CN105282929B - 一种自动切换模式的全电压分段式线性恒流led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，包括依次串联的至少两组LED，以及用于检测电源电压的电压检测控制电路；各组LED的正极端直接与电源相连或通过切换开关与电源相连；各组LED的负极端分别通过相应的控制开关接地；其中一组LED中包括依次串联的至少两个LED单元，每个LED单元的负极端通过对应的控制开关接地；所述切换开关以及控制开关均接入并受控于所述电压检测控制电路以改变组间串并联模式以及不同LED单元的通断。本发明驱动电路可根据电压切换LED的串并联模式，还可以根据电压的拨动方便及时的调整总负载电流，继而降低谐波失真并兼顾功率因数。

Description

一种自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其涉及一种LED的驱动电路。

背景技术

不同地区有着不同的供电模式，在照明领域，通常情况下LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。

现在通行的驱动方式有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

为适应供电电压的不同，中国专利申请201310110690.1中公开了一种随输入电压动态改变串并联结构的LED驱动装置，用于驱动LED矩阵。包括输入电压传感模块，将输入电压与预设的不同电压范围进行比较，并输出一个输入电压状态信号；一个电路串并联结构控制模块，根据输入电压状态信号输出对应的控制信号到开关组合以及可动态改变总电流大小的恒流源；一个可改变LED矩阵串并联结构的开关组合，根据不同的控制信号动态改变LED矩阵的串并联结构；一个可动态改变总电流大小的恒流源，根据不同的控制信号动态改变该恒流源的总电流大小配合开关组合使得在单一串联LED路径上的电流保持在一恒流电流范围。有效解决了LED灯具有亮区暗区的现象，进一步的降低了传统驱动在直流低压时LED灯具的频闪问题。

中国专利申请201310218352.X中公开了一种全电压串并式LED灯，其包含有至少两个LED单元、一连接至各LED单元的LED驱动电路及一串并联控制电路；其中该串并联控制电路包含有至少一正极切换开关、至少一负极切换开关及一第一电压检知与控制电路；又各正极切换开关及各负极切换开关分别对应连接至各LED单元的正、阴极之间；当该第一电压检知与控制电路于检知当前为低压段电压后控制各正极切换开关及负极切换开关导通，令各LED单元相互并联；反之，若为高压电电压则令各LED单元相互串联；由于该串联后的各LED单元的总切入电压提高至能完全承受该高压段电压，故不会于点亮后烧毁。

以上现有技术尽管可以实现串并联模式的改变，但如何灵活的兼顾功率因数与THD一直尚待解决。

发明内容

本发明提供一种LED驱动电路，通过合理的将LED分组、分单元配置，可灵活的改变功率因数并降低THD。

一种自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，包括依次串联的至少两组LED，以及用于检测电源电压的电压检测控制电路；

各组LED的正极端直接与电源相连或通过切换开关与电源相连；各组LED的负极端分别通过相应的控制开关接地；

其中一组LED中包括依次串联的至少两个LED单元，每个LED单元的的负极端通过对应的控制开关接地；

所述切换开关以及控制开关均接入并受控于所述电压检测控制电路以改变组间串并联模式以及不同LED单元的通断。

以为了适应120V和277V两种供电模式为例，本发明采用电压检测控制电路来识别电压并控制切换开关，供电模式为277V时切换开关关闭，意味着各组LED依次串联，同理供电模式为110V时切换开关导通，各组LED输入端直接与电源相连，实现并联模式以适应电压的不同。

即使是供电模式确定，电压仍有周期性波动，本发明通过控制开关改变某些LED单元的通断状态，即改变整体驱动电路的电流以及压降，可在电压周期性波动时降低THD小于15％(总谐波失真)，随着电压上升逐步导通更多的LED单元，相反电压下降时，逐步关断某些LED单元。

电压的采样，比较以及对应信号的输出通过电压检测控制电路实现，电压检测控制电路即可以采用写入软件的芯片实现，也可以采用具有逻辑功能的电压比较电路，通过对电源电压的判断以开启对应的切换开关以及控制开关。

本发明中，每组LED中包括至少一个或依次串联的多个LED，划分多个LED单元的组中，每个LED单元包括至少一个或依次串联的多个LED。

每LED单元的控制开关的通断状态会影响在后各LED单元的导通状态，不同LED单元的控制开关的组合状态，可以阶段性的改变整体的电流。作为优选同组中最后一LED单元的输出端与所在组LED的输出端共用同一控制开关。

每一LED单元小组的LED的数量可以相同或不同，不同数量LED小组的通断切换，可以实现电流的更多变化组合。

作为优选，各控制开关通过对应采样电阻接地并分别匹配有比较器，比较器的采样端连接采样电阻，经与基准信号比较后向对应的控制开关输入恒流保护信号。

控制开关、采样电阻、比较器也可视为构成了稳流控制单元。

所述切换开关包括三极管和MOS管，其中三极管的集电极以及发射极连接在对应组LED的正极和电源正端，基极通过第一分压电阻接电源；MOS管漏极通过第二分压电阻接三极管的基极，源极接地，栅极接所述电压检测控制电路。

电压检测控制电路通过对MOS管的控制，可改变第一分压电阻和第二分压电阻之间(即三极管基极)的电压，继而实现三极管的通断控制(切换开关的通断)。

作为优选，所述LED分为2～4组，各组中的LED总数和规格大致相同，其中第一组LED正极端接电源，负极端通过控制开关以及采样电阻接地；

前一组LED的负极端通过防逆流的二极管接后一组LED的正极端，其中最后一组或多组LED又分为串联的2～4个LED单元，各LED单元各自的负极端分别通过对应的控制开关以及采样电阻接地；各切换开关中的三极管发射极连接在对一组LED的输入端。

作为进一步的优选，所述LED分为两组，第一组LED正极端接电源，负极端通过第一控制开关以及采样电阻接地；

第二组LED分为串联的3个LED单元，各LED单元各自的负极端分别通过第二、第三、第四控制开关以及第二、第三、第四采样电阻接地。

作为优选，为了简化电路，所述第一控制开关与切换开关的MOS管为同一MOS管，且在第一组LED输出端通过二极管接入第二分压电阻和MOS管漏极之间。

为了进一步灵活的调节总负载电流，作为优选，所述采样电阻上还并联有分配支路，该分配支路包括相互串联的分配电阻以及受控于电压检测控制电路的分配开关。

作为进一步的优选，第三、第四采样电阻上并联有分配支路。

作为优选，所述第二采样电阻的负极接入第三控制开关与第三采样电阻之间，所述第三采样电阻的负极接入第四控制开关与第四采样电阻之间。

本发明驱动电路可根据电压切换LED的串并联模式，还可以根据电压的拨动方便及时的调整总负载电流，继而降低谐波失真并兼顾功率因数。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为实施例1的电路示意图；

图3为比较器以及外围电路的结构示意图；

图4为电源电压为120V时的波形图；

图5为电源电压为277V时的波形图；

图6为本发明实施例2的电路示意图；

图7为本发明实施例3的电路示意图；

图8为本发明实施例4的电路示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，包括依次串联的多组LED，其中一组LED中包括依次串联的多个LED单元，第一组LED的正极端直接与电源相连，其余各组通过切换开关与电源相连，各组LED的负极端分别通过相应的控制开关接地。

电压检测控制电路检测电源输出端的电压，对应的控制切换开关以改变组间串并联模式。

每个LED单元的负极端通过对应的控制开关接地，电压检测控制电路向控制开关发送通断信号，可以改变组中不同单元LED的通断状态，实现总电流的阶梯变化。

本发明LED驱动电路主要可以用于两种不同电源电压(例如120V和277V、110V和220V)的工作模式，使其在两种电源电压下都能够达到高效率、高功率因数、低谐波失真的小体积的LED恒流驱动电路。

假设V1和V2两种AC输入电压给LED提供恒流驱动，设参考电压为V0，且满足V1<V<V2。

当前检测电压V＝V1<V0时，比较器的输出恒为0(或1)，比较器输出的信号通过锁定电路后会产生一个恒定不变的逻辑控制开关的电压信号，这些信号使得各组LED串并联切，而通过各单元LED的通断切换可以折中效率和THD(或功率因数)。

当前检测电压V＝V2>V0时的情况，比较器的输出就会相应发生翻转，即变为1(或0)，比较器输出的信号通过锁定电路后也会产生一个恒定不变的逻辑控制开关的电压信号，只要出现这种情况一次，之后即使出现V<V0，逻辑控制开关的电压信号也不会发生变化的(锁定了)。

实际操作中可以让V0＝(V1+V2)/2，或者让V0稍微再大一点，或者检测电路之前再加上滤波电路，这样能够减小电源电压检测电路误判的可能性。

当然，当V2≈2V1时，分成两组LED比较适用的，如果电源电压V2比V1大2倍或者更多倍时，我们可以根据需要把上述V1电源电压下的看成的并联的两组LED改成三组LED或者更多组，从而可以让LED正常工作，仅仅是增加了电路的复杂程度。

本发明可用于为120V和277V、110V和220V等AC电源电压的使用，在这两种电源电压下，LED要求都能正常工作的，且效率和THD的指标能够达到较高的要求。

实施例1

参见图2，例如有120V和277V两种AC电压，可设V0＝200V。

图中左侧为交流电经整流后输出，所有LED分为两组，其中第一组LED1(具体包括4个LED)，其余的为第二组，第二组分为三个单元，分别为单元LED2(具体包括1个LED)，单元LED3(具体包括2个LED)，单元LED4(具体包括1个LED)，各LED依次串联，在第一组和第二组之间还串接有防逆流的二极管D1以及电阻Rs。

切换开关包括三极管Q和MOS管M0，其中三极管Q的集电极和发射极分别连接第二组LED的正极端和电源输出端基极通过第一分压电阻Ra接电源输出端；

MOS管M0漏极通过第二分压电阻Rb接三极管Q的基极，源极接地，栅极接电压检测控制电路的输出端。

第一组LED的负极端依次通过MOS管M1(相当于控制开关)以及采样电阻R1接地。

同理三个LED单元的负极端分别通过：

MOS管M2(相当于控制开关)以及采样电阻R2接地；

MOS管M3(相当于控制开关)以及采样电阻R3接地；

MOS管M4(相当于控制开关)以及采样电阻R4接地。

图2中电压检测控制电路(图中省略)采集电源输出端的电压，以及采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4处的电流，经相应处理后，输出用于控制切换开关的信号sw0，输入各控制开关的信号sw1、信号sw2、信号sw3、信号sw4。

参见图3，以采样电阻R1处的采样信号cs1为例，经电阻R0和电阻Rf转换为电压信号v1后与基准电压verf1比较，再输出信号sw1用于控制MOS管M1的通断。

工作时，假设V＝120V，由于V一直小于V0(200V)，电压检测控制电路控制MOS管M0始终打开，可以设定合适的第一分压电阻Ra、第二分压电阻Rb的大小，保证三极管Q基极电压极低即三极管Q完全开启，实现两组LED的并联。

另外控制MOS管M2始终关断(无电流)，MOS管M1、MOS管M3、MOS管M4可以进行线性恒流控制。

结合图4，上电后，MOS管M0、MOS管M1、MOS管M3均导通；MOS管M2，MOS管M4均断开，即第一组LED，以及第二组的前两个单元LED工作，此时电源输出端电流跃升。

随着电压上升，再将MOS管M3关断，MOS管M4导通，即所有LED均导通，电源输出端电流再次跃升。

通过以上分段控制可以折中效率和THD。

另一种情况，V＝277V，此时会控制三极管以及MOS管M0、MOS管M1均关断，实现所有LED的串联。

结合图5，随着电压的波动第一次电流跃升时是MOS管M2导通，MOS管M3关断，MOS管M4关断，即只有第一组LED以及第一单元LED工作。

之后MOS管M2关断，MOS管M3导通、MOS管M4关断使第一、第二单元LED工作，电流再次跃升。

再后MOS管M2关断，MOS管M3关断、MOS管M4导通使所有LED工作，电流再次跃升。

电压下降时可同理控制。

进一步的，通过调节每组或每单元LED的个数、各采样电阻的阻值以及基准电压(例如图3中的基准电压verf1)可以折中两种电源电压下的功率P、效率η和THD(或功率因数PF)指标。

电阻Rs可以减小MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4的功耗和增加LED的线性。当然，电阻Rs也可以用若干个串联的LED代替，这些LED可以在277V电压下工作的，这样可以保证电压为277V时LED的效率较高。此外，为了进一步减小在高压电压输入时存在MOS管M4管等可能功耗太大(可能会烧坏)的问题。如果要减小MOS管M2、MOS管M3的功耗可减小单元LED3和单元LED4的数目来降低的MOS管M2、MOS管M3压降；而减小MOS管M4的功耗，可以针对MOS管M4增加一个电流补偿电路，原理是在高压电压输入时，通过补偿电路将MOS管M4的电流大大减小来降低MOS管M4的功耗。

实施例2

实施例1中MOS管M0与MOS管M1的逻辑在120V与277V时可以看成是基本一样的，只是MOS管M1有限流的功能，MOS管M0没有，这个差别是不会造成其他控制开关的逻辑变化的。

参见图6，本实施例中MOS管M0和MOS管M1只用一个MOS管代替，这个MOS管可以为MOS管M1，为防止逆流，在第一组LED负极端与MOS管M1之间设置二极管D6，这样可以简化外围的电路，降低一些外围电路成本。

实施例3

参见图6，相对于实施例2，本实施例中各LED单元的控制开关的接地方式不同，即限流值不同。

图中采样电阻R2负极端接入MOS管M3与采样电阻R3之间；采样电阻R3负极端接入MOS管M4与采样电阻R4之间。

这种结构相对于线电压检测形式的一个明显的优点就是这几个MOS管可以自动切换而不依赖于电源输出电压的高低，因此LED的灯数的自由度比较高。

实施例4

以上实施例，如果要求在两种电压(假设为120V和277V)下还要保证LED总的功率P相等，还是比较困难的。

另外在实施例3中，如果要达到较高的效率和THD时，由于各单元LED流过的电流的相关性较强，可能会导致某段LED中有不合理的电流值出现(即某段LED电流分配相对于其他段LED的电流会过小或过大)。

参考图7，本实施例可以改善这种不足，而且在这两种电源电压下都能够达到高效率、高功率因数、低谐波失真的性能。

图中采样电阻R3与采样电阻R4分别并联有分配电阻R30以及分配电阻R40，且在并联的分配支路上分别设有开关S1和开关S2，其中开关S1和开关S2也受控于电压检测控制电路。

工作原理：当电源电压为120V时，可以让开关S1闭合、开关S2断开。

由于LED的功率Pled＝I(电流)*Vled(电压)，可以粗略地认为这电源电压为277V以及120V时两种情况下LED总的平均电压降比值：

Vledv2/Vledv1≈V2/V1＝277/60≈4.6

设置R40≈3R4，R30≈0，Rs用LED代替。

所以要保证电源电压为277V以及120V时两种情况下LED的功率Pledv1＝Pledv2的话，两种电压下LED总的平均电流比值Iledv1/Iledv2≈4.6，所以我们设定这种情况下Vref2(对应于MOS管M2的基准电压)＝2.3*Vref1(对应于MOS管M1的基准电压)，来让两种电源电压下的功率P更相近。

而当电源电压为277V时，可以让开关S2闭合、开关S1断开，这种情况下让Vref2切换到另一个值Vref2＝Vref1。

采用这种切换方式，可以大大提高两种电压下每段电流的自由度，让THD达到较高的同时，两种电压下各段LED串的电流大小也不会相差太多，而且功率可以调到相近的。

通过仿真调试发现，分配电阻R30理论上接近0是比较好的，因此开关S1和分配电阻R30可以用一个MOS开关代替，集成于片内，这可以进一步减小成本。总之，这种结构可以折中两种电压下的功率和THD指标，并且可以保证每段的LED流过的电流大小不会差好几倍。

本实施例中在LED足够多的条件下，只要给定适当大小的采样电阻和分配电阻就可以得到理想的THD和效率，同时每段LED的电流大小也不会差太多，而且在这两种电压下LED的功率可以相近，外围电路的成本也是可以接受的。

Claims (9)

1.一种自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，包括依次串联的至少两组LED，以及用于检测电源电压的电压检测控制电路；其特征在于：

各组LED的正极端直接与电源相连或通过切换开关与电源相连；各组LED的负极端分别通过相应的控制开关接地；其中第一组LED正极端接电源，负极端通过控制开关以及采样电阻接地；前一组LED的负极端通过防逆流的二极管接后一组LED的正极端；

其中一组LED中包括依次串联的至少两个LED单元，每个LED单元的的负极端通过对应的控制开关接地；

所述切换开关以及控制开关均接入并受控于所述电压检测控制电路以改变组间串并联模式以及不同LED单元的通断；

所述切换开关包括三极管和MOS管，其中三极管的集电极以及发射极连接在对应组LED的正极和电源正端，基极通过第一分压电阻接电源；

MOS管漏极通过第二分压电阻接三极管的基极，源极接地，栅极接所述电压检测控制电路。

2.如权利要求1所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，每组LED中包括至少一个或依次串联的多个LED，划分多个LED单元的组中，每个LED单元包括至少一个或依次串联的多个LED。

3.如权利要求2所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，各控制开关通过对应采样电阻接地并分别匹配有比较器，比较器的采样端连接采样电阻，经与基准信号比较后向对应的控制开关输入恒流保护信号。

4.如权利要求1所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，所述LED分为2～4组，各组中的LED总数和规格相同；

其中最后一组或多组LED又分为串联的2～4个LED单元，各LED单元各自的负极端分别通过对应的控制开关以及采样电阻接地；各切换开关中的三极管发射极连接在对一组LED的输入端。

5.如权利要求4所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，所述LED分为两组，第一组LED正极端接电源，负极端通过第一控制开关以及采样电阻接地；

第二组LED分为串联的3个LED单元，各LED单元各自的负极端分别通过第二、第三、第四控制开关以及第二、第三、第四采样电阻接地。

6.如权利要求5所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，所述第一控制开关与切换开关的MOS管为同一MOS管，且在第一组LED输出端通过二极管接入第二分压电阻和MOS管漏极之间。

7.如权利要求6所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，所述采样电阻上还并联有分配支路，该分配支路包括相互串联的分配电阻以及受控于电压检测控制电路的分配开关。

8.如权利要求7所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，第三、第四采样电阻上并联有分配支路。

9.如权利要求8所述的自动切换模式的全电压分段式线性恒流LED驱动电路，其特征在于，所述第二采样电阻的负极接入第三控制开关与第三采样电阻之间，所述第三采样电阻的负极接入第四控制开关与第四采样电阻之间。