CN106332406A - 一种多路独立控制的led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路独立控制的LED驱动电路，包括一个所有LED共用的恒流驱动电路和多个LED支路，所述LED支路串联连接在所述恒流电路输出端，其中所述LED支路包括至少一个LED灯串和对应于所述LED灯串设置的并能工作在短路、开路的旁路电路，所述旁路电路与LED灯的正负极相连接，在短路、开路的情况下分别控制所连接支路的LED灯的熄灭、点亮。所述旁路电路的控制端连接至可编程芯片，能够对恒流驱动电源下的串联的各LED灯串分别独立地进行隔离控制。

Description

一种多路独立控制的 LED 驱动电路

技术领域

本发明涉及LED通用照明领域，具体是指一种多路独立控制的LED驱动电路。

背景技术

LED广泛地应用于普通照明，同时也经常以彩灯连成灯串的方式来表现各种动态效果作为景观、舞台、节日和广告照明光源，通过简单的连接和控制可体现闪烁和流水两种动态效果，整条灯串可分为较少的几路并联起来分别控制，各分路串入一定的限流电阻可直接由恒压电源负载，即使每一分路单独由一个恒流电源驱动也是可行的，驱动设计也较为简单。所以这种灯串比较普及，也俗称跑马灯，不过由于只有很少的几个分路轮流点亮熄灭来形成闪烁流水的效果，这种跑马灯的花样较少，周期性也很强，因而表现方式千篇一律比较单调，从而造成吸引注意力时间短暂，难以体现丰富多样化的动态效果。

为了克服这种周期性而单调的效果，需要灯串具有更多的灯珠并对多个或多串灯珠进行独立的控制，对于大规模而控制复杂的专业舞台灯光，目前采用DMX512协议，通过控制台向每个LED光源发出控制信号，而每个LED光源的驱动器必须装有相应的该信号接收和解码功能的芯片，再经过转换为控制信号。而在很多场合，如楼宇外墙灯饰、临时搭建舞台、业余文化表演、户外景观和广告以及节日气氛增强等方面，需要变幻花样比较丰富且的大功率彩灯来达到足够强的渲染效果，这种专业舞台灯光显得比较复杂、安装拆装费时和成本过高,因此应用受到限制。

如果采用单个电源并设计控制电路有足够的输出端口，则可简单地将不同灯珠并联接入到直流恒压电源中，就可以很方便地对它们进行独立控制，但是对于大功率的灯珠来说，如3W的灯珠通过的电流在700~800mA左右，每个灯珠的压降在2V（红光LED）到3~3.5V（蓝光LED），采取多路并联的方式，而且为了获得丰富多彩的变幻及动态效果，应采用数量尽可能多的独立控制分路，如20路就需要DC电源提供15A左右工作电流，大电流对于电源设计带来器件选择的难度和成本的增加，低压更导致整流效率的很大降低。

当然，每个并联分路里可采用多个小功率LED串联或串联集成封装（COB）灯珠来降低电流提高工作电压，不过这种方法也难以完全解决并联带来的问题，同时不像单芯片封装的灯珠那样接近点光源便于聚光设计，各LED不同器件伏安特性也不完全一致，在并联的连接方式下难以保证每路通过的电流都相同，由于所处的散热条件不同，也会造成老化和失效时间的不一致。为保证可靠性和工作寿命，一般需要对LED进行恒流驱动，所以多个LED灯珠更适合串联的方式与恒流驱动电路连接，否则驱动电路只能对总电流进行恒流控制，无法保证并联的各分路的电流恒定，或者每个LED灯珠单独采用恒流驱动电源，造成电路的冗余度和结构复杂，导致可靠性降低。

对于并联LED灯组即使采用恒流驱动，也难以保证各分路的电流分配相同，只能控制总电流恒定，而对于单路串联线路内不同灯珠的分离控制则又比较困难。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种多路独立控制的LED驱动电路，能够对恒流驱动电源下的串联的LED灯串进行分别独立控制，且电路结构简单。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种多路独立控制的LED驱动电路，所述多路独立控制的LED驱动电路包括恒流源电路和LED支路，所述LED支路串联连接在所述恒流电路输出端，其中所述LED支路包括至少一个LED灯串和对应于所述LED灯串设置的并能工作在短路、开路状态间的旁路电路，所述旁路电路与LED灯连接，所述旁路电路的控制端连接至可编程芯片。

根据本发明实施例提出的多路独立控制的LED驱动电路，LED灯串是在串联在恒流电路中，进行恒流驱动，流经LED灯的电流基本相同，老化和失效时间比较接近，可靠性高，整体使用成本低，旁路电路可以处于短路、开路工作状态间，实现对LED灯的分离控制，通过编程芯片进行编程控制旁路电路的开路或短路变换，可以实现对LED灯的亮或灭的分别控制以变换出各种花样的光影效果。

根据本发明一个实施例，所述旁路电路包括第一旁路电路，所述第一旁路电路包括PNP晶体管Q1、NPN晶体管Q2、电阻RB和光耦OC1,其中所述PNP晶体管Q1的基极与所述NPN晶体管Q2的集电极连接，所述PNP晶体管Q1的集电极通过所述光耦OC1的输出电极与所述NPN晶体管Q2的基极连接，所述电阻RB连接于所述PNP晶体管Q1的发射极于集电极之间，所述PNP晶体管Q1的发射极连接于所述LED灯的阳极，所述NPN晶体管Q2的发射极连接于所述LED灯是阴极，所述光耦OC1的输入端作为所述旁路电路的控制端。

进一步的，所述旁路电路还包括第二旁路电路，所述第二旁路电路包括MOS晶体管Q3、电阻R4、电容C2、二极管D2和光耦OC2,其中所述MOS晶体管Q3的源极接于所述LED灯的阴极，所述MOS晶体管Q3的漏极连接于所述LED灯的阳极，所述MOS晶体管Q3的栅极分别连接于所述光耦OC2的输出电极、所述电阻R4的一端，所述光耦OC2的输入端作为所述旁路电路的控制端，所述电阻R4的另一端与二极管D2的阴极连接，二极管的阳极连接至上一个LED灯的阳极，所述电容C2一端连接于所述电阻R4的另一端，所述电容C2的另一端连接于所述MOS晶体管的漏极，所述电阻R4的一端还通过所述光耦OC2的输出电极连接于所述MOS晶体管的漏极。

根据本发明的一个具体实施例，所述第一旁路电路作为第一级LED灯的旁路电路，所述第二旁路电路作为第二级及以下级的LED灯的旁路电路。

根据本发明的一个具体实施例，所述恒流电路包括JK触发器、比较器CM、非门NOT、与门AND、MOS晶体管Q4、电阻RS、电阻R1和电阻R2,其中电阻R1和电阻R2串联后连接于工作电压输入端与地之间，所述电阻R1与电阻R2间具有第一节点，所述比较器的CM的负输入端连接于所述第一节点，所述电阻RS连接于所述MOS晶体管Q4的源极与地之间，所述比较器CM的正输入端连接于所述MOS晶体管Q4的源极，所述比较器的输出端分别连接于所述非门NOT的输入端、电阻R3的一端，所述非门NOT的输出端连接于所述与门AND的一个输入端，所述与门AND的输出端连接于所述MOS晶体管Q4的栅极，所述MOS晶体管Q4的漏极连接于所述直流电源端，所述电阻R3的另一端连接于JK触发器的R端口，所述JK触发器的J端口及K端口连接于工作电源输入端，所述JK触发器的S端口接地，所述JK触发器的Q端口连接于所述与门AND的第二输入端，所述JK触发器接收可编程芯片的时钟脉冲信号。

根据本发明的一个具体实施例，多路独立控制的LED驱动电路还包括支路电源，所述直流电源包括直流电源输入端Vin、电感L、电容C1和二极管D1,所述电感L的一端分别与所述二极管的阳极和所述恒流电路连接，所述感L的另一端分别与所述电容C1的一端和所述LED支路的一端连接，所述电容C1的另一端分别与输入电源端Vin连接，所述二极管的阴极与所述电源端Vin连接，所述电源端Vin还连接所述LED支路的另一端。

本发明提供的多路独立控制的LED驱动电路中，多个LED灯以串联方式与恒流驱动电路连接，这样输出电流就是单串LED工作电流，可以对整串LED进行恒流控制，通过对需要控制的每个或每一分串LED两端并联一个分流旁路电路，旁路电路导通时将电压降低到该LED的导通电压以下，这样电流全部从旁路经过，通过这种短接的方式可以控制串联线路中的单个或部分灯珠的熄灭， 更具体的实施方式和效果通过下面的具体实施例可以进一步了解。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电路原理连接图；

图2是根据本发明实施例的第一种旁路电路结构图；

图3是根据本发明实施例的第二种旁路电路结构图；

图4是根据本发明实施例的第一种旁路电路与第二种旁路电路结合使用的完整电路图；

图5 本发明在峰值恒流控制下的波形图，其中，（a）为全部负载工作时的电流波形；（b）为由于旁路短接使负载压降或阻抗减小时平均电流增大时的波形图；（c）通过调制开关电路工作频率来保持平均电流基本恒定后的波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的多路独立控制的LED驱动电路，如图1所示，一种多路独立控制的LED驱动电路，包括直流输入电源1、恒流源电路2和LED支路，所述LED支路串联连接在所述恒流电路2的输出端，其中所述LED支路包括至少一个LED灯串5和对应于所述LED灯串设置的并能工作在短路、开路状态间的旁路电路3（4），所述旁路电路的一端32、42与LED灯的阳极连接，所述旁路电路的另一端33（43）与LED灯的阴极连接，所述旁路电路的控制端31、41连接至可编程芯片。

如图2所示的第一种旁路电路的电路图，所述第一旁路电路包括PNP晶体管Q1、NPN晶体管Q2、电阻Rb和光耦OC1,其中所述PNP晶体管Q1的基极与所述NPN晶体管Q2的集电极连接，所述PNP晶体管Q1的集电极通过所述光耦OC1的输出电极与所述NPN晶体管Q2的基极连接，所述电阻Rb连接于所述PNP晶体管Q1的发射极于集电极之间，所述PNP晶体管Q1的发射极作为旁路电路的一端32连接于所述LED灯的阳极，所述NPN晶体管Q2的发射极作为所述旁路电路的另一端33连接于所述LED灯是阴极，所述光耦OC1的输入端作为所述旁路电路的控制端31。

如图3所示的第二种旁路电路的电路图，所述第二旁路电路包括MOS晶体管Q3、电阻R4、电容C2、二极管D2和光耦OC2,其中所述MOS晶体管Q3的源极作为所述旁路电路的另一端连接于所述LED灯的阴极，所述MOS晶体管Q3的漏极作为所述旁路电路的一端连接于所述LED灯的阳极，所述MOS晶体管Q3的栅极分别连接于所述光耦OC2的输出电极、所述电阻R4的一端，所述光耦OC2的输入端作为所述旁路电路的控制端，所述电阻R4的另一端与二极管D2的阴极连接，二极管的阳极连接至上一个LED灯的阳极，所述电容C2一端连接于所述电阻R4的另一端，所述电容C2的另一端连接于所述MOS晶体管的漏极，所述电阻R4的一端还通过所述光耦OC2的输出电极连接于所述MOS晶体管的漏极。

如图1和图4所示，所述第一旁路电路3作为第一级LED灯的旁路电路，所述第二旁路电路4作为第二级及以下级的LED灯的旁路电路。

如图4所示，恒流电路包括JK触发器、比较器CM、非门NOT、与门AND、MOS晶体管Q4、电阻RS、电阻R1和电阻R2,其中电阻R1和电阻R2串联后连接于工作电压输入端与地之间，所述电阻R1与电阻R2间具有第一节点，所述比较器的CM的负输入端连接于所述第一节点，所述电阻RS连接于所述MOS晶体管Q4的源极与地之间，所述比较器CM的正输入端连接于所述MOS晶体管Q4的源极，所述比较器的输出端分别连接于所述非门NOT的输入端、电阻R3的一端，所述非门NOT的输出端连接于所述与门AND的一个输入端，所述与门AND的输出端连接于所述MOS晶体管Q4的栅极，所述MOS晶体管Q4的漏极连接于所述直流电源端，所述电阻R3的另一端连接于JK触发器的R端口，所述JK触发器的J端口及K端口连接于工作电源输入端，所述JK触发器的S端口接地，所述JK触发器的Q端口连接于所述与门AND的第二输入端，所述JK触发器接收可编程芯片的时钟脉冲信号。

如图4所示，直流电源包括直流电源输入端Vin、电感L、电容C1和二极管D1,所述电感L的一端分别与所述二极管的阳极和所述恒流电路连接，所述感L的另一端分别与所述电容C1的一端和所述LED支路的一端连接，所述电容C1的另一端分别与输入电源端Vin连接，所述二极管的阴极与所述电源端Vin连接，所述电源端Vin还连接所述LED支路的另一端。

本发明的实施例中，LED灯串5可以为单个LED灯，也可也为多个串联的LED灯，LED灯可以是单个灯珠的，也可以为多个串联灯珠的。

如图5所示的多路独立控制的LED驱动电路，220V交流市电输入整流后的直流高压Vin在300V左右，恒流控制电路工作电压Vcc一般在10~15V，通过电流取样电阻Rs反馈的电压在比较器CM与参考电压Vref比较来限制驱动峰值电流，比较器输出通过非门NOT和与门AND来控制功率MOS晶体管Q4，通过JK触发器使得在一个时钟周期内对MOS晶体管Q4的PWM脉冲只能跳变一次以保证稳定工作，MOS晶体管Q4开关的工作频率就取决于外部输入周期脉冲CP。LED支路与电感L串接到电源正极母线与MOS晶体管Q4漏极之间，与续流二极管D并联，使电感在MOS管关断时通过LED负载释放储存的能量。LED的阻抗特性可以近似看做一个恒压负载V0加一个纯电阻R0，如果比较器对电流的限定峰值为Im，在MOS晶体管Q4打开与关断期间电流i随时间t的变化分别由以下两个方程决定，

Q4导通时（i < Im）：

Ldi/dt + iR0+V0 = Vin , i=(Vin–V0)/ R0 [1–exp(-R0 t/L)] （1）

Q4关断时（i > Im）：

-Ldi/dt+iR0+V0 = 0, i=Imexp(-R0 t/L)–[1–exp(-R0 t/L)]V0/R0 （2）

当电源输入电压Vin在一定范围内变化或负载压降与阻抗变化不大时电流i的变化很小，即输出电流可以达到较小的输入电压变化率和负载变化率，也就是恒流驱动。

第一旁路电路中，PNP晶体管Q1和NPN晶体管Q2在光耦OC1隔离控制下导通，可将LED1两端电压降到1~1.2V使LED1熄灭，而PNP晶体管Q1和NPN晶体管Q2仍然依靠这种结构的正反馈能够维持其自身导通状态，光耦无输入时则晶体管截止，LED恢复点亮，在整个串联线路上每个LED两端都并联一个这样的旁路，就可以实现对所有灯珠的独立控制，同时维持驱动电路的恒流输出，光耦隔离传输的控制信号由可编程芯片包括单片机、FPGA或ARM芯片的端口提供，可根据独立控制的通道数目、信号处理和动态效果设计的需求来选择。

第一种旁路电路可视为等效可控硅的旁路单元，其导通电压高于1V，可以实现本发明所达到的目的，但导通时电功率损耗比较大效率较低。通过第二旁路电路，实现了低阻和低压降的导通并能够维持导通状态，利用MOS晶体管Q3电压控制及其栅极电容存储电荷的特点维持MOS管的持续导通,由于单个LED的压降较低，将对MOS晶体管Q3的栅极的供电连接到LED灯串的上一个灯珠LED1来控制当前灯珠LED2，如果一个灯珠包含两个或以上串联的LED则只需连接到当前灯珠上端，对普通低压MOS晶体管Q3提供2.8V左右的电压则可使它达到低阻导通状态。

本实施例中，光耦OC2的输出端MOS晶体管Q3截止时，LED1和LED2的压降对电容C2充电，二极管D2可防止MOS晶体管Q3导通后电容C2再放电，再经过电阻R4对MOS晶体管Q3施加正向栅极电压使之导通有一定的时间延迟，从而使得电容C2能够被充满电能给栅极提供足够高的电压保证MOS晶体管Q3充分导通。这样可使LED2熄灭，且导通压降可达到低功耗的0.1V左右,当光耦OC2输入端处于高电平时，其输出将MOS晶体管Q3的栅极下拉使MOS晶体管Q3截止，LED2点亮。LED1和其它灯珠均有和LED2一样的旁路结构，而最上端与电源母线相接的LED1灯珠旁路则可采用第一种旁路通路，无需跨接，虽然功率损耗大一点，但只用了一个这个单元，其它灯珠则都采用MOS晶体管Q3跨接到上一级的方式获取足够高的栅极电压。在整串灯珠点亮与熄灭的变化过程中，如果某个灯珠旁路单元处于导通低压降时，就不能为下一级MOS管栅极提供电压,为了避免这种情况，可在每个控制周期前，使所有的LED灯珠旁路都短时间截止，在这个短时间内LED电压升到接近工作电压值而不被点亮，再依次由下往上控制点亮或熄灭，这种方式可对控制芯片编程来实现。

本实施例中，多路独立控制的LED驱动电路有采用峰值电流取样的反馈方式，通过恒流驱动电路中串联LED灯串的旁路短接控制方法，既可实现恒流驱动又可独立控制各灯珠点亮与熄灭，但从全部点亮到只有一个灯珠点亮的不同状态，驱动电路的负载压降和阻抗差异很大，如果采用峰值电流采样方式，在负载阻抗大范围变化时难以保证平均电流恒定。根据以上电流计算结果中的（1）和（2）式，可以得出不同负载压降和阻抗的电流波形，如16个LED灯珠点亮与4个点亮的电流波形，分别如图5中（a）、（b）所示，虽然它们的峰值电流被控制在恒定值，实际上它们的平均电流相差很大，因此并没有达到恒流驱动。同时，在点亮灯珠数目较少的低负载压降和阻抗时，MOS晶体管Q4关断的续流期间电流下降变慢，在下一个周期到来时电流还未降到0，电感L就不能完全释放储能，这样将会造成电感磁芯的磁饱和,但通过将脉冲宽度调制（PWM）辅助以脉冲频率调制（PFM）的方式，就能保证平均电流基本上恒定。从图5（b）在只有4个灯珠点亮的情况下，开关电路工作频率由80kHz降到31kHz后平均电流可保持基本相同，其它不同点亮灯珠数目时，将时钟脉冲调制到保持电流恒定的对应工作频率即可，如果图4中JK触发器的输入时钟脉冲也由控制芯片提供，灯珠点亮数目的统计和工作频率调整就都可在控制芯片编程实现恒流驱动，波形如图5（c）中所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种多路独立控制的LED驱动电路，其特征在于包括恒流源电路和LED支路，所述LED支路串联连接在所述恒流电路输出端，其中所述LED支路包括至少一个LED灯串和对应于所述LED灯串设置的并能工作在短路、开路状态间的旁路电路，所述旁路电路与LED灯连接，所述旁路电路的控制端连接至可编程芯片。

2.根据权利要求1所述的多路独立控制的LED驱动电路，其特征在于所述旁路电路包括第一旁路电路，所述第一旁路电路包括PNP晶体管Q1、NPN晶体管Q2、电阻RB和光耦OC1,其中所述PNP晶体管Q1的基极与所述NPN晶体管Q2的集电极连接，所述PNP晶体管Q1的集电极通过所述光耦OC1的输出电极与所述NPN晶体管Q2的基极连接，所述电阻RB连接于所述PNP晶体管Q1的发射极于集电极之间，所述PNP晶体管Q1的发射极连接于所述LED灯的阳极，所述NPN晶体管Q2的发射极连接于所述LED灯是阴极，所述光耦OC1的输入端作为所述旁路电路的控制端。

3.根据权利要求2所述的多路独立控制的LED驱动电路，其特征在于所述旁路电路还包括第二旁路电路，所述第二旁路电路包括MOS晶体管Q3、电阻R4、电容C2、二极管D2和光耦OC2,其中所述MOS晶体管Q3的源极接于所述LED灯的阴极，所述MOS晶体管Q3的漏极连接于所述LED灯的阳极，所述MOS晶体管Q3的栅极分别连接于所述光耦OC2的输出电极、所述电阻R4的一端，所述光耦OC2的输入端作为所述旁路电路的控制端，所述电阻R4的另一端与所述二极管D2的阴极连接，所述二极管的阳极连接至上一个LED灯的阳极，所述电容C2一端连接于所述电阻R4的另一端，所述电容C2的另一端连接于所述MOS晶体管的漏极，所述电阻R4的一端还通过所述光耦OC2的输出电极连接于所述MOS晶体管的漏极。

4.根据权利要求3所述的多路独立控制的LED驱动电路，其特征在于所述第一旁路电路作为第一级LED灯的旁路电路，所述第二旁路电路作为第二级及以下级的LED灯的旁路电路。

5.根据权利要求1-4任一所述的多路独立控制的LED驱动电路，其特征在于所述恒流电路包括JK触发器、比较器CM、非门NOT、与门AND、MOS晶体管Q4、电阻RS、电阻R1和电阻R2,其中电阻R1和电阻R2串联后连接于工作电压输入端与地之间，所述电阻R1与电阻R2间具有第一节点，所述比较器的CM的负输入端连接于所述第一节点，所述电阻RS连接于所述MOS晶体管Q4的源极与地之间，所述比较器CM的正输入端连接于所述MOS晶体管Q4的源极，所述比较器的输出端分别连接于所述非门NOT的输入端、电阻R3的一端，所述非门NOT的输出端连接于所述与门AND的一个输入端，所述与门AND的输出端连接于所述MOS晶体管Q4的栅极，所述MOS晶体管Q4的漏极连接于所述直流电源端，所述电阻R3的另一端连接于JK触发器的R端口，所述JK触发器的J端口及K端口连接于工作电源输入端，所述JK触发器的S端口接地，所述JK触发器的Q端口连接于所述与门AND的第二输入端，所述JK触发器接收可编程芯片的时钟脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的多路独立控制的LED驱动电路，其特征在于还包括直流电源，所述直流电源包括直流电源输入端Vin、电感L、电容C1和二极管D1,所述电感L的一端分别与所述二极管的阳极和所述恒流电路连接，所述感L的另一端分别与所述电容C1的一端和所述LED支路的一端连接，所述电容C1的另一端分别与输入电源端Vin连接，所述二极管的阴极与所述电源端Vin连接，所述电源端Vin还连接所述LED支路的另一端。