外部电源之间。

Description

LED驱动电源和包含其的LED照明装置

技术领域

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及基于线性驱动模式的发光二极管（LED）驱动电源和包含该电源的LED照明装置。

背景技术

LED作为一种新型的绿色光源产品，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

LED是一种固态半导体器件，其基本结构一般包括带引线的支架、设置在支架上的半导体晶片以及将该晶片四周密封起来的封装材料（例如荧光硅胶或环氧树脂）。上述半导体晶片包含有P-N结构，当电流通过时，电子被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后以光子的形式发出能量，而光的波长则是由形成P-N结构的材料决定的。

作为一种电流驱动的器件，LED仅在适当的直流电压和电流下才能发光，并且其亮度与正向电流的大小呈比例关系。LED驱动电路或驱动电源实质上是一种电子控制装置，其位于外部电源与LED负载之间，用于为LED提供恒定电流。

总体而言，LED驱动电源的工作一般基于线性恒流驱动模式和开关恒流驱动模式。在前一种模式下，作为电流调节元件的场效应管或晶体管被接入LED负载所在的回路内，其工作在线性区内并且根据电流负反馈原理，使流经LED负载的电流保持恒定。这种模式的优点是结构简单、电流控制精度高并且电源尖峰干扰抑制能力强，但存在工作电压适应范围窄以及因电流调节元件的功耗而导致能量效率低等缺点。在后一种模式下，接入LED负载所在回路内的电流调节元件工作在开关状态下，其同样根据电流负反馈原理来实现恒流驱动。开关恒流驱动模式的优点是效率高、输出电流稳定，缺点是电路成本高、电路结构复杂以及存在电磁干扰（EMI）等。

由于LED驱动电源是决定照明装置发光性能和寿命的重要因素，因此如何在成本、复杂性和EMI抑制等诸多约束条件下设计出具有高性价比的LED驱动电源一直是业界关注的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED驱动电源，其具有结构简单、紧凑以及工作电压适用性强等优点。

按照本发明一个实施例的LED驱动电源包括：

桥式整流滤波单元，其与LED负载耦合；

场效应管，其串接在所述桥式整流滤波单元和所述LED负载所在的回路内；以及

控制单元，其与所述场效应管的栅极耦合以借助施加在所述栅极上的电压使流经所述LED负载的电流基本上保持为设定值，

其特征在于，进一步包括阻容降压单元，其耦合在所述桥式整流滤波单元与外部电源之间。

优选地，在上述LED驱动电源中，所述设定值是可变的，并且所述控制单元被配置为通过改变所述设定值使得所述桥式整流滤波单元的输出功率基本上保持恒定。

优选地，在上述LED驱动电源中，所述控制单元包含：

基准电压电路，用于提供与所述设定值对应的基准电压；以及

放大器，其包含第一输入端、第二输入端和输出端，其中，所述第一输入端上施加所述基准电压，所述第二输入端上施加与流经所述LED负载的电流成比例的反馈信号，并且所述输出端与所述栅极相连，

其中，所述基准电压是可变的，所述基准电压电路被配置为根据所述桥式整流滤波单元的输出电压来确定所述基准电压，以使所述桥式整流滤波单元的输出功率基本上保持恒定。

优选地，在上述LED驱动电源中，所述基准电压与所述桥式整流滤波单元的输出电压成反比例关系。

优选地，在上述LED驱动电源中，所述场效应管、所述放大器和所述基准电压电路被集成在同一集成电路芯片中。

本发明的还有一个目的是提供一种LED照明装置，其具有结构简单、紧凑以及工作电压适用性强等优点。

按照本发明一个实施例的LED照明装置包括：

LED负载；

LED驱动电源，包括：

桥式整流滤波单元，其与所述LED负载耦合；

场效应管，其接入所述桥式整流滤波单元和所述LED负载所在的回路内；以及

控制单元，其与所述场效应管的栅极耦合以借助施加在所述栅极上的电压使流经所述LED负载的电流基本上保持为设定值，

其特征在于，进一步包括阻容降压单元，其耦合在所述桥式整流滤波单元与外部电源之间。

优选地，在上述LED照明装置中，所述LED负载为多个以串联、并联或混联连接在一起的LED。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的描述而变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：

图1为按照本发明一个实施例的LED驱动电源的框图。

图2为图1所示LED驱动电源的一种具体实施方式的电路原理图。

图3为图1所示LED驱动电源的另一种具体实施方式的电路原理图。

附图标号列表：

10LED驱动电源

110阻容降压单元

120桥式整流滤波单元

130电流调节单元

140控制单元

141基准电压电路

142放大器

20LED负载

LED1～LEDn发光二极管单元

BR1全桥整流器

R1、R2、R3、R4电阻器

C1、C2电容器

FET场效应管

具体实施方式

下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本发明的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。

在本说明书中，术语“照明装置”应该广义地理解为所有能够通过提供光线以实现实用的或美学的效果的设备，包括但不限于球泡灯、台灯、壁灯、射灯、吊灯、吸顶灯、路灯、手电筒、舞台布景灯和城市景观灯等。

在本说明书中，术语“发光二极管单元”指的是包含电致发光材料的单元，这种单元的例子包括但不限于P-N结无机半导体发光二极管和有机发光二极管（OLED和聚合物发光二极管（PLED））。

P-N结无机半导体发光二极管可以具有不同的结构形式，例如包括但不限于发光二极管管芯和发光二极管单体。其中，“发光二极管管芯”指的是包含有P-N结构的、具有电致发光能力的半导体晶片，而“发光二极管单体”指的是将管芯封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，管芯例如被安装在支架上并且用密封材料封装。

“电气连接”和“耦合”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示限定对象在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各对象之用。

以下借助附图描述本发明的实施例。

图1为按照本发明一个实施例的LED驱动电源的框图。图1所示的LED驱动电源10包括阻容降压单元110、桥式整流滤波单元120、电流调节单元130和控制单元140。

如图1所示，阻容降压单元110与桥式整流滤波单元120耦合，而桥式整流滤波单元120与LED负载20耦合。由此，外部电源的交流电经阻容降压单元110输入桥式整流滤波单元120，并且经过整流滤波之后以直流电的形式向LED负载20输出。参见图1，电流调节单元130被串接在桥式整流滤波单元120和LED负载20所在的回路内，其控制端与控制单元140耦合，从而在后者的控制下实现对流经LED负载20的电流进行调节。

示例性地，以下以场效应管作为电流调节单元的例子。在图1所示的LED驱动电源10中，作为电流调节单元的场效应管工作在线性区内，控制单元140可以通过控制施加在场效应管栅极上的电压来调整流经场效应管的电流（也即流入LED负载的电流）的大小。控制单元140基于负反馈原理来动态调整施加在栅极上的电压，从而使流经场效应管的电流基本上保持为设定的电流值。

对于基于线性恒流驱动模式的LED驱动电源而言，工作电压的适应范围较窄。如果电网电压下降较多而超出该适应范围的下限，则场效应管的压降（源极-漏极间电压）将变得很小，以至于沟道导通电阻基本上为常数，此时不再能够通过改变栅极电压将流经场效应管的电流保持在设定值附近。然而在图1所示的LED驱动电源10中，流经场效应管的电流取决于阻容降压单元的阻抗和场效应管的沟道电阻，因此如果合适地选取阻容降压单元的阻抗，则可以拓宽工作电压的适应范围。具体而言，在图1所示的LED驱动电源中，可以为阻容降压单元选取较大的阻抗，因此当电网输入电压下降较大时，虽然无法通过改变栅极电压来调整流经场效应管的电流，但是该电流不至于下降过大，从而使得LED负载发光强度的降低仍然处于可接受的水平。另一方面，当电网输入电压升高时，场效应管的压降将随之增大，从而再次能够通过改变栅极电压来有效调整流经场效应管的电流，因此线性恒流驱动模式下的电流控制精度高等优点得以保持。此外，在图1所示的LED驱动电源中，电网输入电压的压降主要由阻容降压单元承载，由此降低了场效应管的压降，从而降低器件的发热量并且提高了系统的稳定性。与此同时，由于容性元件的存在，阻容降压单元上的有功功率或平均较小，使得输入LED驱动电源的电能绝大部分被分配给了LED负载，由此提高了能效比。

值得指出的是，这里的电流调节单元130被绘制成位于桥式整流滤波单元120与LED负载20之间，但是这仅仅是出于示例方便的考虑，实际上其也可绘制成位于LED负载20之后。另外，虽然上面的描述以及下面参照图2和3所作的描述中都将场效应管作为用于恒流控制的电流调节元件的例子，但是采用晶体管作为电流调节元件也是可行的。

图2为图1所示LED驱动电源的一种具体实施方式的电路原理图。在图2所示的LED驱动电源10中，阻容降压单元110包含并联连接的电阻器R1和电容器C1，桥式整流滤波单元120包含全桥整流器BR1和滤波电容器C2，场效应管FET起着图1中的电流调节单元130的作用，控制单元140包含基准电压电路141、放大器142和电阻器R2，串联连接的发光二极管单元LED1～LEDn构成LED负载20。

参见图2，外部电源的交流电（例如市电）经全桥整流器BR1整流后在正极端B1上输出全波脉动电压。滤波电容器C2电气连接在全桥整流器BR1的正极端B1与负极端B2之间，以对全桥整流器BR1输出的脉动电压进行低通滤波，这里的负极端B2被接地。阻容降压单元110电气连接在全桥整流器BR1的交流输入端B3与外部电源之间。LED负载20的正极LED+与正极端B1电气连接，其负极LED-与场效应管FET的源极S电气连接。场效应管FET的漏极D经电阻器R2接地，栅极G与放大器142的输出端A电气连接。

在图2所示的LED驱动电源中，基准电压电路141向放大器142的反相输入端提供基准电压Vref，该基准电压决定了用于恒流控制的电流设定值或目标值。放大器142的同相输入端耦合至场效应管FET的漏极D，因而指示电阻器R2两端压降的反馈信号Vf被施加在同相输入端上。在工作时，基准电压Vref和反馈信号Vf输入放大器142后在输出端A上产生差分放大信号，该差分放大信号被施加在场效应管FET的栅极G上，从而能够借助对栅极电压的调整将流经场效应管FET和LED负载20的电流控制在目标值附近。

优选地，可以将基准电压电路、放大器和场效应管等集成在同一集成电路芯片中。这种集成电路芯片的例子包括但不局限于中国普芯达电子有限公司生产的CW11L01芯片等。

图3为图1所示LED驱动电源的另一种具体实施方式的电路原理图。

在图3所示的LED驱动电源10中，阻容降压单元110包含并联连接的电阻器R1和电容器C1，桥式整流滤波单元120包含全桥整流器BR1和滤波电容器C2，场效应管FET起着图1中的电流调节单元130的作用，控制单元140包含基准电压电路141、放大器142和电阻器R2、R3和R4，串联连接的发光二极管单元LED1～LEDn构成LED负载20。与图2所示实施例不同，基准电压电路141提供的基准电压Vref随桥式整流滤波单元120的输出电压而变化，以在输出电压升高时，通过降低场效应管FET的栅极电压来减少流经LED负载20的电流，并且在输出电压降低时，通过提升场效应管FET的栅极电压来增加流经LED负载20的电流，从而使得桥式整流滤波单元120的输出功率基本上保持恒定。为此，在本实施例中将电阻器R3和R4串联连接在桥式整流滤波单元120的正极端B1与接地之间，并且基准电压电路141的输入端IN与电阻器R3和R4的共接端电气连接以获取对应于桥式整流滤波单元120输出电压的采样信号。与图2所示的实施例相比，本实施例除了具有宽工作电压适应范围和高电流控制精度等优点以外，还可减少阻容降压单元110的功耗。具体而言，当桥式整流滤波单元120的输出电压因电网电压升高而增大时，通过上述恒定输出功率控制方式，流经阻容降压单元110的电流（在图3所示的LED驱动电源10中，通过为电阻器R3、R4选取合适的阻值可以使流经电阻器R3、R4的电流很小，因而流经LED负载20的电流与流经阻容降压单元110的电流基本上一致）将随之降低，从而使得阻容降压单元110上的功耗基本上保持不变。

参见图3，外部电源的交流电（例如市电）经全桥整流器BR1整流后在正极端B1上输出全波脉动电压。滤波电容器C2电气连接在全桥整流器BR1的正极端B1与负极端B2之间，以对全桥整流器BR1输出的脉动电压进行低通滤波，这里的负极端B2被接地。阻容降压单元110电气连接在全桥整流器BR1的交流输入端B3与外部电源之间。LED负载20的正极LED+与正极端B1电气连接，其负极LED-与场效应管FET的源极S电气连接。正极端B1还经电阻器R3与基准电压电路141的输入端IN电气连接，以使基准电压电路141根据采样信号调整基准电压的大小。场效应管FET的漏极D经电阻器R2接地，栅极G与放大器142的输出端A电气连接。

在图3所示的LED驱动电源中，基准电压电路141根据输入端IN上的采样信号调整施加在放大器142反相输入端上的基准电压Vref的大小。另一方面，放大器142的同相输入端耦合至场效应管FET的漏极D以接收指示电阻器R2两端压降的反馈信号Vf。在工作时，基准电压Vref和反馈信号Vf输入放大器142后在输出端A上产生差分放大信号，该差分放大信号被输出至场效应管FET的栅极G上以将流经场效应管FET和LED负载20的电流控制在目标值附近。

优选地，在本实施例中，可以采用下列方式实现上述恒定输出功率控制方式。

在图3所示的LED驱动电源10中，基准电压电路141输入端的电压V_m为：

$V_m=V_{\mathrm{out}}\×\frac{R_4}{R_3+R_4}---\left(1\right)$

在上式（1）中，V_out为桥式整流滤波单元120的输出电压（也即正极端B1的电压），R₃和R₄分别为电阻器R3和R4的阻值。

另一方面，流经LED负载20的电流I_LED可以由下式确定：

$I_{\mathrm{LED}}=\frac{V_f}{R_2}---\left(2\right)$

在上式（2）中，V_f为放大器142正相输入端上的电压（也即场效应管FET的漏极电压），R₂为电阻器R2的阻值。当电阻器R3和R4的阻值选取得较大时，桥式整流滤波单元120的输出电流I_out（也即从正极端B1流出的电流）大部分流入LED负载20的电流I_LED，因此二者基本上相同即：

I_LED＝I_out    （3）

由于场效应管FET的漏极D与栅极G之间的压降很小，因此放大器142的输出电压V_A（也即A端的电压）近似等于放大器142正相输入端上的电压V_f，使得

$I_{\mathrm{LED}}\≈\frac{V_A}{R_2}---\left(4\right)$

为了实现桥式整流滤波单元120的输出功率恒定，可以令V_m与V_A满足下列条件：

$V_A=\frac{\mathrm{CIP}}{V_m}---\left(5\right)$

在上式（5）中，CIP为大于零的常数。

换句话说，根据式（5），放大器142的输出电压V_A与桥式整流滤波单元120的输出电压V_out成反比例关系。

由上式（1）-（5）可得桥式整流滤波单元120的输出功率P_out为：

$P_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{out}}\×I_{\mathrm{out}}\≈V_{\mathrm{out}}\×I_{\mathrm{LED}}\×\frac{\mathrm{CIP}}{R_2}\×\frac{R_3+R_4}{R_4}---\left(6\right)$

由式（6）可见，桥式整流滤波单元120的输出功率P_out为一个与输出电压V_out无关的常数值，从而实现了输出功率的恒定。

优选地，在本实施例中，可以将基准电压电路、放大器和场效应管集成在同一集成电路芯片中。这种集成电路芯片的例子包括但不局限于中国普芯达电子有限公司生产的CW15L05芯片等。

值得指出的是，虽然在上面借助图2和3所描述的LED驱动电源中，多个LED单元以串联方式连接在一起，但是上述LED驱动电路同样也可应用于LED单元以并联、混联或交叉阵列等方式连接在一起的情形。

按照本发明的一个实施例，LED照明装置包括LED负载和LED驱动电源，其中LED驱动电源可采用上面借助图1-3所述的结构。

虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (10)

1.一种LED驱动电源，包括：

桥式整流滤波单元，其与LED负载耦合；

场效应管，其串接在所述桥式整流滤波单元和所述LED负载所在的回路内；以及

控制单元，其与所述场效应管的栅极耦合以借助施加在所述栅极上的电压使流经所述LED负载的电流基本上保持为设定值，

其特征在于，进一步包括阻容降压单元，其耦合在所述桥式整流滤波单元与外部电源之间。

2.如权利要求1所述的LED驱动电源，其中，所述设定值是可变的，并且所述控制单元被配置为通过改变所述设定值使得所述桥式整流滤波单元的输出功率基本上保持恒定。

3.如权利要求1所述的LED驱动电源，其中，所述控制单元包含：

基准电压电路，用于提供与所述设定值对应的基准电压；以及

放大器，其包含第一输入端、第二输入端和输出端，其中，所述第一输入端上施加所述基准电压，所述第二输入端上施加与流经所述LED负载的电流成比例的反馈信号，并且所述输出端与所述栅极相连，

其中，所述基准电压是可变的，所述基准电压电路被配置为根据所述桥式整流滤波单元的输出电压来确定所述基准电压，以使所述桥式整流滤波单元的输出功率基本上保持恒定。

4.如权利要求3所述的LED驱动电源，其中，所述基准电压与所述桥式整流滤波单元的输出电压成反比例关系。

5.如权利要求3所述的LED驱动电源，其中，所述场效应管、所述放大器和所述基准电压电路被集成在同一集成电路芯片中。

6.一种LED照明装置，包括：

LED负载；

LED驱动电源，包括：

桥式整流滤波单元，其与所述LED负载耦合；

场效应管，其接入所述桥式整流滤波单元和所述LED负载所在的回路内；以及

控制单元，其与所述场效应管的栅极耦合以借助施加在所述栅极上的电压使流经所述LED负载的电流基本上保持为设定值，

其特征在于，进一步包括阻容降压单元，其耦合在所述桥式整流滤波单元与外部电源之间。

7.如权利要求6所述的LED照明装置，其中，所述LED负载为多个以串联、并联或混联连接在一起的LED。

8.如权利要求6所述的LED照明装置，其中，所述设定值是可变的，并且所述控制单元被配置为通过改变所述设定值使得所述桥式整流滤波单元的输出功率基本上保持恒定。

9.如权利要求6所述的LED照明装置，其中，所述控制单元包含：

基准电压电路，用于提供与所述设定值对应的基准电压；以及

放大器，其包含第一输入端、第二输入端和输出端，其中，所述第一输入端上施加所述基准电压，所述第二输入端上施加与流经所述LED负载的电流成比例的反馈信号，并且所述输出端与所述栅极相连，

其中，所述基准电压是可变的，所述基准电压电路被配置为根据所述桥式整流滤波单元的输出电压来确定所述基准电压，以使所述桥式整流滤波单元的输出功率基本上保持恒定。

10.如权利要求9所述的LED照明装置，其中，所述基准电压与所述桥式整流滤波单元的输出电压成反比例关系。