CN106793277A - 用于led恒流控制的线电压补偿系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于LED恒流控制的线电压补偿系统。系统包括：误差放大器，误差放大器的正向输入端输入参考电压，负向输入端与补偿电阻器连接；功率调整管，功率调整管的发射极与第一感测电阻器连接，栅极与误差放大器的输出端连接，集电极与外部LED的阴极连接；其中，第一感测电阻器一端与补偿电阻器以及误差放大器的负向输入端串联连接，一端接地，第二感测电阻器连接在误差放大器的负向输入端和LED的阴极之间，补偿电阻器一端连接误差放大器的负向输入端，一端连接第一感测电阻器。

Description

用于LED恒流控制的线电压补偿系统

技术领域

本发明的某些实施例涉及集成电路。更具体地，本发明的一些实施例提供了用于LED恒流控制的线电压补偿系统。

背景技术

LED作为一种节能环保的新型光源，由于具有高亮度、低功耗而且寿命长的优点而被广泛用于各个领域。由于在接近额定电流的范围内，LED的发光亮度与流过的电流成正比而与其两端的电压无关，因此LED在工作时希望恒流源来供电。

图1示出了传统LED线性恒流控制系统100。该系统因结构简单、系统成本低的特点而在LED照明等领域有广泛应用。系统100的主要控制单元(如虚线所示)包括：感测电阻器101、功率调整管102、以及误差放大器103。误差放大器的正向输入端输入参考电压V_ref，负向输入端与感测电阻器101连接；误差放大器的输出端与功率调整管102的栅极连接。

如图1所示，当上电时，系统100接收交流电(AC)输入电压110。电压110由整流器120(例如，全波整流桥)，整流器120随后生成经整流的输出电流，用于功率转换系统100的操作。电容器104一端与整流器120的输出连接，一端接地。经整流的输出电流在在电容器104上产生体电压V_bulk。

控制单元的误差放大器在上电后，控制栅极端电压使功率调整管102处于导通状态。当V_bulk电压高于LED的最小击穿电压时，电流通过LED，经功率调整管102流入感测电阻器101，其中101的电压大小对应LED的流入电流。误差放大器对所感测的电阻101的电压V_sense，以及另一输入端的参考电压V_ref进行误差放大来调节功率调整管102的栅极电压，从而实现对LED的恒流控制。输出的LED电流I_led如等式1所示：

其中，R₁代表电阻器101的阻值，并且V_ref代表参考电压。

而在一些高PF(Power Factor，功率因数)、或者可控硅调光(TRIAC dimming)等应用领域，由于电容器104的电容值较小，V_bulk以交流信号整流后的波形进入LED的阳极。这就会导致在V_bulk电压较低的市电工频周期(例如，0.02s)中，LED因击穿电压不足而无法导通，从而也无电流流过LED。所以在这种应用场景中，输出的LED电流I_led如等式2所示：

其中，T代表工频周期，T_on代表工频周期中LED的导通时间。

由此带来的问题是，根据(等式2)，当市电电网电压发生波动时，L市电工频周期中LED的导通时间T_on也发生变化，从而导致LED的输出电流I_led变化，这种系统的输入线电压调整率(line regulation)差。电压调整率表征在所有其他影响量(例如，温度等)保持不变时，由于输入电压的变化所引起输出电流的相对变化量，其以百分比形式表示。电压调整率越小则系统性能越好，过大的电压调整率将导致系统运行的不稳定。

因此，非常需要改进的LED恒流控制的线电压补偿技术。

发明内容

本发明的某些实施例涉及集成电路。更具体地，本发明的一些实施例提供了用于过电压保护的系统和方法。仅作为示例，本发明的一些实施例被应用到LED照明系统。但是应该理解，本发明具有更广泛的适用范围。

根据一个实施例，提供了一种用于LED恒流控制的线电压补偿系统，系统包括：误差放大器，误差放大器的正向输入端输入参考电压，负向输入端与补偿电阻器连接；功率调整管，功率调整管的发射极与第一感测电阻器连接，栅极与误差放大器的输出端连接，集电极与外部LED的阴极连接；其中，第一感测电阻器一端与补偿电阻器以及误差放大器的负向输入端串联连接，一端接地，第二感测电阻器连接在误差放大器的负向输入端和LED的阴极之间，补偿电阻器一端连接误差放大器的负向输入端，一端连接第一感测电阻器。

根据另一实施例，提供了一种包括如本公开的实施例所述的用于LED恒流控制的线电压补偿系统的LED灯具。

根据实施例，可以获得一项或多项益处。参考随后的详细的说明和附图，这些好处和本发明的各种附加的目的、特征和优势可得以透彻地理解。

附图说明

图1示出了传统LED线性恒流控制系统。

图2是根据本公开的实施例的、LED线性恒流系统的线电压补偿电路原理图。

图3是根据本公开的优选实施例的、LED线性恒流系统的线电压补偿电路原理图。

图4是根据图3的实施例的、LED线性恒流系统的改进的线电压补偿电路原理图。

图5是根据图3的实施例的、LED线性恒流系统的改进的线电压补偿电路原理图。

图6是根据图3的实施例的、LED线性恒流系统的改进的线电压补偿电路原理图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

本发明的某些实施例涉及集成电路。更具体地，本发明的一些实施例提供了用于LED恒流控制的线电压补偿系统。仅作为示例，本发明的一些实施例被应用到LED照明。但是，将认识到，本发明有更广泛的适用范围。

本发明提供了一种用于LED恒流控制的线电压补偿系统，可以通过系统外围感应电阻和补偿电阻的设置，实现低成本的LED线性恒流系统线电压补偿功能。优选的，本发明的控制方法可以适用于高PF或TRAIC调光的线性恒流控制方式的LED照明领域。

图2是根据本公开的实施例的、LED线性恒流系统的线电压补偿电路原理图。如图2所示，用于控制LED 230的控制系统200可以包括：第一感测电阻器201、第二感测电阻器202、补偿电阻器203、误差放大器204、以及功率调整管205。

如图2所示，当上电时，系统200接收交流电(AC)输入电压210。电压210由整流器220(例如，全波整流桥)，整流器220随后生成经整流的输出电流，用于功率转换系统200的操作。电容器206一端与整流器220的输出连接，一端接地。经整流的输出电流在在电容器206上产生体电压V_bulk。

误差放大器204的正向输入端输入参考电压V_ref，负向输入端经由串联连接的补偿电阻器203、第一感测电阻器201接地，并且经由第二感测电阻器202连接到整流器220的输出；误差放大器204的输出端与功率调整管205的栅极连接。功率调整管205的发射极与第一感测电阻器201连接，栅极与误差放大器205的输出端连接，并且集电极与LED 230的阴极连接。第一感测电阻器201一端与补偿电阻器203、误差放大器204的负向输入端串联连接，一端接地。第二感测电阻器202连接在误差放大器204的负向输入端和整流器220的输出端之间。补偿电阻器203一端连接误差放大器204的负向输入端，一端连接第一感测电阻器201。

在图2的示例中，功率调整管205是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在另一示例中，功率调整管205是双极结型晶体管。在另一示例中，功率调整管205是场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。在各种示例中，控制系统200可以包括更多或更少的元件，其中参考电压V_ref的值可以由本领域技术人员根据需要设置。

第二感测电阻器202具有电阻值R2。R2是线电压感测电阻，流经第二感测电阻器202的电流I_R2如等式3所示：

其中，V_bulk代表市电经整流器220整流后在电容器206上产生电压(其表征系统的输入电压)，R₂代表第二感测电阻器202的阻值，并且V_ref代表参考电压。流经第二感测电阻器202的电流I_R2对应输入电压V_bulk的变化。

假设补偿电阻器203具有电阻值R3，以调节线电压的补偿量，则输出的LED电流I_led如等式4或等式5所示：

或等式5

其中，R₁代表第一感测电阻器201的阻值，R₃代表补偿电阻器203的阻值。

在图2的系统中，第二感测电阻器202连接的V_bulk是市电整流后的电压，其最大电压有可以高达数百V。因此，系统有时不得不选用相对价格较高的高耐压电阻，或多个电阻器串联连接的组合用作第二感测电阻器202。

图3是根据本公开的优选实施例的、LED线性恒流系统的线电压补偿电路原理图。如图3所示，用于控制LED 330的控制系统300可以包括：：第一感测电阻器301、第二感测电阻器302、补偿电阻器303、误差放大器304、以及功率调整管305。

如图3所示，当上电时，系统300接收交流电(AC)输入电压310。电压310由整流器320(例如，全波整流桥)，整流器320随后生成经整流的输出电流，用于功率转换系统300的操作。电容器306一端与整流器320的输出连接，一端接地。经整流的输出电流在在电容器306上产生体电压V_bulk。

误差放大器304的正向输入端输入参考电压V_ref，负向输入端与补偿电阻器303以及第一感测电阻器301连接；误差放大器的输出端与功率调整管305的栅极连接。功率调整管303的发射极与第一感测电阻器301连接，栅极与误差放大器304的输出端连接，集电极与LED 330的阴极连接。第一感测电阻器301一端与补偿电阻器303、误差放大器304的负向输入端串联连接，一端接地。第二感测电阻器302连接在误差放大器304的负向输入端和LED330的阴极之间。补偿电阻器303一端连接误差放大器304的负向输入端，一端连接第一感测电阻器301。

在图3的示例中，功率调整管305是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在另一示例中，功率调整管305是双极结型晶体管。在另一示例中，功率调整管305是场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。在各种示例中，控制系统300可以包括更多或更少的元件，其中参考电压V_ref的值可以由本领域技术人员根据需要设置。

如图3所示，连接至LED 330的阴极的第二感测电阻器302具有电阻值R2，R2表示线电压感测电阻。流经第二感测电阻器302的电流I_R2如等式6所示：

其中，V_bulk代表市电经整流器320整流后在电容器306上产生电压(其表征系统的输入电压)，R₂代表第二感测电阻器302的阻值，V_led代表LED 330导通的正向压降，并且V_ref代表参考电压。

类似的，假设补偿电阻器303具有电阻值R3以调节线电压的补偿量，则输出的LED330电流I_led如等式7或等式8所示：

或等式8，

其中，R₁代表第一感测电阻器301的阻值。

由于LED的阴极处的最大电压仅为约几十V，而流经第二感测电阻器302的电流同样对应输入电压V_bulk的变化，则图3系统中第二感测电阻器302可以选用成本较低的普通耐压电阻实现线电压补偿功能。或者，第二感测电阻器302可以是单个电阻器。

在又一实施例中，根据图4示出了对图3架构的进一步的补偿优化。在图4的系统400中，第二感测电阻器402通过电压源470串联连接在误差放大器404的负向输入端和LED430的阴极之间；其中，电压源470的负极与第二感测电阻器402连接，正极与LED 430的阴极连接。其它组件和连接方式与图3类似，在此不再赘述。

通过第二感测电阻器402的电流对应于输入电压V_bulk的变化，如等式(9)所示，

其中，V_bulk代表市电经整流器420整流后在电容器406上产生电压(其表征系统的输入电压)，R₂代表第二感测电阻器402的阻值，V_led是LED导通的正向压降，V0是电压源470的电压。

类似的，假设补偿电阻器403具有电阻值R3以调节线电压的补偿量，则输出的LED430电流I_led如等式10或等式11所示：

或等式8，

其中，R₁代表第一感测电阻器301的阻值。

由于第二感测电阻器402通过电压源407连接至LED的阴极，而该节点最大电压为几十伏特，对电阻的性能要求较低，可以选用成本较低的普通耐压电阻实现线电压补偿功能。

在又一实施例中，根据图5示出了对图3架构的进一步的补偿优化。在图5的系统500中，第二感测电阻器502通过二极管570串联连接在误差放大器504的负向输入端和LED530的阴极之间；其中，二极管570的负极与第二感测电阻器502连接，正极与LED 530的阴极连接。其它组件和连接方式与图3类似，在此不再赘述。利用二极管570的单向导通特性起到稳压作用，对第二感测电阻器502进行进一步保护，降低了对电阻器的性能要求。

在又一实施例中，根据图6示出了对图3架构的进一步的补偿优化。在图6的系统600中，第二感测电阻器602通过稳压二极管670串联连接在误差放大器604的负向输入端和LED 630的阴极之间；其中，稳压二极管670的正极与第二感测电阻器502连接，负极与LED630的阴极连接。其它组件和连接方式与图3类似，在此不再赘述。利用稳压二极管670的反向击穿特性起到稳压作用，对第二感测电阻器602进行进一步保护，降低了对电阻器的性能要求。

本发明提供了一种用于LED恒流控制的线电压补偿系统，可以通过系统外围感应电阻和补偿电阻的设置，实现低成本的LED线性恒流系统线电压补偿功能。优选的，本发明的控制方法可以适用于高PF或TRAIC调光的线性恒流控制方式的LED照明领域。

例如，使用一个或多个软件组件、一个或多个硬件组件、和/或软件和硬件组件的一个或多个组合，本发明的各种实施例的一些或全部组件各自单独地和/或以与至少另一组件结合的方式被实施。在另一示例中，本发明的各种实施例的一些或全部组件各自单独地和/或以与至少另一组件结合的方式被实施在诸如一个或多个模拟电路和/或一个或多个数字电路之类的一个或多个电路中。在另一示例中，本发明的各种实施例和/或示例可以被结合。

虽然已经描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员应该理解，存在等同于所描述的实施例的其它实施例。因此，应该理解，本发明并不限于所示出的具体实施例，而仅由所附权利要求的范围所限定。

Claims (9)

1.一种用于LED恒流控制的线电压补偿系统，所述系统包括：

误差放大器，所述误差放大器的正向输入端输入参考电压，负向输入端与补偿电阻器连接；

功率调整管，所述功率调整管的发射极与第一感测电阻器连接，栅极与所述误差放大器的输出端连接，集电极与外部LED的阴极连接；

其中，所述第一感测电阻器一端与补偿电阻器以及误差放大器的负向输入端串联连接，一端接地，第二感测电阻器连接在所述误差放大器的负向输入端和所述LED的阴极之间，所述补偿电阻器一端连接所述误差放大器的负向输入端，一端连接所述第一感测电阻器。

2.如权利要求1所述的系统，其中流经所述第一感测电阻器的电流I_R2确定如下：

$I_{R2}=\frac{V_{bulk}-V_{led}-V_{ref}}{R_2}$

其中，V_bulk代表所述系统的输入电压，R₂代表所述第二感测电阻器的阻值，V_led代表所述LED导通的正向压降，并且V_ref代表所述参考电压。

3.如权利要求1所述的系统，其中功率调整管是绝缘栅双极晶体管IGBT。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述参考电压参考电压是可变的。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一感测电阻器是单个电阻器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二感测电阻器和所述LED之间还串联有电压源，所述电压源的负极与所述第二感测电阻器连接，正极与所述LED的阴极连接。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二感测电阻器和所述LED之间还串联有二极管，所述二极管的负极与所述第二感测电阻器连接，正极与所述LED的阴极连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二感测电阻器和所述LED之间还串联有稳压二极管，所述稳压二极管的正极与所述第二感测电阻器连接，负极与所述LED的阴极连接。

9.一种包括如权利要求1-8中的任何一项所述的用于LED恒流控制的线电压补偿系统的LED灯具。