CN106163037B - 发光二极管驱动电路和发光二极管照明设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种发光二极管驱动电路和发光二极管照明设备。发光二极管(LED)驱动电路包括：检测电路，检测驱动电路的输入为低频电流还是高频电流；第一级变换器，对驱动电路的输入进行变换，提供适用于LED的直流电；第一反馈环路，在检测到驱动电路的输入为低频电流时被激活，将LED负载的电流转换成反馈电压并反馈到第一级变换器，当LED负载的电流大于目标值时，反馈电压降低，当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压增大；以及第二反馈环路，在检测到驱动电路的输入为高频电流时被激活，将LED负载的电流转换成反馈电压并反馈到第一级变换器，当LED负载的电流大于目标值时，反馈电压增大，当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压降低。

Description

发光二极管驱动电路和发光二极管照明设备

技术领域

本发明涉及照明驱动领域，尤其涉及一种能够兼容交流市电(AC mains)、传统镇流器(CCG)和电子镇流器(ECG)的发光二极管驱动电路和发光二极管照明设备。

背景技术

随着固态照明技术的兴起与不断改进，发光二极管(LED)因其具有高效、节能、寿命长、环保等特点，已成为现今照明工程的优选方案，并逐渐被应用于照明产品当中。促使人们关注LED照明技术的一个关键因素是其大大降低了能源的消耗，并可实现长期可靠的工作。

LED灯管采用直流驱动，无论是在交流市电或CCG供电、还是在ECG供电的情况下，在交流市电、CCG和ECG与LED之间都需要加一个电源适配器，即LED驱动电路。它的功能是把所提供的电源转换成适合LED的直流电。

交流市电和CCG可以近似认为是低频恒压源(其均方根值恒定)，而ECG可以近似认为是高频恒流源(其均方根值恒定)。由于ECG具有与交流市电和CCG不同的电流和电压输出特性，因此设计能够兼容交流市电、CCG以及ECG的LED驱动电路越来越得到关注。

当前，现有技术中采用具有升压型功率因数校正(PFC)变换器和降压变换器的两级变换器的驱动电路来兼容交流市电、CCG以及ECG，但是，该采用两级变换器的驱动电路工作效率较低并且成本较高。在这种情况下，设计具有单级变换器的驱动电路来兼容交流市电、CCG以及ECG成为关注的热点。

发明内容

本发明目的是提供一种能够兼容交流市电、CCG和ECG的、具有单级变换器的发光二极管驱动电路和包括该驱动电路的发光二极管照明设备。

本发明的一个方面涉及一种LED驱动电路，其可以包括：检测电路，可以用于检测驱动电路的输入为低频电流还是高频电流；第一级变换器，可以用于对驱动电路的输入进行变换，以提供适用于LED的直流电；第一反馈环路，可以在检测电路检测到驱动电路的输入为低频电流时被激活，用于将来自LED负载的电流转换成反馈电压并反馈到第一级变换器，在第一反馈环路中，当LED负载的电流大于目标值时，反馈电压降低，而当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压增大；以及第二反馈环路，可以在检测电路检测到驱动电路的输入为高频电流时被激活，用于将来自LED负载的电流转换成反馈电压并反馈到第一级变换器，在第二反馈环路中，当LED负载的电流大于目标值时，反馈电压增大，而当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压降低。

根据本发明的一个实施例，低频电流包括直接交流市电或串联有传统镇流器的交流市电的输出电流，高频电流包括电子镇流器的输出电流。

根据本发明的一个实施例，第一级变换器可以包括：控制器，其可以接收第一反馈环路或第二反馈环路的反馈电压作为输入电压；以及变换器开关，变换器开关的接通时间受控制器的输入电压的控制，其中，随着控制器的输入电压越大，变换器开关的接通时间越大。

根据本发明的一个实施例，检测电路可以包括耦合变压器，耦合变压器可以被配置成具有预定电感量，使得当有低频电流流过其初级线圈时，其次级线圈产生的感应电压为0V的交变电压，而当有高频电流流过其初级线圈时，其次级线圈产生的感应电压为大于0V的交变电压。

根据本发明的一个实施例，第一反馈环路可以包括反相放大器。

根据本发明的一个实施例，第二反馈环路可以包括非反相放大器。

根据本发明的一个实施例，第一级变换器可以为降压变换器、降压-升压变换器以及升压变换器中的任一种。

根据本发明的一个实施例，驱动电路还可以包括：快恢复整流器，可以用于在第一级变换器对驱动电路的输入进行变换之前，将驱动电路的输入由交流电转换成直流电。

根据本发明的一个实施例，驱动电路还可以包括：选择电路，可以用于基于检测电路的检测结果，选择第一反馈环路或第二反馈环路，以使所选的反馈环路被激活。

根据本发明的一个实施例，驱动电路还可以包括第二级变换器，第二级变换器可以为连接在第一级变换器与LED负载之间的降压变换器，可以用于对第一级变换器的输出电压进行降压及平滑纹波，并且将处理后的电压输出到LED负载。

本发明的一个方面涉及一种发光二极管照明设备。该发光二极管照明设备包括根据本发明的发光二极管驱动电路。

根据本发明的技术实现的LED驱动电路和包括该驱动电路的LED照明设备由于采用单级变换器，因此具有较高效率并且成本较低。该驱动电路对于交流市电或CCG供电具有较高的功率因数，而且具有良好的ECG兼容性，以及具有良好的LED电流耐受性。此外，由于该驱动电路中的单级变换器可以是降压变换器、降压-升压变换器以及升压变换器中的任一种，因此，该驱动电路具有灵活的拓扑结构。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。在附图中，相同的或对应的技术特征或部件将采用相同或对应的附图标记来表示。

图1是例示在LED驱动电路为交流市电供电或CCG供电以及ECG供电情况下，驱动电路的等效输入阻抗与输入功率之间的关系的曲线图。

图2是例示现有技术中的、具有两级变换器的驱动电路的示意性框图。

图3是例示根据本发明的实施例的、兼容交流市电、CCG以及ECG的具有单级变换器的驱动电路的示意性框图。

图4是例示根据本发明的一个实施例的检测电路的示意性电路图。

图5是例示根据本发明的另一实施例的检测电路的示意性电路图。

图6是例示根据本发明的实施例的第一反馈环路和第二反馈环路的示意性电路图。

图7是例示根据本发明的实施例的用于第一反馈环路的控制逻辑的示意图。

图8是例示根据本发明的实施例的用于第二反馈环路的控制逻辑的示意图。

图9是例示根据本发明的实施例的具有两级变换器的驱动电路的示意性框图。

具体实施方式

以下参照按照本发明实施例的设备的框图、电路图等描述本发明。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限定本发明。

首先，简要描述LED驱动电路的等效输入阻抗与输入功率之间的一般关系。图1是例示在LED驱动电路为交流市电供电或CCG供电以及ECG供电情况下，驱动电路的等效输入阻抗与输入功率之间的关系的曲线图。

具体地，交流市电和CCG可以近似认为是低频恒压源(其输出电压的RMS值恒定)，而大多数ECG可以近似认为是高频恒流源(其输出电流的RMS值恒定)。

如图1中的虚线所示，在驱动电路为交流市电供电或CCG供电的情况下，可以通过以下公式(1)计算传递到驱动电路的功率P_in：

P_in＝U*U/R_eq (1)

其中，U是经全波整流后的交流市电或CCG输出电压的均值，R_eq是驱动电路的等效输入阻抗。

如图1中的实线所示，在驱动电路为ECG供电的情况下，可以通过以下公式(2)计算传递到驱动电路的功率P_in：

P_in＝I*I*R_eq (2)

其中，I是ECG输出电流的RMS值，R_eq是驱动电路的等效输入阻抗。

由图1可见，若要使驱动电路能够兼容交流市电、CCG和ECG供电，则对于交流市电或CCG供电的情况和对于ECG供电的情况，需要设计具有不同控制逻辑的驱动电路。

在描述本发明具体实施方式之前，先描述现有技术中采用两级变换器来兼容交流市电、CCG以及ECG的驱动电路。图2是例示现有技术中的、具有两级变换器的驱动电路10的示意性框图。驱动电路10可以包括整流器101、PFC升压变换器102、降压变换器103、以及PFC电压反馈环路104。

使用交流市电或CCG进行供电与使用ECG进行供电时，PFC升压变换器102的输出电压Vout的值显著不同。在使用交流市电或CCG进行供电时，PFC升压变换器102的输出电压Vout的值在400V左右；而在使用ECG进行供电时，输出电压Vout的值在190V左右。因此，根据由于输出电压Vout的变化而引起的、经PFC电压反馈环路104反馈到PFC升压变换器102的PFC控制器的反馈电压和反馈电流的变化，PFC控制器可以确定所使用的供电类型(交流市电、CCG或ECG)。

在图2所示的示例中，由交流市电、CCG或ECG向驱动电路10供电。交流电流在经由诸如桥式整流器的整流器101整流后被提供给PFC升压变换器102。PFC升压变换器102首先将上述经整流的电压调节为192V输出电压Vout，如果成功，则判断驱动电路10的输入为ECG输入。如果失败，PFC升压变换器102将上述经整流的电压调节为400V输出电压Vout，此时判断驱动电路10的输入为交流市电或CCG输入。降压变换器103对来自PFC升压变换器102的电压进行降压变换，以提供适用于LED负载的直流电。

由于驱动电路10中采用的上述判断方式，导致驱动电路10的工作效率较低；另外，驱动电路10中采用两级变换器，因此导致成本较高。

本发明致力于提供一种能够兼容交流市电、CCG和ECG的、具有单级变换器的LED驱动电路。

图3是例示根据本发明的实施例的、兼容交流市电、CCG以及ECG的具有单级变换器的驱动电路20的示意性框图。

如图3所示，驱动电路20可以包括检测电路201、第一级变换器202、第一反馈环路203以及第二反馈环路204。下面对每一部分进行详细说明。

检测电路201可以用于检测驱动电路20的输入为低频电流还是高频电流。低频电流包括直接交流市电或串联CCG的交流市电的输出电流，高频电流包括ECG的输出电流。并且，检测电路201在检测到输入为低频电流的情况下输出值为“0”的检测信号，而在检测到输入为高频电流的情况下输出值为“1”的检测信号。图4是例示根据本发明的一个实施例的检测电路201的示意性电路图。如图4所示，检测电路201可以包括耦合变压器L1和稳压整流电路。

当检测电路201的输入端接入到交流市电或CCG时，流过耦合变压器L1的初级线圈的工作电流频率一般为50Hz或60Hz，即流过耦合变压器L1的初级线圈的电流为低频电流。而当检测电路201的输入端接入到ECG时，流过耦合变压器L1的初级线圈的工作电流频率一般大于30KHz，即流过耦合变压器L1的初级线圈的电流为高频电流。耦合变压器L1可以被配置成具有预定电感量，使得当有低频电流流过其初级线圈时，其次级线圈产生的感应电压为0V的交变电压，而当有高频电流流过其初级线圈时，其次级线圈产生的感应电压为大于0V的交变电压。

如图4所示，电阻器R1和R2、电容器C1和C2、以及二极管D1和D2可以构成稳压整流电路。只有当耦合变压器L1的次级线圈产生大于0V的交变电压时，电流才能流过C1、R1和D2向C2充电。即，在检测到输入为低频电流的情况下输出值为“0”的检测信号，而在检测到输入为高频电流的情况下输出值为“1”的检测信号。其中，C2可以是滤波电容器，起稳定其两端电压的作用。D1可以是齐纳二极管，起到限压作用。

图5是例示根据本发明的另一实施例的检测电路201的示意性电路图。图5与图4不同之处仅在于稳压整流电路的构成，这里省略对其重复部分的描述。

如图5所示，电阻器R1和R2、二极管D1、以及电容器C2可以构成稳压整流电路。只有当耦合变压器L1的次级线圈产生大于0V的交变电压时，电流才能流过D1和R1向C2充电。即，在检测到输入为低频电流的情况下输出值为“0”的检测信号，而在检测到输入为高频电流的情况下输出值为“1”的检测信号。

返回到图3，根据本发明实施例的第一级变换器202可以对驱动电路201的输入进行变换，以提供适用于LED的直流电。第一级变换器202可以为降压变换器、降压-升压变换器以及升压变换器中的任一种。

第一反馈环路203可以在检测电路201检测到驱动电路20的输入为低频电流时被激活，用于将来自LED负载的电流I_LED转换成反馈电压V_feedback并反馈到第一级变换器202，在第一反馈环路203中，当LED负载的电流I_LED大于目标值时，反馈电压V_feedback降低，而当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压V_feedback增大。

第二反馈环路204可以在检测电路201检测到驱动电路20的输入为高频电流时被激活，用于将来自LED负载的电流I_LED转换成反馈电压V_feedback并反馈到第一级变换器202，在第二反馈环路204中，当LED负载的电流I_LED大于目标值时，反馈电压V_feedback增大，而当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压V_feedback降低。

其中，上述目标值为使得LED负载正常工作的电流。

图6是例示根据本发明的实施例的第一反馈环路203和第二反馈环路204的示意性电路图。

如图6所示，第一反馈环路203可以包括反相放大器EA1，第二反馈环路204可以包括非反相放大器EA2。

在检测电路201检测到驱动电路20的输入为低频电流的情况下(即，检测信号为“0”时)，开关管Q1关断并且开关管Q2导通，非反相放大器EA2的同相输入端的电压高于其反相输入端的参考电压，因此，非反相放大器EA2的输出为高并且不能影响反馈电压V_feedback。这样，由反相放大器EA1调节反馈电压V_feedback。即，在检测信号为“0”时，激活第一反馈环路203。第一反馈环路203将LED负载的电流I_LED转换成反馈电压V_feedback，并反馈到第一级变换器202。反相放大器EA1使得LED负载的电流I_LED大于目标值时反馈电压V_feedback降低，反之亦然。第一反馈环路203还可以包括电阻器、二极管、电容器等，这里省略其详细描述。

在检测电路201检测到驱动电路20的输入为高频电流的情况下(即，检测信号为“1”时)，开关管Q1导通并且开关管Q2关断，反相放大器EA1的反相输入端的电压低于其同相输入端的参考电压，因此，反相放大器EA1的输出为高并且不能影响反馈电压V_feedback。这样，由非反相放大器EA2调节反馈电压V_feedback。即，在检测信号为“1”时，激活第二反馈环路204。第二反馈环路204将来自LED负载的电流I_LED转换成反馈电压V_feedback，并反馈到第一级变换器202。非反相放大器EA2使得LED负载的电流I_LED大于目标值时，反馈电压V_feedback增大，反之亦然。第二反馈环路204还可以包括电阻器、二极管、电容器等，这里省略其详细描述。

接下来结合第一级变换器202来分别描述用于第一反馈环路203的控制逻辑和用于第二反馈环路204的控制逻辑。

第一级变换器202可以包括控制器和变换器开关。控制器可以接收第一反馈环路203或第二反馈环路204的反馈电压V_feedback作为输入电压。控制器可以是各种控制芯片。变换器开关的接通时间Ton受控制器的输入电压的控制，其中，随着控制器的输入电压越大，变换器开关的接通时间Ton越大。例示而非限制，变换器开关可以为金属氧化物场效应MOS晶体管。

关于变换器开关的接通时间Ton和LED负载的电流I_LED，用于第一反馈环路203的控制逻辑和用于第二反馈环路204的控制逻辑可以分别由图7和图8所示。

如上所述，在第一反馈环路203中，当LED负载的电流I_LED大于目标值时，反馈电压V_feedback降低，反之亦然；而在第二反馈环路204中，当LED负载的电流I_LED大于目标值时，反馈电压V_feedback增大，反之亦然。

因此，在检测电路201检测到驱动电路20的输入为交流市电或CCG的情况下(即，输入为恒压源的情况下)，如果LED负载的电流I_LED偏高，则第一反馈环路203使反馈电压V_feedback降低，而变换器开关的接通时间Ton受反馈电压V_feedback控制也减小，这样就能减小LED负载的电流I_LED。即，如图7所示，在驱动电路20的输入为交流市电或CCG的情况下，如果LED负载的电流I_LED偏高，则利用第一反馈环路203，通过减小变换器开关的接通时间Ton来减小LED负载的电流I_LED。

而在检测电路201检测到驱动电路20的输入为ECG的情况下(即，输入为恒流源的情况下)，如果LED负载的电流I_LED偏高，则第二反馈环路204使反馈电压V_feedback增大，而变换器开关的接通时间Ton受反馈电压V_feedback控制也增大，这样就能减小LED负载的电流I_LED。即，如图8所示，在驱动电路20的输入为ECG的情况下，如果LED负载的电流I_LED偏高，则利用第二反馈环路204，通过增大变换器开关的接通时间Ton来减小LED负载的电流I_LED。

如上所述，用于第一反馈环路203和第二反馈环路204的上述不同控制逻辑使得具有单级变换器(第一级变换器202)的驱动电路20可以兼容交流市电、CCG以及ECG输入。

另外，根据另一实施例，驱动电路20优选地还可以包括快恢复整流器205，其可以在第一级变换器202对驱动电路的输入进行变换之前，将驱动电路20的输入由交流电转换成直流电。例示而非限制地，快恢复整流器205可以为桥式整流器。

另外，根据另一实施例，驱动电路20优选地还可以包括模拟灯丝电阻器，其将ECG的4线输出整合成2线输出，再接到快恢复整流器205。该模拟灯丝电阻器用于保证ECG正常工作。该模拟灯丝电阻器可以由图5中最左侧的电阻器构成。

根据另一实施例，驱动电路20优选地还可以包括选择电路206，其可以基于检测电路201的检测结果，选择第一反馈环路203或第二反馈环路204，以使所选的反馈环路被激活。如图6所示，选择电路206可以包括开关管Q1和开关管Q2。在检测电路201检测到驱动电路20的输入为低频电流的情况下(即，检测信号为“0”时)，开关管Q1关断并且开关管Q2导通，选择电路206激活第一反馈环路203。而在检测电路201检测到驱动电路20的输入为高频电流的情况下(即，检测信号为“1”时)，开关管Q1导通并且开关管Q2关断，选择电路206激活第二反馈环路204。例示而非限制，开关管Q1和Q2可以为金属氧化物场效应MOS晶体管。选择电路206不是必需的，本领域技术人员还可以容易想到激活第一反馈环路203或第二反馈环路204的其他方式。

经过仿真实验可知，对于不同ECG输入，驱动电路20均可以提供合适的用于LED的直流电，即该驱动电路20具有良好的ECG兼容性。

根据另一实施例，根据本发明的实施例的驱动电路还可以包括第二级变换器。

图9是例示根据本发明的实施例的具有两级变换器的驱动电路30的示意性框图。图9与图3不同之处仅在于驱动电路30还包括第二级变换器307，这里省略对其重复部分的描述。

第二级变换器307为连接在第一级变换器302与LED负载之间的降压变换器，用于对第一级变换器302的输出电压进行降压及平滑纹波，并且将处理后的电压输出到LED负载。其中，第二级变换器307为固定接通时间的降压变换器。由于引入作为降压变换器的第二级变换器307，因此驱动电路30具有良好的纹波抑制特性。

根据本发明实施例的LED驱动电路和包括该驱动电路的LED照明设备由于采用单级变换器，因此具有较高效率并且成本较低。该驱动电路对于交流市电或CCG供电具有较高的功率因数，而且具有良好的ECG兼容性，以及具有良好的LED电流耐受性。此外，由于该驱动电路中的单级变换器可以是降压变换器、降压-升压变换器以及升压变换器中的任一种，因此，该驱动电路具有灵活的拓扑结构。

在前面的说明书中参照特定实施例描述了本发明。然而本领域的普通技术人员理解，在不偏离如权利要求书限定的本发明的范围的前提下可以进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种发光二极管LED驱动电路，包括：

检测电路，用于检测所述驱动电路的输入为低频电流还是高频电流，其中，所述低频电流包括直接交流市电或串联传统镇流器的交流市电的输出电流，所述高频电流包括电子镇流器的输出电流；

第一级变换器，用于对所述驱动电路的输入进行变换，以提供适用于所述LED的直流电；

第一反馈环路，在所述检测电路检测到所述驱动电路的输入为所述低频电流时被激活，用于将来自LED负载的电流转换成反馈电压并反馈到所述第一级变换器，在所述第一反馈环路中，当LED负载的电流大于目标值时，反馈电压降低，而当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压增大；以及

第二反馈环路，在所述检测电路检测到所述驱动电路的输入为所述高频电流时被激活，用于将来自所述LED负载的电流转换成反馈电压并反馈到所述第一级变换器，在所述第二反馈环路中，当LED负载的电流大于目标值时，反馈电压增大，而当LED负载的电流小于目标值时，反馈电压降低；

其中，所述驱动电路还包括：

快恢复整流器，用于在所述第一级变换器对所述驱动电路的输入进行变换之前，将所述驱动电路的输入由交流电转换成直流电；和

选择电路，用于基于所述检测电路的检测结果，选择所述第一反馈环路或所述第二反馈环路，以使所选的反馈环路被激活。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述第一级变换器包括：

控制器，其接收所述第一反馈环路或所述第二反馈环路的反馈电压作为输入电压；以及

变换器开关，所述变换器开关的接通时间受所述控制器的输入电压的控制，其中，随着所述控制器的输入电压越大，所述变换器开关的接通时间越大。

3.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述检测电路包括耦合变压器，所述耦合变压器被配置成具有预定电感量，使得当有低频电流流过其初级线圈时，其次级线圈产生的感应电压为0V的交变电压，而当有高频电流流过其初级线圈时，其次级线圈产生的感应电压为大于0V的交变电压。

4.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述第一反馈环路包括反相放大器。

5.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述第二反馈环路包括非反相放大器。

6.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述第一级变换器为降压变换器、降压-升压变换器以及升压变换器中的任一种。

7.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述驱动电路还包括第二级变换器，所述第二级变换器为连接在所述第一级变换器与所述LED负载之间的降压变换器，用于对所述第一级变换器的输出电压进行降压及平滑纹波，并且将处理后的电压输出到所述LED负载。

8.一种发光二极管照明设备，包括根据权利要求1至7中任一项所述的驱动电路。