CN110838789B - 一种纹波抑制电路、系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种纹波抑制电路、系统及其方法，包括：波形提取电路和输出控制电路，所述的输出控制电路连接在负载与地之间，所述的波形提取电路采集负载与地之间线路的上的电流信号。波形提取电路将电流信号中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。本发明提供一种结构简单、易于封装、抑制纹波效果明显的纹波抑制电路、系统及其方法。

Description

一种纹波抑制电路、系统及其方法
技术领域
本发明涉及LED驱动领域，尤其涉及一种纹波抑制电路、系统及其方法。
背景技术
LED负载器件对其工作电流的稳定性要求很高，现有的LED恒流驱动电路主要包括整流桥、恒流驱动模块、LED负载等部分，其中恒流驱动模块输出电流为LED负载供电使其点亮，但由于恒流驱动模块输出电流中含有工频纹波的成分，会导致流过LED负载部分的电流中也带有纹波。例如，电网输入源频率为50Hz,则恒流驱动模块输出的电流中会含有100Hz的纹波，同时流过LED负载的驱动电流中也会含有100Hz的纹波，进而使得LED负载发出的光中亦含有100Hz的频闪。
研究表明，当光的闪烁的频率较低时，如低于100Hz，人眼可以感觉到光的闪烁；当光的闪烁频率在100Hz或者更高的频率下，人眼虽然感觉不到闪烁，但仍能引起视觉神经系统的响应，人眼长期处在这种照明环境下，会产生视觉神经疲劳、眩晕、头痛等危害。目前，LED恒流驱动电路方案都存在频闪的问题，此类方案若想减弱频闪，往往是以降低高功率因数和提高成本为代价，还有的一些纹波抑制电路解决方案电路复杂且不易实现封装，实际使用效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、易于封装、抑制纹波效果明显的纹波抑制电路、系统及其方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种纹波抑制电路，包括：波形提取电路31和输出控制电路33，所述的输出控制电路33连接在负载与地之间，所述的波形提取电路31采集负载与地之间线路的上的电流信号。波形提取电路31将电流信号中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路33对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。
优选地，所述的输出控制电路33包括晶体管M1，所述晶体管M1的漏极与负载相连接，晶体管M1的源极通过采样电阻R1与地相连，晶体管M1的源极与采样电阻R1之间设有采样点A，所述波形提取电路31的输入和输出分别与采样点A及输出控制电路33相连，波形提取电路31将采集到表征纹波波形的纹波信号输入至输出控制电路33，晶体管M1对负载与地之间的电流信号进行调整。
优选地，所述的波形提取电路31包括滤波电容C1和接地电阻R2，滤波电容C1的一端与采样点A相连接，滤波电容C1的另一端通过接地电阻R2接地，并且滤波电容C1与接地电阻R2的公共端输出表征纹波波形的纹波信号。
优选地，所述的输出控制电路33还包括晶体管M2以及电阻R3，所述晶体管M2的栅极与波形提取电路31的输出相连，所述电阻R3的两端分别与晶体管M1的漏极与栅极相连，晶体管M2的漏极与晶体管M1的栅极相连，晶体管M2的源极接地，通过晶体管M2及晶体管M1能够调整负载与地之间的电流信号。
优选地，还包括波形处理电路32，所述的波形处理电路32设置在波形提取电路31与输出控制电路33之间，波形处理电路32将输入的纹波信号进行处理，处理后的纹波信号能够驱动输出控制电路33对负载与地之间的电流信号进行调整。
优选地，所述的波形处理电路32包括放大器U1，所述放大器U1的输入端和输出端分别与波形提取电路31的输出端以及输出控制电路33的输入端相连接。
本发明还包括一种纹波抑制系统，包括：恒流驱动电路1、LED负载2及纹波抑制电路3，恒流驱动电路1用于将输入的交流电进行整流及恒流处理，进而能够输出一个平均电流恒定的LED供电电流，恒流驱动电路1与LED负载2之间设有与地相连的滤波电容C10，所述的纹波抑制电路3包括波形提取电路31和输出控制电路33，所述的输出控制电路33连接在LED负载2与地之间，所述的波形提取电路31采集LED负载2与地之间线路的上的负载电流ILED，波形提取电路31将负载电流ILED中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路33对LED负载2与地之间的负载电流ILED进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。
优选地，所述的输出控制电路33包括晶体管M1，所述晶体管M1的漏极与LED负载2相连接，晶体管M1的源极通过采样电阻R1与地相连，晶体管M1的源极与采样电阻R1之间设有采样点A，所述波形提取电路31的输入和输出分别与采样点A及输出控制电路33相连，波形提取电路31将采集到负载电流ILED中表征纹波波形的纹波信号输入至输出控制电路33，晶体管M1对LED负载2与地之间的负载电流ILED进行调整。
本发明还包括一种纹波抑制方法，包括：采集负载与地之间线路的上的电流信号，提取电流信号中表征纹波波形的纹波信号，根据纹波信号对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。
优选地，在提取电流信号中表征纹波波形的纹波信号以及根据纹波信号对负载与地之间的电流信号进行调整之间，还包括对提取到的纹波信号进行放大处理，得到放大处理后的纹波信号。
本发明的波形提取电路及控制电路构成闭环反馈调节电路，实现了将负载中的纹波信号进行提取处理，并利用提取到的纹波信号作为控制信号驱动控制电路调整负载与地之间的电流信号，不仅能够实现抑制或消除纹波，还能够克服现有技术的缺陷，提供一种设计结构简单、易于封装、抑制纹波效果明显的纹波抑制电路。
附图说明
图1是现有技术的电路结构图；
图2是本发明纹波抑制电路一种实施例的框图；
图3是本发明纹波一直电路另一种实施例的框图；
图4是本发明纹波抑制电路具体实施例的电路示意图；
图5是本发明纹波抑制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1是一种现有技术纹波抑制的具体实施例，恒流驱动电路1的输入与交流供电电源相连接，恒流驱动电路1的输出与LED负载2相连接，并且恒流驱动电路1与LED负载2之间还设有与地相连的滤波电容C10。其中恒流驱动电路1用于将输入的交流电进行整流及恒流处理，进而能够输出一个平均电流恒定的LED供电电流，滤波电容C10用于对恒流驱动电路1输出的带有纹波的电流进行初步滤波。
图1中恒流驱动电路1输出的电流中会带有工频纹波分量，带有工频纹波分量的电流流入LED负载2时会造成LED负载2产生频闪，不仅对LED负载2的寿命产生影响同时用户长期处在这种照明环境下，会产生视觉神经疲劳、眩晕、头痛等危害。图1提出了一种现有纹波抑制电路的电路结构，具体见图1中下方虚线框内电路，现有纹波抑制电路与LED负载2串联连接，包括晶体管M10、误差放大器U10、滤波电容C20及误差放大器U20，图1中晶体管M10为NMOS管，晶体管M10的漏极与LED负载2连接，LED负载2还与误差放大器U10的同相输入端相连，误差放大器U10的反相输入端接参考电压Vref，误差放大器U10的输出端接误差放大器U20的同相输入端，误差放大器U10与误差放大器U20之间设有接地的滤波电容C20，误差放大器U20的输出端与晶体管M10的栅极相连，晶体管M10的源极与地之间设有采样电阻R10，采样电阻R10的采样端A与误差放大器U20的反相输入端相连，晶体管M10、误差放大器U20及采样电阻R10构成闭环反馈回路。分析图1中的现有纹波抑制电路可知，误差放大器U10将晶体管M10的漏极电压Vd(LED负载2的负极端电压)与基准电压Vref进行比较并输出参考信号Vc，参考信号Vc经滤波电容C20滤波后输入误差放大器U20的同相输入端，此时经过比较及滤波处理后的参考信号Vc是较为平缓的信号，特别地，该滤波电容C20为保证滤波效果需要设置大容量电容，一般需要容量单位在微法μF级别的电容，该级别电容体积较大不易实现集成封装，且成本高设计难度大。误差放大器U20将从采样端A得到的晶体管M10的源极电压Vs与参考信号Vc进行比较，并且向晶体管M10的栅极输入控制信号使晶体管M10工作于恒流区，控制信号作用于晶体管M10的栅极使得晶体管M10调整流过其上的负载电流ILED，由于晶体管M10、误差放大器U20及采样电阻R10构成闭环反馈回路，晶体管M10根据控制信号调整后的源极电压Vs近似于参考信号Vc，且负载电流ILED趋于平缓，达到降低纹波的效果。但图1的现有纹波抑制电路中滤波电容C20体积较大不易封装，提高了纹波抑制电路的成本及设计难度。
图2所示的是本发明纹波抑制电路3的一种实施例的结构框图。本发明的纹波抑制电路3，用于抑制恒流驱动电路1输入至负载的电流纹波，包括波形提取电路31和输出控制电路33，所述的输出控制电路33连接在负载与地之间，所述的波形提取电路31采集负载与地之间线路的上的电流信号，波形提取电路31将电流信号中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路33对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。特别地，如图3所示纹波抑制电路3的另一实施例框图，还包括波形处理电路32，所述的波形处理电路32设置在波形提取电路31与输出控制电路33之间，波形处理电路32将输入的纹波信号进行处理，处理后的纹波信号能够驱动输出控制电路33对负载与地之间的电流信号进行调整。本发明的波形提取电路及控制电路构成闭环反馈调节电路，能够将负载中的纹波信号进行提取处理，并利用提取到的纹波信号作为控制信号驱动控制电路调整负载与地之间的电流信号，不仅能够实现抑制或消除纹波，还能够克服现有技术的缺陷，提供一种设计结构简单、易于封装、抑制纹波效果明显的纹波抑制电路。同时，本发明能够利用采集处理后的纹波信号直接驱动控制电路，提高了纹波抑制电路的工作效率。
图2或图3中的纹波抑制电路3能够应用在LED恒流驱动电路中，形成一个应用于LED负载的纹波抑制系统。所述纹波抑制系统包括恒流驱动电路1、LED负载2及纹波抑制电路3，其中恒流驱动电路1的电路结构有很多种，例如恒流驱动电路1包括串联连接的整流桥和恒流驱动模块，LED负载2也不限于图1中LED发光体的串联结构，还可以是其他LED负载电路结构，并且恒流驱动电路1与LED负载2之间还设有与地相连的滤波电容C10。恒流驱动电路1用于将输入的交流电进行整流及恒流处理，进而能够输出一个平均电流恒定的LED供电电流，滤波电容C10用于对恒流驱动电路1输出的带有纹波的电流进行初步滤波。纹波抑制电路3的电路结构在上文中已经说明，这里不在重复描述。图2或图3中由恒流驱动电路、LED负载2及纹波抑制电路3构成的应用于LED负载的纹波抑制系统能够有效地抑制或消除纹波，并且系统中的纹波抑制电路3电路结构简单，易于封装，工作效率高。
图4中示出了本发明纹波抑制电路3的具体电路实施例，所述输出控制电路33包括晶体管M1，所述晶体管M1的漏极与负载相连接，晶体管M1的源极通过采样电阻R1与地相连，晶体管M1的源极与采样电阻R1之间设有采样点A，所述波形提取电路31的输入和输出分别与采样点A及输出控制电路33相连，波形提取电路31将采集到表征纹波波形的纹波信号输入至输出控制电路33，晶体管M1对负载与地之间的电流信号进行调整。具体地，波形提取电路31包括滤波电容C1和接地电阻R2，滤波电容C1的一端与采样点A相连接，滤波电容C1的另一端通过接地电阻R2接地，并且滤波电容C1与接地电阻R2的公共端输出表征纹波波形的纹波信号；优选地，滤波电容C1的另一端与波形处理电路32的输入端相连接，并且接地电阻R2设置在滤波电容C1与波形处理电路32的输入端之间。由于流过晶体管M1源极的电流随晶体管M1漏极电流(也即带有纹波的负载电流)变化，因此采样点A上得到的采样信号随晶体管M1漏极的负载信号变化，并且采样信号中带有负载信号中的纹波成分，采样信号经过滤波电容C1及接地电阻R2后能得到表征负载上纹波波形的纹波信号，并将该纹波信号输入至波形处理电路32进行处理。特别地，由于纹波抑制电路的整体设计方式，相比于现有技术，滤波电容C1在电路设计时可以采用容量较小的电容，例如可以采用容量单位为皮法PF的电容，这种电容能够很容易地实现集成封装且成本较低，进而为实现本申请的纹波抑制电路3的整体封装提供可行性。此外，波形提取电路31的结构不仅限于上述一种实施例，还可以是其他的滤波结构。输出控制电路33中的晶体管M1可使用MOS管、三极管等晶体管器件，图4中的具体实施例使用的是NMOS管。
波形提取电路31得到的纹波信号经波形处理电路32处理后，所产生的处理后的纹波信号能够满足驱动输出控制电路33的信号参数要求，从而能够使得输出控制电路33完成闭环反馈调节。具体地，波形处理电路32包括放大器U1，所述放大器U1的输入端和输出端分别与波形提取电路31的输出端以及输出控制电路33的输入端相连接，优选地，波形提取电路31包括滤波电容C1和接地电阻R2，放大器U1的输入端与滤波电容C1相连接。波形处理电路32的放大器U1被配置为接收由波形提取电路31输入的纹波信号，并将纹波信号进行放大处理，放大处理后的纹波信号满足作为输出控制电路33的驱动信号的条件。纹波信号的处理方式简单可靠，提高了信号提取处理的工作效率。此外，波形处理电路32不仅限于上述一种实施例，只要是能够使得处理后的纹波信号能够满足输出控制电路33的驱动条件即可。
所述的输出控制电路33包括晶体管M1、晶体管M2及电阻R3，所述晶体管M2的栅极与波形提取电路31的输出相连，所述电阻R3的两端分别与晶体管M1的漏极与栅极相连，晶体管M2的漏极与晶体管M1的栅极相连，晶体管M2的源极接地，通过晶体管M2及晶体管M1能够调整负载与地之间的电流信号，达到抑制纹波的目的。
输出控制电路33还可被配置为接收波形处理电路32输入的处理后的纹波信号，处理后的纹波信号能够驱动输出控制电路33调节负载与地之间的电流，进而实现抑制或消除负载上的纹波。具体地，输出控制电路33包括晶体管M1、晶体管M2以及电阻R3，晶体管M1的漏极与负载相连，晶体管M1的源极通过采样电阻R1接地。晶体管M2的栅极与波形处理电路32的输出端相连接，优选地，晶体管M2的栅极与波形处理电路32的放大器U1的输出端相连接，晶体管M2的漏极与晶体管M1的栅极相连接，晶体管M2的源极接地。电阻R3的两端分别与晶体管M1的漏极和栅极相连接。处理后的纹波信号能够驱动输出控制电路33从而调节流过晶体管M1的电流，完成抑制或消除纹波。更为具体地，晶体管M1和晶体管M2的跨导分别为gm1和gm2，则整个环路的增益表达式为：
Figure BDA0001769085480000081
在上式中U1为放大器的增益，s为拉普拉斯变化，上式的增益会随着频率变化而变化，在100HZ时，假设增益为AV100HZ，那么最终的纹波电流会变为：
Figure BDA0001769085480000091
上式中I为平均电流，A100HZ为100HZ处的增益，ΔI和Δi分别是处理前后的纹波电流大小，因此可以看出，经过处理后，纹波电流变为原来的1/(1+A)，可以通过改变A来改变纹波电流大小，最终实现消除频闪的目的。
图4中的纹波抑制电路3的具体实施例同样能够应用在LED恒流驱动电路中，形成一个应用于LED负载的纹波抑制系统的具体实施例。所述纹波抑制系统包括恒流驱动电路1、LED负载2及纹波抑制电路3，其中恒流驱动电路1的电路结构有很多种，例如恒流驱动电路1包括串联连接的整流桥和恒流驱动模块，LED负载2也不限于图1中LED发光体的串联结构，还可以是其他LED负载电路结构，并且恒流驱动电路1与LED负载2之间还设有与地相连的滤波电容C10。恒流驱动电路1用于将输入的交流电进行整流及恒流处理，进而能够输出一个平均电流恒定的LED供电电流，滤波电容C10用于对恒流驱动电路1输出的带有纹波的电流进行初步滤波。所述的纹波抑制电路3包括波形提取电路31和输出控制电路33，所述的输出控制电路33连接在LED负载2与地之间，所述的波形提取电路31采集LED负载2与地之间线路的上的负载电流ILED，波形提取电路31将负载电流ILED中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路33对LED负载2与地之间的负载电流ILED进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。具体地，输出控制电路33包括晶体管M1，晶体管M1的漏极与LED负载2相连接，晶体管M1的源极通过采样电阻R1与地相连，晶体管M1的源极与采样电阻R1之间设有采样点A，波形提取电路31的输入和输出分别与采样点A及输出控制电路33相连，波形提取电路31将采集到负载电流ILED中表征纹波波形的纹波信号输入至输出控制电路33，晶体管M1对LED负载2与地之间的负载电流ILED进行调整。优选地，纹波抑制电路3的晶体管M1的漏极与LED负载2的阴极相连接，LED负载2的负载电流ILED流过晶体管M1，负载电流ILED中带有纹波成分，通过采样电阻R1、滤波电容C1及放大器U1对纹波信号进行提取处理，并通过处理后的纹波信号作为控制信号驱动输出控制电路33调节流过晶体管M1上的负载电流ILED，使得晶体管M1源极输出的电流趋于平缓，完成自适应闭环反馈调节，达到抑制或消除纹波的作用。
本发明还包括一种纹波抑制方法，如图5所示，所述方法包括采集负载与地之间线路的上的电流信号，提取电流信号中表征纹波波形的纹波信号，根据纹波信号对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。优选地，在提取电流信号中表征纹波波形的纹波信号以及根据纹波信号对负载与地之间的电流信号进行调整之间，还包括对提取到的纹波信号进行放大处理，得到放大处理后的纹波信号。纹波抑制方法操作简单，能够有效地抑制纹波，并且通过上述纹波抑制方法能够实现简便封装。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纹波抑制电路，其特征在于，包括：波形提取电路(31)和输出控制电路(33)，所述的输出控制电路(33)连接在负载与地之间，所述的波形提取电路(31)采集负载与地之间的线路上的电流信号；
波形提取电路(31)将电流信号中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路(33)对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波；
所述的输出控制电路(33)包括晶体管M1，所述晶体管M1的漏极与负载相连接，晶体管M1的源极通过采样电阻R1与地相连，晶体管M1的源极与采样电阻R1之间设有采样点A，所述波形提取电路(31)的输入和输出分别与采样点A及输出控制电路(33)相连，波形提取电路(31)将采集到表征纹波波形的纹波信号输入至输出控制电路(33)，晶体管M1对负载与地之间的电流信号进行调整；
所述的输出控制电路(33)还包括晶体管M2以及电阻R3，所述晶体管M2的栅极与波形提取电路(31)的输出相连，所述电阻R3的两端分别与晶体管M1的漏极与栅极相连，晶体管M2的源极与晶体管M1的栅极相连，晶体管M2的漏极接地，通过晶体管M2及晶体管M1能够调整负载与地之间的电流信号。
2.根据权利要求1所述的纹波抑制电路，其特征在于，所述的波形提取电路(31)包括滤波电容C1和接地电阻R2，滤波电容C1的一端与采样点A相连接，滤波电容C1的另一端通过接地电阻R2接地，并且滤波电容C1与接地电阻R2的公共端输出表征纹波波形的纹波信号。
3.根据权利要求1所述的纹波抑制电路，其特征在于，还包括波形处理电路(32)，所述的波形处理电路(32)设置在波形提取电路(31)与输出控制电路(33)之间，波形处理电路(32)将输入的纹波信号进行处理，处理后的纹波信号能够驱动输出控制电路(33)对负载与地之间的电流信号进行调整。
4.根据权利要求3所述的纹波抑制电路，其特征在于，所述的波形处理电路(32)包括放大器U1，所述放大器U1的输入端和输出端分别与波形提取电路(31)的输出端以及输出控制电路(33)的输入端相连接。
5.一种纹波抑制系统，其特征在于，包括：恒流驱动电路(1)、LED负载(2)及纹波抑制电路(3)，恒流驱动电路(1)用于将输入的交流电进行整流及恒流处理，进而能够输出一个平均电流恒定的LED供电电流，恒流驱动电路(1)与LED负载(2)之间设有与地相连的滤波电容C10，所述的纹波抑制电路(3)包括波形提取电路(31)和输出控制电路(33)，所述的输出控制电路(33)连接在LED负载(2)与地之间，所述的波形提取电路(31)采集LED负载(2)与地之间的线路上的负载电流ILED，波形提取电路(31)将负载电流ILED中表征纹波波形的纹波信号进行提取，提取到的纹波信号能够驱动输出控制电路(33)对LED负载(2)与地之间的负载电流ILED进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波；
所述的输出控制电路(33)包括晶体管M1，所述晶体管M1的漏极与LED负载(2)相连接，晶体管M1的源极通过采样电阻R1与地相连，晶体管M1的源极与采样电阻R1之间设有采样点A，所述波形提取电路(31)的输入和输出分别与采样点A及输出控制电路(33)相连，波形提取电路(31)将采集到负载电流ILED中表征纹波波形的纹波信号输入至输出控制电路(33)，晶体管M1对LED负载(2)与地之间的负载电流ILED进行调整；
所述的输出控制电路(33)还包括晶体管M2以及电阻R3，所述晶体管M2的栅极与波形提取电路(31)的输出相连，所述电阻R3的两端分别与晶体管M1的漏极与栅极相连，晶体管M2的源极与晶体管M1的栅极相连，晶体管M2的漏极接地，通过晶体管M2及晶体管M1能够调整负载与地之间的电流信号。
6.一种纹波抑制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4任一项所述的纹波抑制电路，该纹波抑制方法包括：采集负载与地之间的线路上的电流信号，提取电流信号中表征纹波波形的纹波信号，根据纹波信号对负载与地之间的电流信号进行调整，进而抑制或消除负载上的纹波。
7.根据权利要求6所述的纹波抑制方法，其特征在于，在提取电流信号中表征纹波波形的纹波信号以及根据纹波信号对负载与地之间的电流信号进行调整之间，还包括对提取到的纹波信号进行放大处理，得到放大处理后的纹波信号。
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