CN109462917B - 一种高效闭环线性led恒流控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效闭环线性LED恒流控制电路，其特征在于：包括整流桥（100）、发光二极管群组（200）、电流控制环（P1）、闭环控制电路（P）和线电压电阻采样网络（300）；所述整流桥（100），用于对交流电进行全波整流，经过发光二极管群组（200）为内部电路供电；所述电流控制环（P1）的输入端(VIN)连接发光二极管群组（200）的负极；所述线电压电阻采样网络（300），得到采样电压VBS；所述闭环控制电路（P）包括基准电圧芯片（400）、第二运算放大器(Gm)、减法器、环路补偿电容（C1）和电阻（RCS）。本发明解决传统线性LED驱动电路，灯电压选择范围狭窄，效率低下，线性调整率差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED驱动电路领域，尤其是一种高效闭环线性LED恒流控制电路及控制方法。
背景技术
由LED的电学特性可知，LED的平均正向电流随着正向电压的增大呈现大幅度的线性增长，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，且电流对LED结温影响很大，过大的电流很容易导致LED灯珠结温升高而损坏。此外，由LED的光学特性可知随着正向电流的增加，LED光通量随之增大，即亮度增加。因此为了保持LED发光亮度的恒定，就要保证LED正向电流的稳定。因此设计合理的驱动电源对于LED照明灯具就显得十分重要。
传统线性LED驱动，多采用开环控制，LED导通时，LED电流保持恒定的，由LED的导通原理可知，当AC弦波电压刚刚大于LED灯电压时，效率是最高的，随着AC弦波电压的抬高，大于灯电压的幅度越高，损耗就越大，效率就越低。例如针对220V应用，灯电压必须串联到250V左右，效率才能勉强达到85%左右，灯电压越低损耗就越大。
同时由于LED灯电流在整个AC周期内是开环控制的，当电网波动时，LED的导通角会随电网波动而波动，而LED导通时的电流是恒定的，所以当电网波动方向是AC电压升高，导通角变大，LED的平均电流就会升高，反之，电网波动方向是AC电压降低，导通角变小，LED的平均电流就会降低，造成线性调整率较差。
如图1所示，在传统LED线性恒流控制电路中，LED灯串连接到输入整流桥的正端，通过由OP、MOS管M1、VREF电压、RCS电阻组成的线性电流控制环P1来设定流过LED的电流Io；
根据LED导通原理，只有在输入电压高于LED正向导通电压VLED时，LED灯串才会被点亮，系统的有效功率PO=VLED*IO，而系统损耗PLOSS=（VBUS-VLED）*IO，由以上两个公式及线性电路的工作原理可知DCBUS电压刚刚大于LED电压时效率是最高的，如图2所示，由于LED的电流IO保持恒定，所以当AC弦波电压达到峰值点时，系统的损耗最大。
据美国能源之星标准要求，线性效率要达到84%以上，PF值要达到0.7以上，传统的线性电路很难在120V电网下达到上述效率要求。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高效闭环线性LED恒流控制电路，解决传统线性LED驱动电路，灯电压选择范围狭窄，效率低下，线性调整率差的问题；通过控制灯电流波形，使AC弦波电压刚刚高于灯电压时，灯电流最大，AC弦波电压越高，灯电流越小，大大提升效率；同时由于闭环控制，使输出LED平均电流又能保持恒定。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种高效闭环线性LED恒流控制电路，包括整流桥100、发光二极管群组200、电流控制环P1、闭环控制电路P和线电压电阻采样网络300；所述整流桥100，用于对交流电进行全波整流，并产生输出电压VBUS，经过发光二极管群组200为内部电路供电；所述电流控制环P1的输入端 VIN连接发光二极管群组200的负极；所述线电压电阻采样网络300，用于采样线电压，得到采样电压VBS；
所述闭环控制电路P包括基准电圧芯片400、第二运算放大器Gm、减法器SUB、环路补偿电容C1和电阻RCS；
所述基准电圧芯片400的输入端连接电流控制环P1的输入端 VIN，基准电圧芯片400的输出端连接第二运算放大器Gm的同相输入端；
所述第二运算放大器(Gm)的反向输入端连接电流控制环P1，输出端连接减法器SUB的A输入端，输出电压COMP；
所述减法器SUB的B输入端连接线电压电阻采样网络300，输出端连接电流控制环P1，输出电压SUB_OUT；
所述环路补偿电容C1一端与所述第二运算放大器Gm的输出端连接， 另一端接地；
所述电阻器RCS的一端与第二运算放大器Gm的反相输入端连接， 另一端接地。
作为优选，所述线电压电阻采样网络300包括串联的电阻RSUB1和电阻RSUB2；所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的负极，另一端接地。
作为优选，所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的正极，另一端接地。
作为优选，所述电流控制环P1包括第一运算放大器OP，第一运算放大器OP的同向输入端连接减法器输出电压SUB_OUT，反相输入端连接电阻RCS，输出端连接MOS开关管M1的栅极；MOS开关管M1的漏极连接电流控制环P1的输入端 VIN，源极连接电流控制环P1的输出端。
作为优选，所述减法器SUB接收第二运算放大器Gm的输出电压COMP，以及线电压电阻采样网络300的采样电压VBS，并将两个电压做差处理。
作为优选，所述第二运算放大器Gm与环路补偿电容C1构成积分器；所述积分器，用于对LED电流进行积分。
本发明一种高效闭环线性LED恒流控制方法，包括以下步骤：
步骤一：当输入电压VBUS刚刚达到LED电压时，将第二运算放大器（Gm）积分CS电压所得的输出电压VCOMP与线电压电阻采样网络（300）的采样电压VBS做相减处理，放大LED的导通电流到最大；
步骤二：随着输入弦波电压的逐渐升高，将LED电流逐渐减小，当VBUS电压达到峰值点附近时，LED电流降到最小；
步骤三：随着弦波电压进一步越过峰值点开始下降，将LED的电流逐渐增大，当弦波电压降到LED电压附近时，LED电流达到最大。
作为优选，高效闭环线性LED恒流控制方法还包括：调整线电压电阻采样网络（300）中电阻（RSUB1）和电阻（RSUB2）的比例。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明公开了高效闭环线性LED恒流控制电路，通过控制灯电流波形，使AC弦波电压刚刚高于灯电压时，灯电流最大，AC弦波电压越高，灯电流越小，大大提升效率；同时由于闭环控制，使输出LED平均电流又能保持恒定。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是传统LED线性恒流控制电路图。
图2是传统LED线性恒流控制波形图。
图3是本发明一种高效闭环线性LED恒流控制电路图。
图4是实施例中高效闭环线性恒流控制各重要节点时序图。
图5是高效闭环线性恒流控制电路高VBS采样电压重要节点波形图。
图6是另一个实施例的高效闭环线性LED恒流控制电路图。
图中标记：100为整流桥，200为发光二极管群组，300为线电压电阻采样网络，400为基准电圧芯片。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图3所示，本发明一种高效闭环线性LED恒流控制电路，包括整流桥100、发光二极管群组200、电流控制环P1、闭环控制电路P和线电压电阻采样网络300；所述整流桥100，用于对交流电进行全波整流，并产生输出电压VBUS，经过发光二极管群组200为内部电路供电；所述电流控制环P1的输入端 VIN连接发光二极管群组200的负极；所述线电压电阻采样网络300，用于采样线电压，得到采样电压VBS；所述线电压电阻采样网络300包括串联的电阻RSUB1和电阻RSUB2；
所述闭环控制电路P包括基准电圧芯片400、第二运算放大器Gm、减法器SUB、环路补偿电容C1和电阻RCS；所述基准电圧芯片400的输入端连接电流控制环P1的输入端 VIN，基准电圧芯片400的输出端连接第二运算放大器Gm的同相输入端；所述第二运算放大器Gm的反向输入端连接电流控制环P1，输出端连接减法器SUB的A输入端，输出电压COMP；所述减法器SUB的B输入端连接线电压电阻采样网络300，输出端连接电流控制环P1，输出电压SUB_OUT；所述环路补偿电容C1一端与所述第二运算放大器Gm的输出端连接，另一端接地；所述电阻器RCS的一端与第二运算放大器Gm的反相输入端连接，另一端接地；所述闭环控制电路P，用来确定LED的平均电流ILEDAVG=VREF/RCS，其中VREF是第二运算放大器Gm的基准电圧，RCS是电阻器RCS的阻值。
在一个实施例中，所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的负极，另一端接地。
在实施例中，所述电流控制环P1包括第一运算放大器OP，第一运算放大器OP的同向输入端连接减法器输出电压SUB_OUT，反相输入端连接电阻RCS，输出端连接MOS开关管M1的栅极；MOS开关管M1的漏极连接输入端 VIN，源极连接输出端；所述电流控制环P1，确定单个周期LED导通时LED的电流ILEDSINGLE=VSUB_OUT/RCS，其中VSUB_OUT是减法器的输出电压，RCS是电阻器RCS的阻值。
在实施例中，所述减法器SUB接收第二运算放大器Gm的输出电压COMP，以及线电压电阻采样网络300的采样电压VBS，并将两个电压做差处理，得到VSUB_OUT，控制LED导通时的瞬态电流波形。
在实施例中，所述第二运算放大器Gm与环路补偿电容C1构成积分器；所述积分器，用于对LED电流进行积分。
如图4所示，在系统上电时，整流桥对交流电VAC进行全波整流，并产生输出电压VBUS，当VBUS电压大于发光二极管群组正向导通电压时，IC通过VIN脚取电，并开始工作，IC内部对VCOMP进行快速预充电，得到COMP的初始电压，COMP电压与VBS脚采样所得的VBS电压做减法处理，得到VSUB_OUT，由VSUB_OUT确定LED导通的电流大小：VSUBOUT=K(m*VCOMP-n*VBS)；
由线性电路的工作原理可知，系统的有效功率为PO=VLED*IO，而系统损耗等于PLOSS=（VBUS-VLED）*IO，当整流后的VBUS电压刚刚大于LED电压时，系统效率是最高的，当VBUS的电压达到峰值的时候，系统的损耗最高。
在LED导通时，即Ton时段内，环路补偿电容C1放电，导致VCOMP下降；而同时由于采样电压VBS随着输入电压VBUS升高而上升，根据减法器计算公式，减法器的输出电压VSUBOUT下降；又由于单个周期LED导通时LED的电流ILEDSINGLE=VSUB_OUT/RCS，LED的电流Io下降；所以LED的电流Io随着VBUS的升高而减小，随着VBUS的下降而增大。
在VBUS电压刚刚达到LED电压时，尽量放大LED的导通电流，使此时的LED有效功率在整个周期内的占比最高，而随着弦波电压的逐渐升高，LED电流逐渐减小，当VBUS电压达到峰值点附近时，LED电流降到最小，根据有损耗的公式可知，这样可以最大程度的减小损耗，从而达到在整个周期内提升系统效率的目的。
在实施例中，电流控制环P1和闭环控制电路P封装在单个芯片IC上，VIN、IS、GND、COMP、VBS代表芯片IC管脚；环路补偿电容C1和电阻器Rcs可以封装在IC中，也可以设置在芯片外。
在另一个实施例中，本发明还公开了一种高效闭环线性LED恒流控制方法，包括以下步骤：
步骤一：在VBUS电压刚刚达到LED电压时，通过减法器SUB将第二运算放大器Gm积分CS电压所得的输出电压VCOMP与线电压电阻采样网络300的采样电压VBS做相减处理，放大LED的导通电流；
步骤二：随着弦波电压的逐渐升高，将LED电流逐渐减小，当VBUS电压达到峰值点附近时，LED电流降到最小；
步骤三：随着弦波电压进一步越过峰值点开始下降，将LED的电流逐渐增大，当弦波电压降到LED电压附近时，LED电流达到最大。
如图5图所示，在实施例中还可以通过调整线电压采样网络采样的电压VBS的大小，即
调整采样电阻网络RSUB1与RSUB2的比例，来调整提升效率的幅度；当VBS采样的电压足够大时，减法器输出电压会在峰值点附近降到零，LED导通电流仅限于LED刚刚导通时的一段时间内，同时由于MOS的导通能力限制，电路内部会限制SUB_OUT电压的最高值；由线性工作原理可知：VBS采样电压越高，系统的效率越高。
如图6所示，在另一个实施例中，所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的正极，另一端接地。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (6)
1.一种高效闭环线性LED恒流控制电路，其特征在于：包括整流桥（100）、发光二极管群组（200）、电流控制环（P1）、闭环控制电路（P）和线电压电阻采样网络（300）；所述整流桥（100），用于对交流电进行全波整流，并产生输出电压VBUS，经过发光二极管群组（200）为内部电路供电；所述电流控制环（P1）的输入端 (VIN)连接发光二极管群组（200）的负极；所述线电压电阻采样网络（300），用于采样线电压，得到采样电压VBS；
所述闭环控制电路（P）包括基准电圧芯片（400）、第二运算放大器(Gm)、减法器（SUB）、环路补偿电容（C1）和电阻器RCS；
所述基准电圧芯片（400）的输入端连接电流控制环（P1）的输入端 (VIN)，基准电圧芯片（400）的输出端连接第二运算放大器(Gm)的同相输入端；
所述第二运算放大器(Gm)的反向输入端连接电流控制环（P1），输出端连接减法器（SUB）的A输入端，输出电压COMP；
所述减法器（SUB）的B输入端连接线电压电阻采样网络（300），输出端连接电流控制环（P1），输出电压SUB_OUT；
所述环路补偿电容（C1）一端与所述第二运算放大器(Gm)的输出端连接，另一端接地；
所述电阻器RCS的一端与第二运算放大器(Gm)的反相输入端连接，另一端接地；
所述减法器（SUB）接收第二运算放大器(Gm)的输出电压COMP，以及线电压电阻采样网络（300）的采样电压VBS，并将两个电压做差处理；
所述第二运算放大器（Gm）与环路补偿电容（C1）构成积分器；所述积分器，用于对LED电流进行积分。
2.如权利要求1所述的高效闭环线性LED恒流控制电路，其特征在于：所述线电压电阻采样网络（300）包括串联的电阻RSUB1和电阻RSUB2；所述线电压电阻采样网络（300）一端连接发光二极管群组（200）的负极，另一端接地。
3.如权利要求1所述的高效闭环线性LED恒流控制电路，其特征在于：所述线电压电阻采样网络（300）一端连接发光二极管群组（200）的正极，另一端接地。
4.如权利要求1所述的高效闭环线性LED恒流控制电路，其特征在于：所述电流控制环（P1）包括第一运算放大器（OP），第一运算放大器（OP）的同向输入端连接减法器输出电压SUB_OUT，反相输入端连接电阻器RCS，输出端连接MOS开关管（M1）的栅极；MOS开关管（M1）的漏极连接电流控制环（P1）输入端 (VIN)，源极连接电流控制环（P1）输出端。
5.一种高效闭环线性LED恒流控制方法，基于权利要求1-4之一所述高效闭环线性LED恒流控制电路，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：当输入电压VBUS刚刚达到LED电压时，将第二运算放大器（Gm）积分CS电压所得的输出电压VCOMP与线电压电阻采样网络（300）的采样电压VBS做相减处理，放大LED的导通电流到最大；
步骤二：随着输入弦波电压的逐渐升高，将LED电流逐渐减小，当VBUS电压达到峰值点附近时，LED电流降到最小；
步骤三：随着弦波电压进一步越过峰值点开始下降，将LED的电流逐渐增大，当弦波电压降到LED电压附近时，LED电流达到最大。
6.如权利要求5所述的高效闭环线性LED恒流控制方法，其特征在于：还包括：调整线电压电阻采样网络（300）中电阻RSUB1和电阻RSUB2的比例。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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