CN111642041A - 线性led驱动电路、系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线性LED驱动电路、系统及其驱动方法，包括：连接于LED灯串负极与采样电阻之间的功率开关管；连接于LED灯串负极的工作电压产生模块，提供工作电压；连接LED灯串负极及工作电压的去纹波控制模块，产生去纹波控制信号；连接去纹波控制模块的基准电压产生模块，调整基准电压以实现去纹波控制；连接基准电压及采样电阻的运算放大器，控制功率开关管调整输出电流。当输入电压低于LED灯串的导通电压时，电解电容供电，减小LED灯串的输出电流的恒流值，进而消除工频纹波。本发明无论输入如何变化输出均可实现去纹波；去纹波功能不影响原有高功率因数应用的正常工作；无需增加外部元件，整个系统集成度高，外围电路简化。

Description

线性LED驱动电路、系统及其驱动方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种线性LED驱动电路、系统及其驱动方法。

背景技术

LED是一种能发光的半导体电子元件，这种电子元件早期只能发出低光度的红光，随着技术的不断进步，现在已发展到能发出可见光、红外线及紫外线的程度，光度也有了很大的提高。LED具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点，已被广泛应用于指示灯、显示器及照明领域。

通常情况下，为了滤除LED输出电流的纹波，线性LED驱动电路中增加电解电容，如图1所示，常见的去纹波的线性LED驱动电路1包括：交流电压Vin_ac通过整流桥11后转化为输入电压Vin，并向LED灯段供电，LED灯段由n个LED灯串联形成；LED灯段的输出端连接恒流控制芯片12，通过恒流控制芯片12内的恒流控制管的开关实现恒流控制，电解电容Cin’并联于整流桥11的两端，电解电容Cin’为可调器件。

如图2所示，当电解电容Cin’的电压高于LED灯段的正向导通电压时(在一个周期内的t0～t1及t2～t3时刻)，恒流控制芯片12可以控制LED灯段实现恒流输出。但是当输入电压Vin比较低或电解电容Cin’的容量比较小时，由于电解电容Cin’通过LED灯段放电，在某段时间(在一个周期内的t1～t2时刻)电解电容Cin’会放电至低于LED灯段的正向导通电压，使流经LED灯段的电流出现短暂跌落，从而出现工频纹波。

因此，纹波的去除效果并不理想，因此需要进一步去除工频纹波。电解电容的容量不够的情况下，可以通过增加电容量来实现，但是会存在系统成本、体积增加以及效率降低的问题。输入电压低的情况下，可以通过减少LED灯段的正向电压来改善，但是高输入电压时会存在效率降低、光通量减少等问题。

如何在去除纹波的同时不影响成本、体积、效率、光通量等问题，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种线性LED驱动电路、系统及其驱动方法，用于解决现有技术中去纹波方案存在的成本高、体积大、效率低及光通量低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种线性LED驱动电路，所述线性LED驱动电路至少包括：

功率开关管、工作电压产生模块、去纹波控制模块、基准电压产生模块及运算放大器；

所述功率开关管连接于LED灯串的负极与采样电阻之间，基于所述功率开关管调整所述LED灯串的输出电流；

所述工作电压产生模块连接于所述LED灯串的负极，基于所述LED灯串的负极电压为所述线性LED驱动电路的各模块提供工作电压；

所述去纹波控制模块连接于所述LED灯串的负极及所述工作电压产生模块的输出端，基于所述LED灯串的负极电压及所述工作电压产生去纹波控制信号；

所述基准电压产生模块连接所述去纹波控制模块的输出端，基于所述去纹波控制信号调整基准电压，以对所述输出电流进行去纹波控制；

所述运算放大器的输入端分别连接所述基准电压产生模块的输出端及所述采样电阻，基于所述基准电压及采样电压控制所述功率开关管调整所述输出电流。

可选地，所述线性LED驱动电路还包括计时模块，所述计时模块连接所述工作电压产生模块的输出端，对所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压的时间进行计时，并基于计时结果控制所述去纹波控制模块工作。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种线性LED驱动系统，所述线性LED驱动系统至少包括：

电压输入电路、电解电容、LED灯串、上述线性LED驱动电路及采样电阻；

所述电压输入电路提供输入电压；

所述电解电容并联于所述电压输入电路的两端，用于滤除LED灯串的输出电流纹波；

所述LED灯串的正极连接所述电压输入电路的输出端，负极连接所述线性LED驱动电路；

所述采样电阻的一端连接所述线性LED驱动电路，另一端接地。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述线性LED驱动系统的驱动方法，所述线性LED驱动系统的驱动方法至少包括：

当输入电压低于LED灯串的导通电压时，基于所述电解电容为所述LED灯串供电，减小所述LED灯串的输出电流的恒流值，延长电解电容的放电时间，进而消除工频纹波。

可选地，当所述LED灯串的负极电压小于所述线性LED驱动电路的工作电压时将所述基准电压设置为零；当所述LED灯串的负极电压大于所述工作电压且小于设定电压时，将所述基准电压从零逐渐增大至最大值；当所述LED灯串的负极电压大于所述设定电压时，将所述基准电压维持在最大值。

更可选地，所述基准电压从零至最大值线性增大。

更可选地，当所述线性LED驱动系统进行高功率因数应用时，关闭所述去纹波控制模块。

更可选地，当所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压的时间小于设定时间时，判定所述线性LED驱动系统进行高功率因数应用；当所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压的时间大于所述设定时间时判定所述LED驱动系统未进行高功率因数应用。

更可选地，所述设定时间不小于一个工频周期。

如上所述，本发明的线性LED驱动电路、系统及其驱动方法，具有以下有益效果：

1、本发明的线性LED驱动电路、系统及其驱动方法在实现线性LED驱动的同时实现去纹波应用，且无论输入如何变化输出都可以去纹波。

2、本发明的线性LED驱动电路、系统及其驱动方法的去纹波功能在高功率因数应用下不开启，不影响原有高功率因数应用的正常工作。

3、本发明的线性LED驱动电路、系统及其驱动方法无需增加外部元件，整个系统集成度高，外围电路简化。

附图说明

图1显示为现有技术中的线性LED驱动电路的结构示意图。

图2显示为现有技术中的线性LED驱动电路出现工频纹波的原理示意图。

图3显示为本发明的线性LED驱动电路的一种结构示意图。

图4显示为本发明的去纹波控制模块的原理示意图。

图5显示为本发明的线性LED驱动电路的另一种结构示意图。

图6显示为本发明的线性LED驱动系统的结构示意图。

元件标号说明

1 线性LED驱动电路

11 整流桥

12 恒流控制芯片

2 线性LED驱动电路

21 工作电压产生模块

22 去纹波控制模块

23 基准电压产生模块

24 运算放大器

25 计时模块

3 电压输入电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图3所示，本实施例提供一种线性LED驱动电路2，所述线性LED驱动电路2包括：

功率开关管Q1、工作电压产生模块21、去纹波控制模块22、基准电压产生模块23及运算放大器24。

如图3所示，所述功率开关管Q1连接于LED灯串的负极与采样电阻之间，基于所述功率开关管Q1调整所述LED灯串的输出电流。

具体地，在本实施例中，所述功率开关管Q1为NMOS，所述功率开关管Q1的漏极连接所述LED灯串的负极(即OUT端)，源极连接所述LED灯串的输出电流采样端Rext，栅极连接所述运算放大器24的输出端。在实际使用中所述功率开关管Q1可采用其他类型，包括但不限于绝缘栅双极型晶体管，不以本实施例为限。

如图3所示，所述工作电压产生模块21连接于所述LED灯串的负极，基于所述LED灯串的负极电压为所述线性LED驱动电路2的各模块提供工作电压VDD。

具体地，所述工作电压产生模块21的输入端连接所述LED灯串的负极(即OUT端)，通过所述LED灯串的负极供电，产生所述工作电压VDD，包括但不限于为所述去纹波控制模块22、所述基准电压产生模块23及所述运算放大器24供电。所述工作电压产生模块21的具体电路结构不限，任意可实现电源转换的电路结构均适用本发明，在此不一一列举。

如图3所示，所述去纹波控制模块22连接于所述LED灯串的负极及所述工作电压产生模块21的输出端，基于所述LED灯串的负极电压及所述工作电压VDD产生去纹波控制信号。

具体地，所述去纹波控制模块22的输入端连接所述LED灯串的负极(即OUT端)及所述工作电压VDD，所述去纹波控制模块22将所述LED灯串的负极电压Vout与所述工作电压VDD及设定电压VDD1进行比较，并基于比较结果输出相应控制信号。如图4所示，当所述LED灯串导通后，所述LED灯串的负极电压Vout逐渐上升，当所述LED灯串的负极电压Vout小于所述工作电压VDD时，所述线性LED驱动电路2中各模块无法工作，所述线性LED驱动电路2也无法工作，所述去纹波控制模块22控制所述基准电压产生模块23输出的基准电压Vref为0V。随着所述LED灯串的负极电压Vout的增大，当所述LED灯串的负极电压Vout大于所述工作电压VDD时，所述去纹波控制模块22控制所述基准电压产生模块23输出的基准电压Vref从0开始增大，直至所述基准电压Vref达到最大值Ref_max，所述最大值Ref_max为正常工作状态下的恒流设定值，可根据需要进行设定，在此不具体限定数值，所述基准电压Vref达到最大值Ref_max时对应的所述LED灯串的负极电压Vout即为所述设定电压VDD1；所述LED灯串的负极电压Vout为VDD～VDD1的区间为去纹波工作区间，在本实施例中，在去纹波工作区间，所述基准电压Vref线性增大。所述LED灯串的负极电压Vout的持续增大，当所述LED灯串的负极电压Vout大于所述设定电压VDD1时，所述基准电压Vref不再变化，保持在最大值Ref_max。

需要说明的是，所述去纹波控制模块22的实现方式不限，任意可实现上述逻辑的硬件电路或软件代码均适用于本发明。

如图3所示，所述基准电压产生模块23连接所述去纹波控制模块22的输出端，基于所述去纹波控制信号调整基准电压Vref，以对所述输出电流进行去纹波控制。

具体地，所述基准电压产生模块23用于产生基准电压Vref，并受所述去纹波控制信号的控制调整所述基准电压Vref的值，进而在去纹波工作区间减小所述LED灯串的输出电流的恒流值。

如图3所示，所述运算放大器24的输入端分别连接所述基准电压产生模块23的输出端及所述采样电阻，基于所述基准电压Vref及采样电压控制所述功率开关管Q1调整所述输出电流。

具体地，在本实施例中，所述运算放大器24的正相输入端连接所述基准电压Vref，反相输入端连接所述LED灯串的输出电流采样端Rext，并进行比较放大，输出端连接所述功率开关管Q1的栅极。在实际使用中，可通过增加反相器改变输入信号与输入端口极性的对应关系，不以本实施例为限。

需要说明的是，所述线性LED驱动电路2可集成在芯片内。

实施例二

如图5所示，本实施例提供一种线性LED驱动电路2，由于去纹波控制的环路响应比较慢，在所述LED灯串的负极电压Vout快速上升(来不及响应)或所述LED灯串的负极电压Vout低于所述工作电压VDD时会无法正常工作，另外，线性LED驱动电路在一些输入高功率因数的应用(无输入电解电容)中也会无法正常工作，因此，本实施例与实施例一的不同之处在于，还包括计时模块。

如图5所示，所述计时模块25连接所述工作电压产生模块21的输出端，对所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压VDD的时间进行计时，并基于计时结果控制所述去纹波控制模块22工作。

具体地，所述计时模块25连接所述工作电压产生模块21的输出端，当所述工作电压产生模块21输出所述工作电压VDD时(此时，所述LED灯串的负极电压Vout大于所述工作电压VDD)，所述计时模块25开始计时，当所述LED灯串的负极电压Vout高于所述工作电压VDD的时间超过设定时间时触发所述去纹波控制模块22工作，在本实施例中，所述设定时间设定为不小于一个工频周期。

实施例三

如图6所示，本实施例提供一种线性LED驱动系统，所述线性LED驱动系统包括：

电压输入电路3、电解电容Cin、LED灯串、线性LED驱动电路2及采样电阻Rext。

如图6所示，所述电压输入电路3用于提供输入电压Vin。

具体地，在本实施例中，所述电压输入电路3包括连接于交流电压AC两端的整流桥BD1，所述整流桥BD1由4个首尾相连的二极管构成。所述交流电压AC为正弦波，经所述整流桥BD1后，所述输入电压Vin为对所述交流电压AC取绝对值，周期为所述交流电压AC的一半。在实际使用中，任意可将交流电转换为直流电的电路结构均适用于本发明，在此不一一赘述。

如图6所示，所述电解电容Cin并联于所述电压输入电路3的两端，用于滤除LED灯串的输出电流纹波。

具体地，所述电解电容Cin的上极板连接所述输入电压Vin，下极板接地。

如图6所示，所述LED灯串的正极连接所述电压输入电路3的输出端，负极连接所述线性LED驱动电路2。

如图6所示，所述线性LED驱动电路2连接于所述LED灯串的负极及所述采样电阻Rext之间，用于实现去纹波恒流控制。

具体地，所述线性LED驱动电路2的结构及各模块的工作原理在实施例一及实施例二中详细说明，在此不一一赘述。

如图6所示，所述采样电阻Rext的一端连接所述线性LED驱动电路2，另一端接地。

所述线性LED驱动系统的工作原理如下：

当所述输入电压Vin低于所述LED灯串的导通电压时，基于所述电解电容Cin为所述LED灯串供电，减小所述LED灯串的输出电流的恒流值，延长所述电解电容Cin的放电时间，进而消除工频纹波。

具体地，所述输入电压Vin从零开始上升，此时，所述输入电压Vin小于所述LED灯串的导通电压，由所述电解电容Cin为所述LED灯串供电。所述LED灯串的负极电压Vout慢慢增大，当所述LED灯串的负极电压Vout小于所述线性LED驱动电路2的工作电压VDD时，所述去纹波控制模块22控制所述基准电压产生模块23输出的基准电压Vref为零。所述LED灯串的负极电压Vout逐渐上升，当所述LED灯串的负极电压Vout大于所述工作电压VDD时，所述线性LED驱动电路2开始工作，所述去纹波控制模块22控制所述基准电压产生模块23输出的基准电压Vref从零开始逐渐增大至最大值Ref_max(所述基准电压Vref达到最大值Ref_max时对应的所述LED灯串的负极电压Vout即为设定电压VDD1)，在本实施例中所述基准电压Vref随着所述LED灯串的负极电压Vout的增大而线性增大。当所述LED灯串的负极电压Vout大于所述设定电压VDD1时，所述去纹波控制模块22控制所述基准电压产生模块23输出的基准电压Vref维持在最大值Ref_max，不再变化。所述运算放大器24基于采样电压VRext及所述基准电压Vref调整所述功率开关管Q1，实现恒流输出。由于所述LED灯串的负极电压Vout在VDD～VDD1之间的阶段，通过调整所述基准电压Vref将所述LED灯串的输出电流恒流值减小，从而延长所述电解电容Cin的放电时间(C*ΔV＝I_LED*Δt)。

具体地，所述输入电压Vin不断上升，当所述输入电压Vin大于所述LED灯串的导通电压时，由所述输入电压Vin为所述LED灯串供电，此时所述去纹波控制模块22将所述基准电压Vref固定在最大值Ref_max，所述运算放大器24基于所述采样电压VRext及所述基准电压Vref调整所述功率开关管Q1，实现恒流输出。

作为本实施例的另一种实现方式，所述线性LED驱动系统的驱动方法还包括：当所述线性LED驱动系统进行高功率因数应用时，关闭所述去纹波控制模块22。

具体地，当所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压VDD时开始计时，当计时结果小于设定时间时，判定所述线性LED驱动系统进行高功率因数应用，为避免所述去纹波控制模块22对高功率因数的影响，不开启所述去纹波控制模块22。当计时结果大于所述设定时间时，判定所述LED驱动系统未进行高功率因数应用，则开启所述去纹波控制模块22，执行去纹波控制。在本实施例中，所述设定时间不小于一个工频周期。

需要说明的是，在有所述电解电容Cin的应用中，无论所述电解电容Cin的容量变化或所述输入电压Vin的变化如何，都不会有工频纹波的产生。

需要说明的是，在没有所述电解电容Cin的高功率因数应用中，去纹波功能不开启，不影响原有系统应用，适用范围广。

综上所述，本发明提供一种线性LED驱动电路、系统及其驱动方法，包括：连接于LED灯串的负极与采样电阻之间的功率开关管；连接于LED灯串的负极的工作电压产生模块，提供工作电压；连接LED灯串的负极及工作电压的去纹波控制模块，产生去纹波控制信号；连接去纹波控制模块的基准电压产生模块，基于去纹波控制信号调整基准电压，以对输出电流进行去纹波控制；连接基准电压及采样电阻的运算放大器，控制功率开关管调整输出电流。当输入电压低于LED灯串的导通电压时，基于所述电解电容为所述LED灯串供电，减小所述LED灯串的输出电流的恒流值，延长电解电容的放电时间，进而消除工频纹波。本发明的线性LED驱动电路、系统及其驱动方法在实现线性LED驱动的同时实现去纹波应用，且无论输入如何变化输出都可以去纹波；去纹波功能在高功率因数应用下不开启，不影响原有高功率因数应用的正常工作；无需增加外部元件，整个系统集成度高，外围电路简化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种线性LED驱动电路，其特征在于，所述线性LED驱动电路至少包括：

功率开关管、工作电压产生模块、去纹波控制模块、基准电压产生模块及运算放大器；

所述功率开关管连接于LED灯串的负极与采样电阻之间，基于所述功率开关管调整所述LED灯串的输出电流；

所述工作电压产生模块连接于所述LED灯串的负极，基于所述LED灯串的负极电压为所述线性LED驱动电路的各模块提供工作电压；

所述去纹波控制模块连接于所述LED灯串的负极及所述工作电压产生模块的输出端，基于所述LED灯串的负极电压及所述工作电压产生去纹波控制信号；

所述基准电压产生模块连接所述去纹波控制模块的输出端，基于所述去纹波控制信号调整基准电压，以对所述输出电流进行去纹波控制；

所述运算放大器的输入端分别连接所述基准电压产生模块的输出端及所述采样电阻，基于所述基准电压及采样电压控制所述功率开关管调整所述输出电流。

2.根据权利要求1所述的线性LED驱动电路，其特征在于：所述线性LED驱动电路还包括计时模块，所述计时模块连接所述工作电压产生模块的输出端，对所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压的时间进行计时，并基于计时结果控制所述去纹波控制模块工作。

3.一种线性LED驱动系统，其特征在于，所述线性LED驱动系统至少包括：

电压输入电路、电解电容、LED灯串、如权利要求1～2任意一项所述的线性LED驱动电路及采样电阻；

所述电压输入电路提供输入电压；

所述电解电容并联于所述电压输入电路的两端，用于滤除LED灯串的输出电流纹波；

所述LED灯串的正极连接所述电压输入电路的输出端，负极连接所述线性LED驱动电路；

所述采样电阻的一端连接所述线性LED驱动电路，另一端接地。

4.一种如权利要求3所述的线性LED驱动系统的驱动方法，其特征在于，所述线性LED驱动系统的驱动方法至少包括：

当输入电压低于LED灯串的导通电压时，基于电解电容为所述LED灯串供电，减小所述LED灯串的输出电流的恒流值，延长所述电解电容的放电时间，进而消除工频纹波。

5.根据权利要求4所述的线性LED驱动系统的驱动方法，其特征在于：当所述LED灯串的负极电压小于所述线性LED驱动电路的工作电压时将所述基准电压设置为零；当所述LED灯串的负极电压大于所述工作电压且小于设定电压时，将所述基准电压从零逐渐增大至最大值；当所述LED灯串的负极电压大于所述设定电压时，将所述基准电压维持在最大值。

6.根据权利要求5所述的线性LED驱动系统的驱动方法，其特征在于：所述基准电压从零至最大值线性增大。

7.根据权利要求4～6任意一项所述的线性LED驱动系统的驱动方法，其特征在于：当所述线性LED驱动系统进行高功率因数应用时，关闭所述去纹波控制模块。

8.根据权利要求7所述的线性LED驱动系统的驱动方法，其特征在于：当所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压的时间小于设定时间时，判定所述线性LED驱动系统进行高功率因数应用；当所述LED灯串的负极电压高于所述工作电压的时间大于所述设定时间时判定所述LED驱动系统未进行高功率因数应用。

9.根据权利要求8所述的线性LED驱动系统的驱动方法，其特征在于：所述设定时间不小于一个工频周期。

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