CN106851906B - 一种分段线性恒流led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段线性恒流LED驱动电路，它包括整流桥对220V/50Hz的正弦电压波形进行全波整流，与高压稳压降压电路和LED灯串连接；高压稳压降压电路：利用高压LDMOS管对RC电路充电，通过线性稳压电路得到稳定输出电压，与输出参考电压电路连接；输出参考电压电路：输出参考电压，与线性恒流电路连接；线性恒流电路：利用集成的高压功率管作为调整管，通过反馈控制调整管，实现恒流输出；解决了现有技术的LED驱动电路使用了电解电容，易受工作温度的影响，发生电解液挥发、泄漏，电容容量下降等问题导致电容老化，使用寿命大大降低，影响了驱动电源的使用寿命，进而降低LED整灯的使用寿命等技术问题。

Description

一种分段线性恒流LED驱动电路

技术领域

本发明属于LED驱动电源技术，尤其涉及一种分段线性恒流LED驱动电路。

背景技术

21世纪，LED作为一种固态光源，是典型的绿色照明光源，具有寿命长，光效高，低功耗等特点。在LED照明技术当中，电源的驱动至关重要，它涉及到了LED整灯的使用寿命以及各项电气性能。至今，LED驱动电源大致发展为开关电源和线性电源，开关电源具有效率高、功耗小的优点，但由于电路结构的原因，电路具有较严重的干扰，这些开关干扰可能会串入到电网进而干扰到附近工作的电器设备，影响其他电器的正常工作。而线性电源几乎没有电磁干扰问题，输出电流电压纹波小，在工程应用质量要求较高的场合，线性电源有着明显的优势。LED是一种电流型器件，其对恒定电流的要求高，故LED驱动一般为恒流驱动电源。LED光源的使用寿命一般为30000-50000h，故要求驱动电源的使用寿命高于LED光源的使用寿命，才能保证LED整灯的使用寿命。但由于电路中使用了电解电容，易受工作温度的影响，发生电解液挥发、泄漏，电容容量下降等问题导致电容老化，使用寿命大大降低，影响了驱动电源的使用寿命，进而降低LED整灯的使用寿命，因此驱动电源的性能是影响LED照明发展的重要因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种分段线性恒流LED驱动电路，以解决现有技术的LED驱动电路使用了电解电容，易受工作温度的影响，发生电解液挥发、泄漏，电容容量下降等问题导致电容老化，使用寿命大大降低，影响了驱动电源的使用寿命，进而降低LED整灯的使用寿命等技术问题。

本发明技术方案：

一种分段线性恒流LED驱动电路，它包括：

整流桥：对220V/50Hz的正弦电压波形进行全波整流，与高压稳压降压电路和LED灯串连接；

高压稳压降压电路：利用高压LDMOS管对RC电路充电，通过线性稳压电路得到稳定输出电压，与输出参考电压电路连接；

输出参考电压电路：输出参考电压，与线性恒流电路连接；

线性恒流电路：利用集成的高压功率管作为调整管，通过反馈信号控制调整管，实现恒流输出。

它还包括保护电路，所述保护电路提供欠压保护、过温保护、过压保护和过流保护。

所述整流桥为全波整流桥，将220V/50Hz的交流电转换为0-311V的直流脉动高压。

所述高压稳压降压电路包括电阻R0，电阻R0为LDMOS0管提供栅端电压，电阻R1和电容C0串联接在LDMOS0管的源端，LDMOS0管的漏端接输入电压，电容C0两端的电压经电阻R2和齐纳二极管Zener1进行稳压，P型场效应管Mp1、Mp2、Mp4、Mp5和N型场效应管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4构成共源共栅结构，电阻R3、R4为共源共栅结构提供偏置，双极型晶体管Q1,Q2基极相连接地， P型场效应管Mp3和Mp6构成电流镜，镜像电流经电阻R6和双极型晶体管Q3得到基准电压Vref1，误差放大器OPA0的反相端接基准电压Vref1，电阻R7、R8串联形成反馈网络，电阻R8上的反馈电压连接到误差放大器OPA0的同相端，误差放大器OPA0输出端接功率管Mp40的栅端。

输出参考电压电路包括P型场效应管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10，P型场效应管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10和N型场效应管Mn5、Mn6、Mn7、Mn8构成共源共栅结构，电阻R11、R12为共源共栅结构提供偏置，双极型晶体管Q4,Q5基极相连接地，P型场效应管Mp11和P型场效应管Mp12构成电流镜，镜像电流流经电阻R10和晶体管Q6得到温度一阶补偿的基准电压，温度一阶补偿的基准电压经误差放大器OPA5构成的单位增益缓冲器之后，得到基准电压Vref2，电阻R13、R14、R15、R16、R17组成电阻分压结构，可得到四路参考电压，N型场效应管Mn13与电阻R13并联，N型场效应管Mn13的栅端接电平转换电路的输出信号EN。

线性恒流电路包括LED灯串、LDMOS管、运放和外置采样电阻，当输入的外部电压达到LED灯串的正向导通压降时， LDMOS管和外置采样电阻构成通路，并在采样电阻上产生压降，该电压值作为反馈信号接到运放的反向端，运放的同向端接参考电压电路中相应的一路参考电压，运放输出端接LDMOS管的栅端。

参考电压电路至少包括四路参考电压输出，在输出参考电压电路使能端外接一个电平转换电路，控制参考电压输出的电压值，进而产生两组输出参考电压，为线性恒流电路提供了两组不同的参考电压。

本发明的有益效果：

本发明的分段线性恒流LED驱动电路通过内部降压方式，内部集成高压功率管，将驱动电源集成在一块芯片上，具有便于集成化、体积小、无需电解电容、去电源化、电磁干扰小等特点；该电路可直接应用于市电，交流输入电压范围宽，且工作温度范围宽、保护电路完善；解决了现有技术的LED驱动电路使用了电解电容，易受工作温度的影响，发生电解液挥发、泄漏，电容容量下降等问题导致电容老化，使用寿命大大降低，影响了驱动电源的使用寿命，进而降低LED整灯的使用寿命等技术问题。

附图说明

图1为本发明原理结构示意图；

图2、图3是本发明实施例器件接线示意图；

图4为本发明实施例输入电压与输出电流波形示意图。

具体实施方式

一种分段线性恒流LED驱动电路，它包括（见图1）：

整流桥：对220V/50Hz的正弦电压波形进行全波整流，与高压稳压降压电路和LED灯串连接；

高压稳压降压电路：利用高压LDMOS管对RC电路充电，通过线性稳压电路得到稳定输出电压，与输出参考电压电路连接；

参考电压电路为多值输出参考电压电路，至少包括四路参考电压输出，在输出参考电压电路使能端外接一个电平转换电路，控制参考电压输出的电压值，进而产生两组输出参考电压，为线性恒流电路提供了两组不同的参考电压。

线性恒流电路：利用集成的高压功率管作为调整管，通过反馈控制调整管，实现恒流输出。

它还包括保护电路，所述保护电路提供欠压保护、过温保护、过压保护和过流保护。

所述整流桥为全波整流桥，将220V/50Hz的交流电转换为0-311V的直流脉动高压。其中每一桥臂上二极管的反向耐压在700V以上，正向电流容量在300mA以上。

所述高压稳压降压电路包括LDMOS管和外置电容C，LDMOS管和外置电容C构成RC充电支路，并通过齐纳二极管Zener1得到稳压值供前置基准电压源和线性稳压器工作，前置基准电压源产生电压Vref1作为线性稳压器的参考电压，电容C两端的电压作为线性稳压器的输入电压。

下面通过具体的实施例对本发明技术方案进行细化说明（见图2，图3）：

整流桥采用全波整流桥，它将220V/50Hz的交流电转换为0-311V的直流脉动高压；其中每一桥臂上二极管的反向耐压要求在700V以上，正向电流容量在300mA以上。

高压稳压降压电路2，电路采用的LDMOS管为耐高压LDMOS0和外置的电容C0构成RC充电支路，并通过齐纳二极管Zener1得到稳压值供前置基准电压源和线性稳压器工作，前置基准电压源产生基准电压Vref1作为线性稳压器的参考电压，误差放大器OPA0根据反馈电压的变化调节功率管Mp40的栅压，使得输出电压VDD稳定，设置合适的功率管Mp40参数，使得输出电压VDD具有一定的带负载能力，并作为芯片的低压模块的工作电压。

高压稳压降压电路的具体结构为：电阻R0为LDMOS0管提供栅端电压，电阻R1和电容C0串联接在LDMOS0管的源端，LDMOS0管的漏端接输入电压，电容C0两端的电压经电阻R2和齐纳二极管Zener1进行稳压，P型场效应管Mp1、Mp2、Mp4、Mp5和N型场效应管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4构成共源共栅结构，电阻R3、R4为共源共栅结构提供偏置，双极型晶体管Q1的发射结面积是双极型晶体管Q2的8倍，双极型晶体管Q1,Q2基极相连接地，电阻R5的阻值可以改变电路的基准电流，P型场效应管Mp3和Mp6构成电流镜，镜像电流经电阻R6和双极型晶体管Q3可以得到温度一阶补偿的基准电压Vref1，误差放大器OPA0的反相端接基准电压Vref1，电阻R7、R8串联形成反馈网络，电阻R8上的反馈电压连接到误差放大器OPA0的同相端，误差放大器OPA0输出端接功率管Mp40的栅端（功率管Mp40的D-S耐压40V），运放根据反馈电压调整功率管Mp40的栅源电压，使得功率管Mp40处于线性状态，使得输出电压VDD稳定。

所述输出参考电压电路为多值输出参考电压电路，包括带隙基准电压源、缓冲器、电阻分压网络和使能端，输出参考电压电路的工作电压为线性稳压器的输出电压，带隙基准电压源输出基准电压，经缓冲器和电阻分压网络后得到四路输出参电压，在电阻分压网络中加入一使能端控制四路输出参考电压的电压值，进而产生两组四路输出参考电压。

本实施例中输出参考电压电路3，主要由基准电压源、缓冲器和电阻分压网络三部分构成。基准电压源利用具有相反的温度系数电压的权重以合适的比例相加得到具有零温度系数的基准电压，且受输入电压波动影响小，通过缓冲器可以得到基准电压Vref2，经电阻按比例分压后可得到多个参考电压，缓冲器保证了参考电压的特性跟基准电压Vref2特性一样。电阻分压网络加入一个开关管Mn13，可以根据使能信号EN控制开关管Mn13的导通与截止，从而改变电阻分压网络的比例，使得输出参考电压发生变化。使能信号有两种状态，故参考电压会随之输出两组不同电压值。

具体电路结构：P型场效应管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10和N型场效应管Mn5、Mn6、Mn7、Mn8构成共源共栅结构，电阻R11、R12为共源共栅结构提供偏置，双极型晶体管Q4的发射结面积是双极型晶体管Q5的8倍，双极型晶体管Q4,Q5基极相连接地电阻R9的阻值可以改变电路的基准电流，P型场效应管Mp11和P型场效应管Mp12构成电流镜，镜像电流流经电阻R10和晶体管Q6可以得到温度一阶补偿的基准电压，该基准电压经误差放大器OPA5构成的单位增益缓冲器之后，得到基准电压Vref2，电阻R13、R14、R15、R16、R17组成电阻分压结构，可得到四路参考电压，N型场效应管Mn13与R13并联，N型场效应管Mn13的栅端接电平转换电路的输出信号EN。

所述线性恒流电路包括LED灯串、LDMOS管、运放和外置采样电阻，当输入的外部电压达到LED灯串的正向导通压降时， LDMOS管和外置采样电阻构成通路，并在采样电阻上产生压降，该电压值作为反馈信号接到运放的反向端，运放的同向端接参考电压电路中对应的参考电压，运放输出端接LDMOS管的栅端。

本实施例中线性恒流电路4，主要由运放OPA1、高压LDMOS1和采样电阻Rsen构成。当输入电压未达到第一串LED灯N1的正向导通电压值时，采样电阻没有电流流过，压降为0，故运放OPA1输出高电平，使得高压LDMOS1的栅源电压大于阈值电压；当输入电压上升到第一串LED灯N1的正向压降后，LDMOS1的漏源电流开始增加并流过采样电阻，采样电阻上的压降也逐渐上升且反馈到运放的反相端，OPA1通过输入端电压的变化，调节LDMOS1使得输出电流稳定，使LED灯串1恒流工作。线性恒流电路4、5、6、7工作原理相同。

电路结构：LED灯串N1正向端接输入电压，反向端接LDMOS1的漏极，LDMOS1的源极接采样电阻Rsen，电阻Rsen的压降作为反馈电压接到运放OPA1的反相端，OPA1同相端接参考电压V1或V11（V1和V11受使能信号EN控制），运放的输出接LDMOS1的栅端，OPA1通过反馈电压的变化，输出控制LDMOS1的导通电阻大小，电路实现恒流工作，Out_pt与保护模块相连，实现保护功能。图2、图3中的线性恒流电路4、5、6、7结构一样。

所述电平转换电路输入信号为外部感应信号，输出信号控制参考电压电路中的使能端，进而产生两组输出参考电压，为线性恒流电路提供了两组不同的参考电压；

本实施例中电平转换电路8，外部感应信号EN_Vin通过电平转换电路后可以将EN_Vin调整为与芯片工作电压电平一致，得到输出使能信号EN。输出使能信号EN反映了外部感应信号，并通过控制输出参考电压电路的使能端，使输出参考电压电路输出两组不同的参考电压，可切换LED处于两种不同的工作状态。

电路结构：P型场效应管Mp13和N型场效应管Mn9的栅端相连，且漏端相连，构成反向器，反向器的输入接EN_Vin。N型场效应管Mn10栅端接反向器的输入端，N型场效应管Mn11的栅端接反向器的输出端，在外部感应信号EN_Vin信号下，N型场效应管Mn10和N型场效应管Mn11只有一个管子会导通，P型场效应管Mp14与N型场效应管Mn10漏端相连，P型场效应管Mp15与N型场效应管Mn11漏端相连，P型场效应管Mp14的栅端接N型场效应管Mn11的漏端，P型场效应管Mp15的栅端接N型场效应管Mn10的漏端，在X点可以得到与EN_Vin信号电平一致的电压Vx（Vx高电平为VDD，低电平为GND），P型场效应管Mp16与N型场效应管Mn12栅极相连，构成第一级反向器，P型场效应管Mp17与N型场效应管Mn14栅极相连，构成第二级反向器，两级反向器可以起到整形作用，在P型场效应管Mp17与N型场效应管Mn14的漏端得到使能信号EN。

保护电路9，由过温保护电路、过压保护电路和过流保护电路构成。当电路工作超过保护电路设定的极限情况时，都会触发保护电路产生保护使能信号out_pt，从而控制功率管的工作，防止芯片异常工作导致芯片毁坏。

本发明工作原理：输入市电为220V/50Hz的交流电经整流桥整流之后，可以在整流桥的两个输出端口得到脉动直流高压，该电压峰值电压为311V、时间周期为10ms的正弦半波脉动电压。该电压既为高压稳压降压电路提供工作电压，也作为LED光源的输入电压。高压稳压降压电路可在第一串灯珠正向导通前稳定输出芯片的工作电压，保证芯片正常工作。多值输出参考电压电路产生四路参考电压分别作为四组线性恒流电路的参考电压（V1<V2<V3<V4），即分别接在四组线性恒流电路中的运放的同向端，四组线性恒流电路的功率管输入端各接一组LED灯串，四组LED灯串采用串联方式连接（附图1、图3）。由于输入电压未达到灯珠的正向导通电压，电路中没有电流流过，采样电阻上的电压为零即反馈电压为零，故运放输出均为高电平，使得四个LDMOS的栅源电压都大于阈值电压。

在输入电压上升阶段，当输入电压上升到LED灯串N1的正向压降后，第一组线性恒流电路中的LDMOS1处于导通状态，LED灯串N1点亮，电流受第一组线性恒流电路控制，电流值为V1/Rsen。当输入电压达到灯串N1和LED灯串N2的正向导通电压后，由于支路的电流增大，反馈电压变大，使得第一组线性恒流电路的运放输出为低电平，从而关断了第一组的LDMOS1，LED灯串N1、LED灯串N2和LDMOS2构成一条支路，电流受第二组线性恒流电路控制，电流值为V2/Rsen。当输入电压上升到LED灯串N1、LED灯串N2和LED灯串N3的正向导通电压后，由于支路的电流增大，反馈电压变大，从而关断第二组LDMOS2，LED灯串N1、LED灯串N2、LED灯串N3和LDMOS3构成一条支路，电流受第三组线性恒流电路控制,电流值为V3/Rsen。随着输入电压上升到LED灯串N1、LED灯串N2、LED灯串N3和LED灯串N4的正向导通电压后，关断第三组的LDMOS3，LED灯串N1、LED灯串N2、LED灯串N3、LED灯串N4和LDMOS4构成一条支路，电流受第四组线性恒流电路控制,电流值为V4/Rsen。在输入电压下降阶段，四组线性恒流电路工作次序与输入电压上升阶段相反。由于多值输出参考电压电压可受使能端控制，在使能信号无效时，电路输出参考电压为V1：V2：V3：V4,输出电流为V1/Rsen：V2/Rsen：V3/Rsen：V4/Rsen。当使能信号有效时，电路输出参考电压为V11：V22：V33：V44，输出电流为V11/Rsen：V22/Rsen：V33/Rsen：V44/Rsen。这样电路可工作在两种工作电流模式下。电路可根据应用场合和LED灯珠规格，通过调节外置采样电阻Rsen的阻值改变电路工作电流。

Claims (6)

1.一种分段线性恒流LED驱动电路，它包括：

整流桥：对220V/50Hz的正弦电压波形进行全波整流，与高压稳压降压电路和LED灯串连接；

高压稳压降压电路：利用高压LDMOS管对RC电路充电，通过线性稳压电路得到稳定输出电压，与输出参考电压电路连接；

输出参考电压电路：输出参考电压，与线性恒流电路连接；输出参考电压电路包括P型场效应管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10，P型场效应管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10和N型场效应管Mn5、Mn6、Mn7、Mn8构成共源共栅结构，电阻R11、R12为共源共栅结构提供偏置，双极型晶体管Q4,Q5基极相连接地，P型场效应管Mp11和Mp12构成电流镜，镜像电流流经电阻R10和晶体管Q6得到温度一阶补偿的基准电压，温度一阶补偿的基准电压经误差放大器OPA5构成的单位增益缓冲器之后，得到基准电压Vref2，电阻R13、R14、R15、R16、R17组成电阻分压结构，可得到四路参考电压，N型场效应管Mn13与电阻R13并联，N型场效应管Mn13的栅端接电平转换电路的输出信号EN；

线性恒流电路：利用集成的高压功率管作为调整管，通过反馈信号控制调整管，实现恒流输出。

2.根据权利要求1所述的一种分段线性恒流LED驱动电路，其特征在于：它还包括保护电路，所述保护电路提供欠压保护、过温保护、过压保护和过流保护。

3.根据权利要求1所述的一种分段线性恒流LED驱动电路，其特征在于：所述整流桥为全波整流桥，将220V/50Hz的交流电转换为0-311V的直流脉动高压。

4.根据权利要求1所述的一种分段线性恒流LED驱动电路，其特征在于：所述高压稳压降压电路包括电阻R0，电阻R0为LDMOS0管提供栅端电压，电阻R1和电容C0串联接在LDMOS0管的源端，LDMOS0管的漏端接输入电压，电容C0两端的电压经电阻R2和齐纳二极管Zener1进行稳压，P型场效应管Mp1、Mp2、Mp4、Mp5和N型场效应管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4构成共源共栅结构，电阻R3、R4为共源共栅结构提供偏置，双极型晶体管Q1,Q2基极相连接地， P型场效应管Mp3和Mp6构成电流镜，镜像电流经电阻R6和双极型晶体管Q3得到基准电压Vref1，误差放大器OPA0的反相端接基准电压Vref1，电阻R7、R8串联形成反馈网络，电阻R8上的反馈电压连接到误差放大器OPA0的同相端，误差放大器OPA0输出端接功率管Mp40的栅端。

5.根据权利要求1所述的一种分段线性恒流LED驱动电路，其特征在于：线性恒流电路包括LED灯串、LDMOS管、运放和外置采样电阻，当输入的外部电压达到LED灯串的正向导通压降时， LDMOS管和外置采样电阻构成通路，并在采样电阻上产生压降，该电压值作为反馈信号接到运放的反向端，运放的同向端接参考电压电路中相应的一路参考电压，运放输出端接LDMOS管的栅端。

6.根据权利要求1所述的一种分段线性恒流LED驱动电路，其特征在于：参考电压电路至少包括四路参考电压输出，在输出参考电压电路使能端外接一个电平转换电路，控制参考电压输出的电压值，进而产生两组输出参考电压，为线性恒流电路提供了两组不同的参考电压。