CN112105124A - 一种环路型低功耗恒流控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环路型低功耗恒流控制电路，其主功率恒流控制模块从母线取电为整个控制模块提供电能，避免从LED‑取电，有效降低控制模块的电压从而降低整体电路的功耗，实现高效率信号控制与传输；滤波模块获取负载和主功率恒流控制模块的电信号，生成参考电压信号，为充电环路恒流控制模块提供控制电容的充电与放电的依据，从而实现负载的恒流控制。本发明还公开了一种环路型低功耗恒流控制方法，该方法将整流桥、负载、电容和控制模块形成闭环回路，在AC电压变化时系统会自动调节，从而始终保持最大效率。本发明作用效果显著，适于广泛推广。

Description

一种环路型低功耗恒流控制电路及方法

技术领域

本发明涉及LED控制电路技术领域，特别涉及，一种环路型低功耗恒流控制电路及方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode发光二极管)照明具有亮度高、效率高、寿命长等优势被广泛采用。近年来随着社会的进步，对LED照明有了更高的要求，要求高PF(Power Factor功率因数)、无频闪、高效率，从而降低对人眼的伤害，并且提高对能源的利用率。

目前，传统的LED驱动是通过两个单独的线性芯片配合使用来实现的，一颗芯片做充电环路来实现高PF；另一颗芯片做主功率恒流环路来实现无频闪(如图1至图5所示)，传统的LED驱动电路主要包括电源、电容和LED，传统线性芯片的JFET(Junction Field-Effect Transistor结型场效应晶体管)和POWERMOS是集成在一起的，芯片需要从V_LED-端取电，且获取的电压要高于芯片正常工作所需的最小工作电压V_ST芯片才能正常工作，而V_ST一般远高于芯片正常工作时V_G-V_TH的电压，为了消除频闪，母线波谷的电压V_IN必须大于V_LED+V_ST，主功率环路芯片的功耗P_LOSS＝I_LED×V_LED-＝I_LED×V_ST，这无疑会使主功率环路芯片上产生更多的损耗，导致效率降低。另外，传统的芯片是开环控制，芯片的功耗会随着AC输入电压的增大而增大。

针对上述问题，亟需设计一种解决现有技术存在的传统线性芯片需要从V_LED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低，芯片开环控制导致其功耗随着电源AC输入电压的增大而增大的问题的方法及电路。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种环路型低功耗恒流控制电路及方法，以解决现在技术所存在的传统线性芯片需要从V_LED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低，芯片开环控制导致其功耗随着电源AC输入电压的增大而增大的问题。

本发明提供了一种环路型低功耗恒流控制电路包括整流桥、负载和控制模块，所述控制模块包括主功率恒流控制模块、充电环路恒流控制模块和滤波模块，其中所述主功率恒流控制模块的输入端与母线电源连接；所述滤波模块获取所述负载电信号及所述主功率恒流控制模块的电信号进行处理；所述充电环路恒流控制模块根据所述滤波模块处理后的电信号控制所述负载的电流。

优选地，所述主功率恒流控制模块包括基准产生模块、第二比较器和第二开关单元，其中所述基准产生模块的输入端与母线电源连接；所述第二比较器获取所述负载电信号与所述基准产生模块提供的第二基准参考值比较，进而控制所述第二开关单元工作。

优选地，所述充电环路恒流控制模块包括积分器、第一比较器和第一开关单元，其中所述积分器根据所述滤波模块处理后的电信号生成第一基准参考值；

所述充电环路恒流控制模块上连接有储能模块，所述储能模块和所述充电环路恒流控制模块连接在所述整流模块的两端；

所述第一比较器获取所述储能模块电信号与所述第一基准参考值比较，进而控制所述第一开关单元工作；

所述储能模块低电位端通过二极管接地，所述二极管正极接地，负极与所述储能模块连接。

优选地，所述滤波模块包括第一滤波器、第二滤波器和电压调制模块，其中所述第一滤波器获取所述负载电信号；所述第二滤波器获取所述主功率恒流控制模块的电信号；所述电压调制模块获取所述第二滤波器处理后的电信号。

优选地，所述电压调制模块将采样来的V_G电压调制成V_G+V_B，其中V_B为参考电压，且V_B≥-V_TH，V_TH为POWERMOS的开启电压。

优选地，所述第二开关单元和所述第一开关单元皆为MOS管，所述MOS管在饱和区状态下工作。

优选地，所述积分器包括积分比较器和积分电容，其中所述积分比较器的输入端与所述滤波模块连接；所述积分电容的输入端与所述积分比较器连接，输出端与电源负极连接。

优选地，所述基准产生模块包括电压转换单元、带隙基准单元和基准电压单元，其中所述电压转换单元从母线取电并将母线电压转换为工作电压；所述带隙基准单元将工作电压转换为零温度系数电压；所述基准电压单元从零温度系数电压中获取预设参考值。

优选地，所述充电环路恒流控制模块和所述储能模块之间设置有二极管，所述二极管用于防止电流倒流，所述二极管使电流从储能模块朝向充电环路恒流控制模块单向导通。

本发明还提供一种环路型低功耗恒流控制方法，具体步骤包括：芯片从母线取电，采样第二开关单元的DRN端电压V_DRN和GATE端电压V_G，积分器根据采样电压控制第一比较器工作来调整电流I_charge，从而形成一个负反馈系统来控制负载工作。

优选地，所述积分器根据采样电压控制第一比较器工作来调整电流的具体步骤包括：所述采样电压经过处理后接入所述积分器输入端，所述积分器的输出端接所述第一比较器，所述第一比较器根据所述积分器的输出信号V_COMP来控制第一开关单元的通断，从而调整电流I_charge。

优选地，所述采样电压处理后接入所述积分器输入端的具体步骤包括：

采样所述第二开关单元的DRN端电压V_DRN，经过滤波器接积分器的负向输入端；

采样所述第二开关单元的GATE端电压V_G，经过滤波器输入到电压调制模块，电压调制模块将采样来的V_G电压调制成V_G+V_B，电压调制模块的输出接所述积分器的正向输入端。

由上述方案可知，本发明提供的一种环路型低功耗恒流控制电路，与现有技术相比，其主功率恒流控制模块从母线取电为整个控制模块提供电能，避免从LED-取电，有效降低控制模块的电压从而降低整体电路的功耗，实现高效率信号控制与传输；滤波模块获取负载和主功率恒流控制模块的电信号，生成参考电压信号，为充电环路恒流控制模块提供控制电容的充电与放电的依据，从而实现负载的恒流控制。本发明还提供的一种环路型低功耗恒流控制方法，该方法将整流桥、负载、电容和控制模块形成闭环回路，在AC电压变化时系统会自动调节，从而始终保持最大效率。本发明有效解决现在技术所存在的传统线性芯片需要从V_LED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低，芯片开环控制导致其功耗随着电源AC输入电压的增大而增大的问题，作用效果显著，适于广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统LED驱动电路的电路框图；

图2为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图一；

图3为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图二；

图4为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图三；

图5为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图四；

图6为本发明实施例提供的一种环路型低功耗恒流控制电路的结构框图；

图7为本发明实施例提供的另一种环路型低功耗恒流控制电路的结构框图；

图8为图7所示的一种环路型低功耗恒流控制电路的工作波形图一；

图9为图7所示的一种环路型低功耗恒流控制电路的工作波形图二；

图10为图7所示的一种环路型低功耗恒流控制电路的工作波形图三；

图11为图7所示的一种环路型低功耗恒流控制电路的工作波形图四；

图12为图7所示的一种环路型低功耗恒流控制电路的工作波形图五。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参阅图6至图12，现对本发明提供的一种环路型低功耗恒流控制电路的一种具体实施方式进行说明。该种环路型低功耗恒流控制电路包括整流桥、负载和控制模块，控制模块包括主功率恒流控制模块、充电环路恒流控制模块和滤波模块，其中主功率恒流控制模块的输入端与母线电源连接；滤波模块获取负载电信号及主功率恒流控制模块的电信号进行处理；充电环路恒流控制模块根据滤波模块处理后的电信号控制负载的电流。

请参阅图1，传统做法芯片采用LED负端取电的方式，此时LED负端电压必须高于芯片最小的工作电压，但是芯片最小工作电压高于LED负端电压。当LED负端电压低于芯片最小工作电压时，芯片工作不正常会造成频闪，为此母线的波谷电压必须大于LED负载电压与芯片最小工作电压之和。请一并参阅图6至图12，与现有技术相比，本发明将芯片通过母线直接取电避免从负载低电位端取电导致主功率恒流控制模块的电压过高从而功耗过大的问题，只需要保证开关管栅极电压与开关管开启电压差值小于LED负端电压就可以实现无频闪，此时芯片供电不受LED负端电压制约，有效降低功耗，大幅度提高系统效率，延长使用寿命；滤波模块获取负载和主功率恒流控制模块的电信号，生成参考电压信号，为充电环路恒流控制模块提供控制电容的充电与放电的依据，从而实现负载的恒流控制。整流桥、负载、电容和控制模块形成闭环回路，在AC电压变化时系统会自动调节，使得V_DRN_AVE＝V_G+V_B，其中V_DRN_AVE为DRN端平均电压，V_G为POWERMOS的GATE端电压，V_B为参考电压，且V_B≥-V_TH，V_TH为POWERMOS的开启电压，从而始终保持最大效率。

在本实施例中，主功率恒流控制模块包括基准产生模块、第二比较器和第二开关单元，其中基准产生模块的输入端与母线电源连接；第二比较器获取负载电信号与基准产生模块提供的第二基准参考值比较，进而控制第二开关单元工作。

在本实施例中，充电环路恒流控制模块包括积分器、第一比较器和第一开关单元，其中积分器根据滤波模块处理后的电信号生成第一基准参考值；充电环路恒流控制模块上连接有储能模块，储能模块和充电环路恒流控制模块连接在整流模块的两端；第一比较器获取储能模块电信号与第一基准参考值比较，进而控制第一开关单元工作；储能模块低电位端通过二极管接地，二极管正极接地，负极与储能模块连接。

通过充电环路恒流控制模块控制储能模块进行充放电，当整流后的输入电压大于储能模块的电压时，储能模块进入充电过程，此时整流模块、储能模块、滤波模块和充电环路恒流控制模块构成充电回路，充放电产生电路产生由母线到接地端的电流，该电流可以是恒定电流，也可以是随驱动电路中的某个或某些电压或电流的变化而变化的电流，通过充电环路恒流控制模块可以控制储能模块充电电流的大小；当整流后的输入电压小于储能模块的充电电压时，储能模块进入放电过程，此时，储能模块、LED负载、主功率恒流控制模块、滤波模块和充电环路恒流控制模块构成放电回路，充电环路恒流控制模块中电流接地端指向母线方向。

当母线电压大于储能模块的电压时，母线电压对储能模块充电并同时提供负载电流，当母线电压小于储能模块的电压时，通过储能模块为被控负载供电，从而被控负载供电稳定，消除了纹波。特别对于LED负载，储能模块的电压始终稍大于LED负载的负载电压，可实现无频闪。并且，储能模块的充电电流作为交流输入电流的一部分，可实现交流输入电流与交流输入电压呈公共对称轴关系，交流输入电流与交流输入电压的波形一致性提高，从而提高PF。其中储能模块可以为电容。

当整流后母线电压大于电容两端的电压时，第一开关单元导通，产生由母线至接地端方向的电流，整流模块、电容和开关单元构成充电回路，由母线电压向LED负载和电容供电；当整流后母线电压小于电容C₁两端的电压时，第一开关单元关断，在二极管D₁产生由接地端至母线方向的电流，电容、LED负载、负载电流控制电路和二极管D₁构成放电回路，由电容C₁向LED负载供电。其中第一开关单元、第二开关单元可以为NMOS或PMOS等电子元件。

第一比较器输出端连接第一开关单元，通过第一开关单元控制电容的充电与放电。积分器的负输入端获取第一滤波器的电信号，正输入端获取电压调制模块的电信号，其输出端将信号输入至第一比较器的正输入端。积分器可以为模拟积分器，也可以为数字积分器。在此，只要能够实现上述积分器相关性能作用的均在本申请文件保护的范围之内。

在本实施例中，滤波模块包括第一滤波器、第二滤波器和电压调制模块，其中第一滤波器获取负载电信号；第二滤波器获取主功率恒流控制模块的电信号；电压调制模块获取第二滤波器处理后的电信号。电压调制模块将采样来的V_G电压调制成V_G+V_B。V_B电压根据纹波大小进行调制，以解决母线电压有纹波，导致DRN端电压也有纹波的问题，从而保证POWERMOS正常工作时一直处于饱和区，此时DRN端最小电压V_DRN_MIN≥V_G-V_TH，V_B越大，越能保证LED无频闪，但是会造成芯片功耗增大，所以保证V_DRN_MIN略大于V_G-V_TH即可。

在本实施例中，基准产生模块包括电压转换单元、带隙基准单元和基准电压单元，其中电压转换单元从母线取电并将母线电压转换为工作电压；带隙基准单元将工作电压转换为零温度系数电压；基准电压单元从零温度系数电压中获取预设参考值。基准产生模块为第二比较器提供第二基准参考值。

在本实施例中，积分器包括积分比较器和积分电容，其中积分比较器的输入端与滤波模块连接；积分电容的输入端与积分比较器连接，输出端与电源负极连接。第二开关单元和第一开关单元皆为MOS管，MOS管在饱和区状态下工作。该电路还包括LED模块，此处LED模块可以为一串LED也可以为多路LED，该种环路型低功耗恒流控制电路针对多路LED同样可实现相关性能。

在本实施例中，充电环路恒流控制模块和储能模块之间设置有二极管，二极管用于防止电流倒流，二极管使电流从储能模块朝向充电环路恒流控制模块单向导通。

请一并参阅图6至图12，现对本发明提供的一种环路型低功耗恒流控制方法的一种具体实施方式进行说明。该种环路型低功耗恒流控制方法具体步骤包括：芯片从母线取电，采样第二开关单元POWERMOS的DRN端电压V_DRN和GATE端电压V_G，积分器根据采样电压控制第一比较器工作来调整电流I_charge，从而形成一个负反馈系统来控制负载工作。

积分器根据采样电压控制第一比较器工作来调整电流的具体步骤包括：采样电压经过处理后接入积分器输入端，积分器的输出端接第一比较器，第一比较器根据积分器的输出信号V_COMP来控制第一开关单元的通断，从而调整电流I_charge。其中，DRN端平均电压V_DRN_AVE＝V_G+V_B，从而保证LED灯无频闪，且LED控制电路中主功率环路芯片的功耗P_LOSS＝I_LED*V_DRN_AVE＝I_LED*(V_G+V_B)，其中I_LED为LED所在电路的电流，而(V_G+V_B)电压远远小于传统线性芯片的最小工作电压V_ST，从而大幅度改善系统的效率。

采样电压处理后接入积分器输入端的具体步骤包括：采样第二开关单元POWERMOS的DRN端电压V_DRN，经过滤波器接积分器的负向输入端；采样第二开关单元POWERMOS的GATE端电压V_G，经过滤波器输入到电压调制模块，电压调制模块将采样来的V_G电压调制成V_G+V_B，其中V_B≥-V_TH，V_TH为POWERMOS的开启电压，电压调制模块的输出接积分器的正向输入端。

现有的LED驱动电路，只能实现高PF和无频闪，但效率较低，且效率受输入电压的永盈，输入电压越大，效率越低。与现有技术相比，该种环路型低功耗恒流控制方法通过从母线取电的方法有效提高传统的高PF、无频闪方案的效率，同时该方法形成一个负反馈系统来控制LED工作，使得其在AC电压变化时系统会自动调节，从而始终保持最大效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种环路型低功耗恒流控制电路，包括整流桥、负载和控制模块，其特征在于，所述控制模块包括主功率恒流控制模块、充电环路恒流控制模块和滤波模块，其中所述主功率恒流控制模块的输入端与母线电源连接；所述滤波模块获取所述负载电信号及所述主功率恒流控制模块的电信号进行处理；所述充电环路恒流控制模块根据所述滤波模块处理后的电信号控制所述负载的电流。

2.根据权利要求1所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述主功率恒流控制模块包括基准产生模块、第二比较器和第二开关单元，其中所述基准产生模块的输入端与母线电源连接；所述第二比较器获取所述负载电信号与所述基准产生模块提供的第二基准参考值比较，进而控制所述第二开关单元工作。

3.根据权利要求2所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述充电环路恒流控制模块包括积分器、第一比较器和第一开关单元，其中所述积分器根据所述滤波模块处理后的电信号生成第一基准参考值；

所述充电环路恒流控制模块上连接有储能模块，所述储能模块和所述充电环路恒流控制模块连接在所述整流模块的两端；

所述第一比较器获取所述储能模块电信号与所述第一基准参考值比较，进而控制所述第一开关单元工作；

所述储能模块低电位端通过二极管接地，所述二极管正极接地，负极与所述储能模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述滤波模块包括第一滤波器、第二滤波器和电压调制模块，其中所述第一滤波器获取所述负载电信号；所述第二滤波器获取所述主功率恒流控制模块的电信号；所述电压调制模块获取所述第二滤波器处理后的电信号。

5.根据权利要求4所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述电压调制模块将采样来的V_G电压调制成V_G+V_B，其中V_B为参考电压，且V_B≥-V_TH，V_TH为POWERMOS的开启电压。

6.根据权利要求3所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述第二开关单元和所述第一开关单元皆为MOS管，所述MOS管在饱和区状态下工作。

7.根据权利要求3所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述积分器包括积分比较器和积分电容，其中所述积分比较器的输入端与所述滤波模块连接；所述积分电容的输入端与所述积分比较器连接，输出端与电源负极连接。

8.根据权利要求2所述的一种环路型低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述基准产生模块包括电压转换单元、带隙基准单元和基准电压单元，其中所述电压转换单元从母线取电并将母线电压转换为工作电压；所述带隙基准单元将工作电压转换为零温度系数电压；所述基准电压单元从零温度系数电压中获取预设参考值。

9.根据权利要求3所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述充电环路恒流控制模块和所述储能模块之间设置有二极管，所述二极管用于防止电流倒流，所述二极管使电流从储能模块朝向充电环路恒流控制模块单向导通。

10.一种环路型低功耗恒流控制方法，其特征在于，具体步骤包括：芯片从母线取电，采样第二开关单元的DRN端电压V_DRN和GATE端电压V_G，积分器根据采样电压控制第一比较器工作来调整电流I_charge，从而形成一个负反馈系统来控制负载工作。

11.根据权利要求10所述的一种环路型低功耗恒流控制方法，其特征在于，所述积分器根据采样电压控制第一比较器工作来调整电流的具体步骤包括：所述采样电压经过处理后接入所述积分器输入端，所述积分器的输出端接所述第一比较器，所述第一比较器根据所述积分器的输出信号V_COMP来控制第一开关单元的通断，从而调整电流I_charge。

12.根据权利要求11所述的一种环路型低功耗恒流控制方法，其特征在于，所述采样电压处理后接入所述积分器输入端的具体步骤包括：

采样所述第二开关单元的DRN端电压V_DRN，经过滤波器接积分器的负向输入端；

采样所述第二开关单元的GATE端电压V_G，经过滤波器输入到电压调制模块，电压调制模块将采样来的V_G电压调制成V_G+V_B，电压调制模块的输出接所述积分器的正向输入端。

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