CN114554650A - Led驱动电路及其偏置电压生成器、led照明装置 - Google Patents

Led驱动电路及其偏置电压生成器、led照明装置 Download PDF

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CN114554650A CN202210160178.7A CN202210160178A CN114554650A CN 114554650 A CN114554650 A CN 114554650A CN 202210160178 A CN202210160178 A CN 202210160178A CN 114554650 A CN114554650 A CN 114554650A
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Abstract

本公开提供了一种LED驱动电路及其偏置电压生成器、LED照明装置，LED驱动电路根据电源电压选通第一功率管或第二功率管所在电流支路，以提供驱动LED的驱动电流，其中，该偏置电压生成器包括：控制电路，具有接入电源电压的第一输入端和接入时序信号的第二输入端，该控制电路用于在时序信号的控制下生成控制电压；以及输出电路，用于对控制电压进行压流转换，并利用转换生成的控制电流和驱动第一功率管的第一驱动电压生成第二驱动电压，该第二驱动电压用于驱动第二功率管，其中，该输出电路还用于在电源电压范围内所述LED驱动电路切换电流支路阶段维持驱动电流的稳定。由此可避免宽电源范围内，LED开启时电流波形异常导致的LED灯可能存在闪烁问题。

Description

LED驱动电路及其偏置电压生成器、LED照明装置
技术领域
本公开涉及集成电路技术领域，具体涉及一种LED驱动电路及其偏置电压生成器、LED照明装置。
背景技术
原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换的问题。LED实际上是一个电流驱动的低压单向导电器，LED驱动器应具有直流控电、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。
宽输入电源电压范围，PWM信号控制的线性LED驱动电路100包括有：提供基准电压Vref的基准电压产生电路110、误差放大器EA、提供PWM信号的PWM控制器(芯片引脚示意，未实际给出)、逻辑控制单元130、功率管M1和M2、偏置电压生成器140、电流设定电阻R1和功率散热电阻R2，如图1所示。由此构成控制环路及驱动电路，从而能够精确控制流过串联LED灯串的电流，并可通过PWM信号控制流过串联LED灯串的电流大小，以实现对LED亮度的控制。
参考图1和图2，在现有的PWM信号控制的线性LED驱动电路100中，若将电流设置电阻R1上的电压设定为Vref，则流过LED的电流Iled＝Vref/R(在此R为输出路径上的等效电阻)。从t0时刻开始，当输入的电源电压VDD比较低的时候，由于功率散热电阻R2的存在，功率管M2只能工作在线性区，绝大部分电流(I1)从功率管M1流到LED；当到达t1时刻后，输入的电源电压VDD比较高的时候，功率散热电阻R2不再限制功率管M2的工作状态，在图2的偏置电压生成器140中，由于失调电压Vos的存在，使得功率管M2的驱动电压Vg2始终小于功率管M1的驱动电压Vg1，绝大部分电流(I2)从功率管M2流到LED，则芯片热量主要被耗散在功率散热电阻R2上，而芯片不会严重发热，从而可以支持高输入电源电压范围的应用。但在实际应用电路中，由于环路带宽有限，宽电源电压范围内，尤其在高电源电压状态，环路工作点的建立将受到失调电压Vos加入的影响。PWM信号控制LED电流在开启时，流过LED的电流Iled会出现波形异常，如图3所示t1～t2时间段的Iled波形，因功率管M1关断的时间节点与功率管M2导通工作的时间节点不匹配，而导致两支路叠加后输出的LED电流波动减小，导致LED灯可能存在某个时间段无法正常开启，而导致闪烁问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种LED驱动电路及其偏置电压生成器、LED照明装置。
一方面本公开提供了一种用于LED驱动电路的偏置电压生成器，该LED驱动电路根据电源电压选通第一功率管或第二功率管所在电流支路，以提供驱动LED的驱动电流，其中，该偏置电压生成器包括：
控制电路，具有接入电源电压的第一输入端和接入时序信号的第二输入端，该控制电路用于在时序信号的控制下生成控制电压；以及
输出电路，用于对控制电压进行压流转换，并利用转换生成的控制电流和驱动第一功率管的第一驱动电压生成第二驱动电压，该第二驱动电压用于驱动第二功率管，
其中，该输出电路还用于在电源电压范围内所述LED驱动电路切换电流支路阶段维持驱动电流的稳定。
优选地，前述的控制电路包括：
第一电流源和第一电容，该第一电流源和第一电容串联连接在供电端与地之间，并通过该第一电流源和第一电容之间的连接节点提供前述的控制电压；
第一晶体管，该第一晶体管的第一端连接前述第一电容的第一端，该第一晶体管的第二端连接前述第一电容的第二端，其控制端作为前述的第二输入端，接入时序信号，
其中，该时序信号为PWM反相信号。
优选地，前述的时序信号通过占空比控制前述的第一电流源对第一电容的充电时间，以调控该控制电压的斜率。
优选地，前述的输出电路包括：
压流转换模块，该压流转换模块的输入端接入前述的控制电压，其输出端用以提供与该控制电压斜率变化相适应的控制电流；以及
第一电阻，该第一电阻的第一端接入第一驱动电压，第二端连接压流转换模块，以通过控制电流在第一电阻上产生的压降在其第二端输出第二驱动电压。
优选地，在前述电源电压的低压范围内，该偏置电压生成器连通第一功率管所在电流支路；在该电源电压进入预设电压阈值区间，该偏置电压生成器切断该第一功率管所在电流支路，并连通第二功率管所在电流支路，并在切换动作发生时段，维持该驱动电流的稳定。
优选地，前述的第一晶体管为N沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
另一方面本公开还提供的一种LED驱动电路，该LED驱动电路连接于供电端和LED之间，用于向LED提供驱动电流，其中，该LED驱动电路包括：
误差放大器，该误差放大器的负输入端通过第二电阻连接供电端，其正输入端接入基准电压，其输出端用于提供第一驱动电压；
位于第一电流支路上的第一功率管，该第一功率管的第一端连接第二电阻的第二端，第二端连接该LED驱动电路的输出端，控制端接入第一驱动电压；
位于第二电流支路上的第二功率管，该第二功率管的第一端连接第二电阻的第二端，第二端通过第三电阻连接该LED驱动电路的输出端；
如前所述的偏置电压生成器，该偏置电压生成器位于第一功率管的控制端与第二功率管的控制端之间，
其中，该LED驱动电路和偏置电压驱动器，控制前述第一电流支路和/或前述第二电流支路的电流，以提供驱动LED的驱动电流。
优选地，前述的LED驱动电路还包括：
逻辑控制单元，该逻辑控制单元的输入端通过芯片引脚连接位于芯片外部的PWM控制器，以接入PWM信号，其输出端用于提供PWM反相信号至偏置电压生成器。
优选地，前述的误差放大器、第一功率管、第二功率管、偏置电压生成器和逻辑控制单元集成在同一芯片上，前述的第二电阻和第三电阻集成分布在该芯片的外围。
优选地，前述的第一功率管和第二功率管的其中任一为P沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
另一方面本公开还提供了一种LED照明装置，其包括：
LED负载；以及
如前所述的LED驱动电路。
本公开的有益效果是：本公开提供了一种LED驱动电路及其偏置电压生成器、LED照明装置，该LED驱动电路根据电源电压选通第一功率管或第二功率管所在电流支路，以提供驱动LED的驱动电流，其中，该偏置电压生成器包括：控制电路，具有接入电源电压的第一输入端和接入时序信号的第二输入端，该控制电路用于在时序信号的时序控制下生成控制电压；以及输出电路，用于对控制电压进行压流转换，并利用转换生成的控制电流和驱动第一功率管的第一驱动电压生成第二驱动电压，该第二驱动电压用于驱动第二功率管，其中，该输出电路还用于在电源电压范围内所述LED驱动电路切换电流支路阶段维持驱动电流的稳定。由此可避免宽电源范围内，LED开启时电流波形异常所导致的LED灯可能存在的闪烁问题。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出现有技术中提供的一种LED驱动电路的结构示意图；
图2示出图1所示LED驱动电路中偏置电压生成器的结构示意图；
图3示出图1所示LED驱动电路中各个信号的工作时序图；
图4示出本公开实施例提供的一种用于LED驱动电路的偏置电压生成器的结构示意图；
图5示出本公开实施例提供的LED驱动电路中各个信号的工作时序图。
具体实施方式
为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施例。但是，本公开可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面，参照附图对本公开进行详细说明。
图4示出本公开实施例提供的一种用于LED驱动电路的偏置电压生成器的结构示意图，图5示出本公开实施例提供的LED驱动电路中各个信号的工作时序图。
一方面本公开实施例提供了一种LED驱动电路，该LED驱动电路连接于供电端和LED之间，用于根据电源电压VDD选通第一功率管M1或第二功率管M2所在电流支路，以提供驱动LED的驱动电流Iled，其中，该LED驱动电路的主要电路结构与图1所示现有技术中的LED驱动电路100基本相同，其同样包括：误差放大器EA、位于第一电流支路上的第一功率管M1和位于第二电流支路上的第二功率管M2，其主要工作原理也类似。
类似的连接关系，参考图1，该误差放大器EA的负输入端通过第二电阻R1连接供电端，其正输入端接入基准电压Vref，其输出端用于提供第一驱动电压Vg1，在本实施例中，该误差放大器EA放大输入信号(基准电压Vref和第二电阻R1的第二端的电压)的误差，输出的第一驱动电压Vg1用于控制第一功率管M1的栅极电压，并反馈控制第二电阻R1上的电压，使得基准电压Vref和第二电阻R1上的电压相等，以确定输出的支路电流(I1和I2)；该第一功率管M1的第一端连接第二电阻R1的第二端，第二端连接该LED驱动电路的输出端，控制端接入第一驱动电压Vg1；该第二功率管M2的第一端连接第二电阻R1的第二端，第二端通过第三电阻R2连接该LED驱动电路的输出端，其控制端通过偏置电压生成器240连接第一功率管M1的控制端。
进一步的，在本实施例中，该第二电阻R1作为电流设置电阻，用于精确设定流经LED的驱动电流Iled。
进一步的，在本实施例中，该第三电阻R2作为功率散热电阻，用于在高电源电压VDD时，使偏置电压生成器240控制流经LED的驱动电流Iled主要流到功率散热电阻R2所在的电流支路，从而尽量降低芯片发热。
进一步的，在本实施例中，前述的LED驱动电路还包括：
逻辑控制单元，该逻辑控制单元的输入端通过芯片引脚连接位于芯片外部的PWM控制器(未示出)，以接入时序信号(该时序信号例如为PWM信号或PWM反相信号)，其输出端用于提供PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000061
至偏置电压生成器240，来控制偏置电压生成器240和PWM信号的时序关系。
优选地，前述的LED驱动电路还包括：
基准电压产生电路，用于根据电源电压提供前述的基准电压。
优选地，前述的误差放大器、第一功率管M1、第二功率管M2、偏置电压生成器和逻辑控制单元集成在同一芯片上，前述的第二电阻R1和第三电阻R2集成分布在该芯片的外围。
在图2所示现有技术的偏置电压生成器140包括：串联连接在第一功率管M1的控制端与地之间的电阻Ros和电流源Ios，以及并联连接在电阻Ros两端的开关管，该开关管的控制端接入PWM反相信号PWM，电阻Ros和电流源Ios的连接节点用于提供驱动第二功率管M2的第二驱动电压Vg2。在此电路中，电流源Ios为固定电流源，当PWM信号为高电平脉冲时，失调电流Ios直接流过电阻Ros，产生失调电压Vos，则驱动第二功率管M2的第二驱动电压Vg2比驱动第一功率管M1的第一驱动电压Vg1更小，第二功率管M2的导通电阻更小，使环路工作点的建立将受到Vos加入的影响(t0时刻)；当PWM信号为低电平脉冲时，电阻Ros被短路，此时vg1＝vg2，无偏置电压产生，同时功率管(M1和M2)被PWM信号控制关断。
由于环路带宽的限制，LED驱动电流Iled在建立过程中会出现非单调增长，甚至该驱动电流Iled有很大的跌落的现象(t1～t2阶段)，在此阶段电流I1减小且电流I2增大，但因失调电压Vos的影响，使功率管M1关断的时间节点与功率管M2导通工作的时间节点不匹配，而导致两电流支路的电流叠加后输出的LED驱动电流减小，导致LED灯可能存在某个时间段无法正常开启工作，而可能导致在使用PWM信号控制LED驱动电流Iled的过程中，看到闪烁，其波形示意图如图3所示。
参考图4和图5，与现有技术中所区别的是：本公开实施例提供的偏置电压生成240位于第一功率管M1的控制端与第二功率管M2的控制端之间，其中，该偏置电压生成器240还用于在电源电压VDD的范围内，尤其是高电源电压VDD阶段，通过LED驱动电路选通电流支路时稳定功率管M1的关断时间节点与功率管M2导通工作的时间节点相匹配，使电流I1减小且电流I2增大的过程中，二者的叠加电流维持稳定，即维持该时间段内LED驱动电流Iled的稳定(图5中t1～t2阶段)。
进一步的，参考图4，在本实施例中，该偏置电压生成器240包括：控制电路241和输出电路242，
其中，该控制电路241具有接入电源电压VDD的第一输入端和接入PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000071
的第二输入端，该控制电路241用于在PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000072
的时序控制下生成控制电压V1；该输出电路242用于对控制电压V1进行压流转换，并利用转换生成的控制电流Ios和驱动第一功率管M1的第一驱动电压Vg1生成第二驱动电压Vg2，该第二驱动电压Vg2用于驱动第二功率管M2。
其中，该输出电路242还用于在电源电压VDD的范围内所述LED驱动电路切换电流支路阶段维持驱动电流Iled的稳定。
进一步的，在本实施例中，前述的控制电路241包括：第一电流源I1和第一电容C1，以及第一晶体管M3，
其中，该第一电流源I1和第一电容C1串联连接在供电端与地之间，并通过该第一电流源I1和第一电容C1之间的连接节点提供前述的控制电压V1；该第一晶体管M3并联连接在第一电容C1的两端，其控制端作为前述的第二输入端，接入PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000081
进一步的，在本实施例中，前述的PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000082
通过占空比控制前述的第一电流源I1对第一电容C1的充电时间，以调控该控制电压V1的斜率。
进一步的，在本实施例中，前述的第一晶体管M3为N沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET，以下简称为MOS管)器件，前述的第一功率管M1和第二功率管M2的其中任一为P沟道型的MOS管器件。
进一步的，在本实施例中，前述的输出电路242包括：压流转换模块2421和第一电阻Ros，
其中，该压流转换模块2421的输入端接入前述的控制电压V1，其输出端用以提供与该控制电压V1斜率变化相适应的控制电流Ios；该第一电阻Ros的第一端接入第一驱动电压Vg1，第二端连接压流转换模块2421，通过控制电流Ios在第一电阻Ros上产生的压降Vos，在第一电阻Ros的第二端输出第二驱动电压Vg2。
进一步的，在本实施例中，在前述电源电压VDD的低压范围内，该偏置电压生成器240选通第一功率管M1所在第一电流支路，提供第一电流I1，在t0～t1期间，由于功率散热电阻，即第三电阻R2的存在，第二功率管M2只能工作在线性区，使绝大部分电流(即第一电流I1)从功率管M1流到LED；在该电源电压VDD进入预设电压阈值区间(高电压范围)，该偏置电压生成器240切换至第二功率管M2所在第二电流支路，提供第二电流I2，在t1～t2期间，功率散热电阻R2不再限制第二功率管M2的工作状态，由于失调电压Vos的存在，使得驱动第二功率管M2的第二驱动电压Vg2始终小于驱动第一功率管M1的第一驱动电压Vg1，绝大部分电流(即第二电流I2)从第二功率管M2流到LED，则热量主要被耗散在功率散热电阻R2上，使得芯片不会严重发热，可以支持高输入电源电压的应用并在切换动作发生时段，维持该驱动电流Iled的稳定。
参考图4，在本实施例提供的偏置电压生成器240中，控制电流Ios不是固定电流源提供的电流，而是受PWM信号控制的可变电流源，该LED驱动电流Iled的波形见图5，当PWM信号为高电平脉冲时，控制电流Ios缓慢增长至其终值，可通过调整第一电流源I1和第一电容C1的参数，来调整其增长速度同环路带宽(PWM信号占空比)差不多，从而最终失调电压Vos的加入，不会影响环路工作点的建立，使流过LED的驱动电流Iled的波形无异常，从而在客户端也不会看到闪烁。
由此，在本公开实施例提供的LED驱动电路及其偏置电压生成器240中，该LED驱动电路能根据电源电压VDD选通第一功率管M1或第二功率管M2所在电流支路，以提供驱动LED的驱动电流lled，其中，该偏置电压生成器240包括：控制电路241，具有接入电源电压VDD的第一输入端和接入PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000091
的第二输入端，该控制电路241用于在PWM反相信号
Figure BDA0003514217850000092
的时序控制下生成控制电压V1；以及输出电路242，用于对控制电压V1进行压流转换，并利用转换生成的控制电流Ios和驱动第一功率管M1的第一驱动电压Vg1生成第二驱动电压Vg2，该第二驱动电压Vg2用于驱动第二功率管M2，其中，该输出电路242还用于在电源电压VDD的范围内该LED驱动电路切换电流支路阶段维持驱动电流lled的稳定。由此可避免宽电源电压范围内，LED开启时电流波形异常所导致的LED灯可能存在的闪烁问题。
另一方面本公开还提供了一种LED照明装置，其包括：
LED负载；以及
如前所述的LED驱动电路。
应当说明的是，在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，在本文中，所含术语“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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种用于LED驱动电路的偏置电压生成器，所述LED驱动电路根据电源电压选通第一功率管或第二功率管所在电流支路，以提供驱动LED的驱动电流，其特征在于，所述偏置电压生成器包括：
控制电路，具有接入电源电压的第一输入端和接入时序信号的第二输入端，所述控制电路用于在所述时序信号的控制下生成控制电压；以及
输出电路，用于对所述控制电压进行压流转换，并利用转换生成的控制电流和驱动所述第一功率管的第一驱动电压生成第二驱动电压，所述第二驱动电压用于驱动所述第二功率管，
其中，所述输出电路还用于在电源电压范围内所述LED驱动电路切换电流支路阶段维持所述驱动电流的稳定。
2.根据权利要求1所述的偏置电压生成器，其特征在于，所述控制电路包括：
第一电流源和第一电容，所述第一电流源和所述第一电容串联连接在供电端与地之间，并通过所述第一电流源和所述第一电容之间的连接节点提供所述控制电压；
第一晶体管，所述第一晶体管的第一端连接所述第一电容的第一端，所述第一晶体管的第二端连接所述第一电容的第二端，其控制端作为所述第二输入端，接入所述时序信号，
其中，所述时序信号为PWM反相信号。
3.根据权利要求2所述的偏置电压生成器，其特征在于，所述时序信号通过占空比控制所述第一电流源对所述第一电容的充电时间，以调控所述控制电压的斜率。
4.根据权利要求3所述的偏置电压生成器，其特征在于，所述输出电路包括：
压流转换模块，所述压流转换模块的输入端接入所述控制电压，其输出端用以提供与所述控制电压斜率变化相适应的控制电流；以及
第一电阻，所述第一电阻的第一端接入所述第一驱动电压，第二端连接所述压流转换模块，以通过所述控制电流在所述第一电阻上产生的压降在其第二端输出所述第二驱动电压。
5.根据权利要求4所述的偏置电压生成器，其特征在于，在所述电源电压的低压范围内，所述偏置电压生成器连通所述第一功率管所在电流支路；在所述电源电压进入预设电压阈值区间，所述偏置电压生成器切断所述第一功率管所在电流支路，并连通所述第二功率管所在电流支路，并在切换动作发生时段，维持所述驱动电流的稳定。
6.根据权利要求3所述的偏置电压生成器，其特征在于，所述第一晶体管为N沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
7.一种LED驱动电路，所述LED驱动电路连接于供电端和LED之间，用于向所述LED提供驱动电流，其特征在于，所述LED驱动电路包括：
误差放大器，所述误差放大器的负输入端通过第二电阻连接供电端，其正输入端接入基准电压，其输出端用于提供第一驱动电压；
位于第一电流支路上的第一功率管，所述第一功率管的第一端连接所述第二电阻的第二端，第二端连接所述LED驱动电路的输出端，控制端接入所述第一驱动电压；
位于第二电流支路上的第二功率管，所述第二功率管的第一端连接所述第二电阻的第二端，第二端通过第三电阻连接所述LED驱动电路的输出端；
如权利要求1～6中任一项所述的偏置电压生成器，所述偏置电压生成器位于所述第一功率管的控制端与所述第二功率管的控制端之间，
其中，所述LED驱动电路根据电源电压和偏置电压驱动器，控制所述第一电流支路和/或所述第二电流支路的电流，以提供驱动LED的驱动电流。
8.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于，还包括：
逻辑控制单元，所述逻辑控制单元的输入端通过芯片引脚连接位于芯片外部的PWM控制器，以接入PWM信号，其输出端用于提供PWM反相信号至所述偏置电压生成器。
9.根据权利要求8所述的LED驱动电路，其特征在于，所述误差放大器、所述第一功率管、所述第二功率管、所述偏置电压生成器和所述逻辑控制单元集成在同一芯片上，所述第二电阻和所述第三电阻集成分布在所述芯片的外围。
10.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一功率管和所述第二功率管的其中任一为P沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
11.一种LED照明装置，其特征在于，包括：
LED负载；以及
如权利要求7～10中任一项所述的LED驱动电路。
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