CN106900109B - 一种恒功率正弦线性led驱动电路及led驱动装置 - Google Patents

一种恒功率正弦线性led驱动电路及led驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置，其中，所述恒功率正弦线性LED驱动电路包括LED负载、连接输入交流电压的整流桥和对LED负载的电流进行采样的电流采样电阻，用于驱动LED负载的恒流驱动模块，用于对交流输入电压进行采样的电压采样模块，用于将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流的第一电压电流转换器，用于将所述电流采样电阻的电压等比例转换为第二电流的第二电压电流转换器，用于根据所述第一电流的变化调节所述第二电流的补偿控制模块，通过智能地控制驱动电路的电流，可实现在不同的输入交流电压幅值情况下，LED灯的输入功率保持恒定，同时输入电流为正弦波，达到恒功率驱动、高功率因数以及低总谐波失真的目的。

Description

一种恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置
技术领域
本发明涉及LED驱动技术领域，特别涉及一种恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置。
背景技术
在LED驱动领域，如图1所示的是一种传统的多段线性LED驱动电路的简化示意图，包括连接于输入交流电压的整流桥，LED负载，连接LED负载的若干电流沉以及若干电流沉的采样电阻。图1所示为四段线性LED驱动电路的范例，四个电流沉连接于LED负载及LED负载的若干中点。当电流沉3导通时，电流沉4关闭。当电流沉2导通时，电流沉3和电流沉4关闭。当电流沉1导通时，电流沉2、电流沉3和电流沉4关闭。输入交流电压为一正弦波，电流沉1，电流沉2，电流沉3和电流沉4使LED负载在每个输入正弦周期中，有最多的LED导通，从而实现提高效率的目的。
这种LED驱动电路主要缺点为：
1、在输入交流电压幅值较高的情况下，电流沉产生较大的压降，使驱动电路的效率降低，并在电流沉上产生较大的热量，容易造成系统过热失效。
2、在输入交流电压幅值较低的情况下，LED负载的有效电流也随之较低，使LED灯的亮度下降。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置，可以实现在不同的输入交流电压幅值情况下，LED灯的输入功率保持恒定，同时输入电流为正弦波，达到恒功率驱动、高功率因数以及低总谐波失真的目的。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种恒功率正弦线性LED驱动电路，包括LED负载、连接输入交流电压的整流桥和对LED负载的电流进行采样的电流采样电阻，还包括用于驱动LED负载的恒流驱动模块，用于对交流输入电压进行采样的电压采样模块，用于将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流的第一电压电流转换器，用于将所述电流采样电阻的电压等比例转换为第二电流的第二电压电流转换器，以及用于根据所述第一电流的变化调节所述第二电流的补偿控制模块，所述补偿控制模块还用于输出恒流驱动模块的输入电压；
所述整流桥的正输出端连接LED负载的正极和电压采样模块的输入端，所述LED负载的负极通过恒流驱动模块连接电流采样电阻的一端；所述电压采样模块的输出端连接第一电压电流转换器的输入端，所述第一电压电流转换器的输出端连接第二电压电流转换器的输出端和补偿控制模块；所述第二电压电流转换器的输入端连接电流采样电阻的一端，所述电流采样电阻的另一端接地。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，所述恒流驱动模块包括至少一个与LED负载和电流采样电阻连接的功率管，以及数量与所述功率管对应、与功率管和电流采样电阻连接的运算放大器。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，还包括乘法器，所述乘法器的第一输入端连接电压采样模块的输出端，所述乘法器的第二输入端连接补偿控制模块，所述乘法器的输出端连接运算放大器。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，还包括若干个分压电阻，所述若干个分压电阻依次串联且连接所述乘法器的输出端，各相邻分压电阻的中点对应连接各个运算放大器的同相输入端。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，各个功率管的漏极连接LED负载，各个功率管的源极通过电流采样电阻接地，各个功率管的栅极对应连接一个运算放大器的输出端；所述运算放大器的反相输入端连接电流采样电阻的一端。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，所述电压采样模块包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接整流桥的正输出端，所述第一电阻的另一端连接第一电压电流转换器的输入端、还通过第二电阻接地。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，所述第一电压电流转换器包括第一运算放大器、第一信号管和第三电阻，所述第一运算放大器的同相输入端连接所述电压采样模块的输出端，所述第一运算放大器的反相输入端连接第一信号管的源极、还通过第三电阻接地，所述第一运算放大器的输出端连接第一信号管的栅极，所述第一运算放大器的漏极连接第二电压电流转换器的输出端和补偿控制模块。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，所述第二电压电流转换器包括第二运算放大器、第二信号管和第四电阻，所述第二运算放大器的同相输入端连接电流采样电阻的一端，所述第二运算放大器的反相输入端连接第二信号管的源极、还通过第四电阻接地，所述第二运算放大器的输出端连接第二信号管的栅极；所述第二信号管的漏极连接补偿控制模块。
所述的恒功率正弦线性LED驱动电路中，所述补偿控制模块包括参考电流源、第一开关和补偿电容，所述补偿电容的一端通过所述第一开关连接参考电流源、第一电压电流转换器的输出端、第二电压电流转换器的输出端和乘法器的第二输入端，所述补偿电容的另一端接地。
一种LED驱动装置，包括外壳，所述外壳内设置有PCB板，其中，所述PCB板上设置有如上所述的恒功率正弦线性LED驱动电路。
相较于现有技术，本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置中，所述恒功率正弦线性LED驱动电路包括LED负载、连接输入交流电压的整流桥和对LED负载的电流进行采样的电流采样电阻，还包括用于驱动LED负载的恒流驱动模块，用于对交流输入电压进行采样的电压采样模块，用于将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流的第一电压电流转换器，用于将所述电流采样电阻的电压等比例转换为第二电流的第二电压电流转换器，以及用于根据所述第一电流的变化调节所述第二电流的补偿控制模块，所述补偿控制模块还用于输出恒流驱动模块的输入电压，通过智能地控制驱动电路的电流，可实现在不同的输入交流电压幅值情况下，LED灯的输入功率保持恒定，同时输入电流为正弦波，达到恒功率驱动、高功率因数以及低总谐波失真的目的。
附图说明
图1为传统的四段线性LED恒流驱动电路示意图。
图2为本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路的电路图。
图3为本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路的电路工作电流波形。
具体实施方式
鉴于现有技术中由于输入交流电压的幅值变化会到时系统输入功率变化等缺点，本发明的目的在于提供一种恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置，可以实现在不同的输入交流电压幅值情况下，LED灯的输入功率保持恒定，同时输入电流为正弦波，达到恒功率驱动、高功率因数以及低总谐波失真的目的。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图2，本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路包括LED负载10、连接输入交流电压的整流桥20和对LED负载10的电流进行采样的电流采样电阻R0，还包括用于驱动LED负载10的恒流驱动模块11，用于对交流输入电压进行采样的电压采样模块12，用于将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流的第一电压电流转换器13，用于将所述电流采样电阻R0的电压等比例转换为第二电流的第二电压电流转换器14，以及用于根据所述第一电流的变化调节所述第二电流的补偿控制模块15，所述补偿控制模块15还用于输出恒流驱动模块11的输入电压。
其中，输入源为交流正弦波，输入源连接于整流桥20的输入端，整流桥20的正输出端连接LED负载10的阳极和电压采样模块12的输入端，所述整流桥20的负输出端为电路参考地，所述LED负载10的负极通过恒流驱动模块11连接电流采样电阻R0的一端；所述电压采样模块12的输出端连接第一电压电流转换器13的输入端，所述第一电压电流转换器13的输出端连接第二电压电流转换器14的输出端和补偿控制模块15；所述第二电压电流转换器14的输入端连接电流采样电阻R0的一端，所述电流采样电阻R0的另一端接地。
具体实施时，所述LED负载10可以分为若干段，典型如3-4段，LED负载10的段间中点连接恒流驱动模块11，以下实施方式说明均以4段LED负载10为例，但本发明的实施方式不限于4段，可根据实际需要灵活设置，本发明对此不作限定。
具体地，所述恒流驱动模块11包括至少一个与LED负载10和电流采样电阻R0连接的功率管，以及数量与所述功率管对应、与功率管和电流采样电阻R0连接的运算放大器。各个功率管的漏极连接LED负载10的段间中点，各个功率管的源极通过电流采样电阻R0接地，各个功率管的栅极对应连接一个运算放大器的输出端；所述运算放大器的反相输入端连接电流采样电阻R0的一端。
本实施例中，所述恒流驱动模块11内的功率管和运算放大器数量均为四个，与LED负载10的段数相对应，如图2所示，所述恒流驱动模块11包括功率管1、功率管2、功率管3、功率管4、运算放大器1、运算放大器2、运算放大器3和运算放大器4，分别记为A1、A2、A3、A4、M1、M2、M3和M4，四个功率管的源级互相连接，并通过电流采样电阻R0连接到电路参考地，四个功率管的栅极由四个运算放大器的输出端所驱动，其中功率管1对应连接运算放大器1，功率管2对应连接运算放大器2，功率管3对应连接运算放大器3，功率管4对应连接运算放大器4，四个运算放大器的反相输入端互相连接并且连接到电流采样电阻R0，四个运算放大器的同相输入端电压为控制电路所驱动。
优选地，本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路中，所述补偿控制模块15包括参考电流源Iref、第一开关S1和补偿电容C1，所述补偿电容C1的一端通过所述第一开关S1连接参考电流源Iref、第一电压电流转换器13的输出端、第二电压电流转换器14的输出端和乘法器16的第二输入端，所述补偿电容C1的另一端接地。
本发明通过采用一补偿电容C1智能控制恒流驱动电路的电流，使系统整体功耗恒定，该补偿电容C1上的电流为三个电流之和，并且在该补偿电容C1上积分得到补偿电容C1上的电压。三个电流分别为参考电流（其为固定值）、第一电压电流转换器13的输出电流和第二电压电流转换器14的输出电流。
其中，第一电压电流转换器13的输入端连接电压采样模块12的输出端，所述电压采样模块12包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的一端作为电压采样模块12的输入端，连接整流桥20的正输出端，所述第一电阻R1的另一端作为电压采样模块12的输出端，连接第一电压电流转换器13的输入端、还通过第二电阻R2接地。当输入交流电压幅值变化时，第一电阻R1和第二电阻R2中点的平均电压也随之变化，因此第一电压电流转换器13的输入端的电压也会随之变化，实时反映了交流输入电压的瞬时值，第一电压电流转换器13将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流，所述第一电流从补偿电容C1中抽取电流。
而第二电压电流转换器14的输入端连接电流采样电阻R0的一端，其输入端为电流采样电阻R0的电压，第二电压电流转换器14将电流采样电阻R0的电压等比例转换为第二电流，反映了LED负载10的电流，所述第二电流从补偿电容C1中抽取电流。
补偿电容C1上的电压用以控制上述四个运算放大器的同相输入端电压，优选地，使用一乘法器16，所述乘法器16的第一输入端连接电压采样模块12的输出端，所述乘法器16的第二输入端连接补偿控制模块15，所述乘法器16的输出端连接运算放大器。该乘法器16的两个输入电压分别为：补偿电容C1上的电压、电压采样模块12的输出电压。在一个工频周期中，补偿电容C1上的电压变化较小，近似认为为直流电压，电压采样模块12的输出电压则反映了输入交流电压的瞬时值（正弦），则乘法器16的输出电压为正弦波形状。乘法器16的输出电压控制四个运算放大器，继而控制四个功率管的电流，从而四个功率管的电流之和近似为正弦波，提高了功率因数，降低了总谐波失真和对电网的干扰及污染。
进一步地，本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路还包括若干的分压电阻，本实施例所述分压电阻的数量为四个，所述若干个分压电阻依次串联且连接所述乘法器16的输出端，各相邻分压电阻的中点对应连接各个运算放大器的同相输入端。即第一分压电阻R11的一端连接运算放大器1的同相输入端，第一分压电阻R11和第二分压电阻R12的重点连接运算放大器2的同相输入端，第二分压电阻R12和第三分压电阻R13的重点连接运算放大器3的同相输入端，第三分压电阻R13和第四分压电阻R14的重点连接运算放大器4的同相输入端，以实现运算放大器1的同相输入端电压大于运算放大器2的同相输入端电压，运算放大器2的同相输入端电压大于运算放大器3的同相输入端电压，运算放大3的同相输入端电压大于运算放大器4的同相输入端电压。由此结构，实现当功率管3导通时，功率管4关闭。当功率管2导通时，功率管3和功率管4关闭。当功率管1导通时，功率管2、功率管3和功率管4关闭，以提高驱动电路的效率。
优选地，所述补偿控制模块15还采用第一开关S1和补偿电容C1连接，当控制电路供电充足时，该开关导通，补偿电容C1实现电流积分的作用；当控制电路供电不足时，该开关关闭，补偿电容C1的电流为零，则补偿电容C1的电压维持不变。
进一步地，所述第一电压电流转换器13包括第一运算放大器A10、第一信号管Q1和第三电阻R3，所述第一运算放大器A10的同相输入端作为第一电压电流转换器13的输入端，连接所述电压采样模块12的输出端，所述第一运算放大器A10的反相输入端连接第一信号管Q1的源极、还通过第三电阻R3接地，所述第一运算放大器A10的输出端连接第一信号管Q1的栅极，所述第一运算放大器A10的漏极作为第一电压电流转换器13的输出端，连接第二电压电流转换器14的输出端和补偿控制模块15。
类似地，所述第二电压电流转换器14包括第二运算放大器A20、第二信号管Q2和第四电阻R4，所述第二运算放大器A20的同相输入端作为第二电压电流转换器14的输入端，连接电流采样电阻R0的一端，所述第二运算放大器A20的反相输入端连接第二信号管Q2的源极、还通过第四电阻R4接地，所述第二运算放大器A20的输出端连接第二信号管Q2的栅极；所述第二信号管Q2的漏极作为第二电压电流转换器14的输出端，连接补偿控制模块15。
所述第一电压电流转换器13和第二电压电流转换器14中，当信号管的漏极电压充足时，运算放大器的同相输入端和反相输入端相等，所以第三电阻R3和第四电阻R4上的电压分别等于第一电压电流转换器13和第二电压电流转换器14的输入端电压，则第三电阻R3和第四电阻R4上的电流分别流经第一信号管Q1和第二信号管Q2，并且等比例于第一电压电流转换器13和第二电压电流转换器14的输入端电压。
当输入交流电压幅值变化时，第一电阻R1和第二电阻R2中点的平均电压也随之变化，从而第一电压电流转换器13的输出平均电流也随之变化，在电路闭环时，为了满足补偿电容C1的平均输入电流为零，可以得出，第二电压电流转换器14的输出平均电流必须补足或减去第一电压电流转换器13的输出平均电流变化。因为第二电压电流转换器14反映了LED负载10的电流，从而LED负载10的平均电流发生变化，并且，该变化和输入交流电压的幅值变化相反，从而使得系统的输入功率保持基本恒定。
例如，当输入交流电压幅值增加15%时，第一电阻R1和第二电阻R2中点的平均电压也增加15%，所以第一电压电流转换器13从补偿电容C1抽取的电流也增加15%，在电路闭环时，补偿电容C1上的平均电流为零，所以第二电压电流转换器14从补偿电容C1抽取的电流需要减少15%，则LED负载10的平均电流减少15%，所以系统的输入功率保持基本不变，通过智能地控制驱动电路的电流，使得系统整体功耗恒定，在较宽的输入电压情况下，可避免过热以及功率降低等问题。
具体地，如图3所示，其为本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路的电路工作电流波形。当功率管3导通时，功率管4关闭。当功率管2导通时，功率管3和功率管4关闭。当功率管1导通时，功率管2、功率管3和功率管4关闭。并且，四个功率管的电流之和为系统的输入电流，输入电流实现正弦波，达到高功率因数和低总谐波失真的目的。
本发明还相应提供一种LED驱动装置，包括外壳，所述外壳内设置有PCB板，其中，所述PCB板上设置有上所述的恒功率正弦线性LED驱动电路，由于上文已对所述恒功率正弦线性LED驱动电路进行了详细介绍，此处不再详述。
综上所述，本发明提供的恒功率正弦线性LED驱动电路及LED驱动装置中，所述恒功率正弦线性LED驱动电路包括LED负载、连接输入交流电压的整流桥和对LED负载的电流进行采样的电流采样电阻，还包括用于驱动LED负载的恒流驱动模块，用于对交流输入电压进行采样的电压采样模块，用于将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流的第一电压电流转换器，用于将所述电流采样电阻的电压等比例转换为第二电流的第二电压电流转换器，以及用于根据所述第一电流的变化调节所述第二电流的补偿控制模块，所述补偿控制模块还用于输出恒流驱动模块的输入电压，通过智能地控制驱动电路的电流，可实现在不同的输入交流电压幅值情况下，LED灯的输入功率保持恒定，同时输入电流为正弦波，达到恒功率驱动、高功率因数以及低总谐波失真的目的。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种恒功率正弦线性LED驱动电路，包括LED负载、连接输入交流电压的整流桥和对LED负载的电流进行采样的电流采样电阻，其特征在于，还包括用于驱动LED负载的恒流驱动模块，用于对交流输入电压进行采样的电压采样模块，用于将交流输入电压的瞬时值等比例转换为第一电流的第一电压电流转换器，用于将所述电流采样电阻的电压等比例转换为第二电流的第二电压电流转换器，以及用于根据所述第一电流的变化调节所述第二电流的补偿控制模块，所述补偿控制模块还用于输出恒流驱动模块的输入电压；
所述整流桥的正输出端连接LED负载的正极和电压采样模块的输入端，所述LED负载的负极通过恒流驱动模块连接电流采样电阻的一端；所述电压采样模块的输出端连接第一电压电流转换器的输入端，所述第一电压电流转换器的输出端连接第二电压电流转换器的输出端和补偿控制模块；所述第二电压电流转换器的输入端连接电流采样电阻的一端，所述电流采样电阻的另一端接地；
所述恒功率正弦线性LED驱动电路还包括乘法器，所述补偿控制模块包括参考电流源、第一开关和补偿电容，所述乘法器的第一输入端连接电压采样模块的输出端，所述乘法器的输出端连接运算放大器；所述补偿电容的一端通过所述第一开关连接参考电流源、第一电压电流转换器的输出端、第二电压电流转换器的输出端和乘法器的第二输入端，所述补偿电容的另一端接地；
所述恒流驱动模块包括至少一个与LED负载和电流采样电阻连接的功率管，以及数量与所述功率管对应、与功率管和电流采样电阻连接的运算放大器。
2.根据权利要求1所述的恒功率正弦线性LED驱动电路，其特征在于，还包括若干个分压电阻，所述若干个分压电阻依次串联且连接所述乘法器的输出端，各相邻分压电阻的中点对应连接各个运算放大器的同相输入端。
3.根据权利要求1所述的恒功率正弦线性LED驱动电路，其特征在于，各个功率管的漏极连接LED负载，各个功率管的源极通过电流采样电阻接地，各个功率管的栅极对应连接一个运算放大器的输出端；所述运算放大器的反相输入端连接电流采样电阻的一端。
4.根据权利要求1所述的恒功率正弦线性LED驱动电路，其特征在于，所述电压采样模块包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接整流桥的正输出端，所述第一电阻的另一端连接第一电压电流转换器的输入端、还通过第二电阻接地。
5.根据权利要求1所述的恒功率正弦线性LED驱动电路，其特征在于，所述第一电压电流转换器包括第一运算放大器、第一信号管和第三电阻，所述第一运算放大器的同相输入端连接所述电压采样模块的输出端，所述第一运算放大器的反相输入端连接第一信号管的源极、还通过第三电阻接地，所述第一运算放大器的输出端连接第一信号管的栅极，所述第一运算放大器的漏极连接第二电压电流转换器的输出端和补偿控制模块。
6.根据权利要求1所述的恒功率正弦线性LED驱动电路，其特征在于，所述第二电压电流转换器包括第二运算放大器、第二信号管和第四电阻，所述第二运算放大器的同相输入端连接电流采样电阻的一端，所述第二运算放大器的反相输入端连接第二信号管的源极、还通过第四电阻接地，所述第二运算放大器的输出端连接第二信号管的栅极；所述第二信号管的漏极连接补偿控制模块。
7.一种LED驱动装置，包括外壳，所述外壳内设置有PCB板，其特征在于，所述PCB板上设置有如权利要求1-6任意一项所述的恒功率正弦线性LED驱动电路。
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