CN106604481A - 一种led线性恒流软启动驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED线性恒流软启动驱动电路，包括整流电路、工作回路、恒流控制电路、电压检测电路、软启动电路和外部控制电路，采用极其简单的电路设计，解决了较为复杂的技术问题，具有电路简洁、无EMI、恒流精度高，能承受较大的电压波动范围等优点，也具有温度补偿控制功能、软启动功能及外部调光功能，可以方便实现LED灯具的智能控制和无线物联，提高了驱动器的综合性能且使成本大幅下降，可以做成专用的集成LED驱动芯片，既简化了版图设计，也使集成电路的造价大大降低，而功能和性能却达到了非常复杂的电路设计才能够完成的等级。

Description

一种LED线性恒流软启动驱动电路

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电路，特别是一种LED恒流软启动驱动电路。

背景技术

LED照明灯具具有节能、使用寿命长等优点已经走进了千家万户，现有技术中，LED照明灯具的驱动方式有多种，其中，线性恒流驱动由于电路简单，无EMI且造价低廉被广泛使用，然而，线性恒流驱动也存在着一些致命的缺点。

由于线性恒流驱动中的功率器件与LED负载串联，功率器件处于线性状态下工作，功率器件两端需要承受一定的压差，这个压差所产生的功率为无功功率，被线性恒流驱动中的功率器件(通常为MOSFET或其他半导体功率器件)吸收，线性恒流也就是通过调整电路中压差的大小来控制LED负载的电流以达到恒流目的。虽然在LED灯具的电路设计中，会尽量提高负载电压来减少压差，以减少功耗和提高效率，在供电电压比较稳定的地区，应用是完全没有问题的，但在电网电压波动幅度较大的地区使用，电压上升超过一定幅度时，会使灯具的无功功率飙升，除了电效率下降，更重要的是会影响灯具的使用寿命。

线性恒流驱动属于非隔离拓扑结构，在LED照明产品的应用领域，基本上是在市电直接高压驱动的状态下工作，基于市电正弦波的特性，市电电压经过整流以后，其直流峰值电压是输入电压的1.414倍，而LED负载的电压与电源的峰值电压存在着较大的压差，故在灯具上电瞬间，加载至LED负载上的电流会产生一个5倍以上工作电流的浪涌脉冲，对LED负载造成很大的电流冲击，虽然时间很短(约100ms)，但这对于LED负载来说，是致命的缺陷，频繁的开关会使LED寿命受到极大的影响。

为了解决电流冲击这一问题，目前的一种做法是在供电直流回路中接入滤波电解电容，或在LED负载两端并联电解电容，利用电解电容的上电缓冲特性来吸收浪涌电流，但在电路的主回路中加入电解电容以后，会使电路的功率因数大大下降，一般情况下，没有电解电容的线性驱动电路，其功率因数一般在0.95以上，但加入电解电容以后，其功率因数就会下降到0.6以下。另外，电解电容断电后需要一定的时间才能够将内部的电能释放完毕，如果在断电以后立刻重新上电或某种原因在上电时开关发生抖动，上述的缓冲特性就完全失效，而且，增加电解电容，会使产品的造价上升，体积增大。目前的另一种做法是在LED负载两端并接瞬态抑制二极管TVS，这样虽然能够有效抑制上电瞬态脉冲，但不能实现软启动，另外，由于瞬态抑制二极管TVS成本高，目前已经很少被采用。

另外，目前有些LED线性恒流驱动电路具有外部调光接口，可以利用单片机对其进行PWM或线性电平的调整实现调光功能，但其电路复杂，而且需要解决一个单片机专用的稳压电源，造价高，这种方法一般只用在智能控制的灯具产品上。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电路简洁、无EMI、恒流精度高，能承受较大的电压波动范围，具有温度补偿控制功能、软启动功能及外部调光功能的LED线性恒流软启动驱动电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种LED线性恒流软启动驱动电路，包括：

工作回路:包括场效应管T1，所述场效应管T1的漏极D与LED负载串联后接所述直流电源的正极，所述场效应管T1的漏极D与LED负载的接点命名为节点6；所述场效应管T1的源极S通过电阻R2接公共地，栅极G通过电阻R1接所述节点6，所述电阻R1与场效应管T1的栅极G的接点命名为节点7，所述电阻R2与所述场效应管T1的源极S的接点命名为节点10。

软启动电路：包括充放电回路，充放电回路通过单向隔离电路连接所述接点7。

所述充放电回路包括电阻R7和电容C1，所述单向隔离电路包括二极管D5，所述电阻R7和电容C1并联后一端接公共地，另一端接所述二极管D5的负极，所述二极管D5的正极接所述节点7。

进一步，本发明的驱动电路还包括外部控制电路，所述外部控制电路与所述节点7相连。

所述外部控制电路包括PNP型三极管T4，所述三极管T4的发射极E接所述节点7，集电极C接公共地，基极B分两路，一路通过电阻R5接所述节点7，另一路通过二极管D6接外部信号控制端。

所述三极管T4的基极B与公共地之间连接有调光电路，所述调光电路为电位器W或光敏电阻。

进一步，本发明的驱动电路还包括恒流控制电路，所述恒流控制电路包括NPN型三极管T2，所述三极管T2的基极B接所述节点10，集电极C接所述节点7，发射极E接公共地。

进一步，本发明的驱动电路还包括电压检测电路，所述电压检测电路包括电阻R3、电阻R4和NPN型三极管T3，所述电阻R3和电阻R4串联后，一端接所述节点6，另一端接公共地，其中，电阻R3和电阻R4的接点命名为节点11；所述三极管T3的基极B接所述节点11，集电极C通过电阻R6接所述节点7，发射极E接公共地。

所述节点7与公共地之间连接有温度补偿电路。

本发明的有益效果是：本发明采用极其简单的电路设计，解决了较为复杂的技术问题，具有电路简洁、无EMI、恒流精度高，能承受较大的电压波动范围等优点，也具有温度补偿控制功能、软启动功能及外部调光功能，可以方便实现LED灯具的智能控制和无线物联，提高了驱动器的综合性能且使成本大幅下降，可以做成专用的集成LED驱动芯片，既简化了版图设计，也使集成电路的造价大大降低，而功能和性能却达到了非常复杂的电路设计才能够完成的等级。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的第一种实施方式电路图；

图2是本发明的第二种实施方式电路图；

图3是本发明的第三种实施方式电路图。

具体实施方式

参照图1至图3，一种LED线性恒流软启动驱动电路，包括：

工作回路:包括场效应管T1，所述场效应管T1的漏极D与LED负载(节点5与节点6之间为LED负载)串联后接所述直流电源(直流电源由整流二极管D1-D4构成的整流桥)的正极(节点4)，为了方便描述，所述场效应管T1的漏极D与LED负载的接点命名为节点6。所述场效应管T1的源极S通过电阻R2接公共地(节点9)，栅极G通过电阻R1接所述节点6，所述电阻R1与场效应管T1的栅极G的接点命名为节点7，所述电阻R2与所述场效应管T1的源极S的接点命名为节点10。

软启动电路：包括充放电回路，充放电回路通过单向隔离电路连接所述接点7，具体来说，所述充放电回路包括电阻R7和电容C1，所述单向隔离电路包括二极管D5，所述电阻R7和电容C1并联后一端接公共地，另一端接所述二极管D5的负极，所述二极管D5的正极接所述节点7。

外部控制电路：所述外部控制电路与所述节点7相连，具体来说，所述外部控制电路包括PNP型三极管T4，所述三极管T4的发射极E接所述节点7，集电极C接公共地，基极B分两路，一路通过电阻R5接所述节点7，另一路通过二极管D6接外部信号控制端(节点12)。

恒流控制电路：包括NPN型三极管T2，所述三极管T2的基极B接所述节点10，集电极C接所述节点7，发射极E接公共地。

电压检测电路：包括电阻R3、电阻R4和NPN型三极管T3，所述电阻R3和电阻R4串联后，一端接所述节点6，另一端接公共地，其中，电阻R3和电阻R4的接点命名为节点11；所述三极管T3的基极B接所述节点11，集电极C通过电阻R6接所述节点7，发射极E接公共地。

所述节点7与公共地之间连接有温度补偿电路。

本实施例以图1所示的电路为例说明本发明的工作原理。

1.恒流控制部分

由工作回路和恒流控制电路实现，市电(220VAC)分别连接至整流桥的交流输入端1、2，经过整流以后，在整流桥的直流电压输出端3、4输出一个峰值为输入AC电压1.414倍的直流脉动电压，如输入电压为AC220V，则输出端3、4的峰值电压为DC311.08V，通过场效应管T1、电阻R2构成LED负载的工作电流回路。LED负载的工作电流大小由场效应管T1控制，而场效应管T1的工作状态又受控于由三极管T2、电阻R1和电阻R2组成的恒流控制电路控制，电阻R1为场效应管T1的栅极G提供了一个工作电压，这个电压的电平高低，直接影响了场效应管T1的输出电流，所以，有效地控制这个电平，也就直接控制了LED负载的电流。电阻R2用来检测LED负载电流，电流通过电阻R2时，在电阻R2两端就会产生一个电压，这个电压的大小与电阻R2的阻值和通过电阻R2的电流I的大小有关，其计算公式为：V＝I·R，这个电压被三极管T2取样放大，并通过三极管T2的集电极C控制了场效应管T1栅极G的工作状态，假设，设定LED负载的工作电流是100mA，而三极管T2的放大区域窗口在0.5-0.6V之间，取样电压设定在0.5V，那么，根据V＝I·R的原则，计算出电阻R2的阻值是5欧姆，所以，当LED负载的电流大于设定值时，取样电压将按比例随之上升，由于三极管T2的放大作用，其集电极C的电位随之拉低，直接控制了场效应管T1栅极G的工作电压，使场效应管T1的输出电流下降；当LED负载的电流小于设定值时，则取样电压将按比例随之下降，由于三极管T2的放大作用，使三极管T2集电极C的电位也随之上升，场效应管T1的输出电流增大，因此，LED负载的电流就被锁定在设定值上。

2、电压检测控制部分

由电压检测电路实现，工作时，整流电路的直流输出端电压与LED负载的电压之间存在着一定的压差，这个压差由场效应管T1和电阻R2承担，压差信号也直接反映在电阻R3和电阻R4之间，经过电阻R3和电阻R4分压后，通过节点11馈送到三极管T3的基极B，经过三极管T3放大以后，通过电阻R6馈送到场效应管T1的栅极G(节点7)。

在正常情况下，当供电电压(交流输入电压)发生变化时，压差也同时发生变化，供电电压在正常状态下，三极管T3保持在初始的工作区域的下限值，集电极C的电位保持在合适的范围内，场效应管T1按照正常的电流供应给LED负载。

当供电电压低于正常值时，节点11的电位下降，三极管T3截止，集电极C的电位上升，一定程度上补偿了场效应管T1栅极G的电压，这样，电源电压向下波动在一定幅度内仍然能够保持场效应管T1有稳定的电流输出。

如果电源电压向上波动，超过正常值时，节点11的电位也随之上升，由于三极管T3的放大作用，三极管T3的集电极C的电位随之下降，通过电阻R6，拉低了节点7的电位，使场效应管T1的输出电流减少，有效地压制了由于输入电压上升造成的无功功率的上升，也大大降低场效应管T1由于无功功耗而产生的温度。

另外，由于电阻R3和电阻R4构成分压检测电路，也可以将电阻R3跳过节点6，直接连接到节点5(相当于整流桥的4端)，其工作原理是一样的。

3、软启动控制部分

由软启动电路实现，上电时，由电阻R1提供给场效应管T1的工作电压，首先通过二极管D5对电容C1进行充电，在电源刚刚接通的瞬间，电容C1两端的内阻很小，其两端的瞬间电压近似为0V，场效应管T1栅极G的电压被拉低而处于截止状态。随着充电时间的增加，电容C1两端的电压慢慢上升，达到阈值后，场效应管T1进入工作状态，其漏极D的输出电流也慢慢上升，LED负载的电流也随之从0开始慢慢上升，直到设定的电流值，完成软启动过程，电阻R7是放电电阻，其作用是在断电时立刻将电容C1两端存储的电能放电，以便在短时间重新上电时恢复初始状态。二极管D5的作用是对电容C1两端的电压起到单向隔离，避免在完成软启动后，电容C1的电压(节点8)向节点7倒灌，造成场效应管T1反应迟滞。

软启动的时间取决于电容C1和电阻R1的R.C时间常数，选择适当的电容C1和电阻R1的值，可以使软启动时间设定在期望的范围内。

4、温度补偿部分

由温度补偿电路实现。晶体管都具有对温度的敏感特性，尤其是小信号三极管，在本实施例中，三极管T2、三极管T3一方面肩负着对场效应管T1的电流调控，另一方面更是一个性能良好的温度传感器，当工作温度超过80摄氏度时，三极管T2、三极管T3的内阻将随着温度的上升而下降，从而拉低了节点7的电位，也就直接拉低了场效应管T1的输出电流，达到了温度补偿的作用，也可以在节点7与公共地之间连接对温度敏感的元件或电路，如热敏电阻等。

5、外部控制电路部分

在科技高度发展的今天，照明灯具也向着智能化和无线物联的方向快速发展，因此，给LED驱动器备有智能化接口尤为必要。

A、外部PWM信号输入

平常，在外部信号控制端(节点12)空置时，三极管T4处于截止状态，整个电源系统的工作几乎与它无关，在本实施例中，外部信号控制端可以接受电压幅度为0-5.5V、占空比为0-100％的PWM信号，当PWM信号接入时，三极管T4工作于开关状态，当PWM信号处于低电平时，三极管T4导通，把内部电路的节点7的电平拉低，迫使场效应管T1截止，PWM信号处于高电平时，则三极管T4截止，场效应管T1恢复工作，这样，就使场效应管T1的工作状态与输入的PWM信号保持一致。

B、外部线性平滑调光

很多时候，需要利用外部元件对灯具实行亮度调节，在本实施例中，如图3所示，所述三极管T4的基极B与公共地之间连接有调光电路，所述调光电路可以为电位器W，也可以为光敏电阻等。比如台灯，只要将电位器W接入到三极管T4的基极B和公共地，即可对LED负载实行0-100的线性调光。电位器W的接入，给三极管T4基极引入了一个负电位，当电位器W的电阻处于最大位置时，由于上拉电阻的作用，三端晶体管基极B的电压不足以使T4进入工作状态，故三极管T4处于截止状态，调节电位器W，随着其阻值的变小，三极管T4基极电位也随之由高变低，三极管T4进入工作状态，电路中的节点7的电平也随着三极管T4的导通状态而改变，这样，就同步控制了LED负载的亮度。

同样的道理，如果将电位器W换成一个光敏电阻，利用光敏电阻检测外部环境的亮度，则LED负载的亮度将随着环境光的亮度而改变，当外部环境亮度充足的时候，光敏电阻的阻值变小，促使三极管T4饱和导通，将节点7的电位拉到最低，LED负载熄灭，而当外部环境亮度变低时，光敏电阻的阻值也随之变大，三极管T4的导通状态也随之改变，场效应管T1受控的深度也随之改变，从而，使LED负载的亮度随着环境亮度的变化而改变。

除此之外，外部信号控制端(节点12)还兼容0-5.5V的外部电压源输入控制，有些地方，需要利用外部电压来控制LED负载的亮度，这个接口依然适合，在这种情况下，三极管T4处于线性放大的工作区域，其基极B电位在5V时，三极管T4完全截止，加上二极管D6的正向压降约0.5V，其输入有效控制电平为5.5V，当输入电平为0V时，三极管T4完全饱和导通，当输入电压在0-5.5V之间变化时，三极管T4的导通深度则随着电压的变化而变化，从而也控制了场效应管T1输出电流随之变化。二极管D6的作用是起到单向隔离作用，避免不同输入电压对电路产生影响。

C、多种传感器接入

外部信号控制端(节点12)可以兼容多种传感器接入，当前常用的传感器有多种类型与规格，如：红外、超声波、雷达、光电、声控等，其中，传感器模块又分为有源输出和无源输出两大类，有源输出的传感器模块，其输出端提供一个直流电压，在传感器动作时做高低电平切换，其电压输出有多种规格，常见的有6V、12V、24V等。无源输出类型的传感器，一般是提供一组继电器开关接点，在传感器动作时打开或关闭该接点。以上这些类型的传感器，都适合接入本电路中。二极管D6的作用是对各种类型的传感器进行电压隔离，避免不同电压对电路产生影响。

目前常用的晶体管有NPN型三极管、PNP型三极管、N型场效应管、P型场效应管，专业领域的技术人员可以根据需要选用对应的元器件，并根据元器件的类型改变相应的接线方式，如图1、图3中采用NPN三极管(小信号三极管)、PNP三极管(小信号三极管)、N型场效应管，图2中采用采用场效应管，这些晶体管工作在开关或线性放大状态下，在某种情况下，可以使用不同类型的器件代换，其电路工作原理和功能均是相同的。

本发明的驱动电路可以等效为一个二端恒流模块，工作时，无需额外提供工作电源，故其压差可以做的很小，实现了线性驱动的低压差概念。另外，由于LED负载与本发明的驱动电路是串联关系，故LED负载可以串接在直流电源的正极端，也可以串联在直流电源的负极端。必要时，本发明的驱动电路也可以多个串联起来使用，以提高电路的功耗承载能力。

本发明采用极其简单的电路设计，解决了较为复杂的技术问题，提高了驱动器的综合性能且使成本大幅下降，可以做成专用的集成LED驱动芯片，既简化了版图设计，也使集成电路的造价大大降低，而功能和性能却达到了非常复杂的电路设计才能够完成的等级，基于本发明创造的原理，专业领域的技术人员可以做一些适应性的修改，如图2所示，在电路中增加保险管FUSE、压敏二极管TVR等以增加电路的安全性等，专业领域的技术人员在不脱离本发明创造宗旨的前提下所做的电子元器件或电路直接替换或等同变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (9)

1.一种LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于它包括：

工作回路:包括场效应管T1，所述场效应管T1的漏极D与LED负载串联后接所述直流电源的正极，所述场效应管T1的漏极D与LED负载的接点命名为节点6；所述场效应管T1的源极S通过电阻R2接公共地，栅极G通过电阻R1接所述节点6，所述电阻R1与场效应管T1的栅极G的接点命名为节点7，所述电阻R2与所述场效应管T1的源极S的接点命名为节点10；

软启动电路：包括充放电回路，充放电回路通过单向隔离电路连接所述接点7。

2.根据权利要求1所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于所述充放电回路包括电阻R7和电容C1，所述单向隔离电路包括二极管D5，所述电阻R7和电容C1并联后一端接公共地，另一端接所述二极管D5的负极，所述二极管D5的正极接所述节点7。

3.根据权利要求1所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于该驱动电路还包括外部控制电路，所述外部控制电路与所述节点7相连。

4.根据权利要求3所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于所述外部控制电路包括PNP型三极管T4，所述三极管T4的发射极E接所述节点7，集电极C接公共地，基极B分两路，一路通过电阻R5接所述节点7，另一路通过二极管D6接外部信号控制端。

5.根据权利要求4所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于所述三极管T4的基极B与公共地之间连接有调光电路。

6.根据权利要求5所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于所述调光电路为电位器W或光敏电阻。

7.根据权利要求1所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于该驱动电路还包括恒流控制电路，所述恒流控制电路包括NPN型三极管T2，所述三极管T2的基极B接所述节点10，集电极C接所述节点7，发射极E接公共地。

8.根据权利要求1所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于该驱动电路还包括电压检测电路，所述电压检测电路包括电阻R3、电阻R4和NPN型三极管T3，所述电阻R3和电阻R4串联后，一端接所述节点6，另一端接公共地，其中，电阻R3和电阻R4的接点命名为节点11；所述三极管T3的基极B接所述节点11，集电极C通过电阻R6接所述节点7，发射极E接公共地。

9.根据权利要求1所述的LED线性恒流软启动驱动电路，其特征在于所述节点7与公共地之间连接有温度补偿电路。