CN108347801A - 一种全电压输入单段线性led驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法，包括：在低输入电压时第一恒流控制模块对LED负载进行恒流控制；高输入电压时第二恒流控制模块对LED负载进行恒流控制；输入电压小于所述电解电容的最大电压时所述电解电容放电，为所述LED负载供电，并由第一恒流控制模块对LED负载进行恒流控制。本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法可实现全输入电压范围内系统达到高效率；可实现交流周期内平均电流的控制，并限制峰值电流；可优化系统的抗电磁干扰性能；加入过温降电流的控制，大大提高系统的可靠性；适于高度集成，外围电路最简化。

Description

一种全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法
技术领域
本发明涉及电路设计领域，特别是涉及一种全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法。
背景技术
LED是一种能发光的半导体电子元件，这种电子元件早期只能发出低光度的红光，随着技术的不断进步，现在已发展到能发出可见光、红外线及紫外线的程度，光度也有了很大的提高。LED具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点，已被广泛应用于指示灯、显示器及照明领域。
通常情况下，单段线性LED驱动中整体的效率由LED导通电压与输入电压决定，满足如下关系：
如图1所示为单段线性LED驱动常见的结构，交流电压AC通过整流桥后转化为输入电压VIN，并向LED灯段供电，所述LED灯段由n个LED灯串联形成。LED灯段的输出端连接恒流控制芯片，通过恒流控制芯片内的恒流控制管的开关实现恒流控制，电容C和电阻R并联于输入电压的两端，为可调器件。由于串联LED数目是固定的，因此在输入电压超过LED正向压降时多余的电压是由LED下方的恒流控制管承担的，VIN-VLED就是调整管上的电压。输入电压越高，系统的效率就越低。
通常单段线性LED驱动中可以通过提高LED的数目提高输出电压，使得LED灯段的导通电压尽量接近输入电压，从而提高效率，但是带来的问题就是输入电压范围比较窄，同时高输入电压时效率仍然比较低。
另外可以采取高压降电流的技术，减少高压时带来的损耗，但恒流效果不好，效率提升也有限。
因此，如何解决单段线性LED驱动中输入电压范围窄、效率低等问题已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法，用于解决现有技术中驱动方案效率低、输入电压范围窄等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种全电压输入单段线性LED驱动电路，所述全电压输入单段线性LED驱动电路至少包括：
电压输入模块，LED负载，第一恒流控制模块，第二恒流控制模块，第一二极管，第二二极管以及电解电容；
所述电压输入模块用于提供输入电压；
所述LED负载的正端连接于所述电压输入模块的输出端，由所述电压输入模块供电；
所述第一恒流控制模块连接于所述LED负载的负端，在低输入电压时对LED负载进行恒流控制；
所述第一二极管的正极连接所述LED负载的负端、第一二极管的负极连接所述电解电容的上极板，所述第二二极管的正极连接所述第一二极管的负极、第二二极管的负极连接所述LED负载的正端；所述输入电压小于所述电解电容的最大电压时所述电解电容放电，为所述LED负载供电；
所述第二恒流控制模块连接于所述电解电容的下极板，在高输入电压时对LED负载进行恒流控制并为所述电解电容充电。
优选地，所述第一恒流控制模块包括采样电阻、补偿电压单元、第一检测单元、第一过压检测单元、第一运算放大器及第一恒流控制管；所述第二恒流控制模块包括采样电阻、补偿电压单元、第二检测单元、第二过压检测单元、第二运算放大器及第二恒流控制管；
所述采样电阻用于检测流经所述LED负载的电流大小，并输出采样电压；
所述补偿电压单元连接一补偿电容，所述补偿电容的另一端接地，所述补偿电压单元接收所述采样电压，并对所述补偿电容进行积分，产生一控制电压来控制所述LED负载的峰值电流，以实现在不同输入电压周期内流经所述LED负载的电流平均值恒定；
所述第一恒流控制管的漏端连接所述LED负载的负端、源端连接所述采样电阻，所述采样电阻的另一端接地；所述第一检测单元连接于所述第一恒流控制管的漏端，用于检测所述输入电压；所述第一过压检测单元连接于所述第一检测单元及所述补偿电压单元的输出端，当所述输入电压大于第一设定电压时输出关断信号以关断所述第一恒流控制管；所述第一运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述采样电阻及所述第一过压检测单元、输出端连接所述第一恒流控制管的栅端，将所述采样电压与所述控制电压进行比较，以产生所述第一恒流控制管的开关信号，进而实现所述LED负载的恒流控制；
所述第二恒流控制管的漏端连接所述电解电容的下极板、源端连接第三二极管的正极后通过所述第三二极管的负极连接所述采样电阻，所述第二恒流控制管的源端还连接第四二极管的负极后通过所述第四二极管的正极接地；所述第二检测单元连接于所述第二恒流控制管的漏端，用于检测所述输入电压；所述第二过压检测单元连接于所述第二检测单元及所述补偿电压单元的输出端，当所述输入电压大于第二设定电压时输出关断信号以关断所述第二恒流控制管；所述第二运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述采样电阻及所述第二过压检测单元、输出端连接所述第二恒流控制管的栅端，将所述采样电压与所述控制电压进行比较，以产生所述第二恒流控制管的开关信号，进而实现所述LED负载的恒流控制。
更优选地，所述第一恒流控制模块还包括第一恒流源，所述第一恒流源的输入端连接于所述第一检测单元的输出端、输出端接地；所述第二恒流控制模块还包括第二恒流源，所述第二恒流源的输入端连接于所述第二检测单元的输出端、输出端接地；所述第一恒流源及所述第二恒流源用于调节流经所述LED负载的电流的关断斜率。
更优选地，所述全电压输入单段线性LED驱动电路还包括屏蔽模块，所述屏蔽模块连接于所述第一恒流控制模块与所述第二恒流控制模块之间，当检测到所述第二恒流控制管放电时，屏蔽所述第一恒流控制模块中的所述过压检测单元，使所述第一恒流控制模块一直处于恒流导通状态。
优选地，所述全电压输入单段线性LED驱动电路还包括一工作电压产生模块，所述工作电压产生模块的一端与所述LED负载的负端连接，另一端通过滤波电容接地，为所述全电压输入单段线性LED驱动电路中各模块提供工作电压。
优选地，所述全电压输入单段线性LED驱动电路还包括过温保护模块，所述过温保护模块的输入端连接温度设置电阻、所述温度设置电阻的另一端接地，所述过温保护模块的输出端连接所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块，当系统温度高于设定值时，减小输出电流，从而使温度维持在平衡值。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述全电压输入单段线性LED驱动电路的驱动方法，所述全电压输入单段线性LED驱动方法至少包括：
开始阶段，当VIN_ac<Vled时，没有电流流过LED负载；
输入电压逐渐升高，当Vled<VIN_ac<Vled+Voff1时，第一恒流控制模块对LED负载进行恒流控制；
当Vled+Voff1<VIN_ac<2Vled时，所述第一恒流控制模块停止工作，所述输入电压对电解电容充电至Vled；
当2Vled<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2时，第二恒流控制模块对LED负载进行恒流控制，所述输入电压继续对所述电解电容充电；
当VIN_ac>Vled+Vco+Voff2时，所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块均不工作，没有电流流过所述LED负载；
所述输入电压逐渐降低，当Vled+Vco_max<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2时，第二恒流控制模块重新对LED负载进行恒流控制，所述输入电压继续对所述电解电容充电至Vco_max；
当Vco_max<VIN_ac<Vled+Vco_max时，所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块均不工作，所述电解电容电压保持在Vco_max；
当VIN_ac<Vco_max时，所述电解电容通过第一二极管、LED负载、第一恒流控制模块、第二恒流控制模块回路进行放电，并通过所述第一恒流控制模块进行恒流控制；
其中，VIN_ac为输入电压，Vled为LED负载的导通电压，Voff1为第一关断电压，Vco为充电时电解电容电压，Vco_max为电解电容的最大充电电压，Voff2为第二关断电压。
优选地，所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块通过对补偿电容积分得到一控制电压来控制所述LED负载的峰值电流，进而实现在不同输入电压周期内流经所述LED负载的电流平均值恒定。
优选地，在Vled<VIN_ac<Vled+Voff1过程中，设定第一下降电压，当Vled<VIN_ac<Vled+Vdown1时，所述第一恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流为恒定值；当Vled+Vdown1<VIN_ac<Vled+Voff1时，所述第一恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流线性下降至关断；其中，Vdown1为第一下降电压。
优选地，在2Vled<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2过程中，设定第二下降电压，当2Vled<VIN_ac<Vled+Vdown2时，所述第二恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流为恒定值；当Vled+Vdown2<VIN_ac<Vled+Voff2时，所述第二恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流线性下降至关断；其中，Vdown2为第二下降电压。
优选地，当所述第二恒流控制模块中的恒流控制管放电时，所述第一恒流控制模块中的恒流控制管处于恒流导通状态。
优选地，当系统温度高于设定值时，通过控制所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块减小输出电流，从而减小系统损耗，使温度维持在平衡值。
如上所述，本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法，具有以下有益效果：
1、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法中LED负载后串入电容，可以实现全输入电压范围内系统达到高效率。
2、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法由补偿电容实现交流周期内平均电流的控制，并限制峰值电流。
3、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法可由外部电阻调整LED关断电压，实现系统的高效率。
4、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法可由外部电阻调整LED关断斜率，优化系统的抗电磁干扰性能。
5、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法中加入过温降电流的控制，大大提高系统的可靠性。
6、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法由于高效率的实现，整个系统可以高度集成，外围电路最简化。
附图说明
图1显示为现有技术中的单段线性LED驱动结构示意图。
图2显示为本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路的结构示意图。
图3显示为本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路在低输入时的工作原理示意图。
图4显示为本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路在高输入时的工作原理示意图。
图5显示为本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路在电解电容放电时的工作原理示意图。
图6～图7显示为本发明的全电压输入单段线性LED驱动方法的波形示意图。
元件标号说明
1 全电压输入单段线性LED驱动电路
11 电压输入模块
12 第一恒流控制模块
121 第一运算放大器
122 第一过压检测单元
13 第二恒流控制模块
131 第二运算放大器
132 第二过压检测单元
14 补偿电压单元
15 屏蔽模块
16 工作电压产生模块
17 过温保护模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2～图5所示，本发明提供一种全电压输入单段线性LED驱动电路1，所述全电压输入单段线性LED驱动电路至少包括：
电压输入模块11，LED负载，第一恒流控制模块12，第二恒流控制模块13，第一二极管D1，第二二极管D2、电解电容Co、屏蔽模块15、工作电压产生模块16以及过温保护模块17。
如图2所示，所述电压输入模块11用于提供输入电压VIN_ac。
具体地，所述电压输入模块11为芯片外部器件，包括一交流电源AC、一保险丝F1及一整流单元，所述整流单元包括并联的两组二极管组，各二极管组包括串联的两个二极管，所述交流电源AC经所述保险丝F1后连接于各二极管组的两个二极管之间，所述电压输入模块11提供所述输入电压VIN_ac，所述输入电压VIN_ac为连续增大或连续减小的正弦电压整流后的整流电压。
如图2所示，所述LED负载的正端连接于所述电压输入模块11的输出端，由所述电压输入模块11供电。
具体地，所述LED负载为芯片外部器件，包括串联的多个LED灯，所述LED负载也可以是多个LED灯的串并联结构，不以本实施例为限。所述电压输入模块11为所述LED负载供电，当所述LED负载两端的电压达到其导通电压时，所述LED负载中的LED点亮，起到照明的作用。
如图2所示，所述第一二极管D1的正极连接所述LED负载的负端、第一二极管D1的负极连接所述电解电容Co的上极板，所述第二二极管D2的正极连接所述第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极连接所述LED负载的正端；所述输入电压小于所述电解电容Co的最大容量时所述电解电容Co放电，为所述LED负载供电。
如图2所示，所述第一恒流控制模块12连接于所述LED负载的负端，在低输入电压时对LED负载进行恒流控制。所述第二恒流控制模块13连接于所述电解电容Co的下极板，在高输入电压时对LED负载进行恒流控制。
具体地，所述第一恒流控制模块12及所述第二恒流控制模块13包括采样电阻、补偿电压单元、检测单元、过压检测单元、运算放大器以及恒流控制管。在本实施例中，所述采样电阻Rcs及补偿电压单元14为共用单元，因此，独立于所述第一恒流控制模块12及所述第二恒流控制模块13之外。
更具体地，所述采样电阻Rcs的一端连接所述第一恒流控制模块12及所述第二恒流控制模块13、另一端接地，用于检测流经所述LED负载的电流大小。
更具体地，所述补偿电压单元14连接补偿电容Ccomp，所述补偿电容Ccomp的另一端接地，所述补偿电压单元14接收所述采样电阻Rcs上的采样电压，并对所述补偿电容Ccomp进行积分，产生一控制电压Vcomp来控制所述LED负载的峰值电流，以实现在不同输入电压周期内流经所述LED负载的电流平均值恒定。
作为本发明的一实施方式，所述第一恒流控制模块12包括：第一恒流控制管Q1、第一检测单元、第一过压检测单元122及第一运算放大器121。所述第一恒流控制管Q1的漏端连接所述LED负载的负端、源端连接所述采样电阻Rcs、栅端连接所述第一运算放大器121的输出端。所述第一检测单元包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的一端连接所述第一恒流控制管Q1的漏端、另一端连接所述第二电阻R2后接地；通过所述第一电阻R1及所述第二电阻R2的分压检测所述第一恒流控制管Q1的漏端电压，并得到检测电压Vov1。所述第一过压检测单元122连接于所述第一电阻R1及所述第二电阻R2之间，将所述检测电压Vov1与内部的第一参考电压(第一参考电压为第一关断电压通过所述第一电阻R1及所述第二电阻R2分压得到)作比较，进而得到所述第一恒流控制管Q1的关断信号。所述第一运算放大器121的反相输入端连接所述采样电阻Rcs、正相输入端连接所述第一过压检测单元122、输出端连接所述第一恒流控制管Q1的栅端，将所述采样电压与所述控制电压Vcomp进行比较，以产生所述第一恒流控制管Q1的开关信号，进而实现所述LED负载的恒流控制，所述第一运算放大器121的连接关系可调整，通过增加反相器即可实现相同的逻辑关系，在此不一一赘述。所述检测电压Vov1反映所述输入电压VIN_ac，当所述输入电压VIN_ac大于所述第一设定电压时(在本实施例中，所述第一设定电压为所述LED负载的导通电压Vled与所述第一关断电压Voff1之和)，所述检测电压Vov1大于所述第一过压检测单元122内部的第一参考电压，所述第一过压检测单元122输出的关断信号起效，进而控制所述第一恒流控制管Q1以关断流经所述LED负载的电流，减小功耗，实现系统的高效率。
作为本发明的另一实施方式，如图2所示，所述第一恒流控制模块12还包括第一恒流源I1，所述第一恒流源I1的一端连接于所述第一电阻R1及所述第二电阻R2之间、所述第一恒流源I1的另一端接地；通过所述第一电阻R1、所述第二电阻R2及所述恒流源I1检测所述第一恒流控制管Q1的漏端电压，并得到检测电压Vov1。为了减小电磁干扰，通过所述第一电阻R1、所述第二电阻R2、所述恒流源I1对所述第一恒流控制管Q1的漏端电压的两个点进行了检测，分别作为流经所述LED负载的电流的下降点和关断点。在本实施例中，设定所述输入电压VIN_ac为Vled+Vdown1时，开始有电流流过所述第一检测单元，所述检测电压Vov1开始从零上升，所述关断信号开始起效，其幅值与所述检测电压有关，并控制所述第一运算放大器121调整所述第一恒流控制管Q1以开始减小流经所述LED负载的电流；设定所述输入电压VIN_ac为Vled+Voff1时，所述检测电压Vov1达到所述第一过压检测单元122内部的第一参考电压Vref1，输出关断信号控制所述第一运算放大器121调整所述第一恒流控制管Q1以完全关断流经所述LED负载的电流。在本实施例中，Vdown1设定为I1*R1，Voff1设定为(Vref1/R2+I1)*(R1+R2)，其中，I1为所述恒流源I1的恒定电流，R1为所述第一电阻R1的阻值，R2为所述第二电阻R2的阻值，Vref1为所述第一过压检测单元122内部的参考电压，可通过改变所述第一电阻R1、所述第二电阻R2的值来改变流经所述LED负载的电流的下降点、关断点，灵活性大大提高，具体数值可根据系统应用环境做具体设定，在此不一一限定。下降点和关断点决定了流经所述LED负载的电流的关断斜率，该斜率可根据具体电路做具体设定，通过线性关断流经所述LED负载的电流，可有效减小高电压输入时的损耗，提高系统效率，并提高抗电磁干扰能力。
如图2所示，所述第二恒流控制模块13与所述第一恒流控制模块12的结构相同，包括第二恒流控制管Q2、第二检测单元、第二过压检测单元132、第二运算放大器131以及第二恒流源I2，所述第二检测单元包括第三电阻R3及第四电阻R4。不同之处在于：第二恒流控制管Q2的漏端连接所述电解电容Co的下极板、源端连接第三二极管D3的正极，所述第三二极管D3的负极连接所述采样电阻Rcs；第四二极管D4的负极连接所述第二恒流控制管Q2的源端、正极接地。所述第二恒流控制模块13与所述第一恒流控制模块12的原理相同，在此不一一赘述。
在所述输入电压升高后，若充电后所述电解电容Co的电压Vco可能会高于Vled+Voff1，不做处理的话放电时所述第一过压检测单元122会关断所述第一恒流控制管Q1，使得所述电解电容Co无法对所述LED负载放电。因此，如图2所示，所述屏蔽模块15连接于所述第一恒流控制模块12与所述第二恒流控制模块13之间，当所述屏蔽模块15检测到所述第二恒流控制管Q2放电时，屏蔽所述第一过压检测单元122，使所述第一恒流控制模块12一直处于恒流导通状态。
如图2所示，所述全电压输入单段线性LED驱动电路1还包括一工作电压产生模块16，所述工作电压产生模块16的一端与所述LED负载的负端连接，另一端通过滤波电容Cvdd接地，为所述全电压输入单段线性LED驱动电路1中各模块提供工作电压。所述滤波电容Cvdd保证即使在所述输入电压VIN_ac为谷底时仍有足够能量维持所述全电压输入单段线性LED驱动电路1工作。
如图2所示，所述过温保护模块17的输入端连接温度设置电阻Rtsc，所述温度设置电阻Rtsc的另一端接地，所述过温保护模块17的输出端连接所述补偿电压单元14。当系统温度高于设定值时，减小输出电流，从而减小系统的损耗使温度维持在一个平衡值，起到热保护的作用并维持输出。
如图2～图7所示，所述全电压输入单段线性LED驱动电路1的工作原理如下：
如图2所示，开始阶段，当VIN_ac<Vled时，没有电流流过LED负载。
如图3所示，输入电压VIN_ac逐渐升高，当Vled<VIN_ac<Vled+Voff1时，所述LED负载导通，通过所述第一恒流控制管Q1及所述采样电阻Rcs接地，所述第一恒流控制模块12对LED负载进行恒流控制。
具体地，当Vled<VIN_ac<Vled+Vdown1时，所述第一恒流控制模块12控制流经所述LED负载的电流为恒定值；当Vled+Vdown1<VIN_ac<Vled+Voff1时，所述第一恒流控制模块12控制流经所述LED负载的电流线性下降至关断；其中，Vdown1为第一下降电压、Voff1为第一关断电压。在本实施例中，所述第一下降电压Vdown1设定为I1*R1，所述第一关断电压Voff1设定为(Vref1/R2+I1)*(R1+R2)，所述第一下降电压Vdown1及所述第一关断电压Voff1可通过调节所述第一电阻R1、所述第二电阻R2进行设定。
具体地，所述第一恒流控制模块12通过所述补偿电压单元14对所述补偿电容Ccomp积分得到一控制电压Vcomp来控制所述LED负载的峰值电流，进而实现在不同输入电压周期内流经所述LED负载的电流平均值恒定。
如图2所示，当Vled+Voff1<VIN_ac<2Vled时，所述第一恒流控制管Q1被完全关断，所述第一恒流控制模块12停止工作，所述输入电压VIN_ac对所述电解电容Co充电至Vled。
如图4所示，当2Vled<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2时，所述LED负载通过所述第一二极管D1、所述电解电容Co、所述第二恒流控制管Q2、所述第三二极管D3及所述采样电阻Rcs接地，所述第二恒流控制模块13对LED负载进行恒流控制，所述输入电压VIN_ac继续对所述电解电容Co充电。
具体地，当2Vled<VIN_ac<Vled+Vdown2时，所述第二恒流控制模块13控制流经所述LED负载的电流为恒定值；当Vled+Vdown2<VIN_ac<Vled+Voff2时，所述第二恒流控制模块13控制流经所述LED负载的电流线性下降至关断；其中，Vdown2为第二下降电压、Voff2为第二关断电压。在本实施例中，所述第二下降电压Vdown2设定为I2*R3，所述第二关断电压Voff2设定为(Vref2/R4+I2)*(R3+R4)，所述第二下降电压Vdown2及所述第二关断电压Voff2可通过调节所述第三电阻R3、所述第四电阻R4进行设定。所述第二恒流控制模块13的工作原理与所述第一恒流控制模块一致，在此不一一赘述。
如图2所示，当VIN_ac>Vled+Vco+Voff2时，所述第一恒流控制管Q1及所述第二恒流控制管Q2均关断，所述第一恒流控制模块112及所述第二恒流控制模块13均不工作，没有电流流过所述LED负载。
如图4所示，所述输入电压VIN_ac逐渐降低，当Vled+Vco_max<VIN_ac<Vled+Vco_max+Voff2时，所述第二恒流控制模块12重新对LED负载进行恒流控制，所述输入电压VIN_ac继续对所述电解电容Co充电至Vco_max。
如图2所示，当Vco_max<VIN_ac<Vled+Vco_max时，所述第一恒流控制模块12及所述第二恒流控制模块13均不工作，所述电解电容Co保持在最大充电电压Vco_max。
如图5所示，当VIN_ac<Vco_max时，所述电解电容Co通过所述第二二极管D2、所述LED负载、所述第一恒流控制管Q1、所述第四二极管D4、所述第二恒流控制管Q2回路进行放电，并通过所述第一恒流控制模块12进行恒流控制。
具体地，当系统温度高于设定值时，通过控制所述第一恒流控制模12及所述第二恒流控制模块13减小输出电流，从而减小系统损耗，使温度维持在平衡值。
如图6所示，在低输入电压时所述全电压输入单段线性LED驱动电路1的波形分析如下，在本实施例中，所述低输入电压为幅值小于2Vled的输入电压。
t0时刻，VIN_ac<Vled，没有电流流过所述LED负载，所述LED负载不导通；t1时刻开始，VIN_ac>Vled，有电流流过所述LED负载，所述LED负载的峰值电流由所述控制电压Vcomp决定，在t2时刻之前，VIN_ac<Vled+Vdown1，因此流过所述LED负载的电流维持恒定；t2时刻后VIN_ac<Vled，没有电流流过所述LED负载，直到t3时刻周期结束，在t0-t3时刻的交流周期内流过所述LED负载的平均电流由所述控制电压Vcomp控制并保持一个设定的值。在此期间，所述第二恒流控制管Q2中一直没有电流流过，所述电解电容Co上的电压Vco＝VIN_ac_max-Vled<Vled。
t4时刻另一个输入电压不同的交流周期开始，t5时刻之前VIN_ac<Vled，所述LED负载截止；t6时刻之前，VIN_ac<＝Vled+Vdown1，此时所述LED负载导通，所述LED负载的峰值电流由所述控制电压Vcomp决定；在t7时刻之前，Vled+Vdown1<VIN_ac<Vled+Voff1，此时所述LED负载的峰值电流减小，并且电流随所述输入电压VIN_ac的变化而变化。随着所述输入电压VIN_ac的下降，t7-t8时刻，Vled<VIN_ac<Vled+Vdown1，所述LED负载的峰值电流再次被所述控制电压Vcomp钳位；t8-t9时刻，VIN_ac<Vled，所述LED负载再次截止，一个周期结束，这个周期的平均电流与t0-t3周期的平均电流一致，这个过程通过对所述补偿电容Ccomp的积分完成，在此期间，所述第二恒流控制管Q2一直没有电流流过，所述电解电容Co上的电压Vco＝VIN_ac_max-Vled<Vled。
t10时刻又一输入电压不同的交流周期开始，t11时刻VIN_ac＝Vled，之前所述LED负载截止，流过所述LED负载的电流为零；t11时刻后VIN_ac>Vled，所述LED负载导通，所述LED负载的峰值电流由所述控制电压Vcomp决定；t12时刻后，VIN_ac>Vled+Vdown1，所述LED负载的电流开始线性下降，到t13时刻VIN_ac＝Vled+Voff1，流过所述LED负载的降为零；在t14时刻之前，VIN_ac>Vled+Voff1，所述LED负载一直处于关断状态，直到t14时刻，Vled+Vdown1<VIN_ac<Vled+Voff1，流过所述LED负载的电流线性上升；t15时刻后VIN_ac<Vled+Vdown1，流过所述LED负载的电流重新被所述控制电压Vcomp钳位控制；t16时刻之后，VIN_ac<Vled，所述LED负载不再导通，电流降为零，直到t17时刻一个周期结束；同理t10-t17时刻所述LED负载的平均电流同前两个周期一致，在此期间，所述第二恒流控制管Q2一直没有电流流过，所述电解电容Co上的电压Vco＝VIN_ac_max-Vled<Vled。
设定合适的第一关断电压Voff1可以在所述输入电压VIN_ac过高时使所述LED负载不再导通，从而减少所述第一恒流控制管Q1上的损耗，提高整体的效率；设定合适的第一下降电压Vdown1可以线性关断流经所述LED负载的电流，优化全电压输入单段线性LED驱动电路1的抗电磁干扰性能；同时通过对所述补偿电容Ccomp的积分作用，可以保持整个周期内的平均电流一致，从而实现宽输入电压范围内的恒功率输出。
如图7所示，在高输入电压时所述电解电容Co进行充放电控制，波形分析如下，在本实施例中，所述高输入电压为幅值大于2Vled的输入电压。
t1-t2时刻，VIN_ac<Vled，没有电流流过所述LED负载，所述电解电容Co上的电压Vco保持为Vled(假设所述电解电容Co已在前一工作周期内工作后保留有电量)；t2时刻后，随着所述输入电压VIN_ac的上升，VIN_ac>Vled，有电流流过所述LED负载及所述第一恒流控制管Q1，峰值电流由所述控制电压Vcomp决定，所述第二恒流控制管Q2此时没有电流流过，所述电解电容Co上的电压Vco保持为Vled；t3时刻后，VIN_ac>Vled+Vdown1，流过所述LED负载及所述第一恒流控制管Q1的电流开始线性下降，直到t4时刻VIN_ac＝Vled+Voff1，流过所述LED负载及所述第一恒流控制管Q1的电流降为零，流过所述第二恒流控制管Q2的电流也为零，Vco保持为Vled；t5时刻后，VIN_ac>Vled+Vco＝2Vled，所述输入电压VIN_ac经所述LED负载，所述第一二极管D1，所述第二恒流控制管Q2，所述第三二极管D3，所述采样电阻Rcs对所述电解电容Co开始充电，所述电解电容Co上的电压Vco上升，所述LED负载的峰值电流仍由所述控制电压Vcomp决定，在此期间，所述电解电容Co上的电压Vco持续上升；直到t6时刻后所述输入电压VIN_ac开始下降，VIN_ac<Vled+Vco_max，此时由于所述电解电容Co上的电压Vco被充到最高点，所述第二恒流控制管Q2无法再通过电流，而所述第一恒流控制管Q1由于检测电压Vov1比较高也无法开通，流过所述第一恒流控制管Q1、所述第二恒流控制管Q2、所述LED负载电流都为零，所述电解电容Co上的电压Vco保持最高值Vco_max；t7时刻，随着所述输入电压VIN_ac下降，VIN_ac<Vco_max，所述电解电容Co通过所述第二二极管D2、所述第一恒流控制管Q1、所述采样电阻Rcs、所述第四二极管D4，所述第二恒流控制管Q2回路对所述LED负载放电，放电电流由所述补偿电压单元14和所述第一恒流控制管Q1进行控制，所述电解电容Co上的电压Vco开始下降；在t8-t9时刻，即使VIN_ac<Vled，由于所述电解电容Co上的电压Vco仍然高于Vled，因此所述电解电容Co持续对所述LED负载放电，直到下一周期的t1时刻Vco＝Vled时结束，并且所述电解电容Co上的电压Vco保持为Vled不再变化。所述电解电容Co的充放电过程是一个平衡的过程，在此过程中充电和放电电量保持相同，体现在所述第二恒流控制管Q2放电电流的阴影面积A和充电电流的阴影面积B相等(图7仅为示意图，A和B面积没有完全相等)，t1时刻由所述电解电容Co放电决定，与所述VIN_ac电压无关。合理的选择所述电解电容Co的最大容量可以使得Vco_max充电时不会太高，从而提高整体效率，在本实施例中，所述电解电容Co的最大充电电压满足以下关系：Vled<Vco_max<2Vled。在t0-t9这个工频周期内，所述补偿电压单元14可以使LED负载的电流平均值保持恒定。
在另一个输入电压更高的周期，t10-t16时刻，各点工作波形及变化同t0-t6一致，在此不一一赘述。t16时刻后，VIN_ac>Vled+Vco+Vdown2(由于t16时刻所述电解电容Co上的充电电压是不定的，在本实施例中，采用Vco_max来代替Vco，以在图7中简化表示)，所述第二过压检测单元132开始控制流过所述第二恒流控制管Q2的电流下降并随所述输入电压VIN_ac变化而变化，所述电解电容Co上的电压Vco持续上升；直到t17时刻后所述输入电压VIN_ac下降，VIN_ac<Vled+Vco+Vdown2(由于t17时刻所述电解电容Co上的充电电压是不定的，在本实施例中，采用Vco_max来代替Vco，以在图7中简化表示)，所述第二恒流控制管Q2的峰值电流重新被所述控制电压Vcomp控制，所述电解电容Co上的电压Vco继续上升；t18时刻后，VIN_ac<Vled+Vco_max，此时所述电解电容Co被充到最高点，无法继续通过所述第二恒流控制管Q2充电，而所述第一恒流控制管Q1由于检测电压Vov1比较高也无法开通，流过所述第一恒流控制管Q1、所述第二恒流控制管Q2、所述LED负载电流都为零，所述电解电容Co上的电压Vco_max保持不变；t19时刻后，所述输入电压VIN_ac继续下降，VIN_ac<Vco_max，所述电解电容Co通过所述第二二极管D2、所述第一恒流控制管Q1、所述采样电阻Rcs、所述第四二极管D4，所述第二恒流控制管Q2回路对所述LED负载放电，放电电流由所述补偿电压单元14和所述第一恒流控制管Q1进行控制，所述电解电容Co上的电压Vco开始下降；在t20-t21时刻，即使VIN_ac<Vled，由于所述电解电容Co上的电压Vco仍然高于Vled，因此所述电解电容Co持续对所述LED负载放电，直到下一周期的t11时刻Vco＝VLED结束，并且所述电解电容Co上的电压Vco保持为VLED不再变化。同样地，所述电解电容Co的充电和放电电量保持相同，体现在所述第二恒流控制管Q2放电电流的阴影面积A和充电电流的阴影面积B相等(图7中为了方便起见阴影面积A和阴影面积B的面积没有相等)，t11时刻由所述电解电容Co放电决定，与VIN_ac电压无关。在t10-t21这个工频周期内，所述补偿电压单元14可以使LED的电流平均值保持恒定。
在又一个输入电压更高的周期，t22-t28时刻，各点工作波形及变化同t10-t16一致，在此不一一赘述。t28时刻后，随着输入电压上升，VIN_ac>Vled+Vco+Vdown2，所述第二过压检测单元132开始控制流过所述第二恒流控制管Q2的电流开始下降并随所述输入电压VIN_ac变化而变化，所述电解电容Co继续充电，所述电解电容Co上的电压Vco上升；到t29时刻后，VIN_ac>Vled+Vco+Voff2(由于t29时刻所述电解电容Co上的充电电压是不定的，在本实施例中，采用Vco_max来代替Vco，以在图7中简化表示)，所述第二过压检测单元132检测到所述第二恒流控制管Q2的漏端电压过高将所述第二恒流控制管Q2关断，此时流过所述第一恒流控制管Q1、所述第二恒流控制管Q2、所述LED负载电流都为零，所述电解电容Co上的电压Vco保持不变；到t30时刻后，所述输入电压VIN_ac开始下降，VIN_ac<Vled+Vco+Voff2(由于t30时刻所述电解电容Co上的充电电压是不定的，在本实施例中，采用Vco_max来代替Vco，以在图7中简化表示)，所述第二过压检测单元132控制所述第二恒流控制管Q2充电电流线性上升，重新开始对所述电解电容Co充电，所述电解电容Co上的电压上升；t31时刻后，VIN_ac<Vled+Vco+Vdown2(由于t31时刻所述电解电容Co上的充电电压是不定的，在本实施例中，采用Vco_max来代替Vco，以在图7中简化表示)，所述第二恒流控制Q2的峰值电流重新被所述控制电压Vcomp控制，所述电解电容Co上的电压Vco继续上升；t32时刻后，VIN_ac<Vled+Vco_max，此时所述电解电容Co被充到最高点，无法继续通过所述第二恒流控制Q2充电，而所述第一恒流控制Q1由于检测电压Vov1比较高也无法开通，流过所述第一恒流控制管Q1、所述第二恒流控制管Q2、所述LED负载电流都为零，所述电解电容Co上的电压Vco_max保持不变；t33时刻后，随着所述输入电压VIN_ac下降，VIN_ac<Vco_max，所述电解电容Co通过所述第二二极管D2、所述第一恒流控制管Q1、所述采样电阻Rcs、所述第四二极管D4，所述第二恒流控制管Q2回路对所述LED负载放电，放电电流由所述补偿电压单元14和所述第一恒流控制管Q1进行控制，所述电解电容Co上的电压Vco开始下降；在t34-t35时刻，即使VIN_ac<Vled，由于所述电解电容Co上的电压Vco仍然高于VLED，因此所述电解电容Co持续对所述LED负载放电，直到下一周期的t23时刻Vco＝Vled结束，不再继续放电，并且所述电解电容Co上的电压Vco保持为Vled不再变化。同样地，所述电解电容Co的充电和放电电量保持相同，体现在所述第二恒流控制管Q2放电电流的阴影面积A和充电电流的阴影面积B相等，t23时刻由所述电解电容Co放电决定，与VIN_ac电压无关(在高输入电压情况下，放电时刻可能在t35时刻前即本周期结束之前就停止，波形示意图为方便起见没有将阴影面积A和阴影面积B的面积画成相等)。在t22-t35这个工频周期内，所述补偿电压单元14可以使LED的电流平均值保持恒定。
本发明通过仿真计算一个案例，输出LED负载120V，在100Vac-264Vac输入电压范围内，可以做到系统效率>82％。
本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法，具有以下有益效果：
1、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法中LED负载后串入电容，可以实现全输入电压范围内系统达到高效率。
2、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法由补偿电容实现交流周期内平均电流的控制，并限制峰值电流。
3、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法可由外部电阻调整LED关断电压，实现系统的高效率。
4、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法可由外部电阻调整LED关断斜率，优化系统的抗电磁干扰性能。
5、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法中加入过温降电流的控制，大大提高系统的可靠性。
6、本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法由于高效率的实现，整个系统可以高度集成，外围电路最简化。
综上所述，本发明提供一种全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法，包括：在低输入电压时第一恒流控制模块对LED负载进行恒流控制；高输入电压时第二恒流控制模块对LED负载进行恒流控制；输入电压小于所述电解电容的最大电压时所述电解电容放电，为所述LED负载供电，并由第一恒流控制模块对LED负载进行恒流控制。本发明的全电压输入单段线性LED驱动电路及其驱动方法可实现全输入电压范围内系统达到高效率；可实现交流周期内平均电流的控制，并限制峰值电流；可优化系统的抗电磁干扰性能；加入过温降电流的控制，大大提高系统的可靠性；适于高度集成，外围电路最简化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种全电压输入单段线性LED驱动电路，其特征在于，所述全电压输入单段线性LED驱动电路至少包括：
电压输入模块，LED负载，第一恒流控制模块，第二恒流控制模块，第一二极管，第二二极管以及电解电容；
所述电压输入模块用于提供输入电压；
所述LED负载的正端连接于所述电压输入模块的输出端，由所述电压输入模块供电；
所述第一恒流控制模块连接于所述LED负载的负端，在低输入电压时对LED负载进行恒流控制；
所述第一二极管的正极连接所述LED负载的负端、第一二极管的负极连接所述电解电容的上极板，所述第二二极管的正极连接所述第一二极管的负极、第二二极管的负极连接所述LED负载的正端；所述输入电压小于所述电解电容的最大电压时所述电解电容放电，为所述LED负载供电；
所述第二恒流控制模块连接于所述电解电容的下极板，在高输入电压时对LED负载进行恒流控制并为所述电解电容充电。
2.根据权利要求1所述的全电压输入单段线性LED驱动电路，其特征在于：所述第一恒流控制模块包括采样电阻、补偿电压单元、第一检测单元、第一过压检测单元、第一运算放大器及第一恒流控制管；所述第二恒流控制模块包括采样电阻、补偿电压单元、第二检测单元、第二过压检测单元、第二运算放大器及第二恒流控制管；
所述采样电阻用于检测流经所述LED负载的电流大小，并输出采样电压；
所述补偿电压单元连接一补偿电容，所述补偿电容的另一端接地，所述补偿电压单元接收所述采样电压，并对所述补偿电容进行积分，产生一控制电压来控制所述LED负载的峰值电流，以实现在不同输入电压周期内流经所述LED负载的电流平均值恒定；
所述第一恒流控制管的漏端连接所述LED负载的负端、源端连接所述采样电阻，所述采样电阻的另一端接地；所述第一检测单元连接于所述第一恒流控制管的漏端，用于检测所述输入电压；所述第一过压检测单元连接于所述第一检测单元及所述补偿电压单元的输出端，当所述输入电压大于第一设定电压时输出关断信号以关断所述第一恒流控制管；所述第一运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述采样电阻及所述第一过压检测单元、输出端连接所述第一恒流控制管的栅端，将所述采样电压与所述控制电压进行比较，以产生所述第一恒流控制管的开关信号，进而实现所述LED负载的恒流控制；
所述第二恒流控制管的漏端连接所述电解电容的下极板、源端连接第三二极管的正极后通过所述第三二极管的负极连接所述采样电阻，所述第二恒流控制管的源端还连接第四二极管的负极后通过所述第四二极管的正极接地；所述第二检测单元连接于所述第二恒流控制管的漏端，用于检测所述输入电压；所述第二过压检测单元连接于所述第二检测单元及所述补偿电压单元的输出端，当所述输入电压大于第二设定电压时输出关断信号以关断所述第二恒流控制管；所述第二运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述采样电阻及所述第二过压检测单元、输出端连接所述第二恒流控制管的栅端，将所述采样电压与所述控制电压进行比较，以产生所述第二恒流控制管的开关信号，进而实现所述LED负载的恒流控制。
3.根据权利要求2所述的全电压输入单段线性LED驱动电路，其特征在于：所述第一恒流控制模块还包括第一恒流源，所述第一恒流源的输入端连接于所述第一检测单元的输出端、输出端接地；所述第二恒流控制模块还包括第二恒流源，所述第二恒流源的输入端连接于所述第二检测单元的输出端、输出端接地；所述第一恒流源及所述第二恒流源用于调节流经所述LED负载的电流的关断斜率。
4.根据权利要求2所述的全电压输入单段线性LED驱动电路，其特征在于：所述全电压输入单段线性LED驱动电路还包括屏蔽模块，所述屏蔽模块连接于所述第一恒流控制模块与所述第二恒流控制模块之间，当检测到所述第二恒流控制管放电时，屏蔽所述第一恒流控制模块中的所述过压检测单元，使所述第一恒流控制模块一直处于恒流导通状态。
5.根据权利要求1所述的全电压输入单段线性LED驱动电路，其特征在于：所述全电压输入单段线性LED驱动电路还包括一工作电压产生模块，所述工作电压产生模块的一端与所述LED负载的负端连接，另一端通过滤波电容接地，为所述全电压输入单段线性LED驱动电路中各模块提供工作电压。
6.根据权利要求1所述的全电压输入单段线性LED驱动电路，其特征在于：所述全电压输入单段线性LED驱动电路还包括过温保护模块，所述过温保护模块的输入端连接温度设置电阻、所述温度设置电阻的另一端接地，所述过温保护模块的输出端连接所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块，当系统温度高于设定值时，减小输出电流，从而使温度维持在平衡值。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的全电压输入单段线性LED驱动电路的驱动方法，其特征在于，所述全电压输入单段线性LED驱动方法至少包括：
开始阶段，当VIN_ac<Vled时，没有电流流过LED负载；
输入电压逐渐升高，当Vled<VIN_ac<Vled+Voff1时，第一恒流控制模块对LED负载进行恒流控制；
当Vled+Voff1<VIN_ac<2Vled时，所述第一恒流控制模块停止工作，所述输入电压对电解电容充电至Vled；
当2Vled<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2时，第二恒流控制模块对LED负载进行恒流控制，所述输入电压继续对所述电解电容充电；
当VIN_ac>Vled+Vco+Voff2时，所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块均不工作，没有电流流过所述LED负载；
所述输入电压逐渐降低，当Vled+Vco_max<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2时，第二恒流控制模块重新对LED负载进行恒流控制，所述输入电压继续对所述电解电容充电至Vco_max；
当Vco_max<VIN_ac<Vled+Vco_max时，所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块均不工作，所述电解电容电压保持在Vco_max；
当VIN_ac<Vco_max时，所述电解电容通过第一二极管、LED负载、第一恒流控制模块、第二恒流控制模块回路进行放电，并通过所述第一恒流控制模块进行恒流控制；
其中，VIN_ac为输入电压，Vled为LED负载的导通电压，Voff1为第一关断电压，Vco为充电时电解电容电压，Vco_max为电解电容的最大充电电压，Voff2为第二关断电压。
8.根据权利要求7所述的全电压输入单段线性LED驱动方法，其特征在于：所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块通过对补偿电容积分得到一控制电压来控制所述LED负载的峰值电流，进而实现在不同输入电压周期内流经所述LED负载的电流平均值恒定。
9.根据权利要求7所述的全电压输入单段线性LED驱动方法，其特征在于：在Vled<VIN_ac<Vled+Voff1过程中，设定第一下降电压，当Vled<VIN_ac<Vled+Vdown1时，所述第一恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流为恒定值；当Vled+Vdown1<VIN_ac<Vled+Voff1时，所述第一恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流线性下降至关断；其中，Vdown1为第一下降电压。
10.根据权利要求7所述的全电压输入单段线性LED驱动方法，其特征在于：在2Vled<VIN_ac<Vled+Vco+Voff2过程中，设定第二下降电压，当2Vled<VIN_ac<Vled+Vdown2时，所述第二恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流为恒定值；当Vled+Vdown2<VIN_ac<Vled+Voff2时，所述第二恒流控制模块控制流经所述LED负载的电流线性下降至关断；其中，Vdown2为第二下降电压。
11.根据权利要求7所述的全电压输入单段线性LED驱动方法，其特征在于：当所述第二恒流控制模块中的恒流控制管放电时，所述第一恒流控制模块中的恒流控制管处于恒流导通状态。
12.根据权利要求7所述的全电压输入单段线性LED驱动方法，其特征在于：当系统温度高于设定值时，通过控制所述第一恒流控制模块及所述第二恒流控制模块减小输出电流，从而减小系统损耗，使温度维持在平衡值。
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