CN109152144B - 适用于极低triac调光深度的led电流纹波消除电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,包括一电流纹波控制模块、一低环路响应模块、一LEDN电位检测响应模块、一启动快速响应模块及一调光快速响应模块；在稳定工作状态下，所述的驱动电路具有极低的系统环路响应速度，由此保证了电路优异的消除输出电流纹波功能、和消除了在TRIAC调光小电流下引起的LED灯以较低频率呈现的呼吸式晃动现象。

Description

适用于极低TRIAC调光深度的LED电流纹波消除电路
技术领域
本发明涉及一种用于消除发光二极管(LED)驱动系统电流纹波的驱动电路,尤其涉及一种适用于极低三端双向可控硅器件(TRIAC)调光深度的LED电流纹波消除电路。
背景技术
LED光源具有功耗低、重量轻、需要恒流驱动的特点。现有技术中，通常使用恒流输出来驱动LED负载，同时要求具有高功率因数，因整流桥后无大电解电容，故由交流电网的正弦波所引起的低频纹波噪声传递到了输出端，造成LED灯出现闪烁(频闪)问题。例如，输入源频率为50Hz，则恒流驱动模块输出的电流含有100Hz的纹波，滤波电容上的电压也含有100Hz的纹波。同时，流过LED负载的电流也含有100Hz的纹波，导致LED负载输出的光含有100Hz的频闪。尽管人的肉眼难以觉察这种低频频闪，但是人眼长期处在这种照明环境下，会造成视觉神经疲劳，危害人体健康。
如图1所示，为一典型LED驱动系统的功能模块结构框图。在现有技术中，为保证功率MOS管M1在饱和区工作，需要外接较大的储能电容C1；而随着储能电容C1容值的增加，其成本相对升高，并且电容的体积也会显著增加。但大体积的储能电容C1常无法满足新型LED灯具对于驱动PCB板体积的要求。
同时，现有技术不能适配市面上所有的TRIAC调光器；当一习知TRIAC调光器调至5％深度以下时，其搭配的LED灯常会出现较低频率的呼吸式晃动现象。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LED电流纹波消除电路，用于抑制LED驱动器中的工作频率纹波、和消除由输入交流电有效值波动引起、在TRIAC调光小电流下、LED灯的呼吸晃动现象；并且，在实际应用中，最大程度优化满足了对于系统成本、效率和系统通用性的要求。
本发明是这样实现的：一种用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,构建于所述的LED驱动系统上，所述的LED驱动系统包括一LED负载、一MOS管及一恒流控制电路，所述的LED负载连接于所述的MOS管的一漏极与所述的恒流控制电路间，所述的MOS管的一源极接地并连接至所述的恒流控制电路，一电容之一端与所述的恒流控制电路连接，而所述的MOS管的源极则透过一电阻接地(GND)，其特征在于：所述的驱动电路包括一电流纹波控制模块、一低环路响应模块、一LEDN电位检测响应模块、一启动快速响应模块及一调光快速响应模块。
电流纹波控制模块，分別与MOS管的一栅极、MOS管的源极、一低环路响应模块、一LEDN电位检测响应模块、一启动快速响应模块及一调光快速响应模块连接，并连接至电容远离恒流控制电路的一端(VC端)，乃用以通过调整MOS管的一栅源电压，从而调整MOS管的一导通阻抗，实现将一前级恒流输出的电流纹波转换成MOS管的漏源两端的电压纹波。
低环路响应模块，又分別与电位检测响应模块及电容的VC端连接，并接地，乃用以消除由于输入交流电有效值的波动、在TRIAC调光小电流下、所引起LED负载以较低频率呈现的呼吸式晃动现象。
LEDN电位检测响应模块，又分別与电容的VC端、MOS管的漏极、以及LED负载远离恒流控制电路的一端(LEDN端)连接，乃用以根据LEDN端的电位来控制流入VC端电流的大小。
启动快速响应模块，用以在前级输出电流由小变大时(亦即系统启动或一TRIAC调光导通角由小变大时)，增大流入VC端的电流，以增加系统响应速度。
调光快速响应模块，用以在TRIAC调光导通角由大变小时，开启VC端对接地(GND)的泄电通路，快速降低MOS管的栅源电压，使其适应流过小电流情况。
在本发明的一个实施例中，所述的低环路响应模块所设定正常工作时一系统响应周期至少大于市电电压有效值波动周期。
在本发明的一个实施例中，所述的LEDN电位检测响应模块在MOS管的栅极与漏极之间串联至少一个zener稳压二极管和一个限流电阻；可优选地，所述的串联至少一个zener稳压二极管两端间并联有一高压二极管、一高压MOSFET、或一高压双极型晶体管BJT。
在本发明的一个实施例中，所述的LEDN电位检测响应模块在MOS管的栅极与漏极之间串联至少一个双极型晶体管BJT和一个限流电阻。
在本发明的一个实施例中，所述的LEDN电位检测响应模块在MOS管的栅极与漏极之间串联至少一个栅源短接的金属氧化物半导体场效应管MOSFET和一个限流电阻。
在本发明的一个实施例中，所述的VC电容通过MOS管的栅极与GND之间的电阻对GND放电；可优选地，所述的MOS管的栅极与GND之间的电阻的阻值为1MΩ以上。
如前所述，在稳定工作状态下，本发明所提供的用于消除发光二极管(LED)驱动系统电流纹波的驱动电路，具有极低的系统环路响应速度，由此保证了电路优异的消除输出电流纹波功能、和消除了在TRIAC调光小电流下引起的LED灯以较低频率呈现的呼吸式晃动现象。
附图说明
图1为一典型LED驱动系统的功能模块结构框图；
图2为本发明一种用于消除发光二极管(LED)驱动系统电流纹波的驱动电路较佳实施例的功能模块结构框图；
图3为本发明LEDN电位检测响应模块电路的一种实施例的示意图；
图4为输出电流纹波与功率高压MOS管栅极电压的变化示意图；
图5为TRIAC调光小电流Vac有效值波动引起传输能量的变化示意图；
图6为MOS管栅极充放电区间的变化示意图；以及
图7为TRIAC调光导通角由大到小MOS管栅极快速响应的变化示意图。
符号说明
1 本发明的驱动电路
11 电流纹波控制模块
13 低环路响应模块
15 LEDN电位检测响应模块
17 启动快速响应模块
19 调光快速响应模块
3 LED负载
5 MOS管
51 漏极
53 源极
55 栅板
7 恒流控制电路
71 正极
73 负极
9 电容
GND 接地
Z1 稳压二极管
具体实施方式
这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件间的搭接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的驱动电路构建于图1所示的LED驱动系统上，请参阅图1，所述的LED驱动系统包括一LED负载3、一MOS管5及一恒流控制电路7，LED负载3连接于MOS管5的漏极51与恒流控制电路7的正极71间，MOS管5的源极53接地并连接至恒流控制电路7的负极73，MOS管5的栅极55则透过一电容(C2)9及一电阻R2亦连接至恒流控制电路7的负极73，而MOS管5的源极53接地(GND)。
请参阅图2所示，为本发明一种用于消除发光二极管(LED)驱动系统电流纹波的驱动电路较佳实施例的功能模块结构框图。如图所示，本发明的驱动电路1包括一电流纹波控制模块11、一低环路响应模块13、一LEDN电位检测响应模块15、一启动快速响应模块17及一调光快速响应模块19。
所述的电流纹波控制模块11，分別与MOS管5的栅极55、MOS管5的源极53、低环路响应模块13、LEDN电位检测响应模块15、启动快速响应模块17及调光快速响应模块19连接，并连接至所述电容9远离恒流控制电路7负极73的一端(亦即图示的VC端)；换言之，在所述的LED驱动系统上架构本发明的驱动电路1后，电流纹波控制模块11连接于电容9与MOS管5的栅极55之间。本发明的电流纹波控制模块11，用以通过调整MOS管5的栅源电压Vgs，从而调整MOS管5的导通阻抗，实现将前级恒流输出的电流纹波转换成MOS管5漏源51两端的电压纹波。
所述的低环路响应模块13，分別与电流纹波控制模块11、LEDN电位检测响应模块15及电容9的VC端连接，并接地。本发明的低环路响应模块13，用以设定正常工作时系统响应周期至少大于市电电压有效值波动周期，目的是在消除由于输入交流电有效值的波动、在TRIAC调光小电流下、所引起的LED负载3(亦即LED灯)出现以较低频率呈现的呼吸式晃动现象。
所述的LEDN电位检测响应模块15，分別与电流纹波控制模块11、低环路响应模块13、电容9的VC端、MOS管5的漏极51、以及LED负载3远离恒流控制电路7正极71的一端(亦即图示的LEDN端)。本发明的LEDN电位检测响应模块15，用以根据LEDN端的电位来控制流入VC端电流的大小。
所述的启动快速响应模块17，连接至电流纹波控制模块11。本发明的启动快速响应模块17，用以在前级输出电流由小变大时(亦即系统启动或TRIAC调光导通角由小变大时)，增大流入VC端的电流，以增加系统响应速度。
所述的调光快速响应模块19，连接至电流纹波控制模块11。本发明的调光快速响应模块19,用以在TRIAC调光导通角由大变小时，开启VC端对接地(GND)泄电通路，快速降低MOS管5的栅源电压Vgs，使其适应流过小电流情况。
在习知技艺中，由于LED驱动系统通常要求具有高功率因数，且整流桥后无大电解电容，故交流电网的正弦波常会引起LED阳极电压波动。本发明的LED电流纹波消除电路通过检测LED阴极电压来调整功率MOS管5栅极电压，进而影响工作在饱和区功率MOS管5的导通阻抗。而MOS管5导通阻抗的变化会带来MOS管5漏源电压的变化，系统通过MOS管5漏源电压的变化来抵消由于LED阳极电压波动导致LED灯(LED负载3)两端电压的波动，使得LED灯两端电压固定，从而使得流过LED灯的电流恒定，实现消除LED灯频闪现象。
如图4所示，为本发明其中一种实施例电流纹波与栅极电压波动的关系。由于功率高压MOS管5的沟道调制效应影响很小，所以输出电流(iLED)纹波与高压功率MOS管5的栅极电压(GATE)波动相关。因此，在实际操作上，减小对栅极上电容的充放电电流，降低消除输出电流纹波系统稳定工作时的环路响应速度，可以有效抑制功率高压MOS管5的栅极电压波动，进而显著地消除输出电流纹波。
如图5所示，在TRIAC调光器以较小导通角斩波时，由于市电交流源(Vac)每个工频周期之间传输到负载的能量有较大比重的差值，因此在输出LED灯上的亮度出现明显的低频率呼吸式晃动现象。市电电压(VBUS)有效值波动的周期通常下在10秒内，因此系统的设计环路带宽周期需要显著大于10秒，才能有效的抑制由于市电电压有效值波动引起的LED灯输出电流值的波动，从而消除在TRIAC调光小电流下引起的LED灯以较低频率地呼吸式晃动现象。
请参阅图3所示，为本发明LEDN电位检测响应模块15电路的一种实施例。如图所示，在高压功率MOS管5的栅极55与漏极51之间串联多个zener稳压二极管Z1和一个限流电阻R1。zener稳压二极管Z1的数量可根据不同系统的输出电流和储能电容C1体积的要求而调整。
可选地，zener稳压二极管Z1，也可选择双极型晶体管BJT。
可选地，zener稳压二极管Z1，也可选择栅源短接的金属氧化物半导体场效应管MOSFET。
在高压功率MOS管5的栅极55与源极53之间电阻(R1)阻值设定为100MΩ以上。这样系统在电路正常工作下的每个工频周期，MOS管5栅极电容9通过100MΩ电阻对GND放电，放电电流为10nA级。与此同时，如图6所示，对MOS管5栅极电容9充电的区间，在整个工频周期内只有当Vds>Vgs+Vz时，才有电流流入栅极电容9。当电流流入栅极电容9，栅极电位升高，Vds也会随之降低。
其中，Vds为高压功率MOS管5的漏极与源极之间电压，Vgs为高压功率MOS管5的栅极与源极之间电压，而Vz为图3中多个稳压zener二极管(Z1)反向导通之和。二极管(Z2)的阳极连接MOS管5的栅极及稳压zener二极管(Z1)的阳极，二极管(Z2)的阴极连接稳压zener二极管(Z1)的阴极。
因此，本发明采用方式、对栅极电容9充电的区间、原在整个工频周期内占很小的比例。并且，在高压功率MOS管5的漏极51与zener稳压二极管Z1的阴极之间设置限流电阻。使得在整个工频周期内，只有很小的电流对MOS管5栅极电容9充电。
是以，本发明的消除输出电流纹波电路在稳定工作状态下，系统具有极低的系统环路响应速度，由此保证了电路优异的消除输出电流纹波功能、和消除了在TRIAC调光小电流下引起的LED灯以较低频率呈现的呼吸式晃动现象。
实务上，在TRIAC调光的应用中，通常要求在用TRIAC调光器调节LED灯亮度的过程中，系统需有较快的响应速度。TRIAC调光器调节LED灯亮度的过程可以分为两种情况：第一种情况是TRIAC调光器斩波导通角由大到小，输出电流由大到小，LED灯的亮度则由亮到暗；第二种情况是TRIAC调光器斩波导通角由小到大，输出电流由小到大，LED灯的亮度则由暗到亮。
对于所述的第一种情况，高压功率MOS管的漏极与源极之间电压Vds随之迅速升高，这样对MOS管栅极电容充电的区间将拓宽，充电电流将增加，高压功率MOS管的栅极与源极之间电压Vgs也将快速响应上升。
对于所述的第二种情况，由于输入功率的下降，流过LED灯以及高压功率MOS管的电流减小，此时需要高压功率MOS管的栅极与源极之间电压Vgs随之快速响应降低，然而栅极对GND泄电通路仅有经过100MΩ电阻一条，不能满足快速降低响应的要求；因此，需要再增加一条栅极对GND快速泄电通路，同时不能影响电路稳定工作时的极低的系统环路响应。如图3所示，作为本次发明的LEDN电位检测响应模块的一种实施例，采用的方式是在栅极与限流电阻R1之间、与zener稳压二极管、并联一高压二极管、一与栅源极短接的高压MOSFET(未图示)、或者一高压双极型晶体管BJT(未图示)。
如图7所示，这样在消除电流纹波电路正常工作时，MOS管的漏极电压高于栅极电压，高压二极管上没有电流流过。而在TRIAC调光应用的第二种情况下，由于流过高压功率MOS管的电流减小，高压功率MOS管的漏极与源极之间电压Vds将迅速降低，当Vds低于Vgs时，高压功率MOS管的栅极电容上的电量将由高压二极管经过高压功率MOS管到GND快速泄电。这样就可以满足TRIAC调光应用中第二种情况下高压功率MOS管的栅极与源极之间电压Vgs随之快速响应降低的要求。
与现有的技术相比，图3所示本发明低环路响应模块13电路的一种实施例，其于电阻R1的第二端与功率管5的栅极55之间加入了一个可由多个zener管组成的稳压管组Z1，且，高压功率MOS管栅极与接地(GND)之间为小电流通路。其优点在于：
1.LED电流纹波消除电路正常工作中，电路的环路响应速度很慢，使得高压功率MOS管栅极电压波动很小，从而可以实现流过LED灯的输出电流纹波小于1％；以及
2.电路很慢环路响应速度，有效的抑制了由于输入交流电有效值的波动引起的LED灯在TRIAC调光小电流下出现的呼吸式亮度晃动现象。适用于市面上绝大多数TRIAC调光器，确保在TRIAC调光1％深度以上时，LED光源的PST指数小于0.5。
藉由以上较佳具体实施例的描述，本领域具有通常知识者当可更加清楚本发明的特征与精神，惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，任何对上述实施例进行的修改及变化仍不脱离本发明的精神，且本发明的权利范围应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,构建于所述的LED驱动系统上，所述的LED驱动系统包括一LED负载、一MOS管及一恒流控制电路，所述的LED负载连接于所述的MOS管的一漏极与所述的恒流控制电路间，所述的MOS管的一源极接地并连接至所述的恒流控制电路，一电容之一端与所述的恒流控制电路连接，而所述的MOS管的源极则透过一电阻接地GND，其特征在于：所述的驱动电路包括:
一电流纹波控制模块，分別与所述的MOS管的一栅极、所述的MOS管的源极、一低环路响应模块、一LEDN电位检测响应模块、一启动快速响应模块及一调光快速响应模块连接，并连接至所述的电容远离所述的恒流控制电路的一VC端，用以通过调整所述的MOS管的一栅源电压，从而调整所述的MOS管的一导通阻抗，将一前级恒流输出的电流纹波转换成所述的MOS管的漏源两端的电压纹波；
所述的低环路响应模块，又分別与所述的LEDN电位检测响应模块及所述的电容的VC端连接并接地；
所述的LEDN电位检测响应模块，又分別与所述的电容的VC端、所述的MOS管的漏极、以及所述的LED负载远离所述的恒流控制电路的LEDN端连接，用以根据所述的LEDN端的电位来控制流入所述的VC端电流的大小；
所述的启动快速响应模块，用以在前级输出电流由小变大时，增大流入所述的VC端的电流，以增加系统响应速度；以及
所述的调光快速响应模块，用以在TRIAC调光导通角由大变小时，开启所述的VC端对所述的接地的泄电通路，快速降低所述的MOS管的栅源电压，使其适应流过小电流情况；
所述的LEDN电位检测响应模块在所述的MOS管的栅极与漏极之间串联至少一个zener稳压二极管和一个限流电阻；
所述的低环路响应模块，在MOS管栅极和GND之间串联一大阻值的电阻，所述电阻至少1MΩ。
2.如权利要求1所述的用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,其中所述的低环路响应模块所设定正常工作时一系统响应周期大于市电电压有效值波动周期。
3.如权利要求1所述的用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,其中,所述的调光快速响应模块，在所述LEDN电位检测响应模块的zener稳压二极管两端间并联有一高压二极管。
4.如权利要求3所述的用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,其中,所述的调光快速响应模块，并联一栅源短接的高压MOSFET。
5.如权利要求3所述的用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,其中,所述的调光快速响应模块，并联一高压双极型晶体管BJT。
6.如权利要求1所述的用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,其中,所述的LEDN电位检测响应模块，串联至少一个双极型晶体管BJT和一个限流电阻。
7.如权利要求1所述的用于消除LED驱动系统电流纹波的驱动电路,其中,所述的LEDN电位检测响应模块,串联至少一个栅源短接的金属氧化物半导体场效应管MOSFET和一个限流电阻。
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