CN108924998A - 一种单段线性led驱动电路的效率优化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单段线性LED驱动电路的效率优化系统，设置电流控制电路对流经LED电流的形状进行控制，电流控制电路的输出作为控制电压连接误差放大器EA的正端，电流控制电路的输入端连接LED灯串的负端电压V_A，通过电流控制电路使流经LED电流的形状为平形电流与凹形电流的组合，当输入母线电压降低时，流经LED电流为平形电流，在输入母线电压峰值附近，流经LED电流为凹形电流，在LED导通点与关断点附近，利用平形电流将凹形电流截断，构成切顶形电流，在实现单段线性LED驱动电源的效率优化的同时，也实现对电流过冲或者频闪问题的优化。

Description

一种单段线性LED驱动电路的效率优化系统

技术领域

本发明涉及LED驱动电路，尤其涉及一种单段线性LED驱动电路的效率优化系统。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)具有寿命长，功耗低，亮度高，体积小等多种优点，是广泛关注的新型节能照明产品，被誉为“21世纪新光源”。与传统的白炽灯相比，LED灯具只需1/10的能耗即可实现相同的发光亮度，且使用寿命能延长上百倍。随着LED技术研究的日益成熟，LED照明取代白炽灯，卤素灯等传统的照明方式是一种必然趋势。

单段线性LED驱动电源因其结构简单，成本低廉，电磁干扰低等优点而广泛应用于中小功率应用中。然而，目前普遍采用的单段线性LED驱动电源均存在系统效率不足的缺点。通过对其驱动电路的设计优化，可有效提高其系统效率。

在单段线性LED驱动电源中，功率管以及外围检测电阻上的额外功率损耗是造成其系统效率低的主要原因。因此，实现效率优化的着重点在于如何降低功率管以及外围检测电阻上的功率损耗。功率损耗由电压和电流共同决定，因而考虑通过电压或电流控制方案实现。

发明内容

由于功率管以及外围检测电阻上的压降与LED电流相互作用所产生的额外功耗，使得单段线性LED驱动电路的系统效率偏低，本发明为克服现有技术存在的不足，提供一种单段线性LED驱动电路的效率优化系统，不仅能够满足基本的LED驱动电路所需满足的功率因数、谐波失真以及恒流输出等要求，同时可实现可观的系统效率。

本发明通过引入电流控制技术，控制流经LED电流形状，从而有效降低额外功耗，提高系统效率。采用的具体技术方案如下：一种单段线性LED驱动电路的效率优化系统，单段线性LED驱动电路包括二极管整流桥、LED灯串、功率管MOSFET、误差放大器EA和检测电阻Rs，二极管整流桥对输入母线电压进行整流，经LED灯串压降后，LED灯串的负极连接功率管MOSFET的漏极，功率管MOSFET的源极通过检测电阻Rs接地，误差放大器EA的输出连接功率管MOSFET的栅极，误差放大器EA的正端连接控制电压，误差放大器EA的负端连接功率管MOSFET的源极；

其特征在于：设置电流控制电路对流经LED电流的形状进行控制，电流控制电路的输出作为控制电压连接误差放大器EA的正端，电流控制电路的输入端连接LED灯串的负端电压V_A，通过电流控制电路输出的不同形状的控制电压，使流经LED电流的形状为平形电流与凹形电流的组合，当输入母线电压降低时，流经LED电流为平形电流，在输入母线电压峰值处，流经LED电流为凹形电流，在LED导通点与关断点，利用平形电流将凹形电流截断，构成切顶形电流，在实现单段线性LED驱动电源的效率优化的同时，也实现对电流过冲或者频闪问题的优化。

所述电流控制电路包括采样电路和两条支路，采样电路的输入端连接接LED灯串的负端电压V_A对对输入母线电压进行采样，采样电路的输出分别连接第一支路和第二支路，第一支路为比较选择的路，包括比较器和反相器，比较器的正端连接采样电路的输出电压，比较器的负端连接参考电压V_REF，比较器的输出连接反相器的输入端并输出方波信号S_Signal2，反相器的输出为方波信号S_Signal1，第二支路包括电压减法电路以及两个控制开关S₁和S₂，电压减法电路的一个输入端连接采样电路的输出，电压减法电路的另一个输入端连接基准电压V₂，用基准电压信号V₂减去采样电路的输出信号，以获取凹形输出电压，电压减法电路的输出的凹形电压连接控制开关S₂的一端，控制开关S₁的一端连接基准电压V₁，用基准电压V₁与电压减法电路所产生的凹形电压实现组合，获得切顶形的控制电压，控制开关S₂的控制端连接第一支路输出的方波信号S_Signal2，控制开关S₁的控制端连接第一支路输出的方波信号S_Signal1，控制开关S₂与控制开关S₁的连接端为电流控制电路的输出端，输出切顶形控制电压连接误差放大器EA的正端，通过控制开关S₁与S₂导通与关断，实现LED导通区间分段，在LED负端电压低于参考电压V_REF时，LED导通区间为平形电流，在LED负端电压高于参考电压V_REF时，LED导通区间为凹形电流，平形电流工作区间与凹形电流工作区间的相对大小由参考电压V_REF和LED负端电压决定。

当方波信号S_Signal1为正时，控制开关S₁导通，控制开关S₂关断，误差放大器EA的正输入端接电压基准信号V₁，经误差放大器EA、功率管MOSFET以及检测电阻Rs构成的负反馈网络负反馈控制后，获取流经LED平形电流；

当方波信号S_Signal2为正时，控制开关S₁关断，控制开关S₂导通，误差放大器EA的正输入端接电压减法电路所输出的凹形电压信号，经误差放大器EA、功率管MOSFET以及检测电阻Rs构成的负反馈网络负反馈控制后，获取流经LED凹形电流。

上述平形电流与凹形电流的组合即为流经LED切顶形电流。

当参考电压V_REF逐渐增大时，第一支路导通时间逐渐增大，切顶形电流逐渐趋近于平形电流，其效率优化效果减弱；反之，第二支路导通时间逐渐增大，切顶形电流逐渐趋近于凹形电流，其电流跳变幅度逐渐增大，因而，参考电压V_REF的取值应结合LED负端电压V_A、LED额定电流具体参数来权衡决定。

所述基准电压V₁与基准电压V₂的取值应确保在第一支路与第二支路切换导通时，平形电压值与凹形电压值相等，以确保切顶形电流在整个导通区间的连续性。

本发明的优点及有益成果：

1)本发明通过线性恒流驱动方案，确保LED驱动电路满足功率因数，谐波失真以及稳定的恒流输出等要求。

2)本发明通过对LED电流形状进行控制，实现系统效率优化。利用平形电流与凹形电流相组合的方式实现切顶形电流，在实现效率优化的同时，有效避免了大幅电流跳变。

3)本发明通过参考电压V_REF与LED负端采样电压比较，划分LED导通时间的工作区间。在LED负端电压低于参考电压V_REF时，LED电流为平形电流。在LED负端采样电压高于参考电压V_REF时，LED电流为凹形电流。

4)本发明所采用的电路结构简单，易于控制，且制作成本低，因而具有很高的工程实用价值。

附图说明

图1是单段线性LED驱动电路原理图；

图2是单段线性LED驱动电路系统效率分析图；

图3是三种不同形状的输入电流示意图；

图4是不同凹曲程度下的凹形电流示意图；

图5是本发明所采用的切顶形电流控制原理示意图；

图6是本发明单段线性LED驱动电路优化系统图；

图7是图6中的电流控制电路图；

图8是切顶形电流控制方案与平形电流控制方案在系统效率上对比折线图。

具体实施方式

参看图1，本发明所采用的单段线性LED驱动电路原理图如图1所示。单段线性LED驱动电路包括：二极管整流桥BD，保险丝Fuse，LED灯串LEDs，功率管MOSFET，检测电阻Rs以及误差放大器EA等。二极管整流桥BD对输入母线电压进行整流处理，获取正弦直流电压，该正弦直流电压接LED灯串后，经功率管MOSFET，检测电阻Rs接地。误差放大器EA正输入端接控制电压，负输入端接检测电阻Rs，输出端接功率管MOSFET栅端。误差放大器EA、功率管MOSFET以及检测电阻Rs构建负反馈网络。

在单段线性LED驱动电路可通过控制电压输入实现LED电流控制，

即

其中，V_CONTROL为误差放大器EA正输入端控制电压，Rs为检测电阻，I_LED为流经LED电流。在传统应用中，控制电压V_CONTROL均采用恒定参考电压，故而流经LED电流在导通区间内为恒定电流，在功率管MOSFET以及检测电阻Rs造成明显功率损耗。

参看图2，当输入电压超出LED导通电压V_LED时，功率管MOSFET以及检测电阻Rs上的压降造成大量额外功率损耗，引起单段线性LED驱动电源系统效率不足。本发明中对上述电流形状进行控制，有效降低功率管MOSFET以及检测电阻Rs上的功率损耗，从而实现效率优化。

参看图3，本发明采用LED电流形状控制实现系统效率优化。比较凸形电流，平形电流以及凹形电流三种不同电流形状下系统效率的大小关系。由LED的恒流特性要求取三种不同形状的输入电流平均值相等，即

其中，I_AVERAGE为电流平均值，I(θ)为三种不同形状的输入电流的表达式，C₁为电流平均值常数。

由LED的二极管导通特性可知，LED导通压降在一定电流变化范围内近乎恒定。因而LED电流平均值保持恒定即意味着输出功率保持不变。此时，比较输入功率的相对大小关系即可达到系统效率的相对大小关系。

定义三种不同形状的电流表达式如下：

平形电流定义式I_FLAT为I_FLAT(θ)＝I₀ (3)

凸形电流定义式I_CONVEX为I_CONVEX(θ)＝I₁+k₁sinθ (4)

凹形电流定义式I_CONCAVE为I_CONCAVE(θ)＝I₂-k₂sinθ (5)

其中，I₀，I₁和I₂分别为平形电流，凸形电流和凹形电流的DC量，参数k₁与k₂分别为凸形电流与凹形电流所对应的正弦波分量，其取值均为正值。

三种不同形状输入电流所对应的输入功率如下：

平形电流所对应的输入功率P_{IN_FLAT}为

凸形电流所对应的输入功率P_{IN_CONVEX}为

凸形电流所对应的输入功率P_{IN_CONCAVE}为

在式(6)，式(7)以及式(8)中，V_IN均为输入电压有效值。

在有效输出功率P_LED为定值的条件下，比较上述三种电流形状下的输入功率大小，式(9)与式(10)中的θ₀即为LED导通点。

取式(9)与式(10)中共同的因式为f(θ)，即

在0<θ<π/2范围内，式(11)始终大于零。因而三种电流形状所对应的输入功率P_{IN_FLAT}，P_{IN_CONVEX}以及P_{IN_CONCAVE}满足关系式(12)。

P_{IN_CONVEX}＞P_{IN_FLAT}＞P_{IN_CONCAVE} (12)

故而，在系统效率上，平形电流系统效率η_FLAT，凸形电流系统效率η_CONVEX以及凹形电流系统效率η_CONCAVE满足

η_CONVEX<η_FLAT<η_CONCAVE (13)

综上所述，在平均电流不变的条件下，通过改变流经LED电流形状，可有效提高单段线性LED驱动电源系统效率。在平形电流，凸形电流以及凹形电流中，凹形电流所对应的系统效率最高，因而本发明采用凹形电流来实现效率优化。

参看图4，为获取最佳的效率优化效果，对不同凹曲程度的凹形电流进行对比分析。

定义凹形电流表达式为I_CONCAVE(θ)＝I₂(1-s·sinθ) (14)

其中，I₂为凹形电流的DC量，参数s为凹形电流凹曲程度参数。

由电流平均值保持恒定，即

求式(17)关于参数s的导数可得

在式(18)中，C₁为电流平均值，V_IN为输入电压有效值，θ₀为LED导通点，分母为非零平方项，均为正数。结合式(11)可知，式(18)在0<θ₀<π/2范围内始终小于零。故而可知，随着凹曲程度参数s的不断增大，其输入功率P_{IN_CONCAVE}不断减小，系统效率η不断提高，效率优化效果逐渐提高。

然而，随着凹曲程度参数s的不断增大，导通点电流I(θ₀)不断增大，中间点电流I(π/2)不断减小。过大的电流幅值变化易造成LED闪烁，因而应对凹形电流控制方案进一步优化。

参看图5，为实现单段线性LED驱动电路效率优化，且避免LED大幅度跳变所带来的频闪问题，本发明将LED导通区间划分为三段区间。在区间[θ₀,θ₁]内，流经LED电流为平形电流，在区间[θ₁,π-θ₁]内，流经LED电流为凹形电流，在区间[π-θ₁,π-θ₀]内，流经LED电流为平形电流，其中θ₀为LED导通点，θ₁为由参考电压V_REF与LED负端电压相对大小关系所确定的区间划分点,上述三段式电流形状定义为切顶形电流。由于凹形电流的大电流主要集中在LED导通点θ₀与关断点π-θ₀附近，因而考虑利用平形电流将凹形电流在导通点θ₀与关断点π-θ₀附近截断，以减小导通与关断时的电流跳变。取参考电压V_REF与LED负端电压V_A相比较获取平形电流工作区间与凹形电流工作区间的划分。在θ₀<θ<θ₁以及π-θ₁<θ<π-θ₀范围内，LED电流I_LED为平形电流，在θ₁<θ<π-θ₁范围内，LED电流I_LED为凹形电流。在电流平均值保持不变的条件下，优化后的凹形电流可有效减小导通点θ₀与关断点π-θ₀的电流跳变，从而实现对电流过冲或者频闪问题的优化。

参看图6，与图1相比，本发明设置了电流控制电路，将其输出作为控制电压连接误差放大器EA正输入端，电流控制电路的输入端连接LED灯串的负端电压V_A，通过电流控制电路使流经LED电流的形状为平形电流与凹形电流的组合。

参看图7，本发明设置的电流控制电路包括采样电路和两条支路，第一支路为双支路比较选择电路。采样电路的输入端连接接LED灯串的负端电压V_A对输入母线电压进行比例采样，获得幅值比例减小的电压信号，并作为电压减法电路的处理信号。基准电压信号V₂作为电压减法电路的输入信号。电压减法电路处理比例采样电路的输出信号与基准电压信号V₂，利用基准电压信号V₂减去比例采样电路的输出信号，以获取凹形输出电压。双支路比较选择电路对LED负端的采样电压以及参考电压V_REF进行大小比较，输出方波信号S_Signal1，经反相器后，获得方波信号S_Signal2。方波信号S_Signal1与方波信号S_Signal2反相，分别驱动开关S₁与S₂导通与关断，实现LED导通区间分段。基准电压信号V₁与电压减法电路所产生的凹形电压相组合，从而获得切顶形的控制电压V_CONTROL。

当参考电压V_REF高于A点采样电压V_A时，开关S₁控制信号为1，开关S₂控制信号为0，支路1导通，LED电流为平形电流。当参考电压V_REF低于A点采样电压V_A时，开关S₁控制信号为0，开关S₂控制信号为1，支路2导通，LED电流为凹形电流。通过支路1导通时的平形电流与支路2导通时的凹形电流相组合，从而获取优化后的切顶形电流。

电路中参考电压V_REF的取值大小决定着切顶形电流中平形电流工作区间与凹形电流工作区间的相对大小，因而其具体取值应谨慎仔细。由分析可知，当参考电压V_REF逐渐增大时，支路1导通时间逐渐增大，切顶形电流逐渐趋近于平形电流，其效率优化效果减弱；反之，则支路2导通时间逐渐增大，切顶形电流逐渐趋近于凹形电流，其电流跳变幅度逐渐增大。因而，参考电压V_REF的取值应结合LED负端电压V_A，LED额定电流等具体参数来权衡决定。

电压V₁与电压V₂的取值应确保在切顶形电流支路1与支路2切换导通时，平形电压值与凹形电压值相等，以确保切顶形电流在整个导通区间的连续性。

参看图8，在输入电压分别99V/50Hz，110V/50Hz，121V/50Hz条件下，本发明所采用的切顶形电流控制方案在保证LED驱动电源功率因数，谐波失真等性能要求的同时，相较于传统平形电流控制方案可实现5％以上的效率优化效果。

本发明通过凹形电流控制，有效降低电压峰值附近的LED电流大小，减小功率管MOSFET以及检测电阻Rs上所存在的功率损耗，进而有效改善系统效率。为避免电流幅值变化所带来的频闪问题，进一步优化控制方案，采用切顶形电流控制，在保留电压峰值附近的凹形LED电流的同时，在LED导通点与关断点附近采用平形电流。LED导通工作区间通过参考电压与LED负端电压大小关系划分工作区间。实现了单段线性LED驱动电路的效率优化，不仅满足基本的LED驱动电路所需满足的功率因数、谐波失真及稳定的恒流输出等基本要求，同时能有效改善系统效率。本发明实现效率达到75.3％，功率因数达到0.76，输出电流30mA，恒流精度±3％，LED导通时间在60％以上。

Claims (5)

1.一种单段线性LED驱动电路的效率优化系统，单段线性LED驱动电路包括二极管整流桥、LED灯串、功率管MOSFET、误差放大器EA和检测电阻Rs，二极管整流桥对输入母线电压进行整流，经LED灯串压降后，LED灯串的负极连接功率管MOSFET的漏极，功率管MOSFET的源极通过检测电阻Rs接地，误差放大器EA的输出连接功率管MOSFET的栅极，误差放大器EA的正端连接控制电压，误差放大器EA的负端连接功率管MOSFET的源极；

其特征在于：设置电流控制电路对流经LED电流的形状进行控制，电流控制电路的输出作为控制电压连接误差放大器EA的正端，电流控制电路的输入端连接LED灯串的负端电压V_A，通过电流控制电路输出的不同形状的控制电压，使流经LED电流的形状为平形电流与凹形电流的组合，当输入母线电压降低时，流经LED电流为平形电流，在输入母线电压峰值处，流经LED电流为凹形电流，在LED导通点与关断点，利用平形电流将凹形电流截断，构成切顶形电流，在实现单段线性LED驱动电源的效率优化的同时，也实现对电流过冲或者频闪问题的优化。

2.根据权利要求1所述的单段线性LED驱动电路的效率优化系统，其特征在于：所述电流控制电路包括采样电路和两条支路，采样电路的输入端连接接LED灯串的负端电压V_A对对输入母线电压进行采样，采样电路的输出分别连接第一支路和第二支路，第一支路为比较选择的路，包括比较器和反相器，比较器的正端连接采样电路的输出电压，比较器的负端连接参考电压V_REF，比较器的输出连接反相器的输入端并输出方波信号S_Signal2，反相器的输出为方波信号S_Signal1，第二支路包括电压减法电路以及两个控制开关S₁和S₂，电压减法电路的一个输入端连接采样电路的输出，电压减法电路的另一个输入端连接基准电压V₂，用基准电压信号V₂减去采样电路的输出信号，以获取凹形输出电压，电压减法电路的输出的凹形电压连接控制开关S₂的一端，控制开关S₁的一端连接基准电压V₁，用基准电压V₁与电压减法电路所产生的凹形电压实现组合，获得切顶形的控制电压，控制开关S₂的控制端连接第一支路输出的方波信号S_Signal2，控制开关S₁的控制端连接第一支路输出的方波信号S_Signal1，控制开关S₂与控制开关S₁的连接端为电流控制电路的输出端，输出切顶形控制电压连接误差放大器EA的正端，通过控制开关S₁与S₂导通与关断，实现LED导通区间分段，在LED负端电压低于参考电压V_REF时，LED导通区间为平形电流，在LED负端电压高于参考电压V_REF时，LED导通区间为凹形电流，平形电流工作区间与凹形电流工作区间的相对大小由参考电压V_REF和LED负端电压决定。

3.根据权利要求1所述的单段线性LED驱动电路的效率优化系统，其特征在于：

当方波信号S_Signal1为正时，控制开关S₁导通，控制开关S₂关断，误差放大器EA的正输入端接电压基准信号V₁，经误差放大器EA、功率管MOSFET以及检测电阻Rs构成的负反馈网络负反馈控制后，获取流经LED平形电流；

当方波信号S_Signal2为正时，控制开关S₁关断，控制开关S₂导通，误差放大器EA的正输入端接电压减法电路所输出的凹形电压信号，经误差放大器EA、功率管MOSFET以及检测电阻Rs构成的负反馈网络负反馈控制后，获取流经LED凹形电流。

上述平形电流与凹形电流的组合即为流经LED切顶形电流。

4.根据权利要求2所述的单段线性LED驱动电路的效率优化系统，其特征在于：当参考电压V_REF逐渐增大时，第一支路导通时间逐渐增大，切顶形电流逐渐趋近于平形电流，其效率优化效果减弱；反之，第二支路导通时间逐渐增大，切顶形电流逐渐趋近于凹形电流，其电流跳变幅度逐渐增大，因而，参考电压V_REF的取值应结合LED负端电压V_A、LED额定电流具体参数来权衡决定。

5.根据权利要求2所述的单段线性LED驱动电路的效率优化系统，其特征在于：基准电压V₁与基准电压V₂的取值应确保在第一支路与第二支路切换导通时，平形电压值与凹形电压值相等，以确保切顶形电流在整个导通区间的连续性。