CN109104783A - 驱动电路以及包括驱动电路的led灯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种驱动电路及包括该驱动电路的LED灯。驱动电路用于驱动LED等负载并包括前级单元、后级单元以及级间控制单元，其中，前级单元包括前级主电路和前级控制器，用于将外部电源提供的交流输入电压转变成直流母线电压，并通过输出端输出；后级单元包括buck电路，用于接收来自前级单元的母线电压，并依据负载的工作电压将期望的直流驱动电压输出给负载；级间控制单元用于生成代表母线电压和驱动电压之间电势差的差值电压信号，并且基于该差值电压信号产生反馈信号提供给前级控制器，前级控制器基于该反馈信号控制前级主电路，从而实现母线电压随驱动电压变化而变化。本发明提高了驱动电路中后级buck电路在轻载情况下的效率，从而提高了整个驱动电路的效率。

Description

驱动电路以及包括驱动电路的LED灯
技术领域
本发明大体涉及一种驱动电路，尤其涉及一种在较宽的输出范围内均具有较高效率的包含后级buck电路的驱动电路及包括该驱动电路的LED灯。
背景技术
LED恒流驱动电源中，两级式驱动电路是比较常用的一个技术方案，两级式驱动电路包括前级电路和后级电路，其中，前级电路用于功率因数校正和恒压输出控制，后级电路用于恒流输出控制，而Buck电路又是后级电路的一个优选方案。在实际应用中，用户对LED驱动电路效率的要求永远不会止步，为了适应多样化的应用场合，LED驱动电路不仅需要在满载时具有很高的效率，在轻载时同样需要有较高的效率。
然而，对于含buck后级电路的两级式驱动电路而言，当负载处于满载时，即buck电路的输出电压接近于buck电路的输入电压时，则buck电路的效率很高，但是，当负载处于轻载时，即buck电路的输出电压远低于buck电路的输入电压时，则buck电路的效率很低，从而限制了驱动电路作为整体的效率。
因此，有必要提供一种方法以解决如上所述的至少一个问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种驱动电路，用于驱动负载，其包括：前级单元，后级单元以及级间控制单元，其中，所述前级单元包含括前级主电路和前级控制器，用于将外部电源提供的交流电压转变成直流母线电压，并通过输出端输出；所述后级单元包括buck电路，接收来自所述前级单元的所述母线电压，并依据所述负载的工作电压将期望的直流驱动电压输出给所述负载；以及，所述级间控制单元用于生成表征所述母线电压和所述驱动电压之间电势差的差值电压信号，并且基于所述差值电压信号产生反馈信号提供给所述前级控制器，其中，所述前级控制器基于所述反馈信号控制所述前级主电路，从而实现所述母线电压随所述驱动电压变化而变化。
本发明的另一个方面在于提供一种LED灯，用于与外部电源相连接，包括，含有若干个发光二极管单元的光源模块；以及用于驱动所述光源模块的驱动电路。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明的一个具体实施方式的示例性驱动电路100的电路框图；
图2是根据本发明的又一个具体实施方式的的示例性驱动电路100的电路框图；
图3是基于图1的驱动电路的级间控制单元20的一个具体电路图；
图4是基于图1的驱动电路的级间控制单元20’的一个具体电路图；及
图5是基于图1的驱动电路的级间控制单元20的再一个具体电路图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1示出根据本发明的一个具体实施方式的示例性驱动电路100的示意图。如图1所示，驱动电路100可用于驱动任何需要直流电流/电压的负载30，例如发光二极管灯串，但不限于此，其包括：前级单元11、后级单元12以及级间控制单元20，其中，前级单元11包含前级主电路110和前级控制器 112，用于将外部电源提供的交流输入电压转变成直流母线电压Vbus，并通过输出端输出。后级单元12接收前级单元11输出的母线电压Vbus，并根据负载的实际工作电压将期望的直流驱动电压Vo输出给负载。级间控制单元 20用于生成代表母线电压Vbus和驱动电压Vo之间电势差的差值电压信号，根据差值电压信号生成一个反馈信号，并将该反馈信号提供给前级控制器112，前级控制器112利用该反馈信号控制前级主电路110，从而实现让母线电压 Vbus随驱动电压Vo变化而变化。其中，差值电压信号与母线电压Vbus和驱动电压Vo之间的电势差成比例。
现有方案中当负载处于轻载，此时buck电路的输出电压远低于buck电路的输入电压，buck电路的效率是很低的，从而限制了整个驱动电路轻载时的效率。基于此，本发明构思出通过设置级间控制，实现让母线电压Vbus，即buck电路的输入电压，跟随buck电路输出电压Vo变化的技术方案，从而确保buck电路的输入和输出电压差值在一定的范围之内，提高了buck电路的效率，进而提高了整个驱动电路的效率。
继续参照图1，后级单元12包括buck电路120，buck电路120包括可控开关S1、二极管D1和电感L1，在本实施例中，buck电路120还包括一个用于滤波的电容C1,图1中buck电路120采用开关浮地的拓扑结构，即在该拓扑中，可控开关S1是不接地的，其具体连接关系为，二极管D1的阴极与电感L1的一端相连，电容C1的一端与电感L1的另一端相连，二极管D1的阳极与电容C1的另一端共同与所述输出端的负极连接,并且，所述输出端的负极接地，可控开关S1的第一电极与所述输出端的正极相连，可控开关S1的第二电极与二极管D1的阴极相连。
图2示出了根据本发明的又一个具体实施方式的示例性驱动电路100的示意图，与图1相比较，图2的不同仅在于Buck电路120采用输出浮地的拓扑结构，即在该拓扑中，buck电路120的输出端是不接地的，其具体连接关系为，二极管(D1)的阴极与电感(L1)的一端相连后共同连接至所述输出端的正极，电容C1的一端与电感L1的另一端相连，二极管(D1)的阳极、电容C1的另一端与所述输出端的负极连接，以及，可控开关(S1)的第一电极与所述输出端的负极相连，所述可控开关(S1)的第二电极接地。
图1和图2所示的两种拓扑结构均是实际驱动电路中经常应用到的电路拓扑。本发明所提出的提高效率的技术方案对于该两种拓扑结构均适用，为简明起见，在后续的说明中，将仅仅以图1所示的拓扑结构作为例子进行说明。
图3示出了级间控制单元20的一个具体结构，如图3所示，级间控制单元20包括用于产生所述差值电压信号的第一模块21，该第一模块21包括差分采样电路210和滤波电路211。差分采样电路210的一个输入端接可控开关的第一电极，差分采样电路的另一个输入端接可控开关的第二电极，差分采样电路210对这两个电极处的电压进行采样并输出第一电极和第二电极之间的电势差成比例的信号；滤波电路211对差分采样电路210的输出进行滤波并输出所需要的差值电压信号。其中，当可控开关S1导通时，差分采样电路210所得的第一电极和第二电极之间的电势差接近于零；当可控开关S1关断时，差分采样电路所得的第一电极和第二电极之间的电势差为母线电压与采样系数的乘积。根据在连续导通模式下，buck电路120的输入电压、输出电压以及占空比之间的关系，可以得到经过滤波后的电压与buck电路120的输入与输出之间的电势差满足比例关系，该比例系数由采样电路相关的采样系数所决定。
因此，本实施方案中通过差分采样电路获得可控开关S1的第一电极和第二电极之间的电势差，该电势差再通过滤波电路进行滤波，其结果正好反映了母线电压和驱动电压之间的电势差。在另一种可选的实施方案中，如图4 所示，驱动电路包括级间控制单元20’，该级间控制单元20’分别接收母线电压的测量信号以及驱动电压的测量信号作为输入，并产生所述差值电压信号。
继续参照图3，在该实施方案中，所述差值电压信号作为所述反馈信号被直接提供给前级控制器112，前级控制器112基于差值电压信号和预先确定的差值参考电压，控制差值电压信号去跟随差值参考电压，从而实现让母线电压和驱动电压之间的电势差维持在一个预定义的范围之内。
图5给出了根据本发明的一个具体实施方式的级间控制单元的另一种方案，如图5，级间控制单元20还包括第二模块22，第二模块22接收所述差值电压信号作为输入,并产生一个调制后的母线电压信号,该调制后的母线电压信号是经所述母线电压分压后而得到，与所述母线电压线性相关。进一步，调制后的母线电压信号作为所述反馈信号被提供给前级控制器112。调制后的母线电压信号作为反馈量，一个预先确定的母线参考电压作为参考量，前级控制器112控制调制后的母线电压信号去跟随所述母线参考电压，使得所述母线电压跟随所述驱动电压变化而变化，从而间接地实现将所述母线电压和所述驱动电压之间的电势差维持在一个预定义的范围之内。
如图5所示，在本方案中，所述差值电压信号不是直接提供给前级控制器112，而是经过第二模块22的变换后提供给前级控制器112，其中，第二模块22包括与第一模块21相连接的第一电路220和包含三极管Q的第二电路221。第一电路220是一个闭环补偿电路，所述差值电压信号经第一电路 220调制变换后，其结果提供给三极管Q的基极，用以控制三极管的导通电阻。当三极管的导通电阻改变时，第二电路221所提供给前级控制器112的电压值便相应的改变，即调制后的母线电压信号会改变，进而影响前级控制器112对母线电压的控制，最终让母线电压随所述差值电压信号变化而变化，间接地实现将所述母线电压和所述驱动电压之间的电势差维持在一个预定义的范围之内。
继续参照图5，第二电路221进一步包括第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3，其连接关系为：第一电阻R1与第二电阻R2串联，第三电阻R3与三极管Q相串联，并且串联连接后的第一电阻R1和第二电阻R2并联连接至输出端，第一电阻R1和第二电阻R2的公共连接点与前级控制器112相连，第三电阻R3和三极管并联连接至第二电阻R2的两端。第二电路221中，第一电阻R1和第二电阻R2及其并联支路对所述母线电压进行分压，并将第二电阻R2及其并联支路分压所得的电压作为反馈信号提供给前级控制器112，通过控制三极管Q的导通电阻，便可以改变第二电阻R2及其并联支路的等效电阻，最终实现控制反馈给前级控制器112的电压信号的目的。
本发明还提出了一种LED灯，该LED灯直接与外部市电电源相连接。该LED灯包括含有若干个发光二极管单元的光源以及驱动电路，该驱动电路，可以是本说明书中前述所描述的任一种驱动电路，用于驱动光源工作。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种驱动电路，用于驱动负载(30)，其包括：前级单元(11)、后级单元(12)以及级间控制单元(20)，其中，
所述前级单元(11)包括前级主电路(110)和前级控制器(112)，用于将外部电源提供的交流输入电压转变成直流母线电压(Vbus)，并通过输出端输出所述母线电压(Vbus)；
所述后级单元(12)包括buck电路(120)，用于接收来自所述前级单元(11)的所述母线电压(Vbus)，并依据所述负载(30)的工作电压将期望的直流驱动电压(Vo)输出给所述负载(30)；以及
所述级间控制单元(20)用于生成代表所述母线电压(Vbus)和所述驱动电压(Vo)之间电势差的差值电压信号，并且基于所述差值电压信号产生反馈信号提供给所述前级控制器(112)，其中，所述前级控制器(112)基于所述反馈信号控制所述前级主电路(110)，从而实现所述母线电压(Vbus)随所述驱动电压(Vo)的变化而变化。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其中，所述buck电路(120)包括可控开关(S1)、二极管(D1)及电感(L1)；
其中，所述buck电路(120)采用开关浮地的拓扑结构或者输出浮地的拓扑结构。
3.如权利要求2所述的驱动电路，其中，所述级间控制单元(20)包括用于产生所述差值电压信号的第一模块(21)，所述第一模块(21)包括差分采样电路(210)和滤波电路(211)；
其中，所述可控开关(S1)的第一电极连接至所述差分采样电路(210)的一个输入端，所述可控开关的第二电极连接至所述差分采样电路(210)的另一个输入端，所述差分采样电路(210)输出与所述可控开关(S1)的所述第一电极和所述第二电极之间的电势差成比例的信号，所述滤波电路(211)对所述差分采样电路(210)的输出进行滤波并生成所述差值电压信号。
4.如权利要求2所述的驱动电路，其中，所述驱动电路包括级间控制单元(20’)，用于接收所述母线电压(Vbus)的测量信号以及所述驱动电压(Vo)的测量信号作为输入，并产生所述差值电压信号。
5.如权利要求3或4所述的驱动电路，其中，所述差值电压信号作为所述反馈信号被直接提供给所述前级控制器(112)；
所述前级控制器(112)基于所述差值电压信号和预先确定的差值参考电压，控制所述差值电压信号去跟随所述差值参考电压，从而实现将所述母线电压(Vbus)和所述驱动电压(Vo)之间的电势差维持在一个预定义的范围之内。
6.如权利要求3或4所述的驱动电路，其中，所述级间控制单元(20)还包括第二模块(22)，所述第二模块(22)用于接收所述差值电压信号作为输入并产生调制后的母线电压信号；
所述调制后的母线电压信号作为所述反馈信号被提供给所述前级控制器(112)；
所述前级控制器(112)基于所述调制后的母线电压信号和预先确定的母线参考电压，控制所述调制后的母线电压信号去跟随所述母线参考电压，从而实现将所述母线电压(Vbus)和所述驱动电压(Vo)之间的电势差维持在一个预定义的范围之内。
7.如权利要求6所述的驱动电路，其中，所述第二模块(22)包括与所述第一模块(21)相连接的第一电路(220)以及包括三极管(Q)的第二电路(221)；
所述第一电路(220)接收所述差值电压信号，并根据所述差值电压信号产生基极控制信号提供给所述三极管(Q)的基极，所述第二电路(221)根据所述基极控制信号产生所述调制后的母线电压信号。
8.如权利要求7所述的驱动电路，其中，所述第一电路(220)包括闭环补偿电路，所述闭环补偿电路接收所述母线电压(Vbus)与所述驱动电压(Vo)之间的电势差参考值和所述差值电压信号，并产生所述基极控制信号。
9.如权利要求7所述的驱动电路，其中，所述第二电路(221)包括第一电阻(R1)、与所述第一电阻(R1)串联的第二电阻(R2)以及与所述三极管(Q)串联的第三电阻(R3)，所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)并联连接至所述输出端，所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)的公共连接点与所述前级控制器(112)相连，所述第三电阻(R3)和所述三极管(Q)与所述第二电阻(R2)并联连接。
10.一种LED灯，用于与外部电源相连接，包括：
包括若干个发光二极管单元的光源；以及
用于驱动所述光源的如权利要求1至9任一项所述的驱动电路。
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