CN114745828B

CN114745828B - 一种高精度大功率led恒流源驱动电路

Info

Publication number: CN114745828B
Application number: CN202210346194.5A
Authority: CN
Inventors: 魏宇; 刘艺宁; 崔凯; 郑志奇; 梁雁冰
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114745828A

Abstract

本发明为解决现有LED恒流驱动方式采用集成控制芯片驱动供电，受限集成控制芯片的功率等芯片指标，且无法满足高精度、大功率的需求的问题，而提供了一种高精度大功率LED恒流源驱动电路。该电路包括依次连接的电源转换器、电压比较器和功率输出电路，以及采样电路、运算放大滤波电路；所述功率输出电路的输出电流通路上串接有LED或LED阵列以及采样电路，所述采样电路的输出端连接运算放大滤波电路的输入端；运算放大滤波电路的输出电流反馈电压与电压比较器的第二输入端连接；该电路对LED实时驱动电流进行实时采样，使得闭环控制回路完成对驱动电流智能控制，使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的需求下，实现高精度驱动电流控制。

Description

一种高精度大功率LED恒流源驱动电路

技术领域

本发明属于大功率LED驱动技术领域，涉及一种高精度大功率LED恒流源驱动电路。

背景技术

LED恒流驱动电源是针对LED的使用特点，把外置电源供应转换为特定电流以驱动LED发光的电源转换电路。恒流驱动电路的输出的电流是恒定的，而输出的直流电压随着负载大小不同在一定范围内变化。高精度LED驱动电路需求是在输入电压和环境温度等因素发生变化的情况下控制LED电流大小。

目前，市场上常见的LED恒流驱动方式是：采用集成控制芯片完成对LED或LED阵列完成驱动供电，因此设计受限于集成控制芯片功率，并且对LED驱动的稳流精度也受制于集成芯片的指标。因此，在需要高精度及大功率的需求条件下，LED或LED阵列驱动电路采用传统集成控制芯片是无法满足设计要求的。

发明内容

本发明的目的是解决现有LED恒流驱动方式采用集成控制芯片驱动供电，受限集成控制芯片的功率等芯片指标，且无法满足高精度、大功率的需求的问题，而提供了一种高精度大功率LED恒流源驱动电路。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特殊之处在于：包括依次连接的电源转换器、电压比较器和功率输出电路，以及采样电路、运算放大滤波电路；

所述功率输出电路的输出电流通路上串接有LED或LED阵列以及采样电路，所述采样电路的输出端连接运算放大滤波电路的输入端；运算放大滤波电路的输出电流反馈电压与电压比较器的第二输入端连接；

所述电源转换器用于将外部输入的直流电源转化为功率电压、电流控制给定电压及模拟电压，功率电压为功率输出电路供电，电流控制给定电压连接电压比较器的第一输入端，模拟电压为电压比较器、采样电路及运算放大滤波电路供电；

所述电压比较器用于将电流控制给定压和电流反馈电压进行比较，电压比较器输出端连接功率输出电路的控制端；

所述采样电路用于将流经LED或LED阵列的电流换算成电流采样电压发送运算放大滤波电路；

所述运算放大滤波电路用于将电流采样电压滤波放大后输出电流反馈电压反馈给电压比较器。

进一步地，所述功率输出电路输出电流Io稳定条件为：

K1*K2*K3＝1

其中，K1表示放大滤波电路比例系数，K2表示采样电路放大倍数，K3表示功率输出电路电流放大增益。

进一步地，所述电源转换器包括输入滤波及保护电路、第一电源转换模块、电源基准电路及分压电路和第二电源转换模块；

所述第一电源转换模块用于将输入的电源电压转换为模拟电压；所述模拟电压分别连接电压比较器、采样电路及运算放大滤波电路的电源输入端；

所述电源基准电路及分压电路用于将输入的电源电压转换为给稳定的基准电压，再经电阻分压调节后输出电流控制给定电压；

所述第二电源转换模块用于将输入的电源转换为功率电压。

进一步地，所述电压比较器包括电阻R1、R9，运算放大器U4；

运算放大滤波电路输出的电流反馈电压连接电阻R9的一端，R9的另一端连接运算放大器U4的反相输入端；电流给定控制电压连接电阻R1的一端，R1的另一端连接运算放大器U4的同相输入端；运算放大器U4的输出端连接功率输出电路；

所述运算放大器U4为高精度低噪声运算放大器。

进一步地，所述功率输出电路包括电阻R2、N沟道功率MOS管U5以及对外功率输出接口P1，功率输出接口P1的PD+端及PD-端分别用于连接外部LED的正极及负极；

电阻R2的一端连接运算放大器U4的输出端，电阻R2的另一端与N沟道功率MOS管U5的G极连接；N沟道功率MOS管U5的S极通过采样电路接地；N沟道功率MOS管U5的D极与对外功率输出接口P1的PD-端连接，对外功率输出接口P1的PD+端连接功率电压。

进一步地，所述采样电路包括并联的精密电阻RS、RS1和RS2，精密电阻RS、RS1和RS2的一端与N沟道功率MOS管U5的S极连接，另一端接地。

进一步地，所述运算放大滤波电路包括电阻R3、R4、R5、R6、R18，电容C3，以及运算放大器U2；

电阻R4的一端接地，另一端与运算放大器U2的反向输入端连接；电阻R6和电阻R18的一端均与运算放大器U2的同向输入端连接，电阻R6的另一端与N沟道功率MOS管U5的S极连接，电阻R18的另一端接地；

运算放大器U2的输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与电压比较器中的电阻R9的一端连接；电阻R3与电容C3并联跨接在运算放大器U2的反向输入端与输出端之间；

所述运算放大器U2为高精度低噪声运算放大器。

进一步地，所述电源基准电路为TI公司的LM7801电源基准；

所述运算放大器U4和运算放大器U2为ADI公司的OP27精密运算放大器；

所述N沟道功率MOS管U5为IRF公司的IRF3205 N沟道功率场效应管。

进一步地，所述运算放大滤波电路的截止带宽f＞100Hz。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提供的高精度大功率LED恒流源驱动电路，具有采样回路闭环控制设计，即对LED实时驱动电流进行实时采样，使得闭环控制回路完成对驱动电流智能控制，使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的需求下，实现高精度驱动电流控制。

2、本发明提供的高精度大功率LED恒流源驱动电路，直接对LED恒流源驱动的方式，可以单个驱动电路驱动一个或一组串行或并行LED阵列，具有驱动负载能力灵活的特点。

3、本发明提供的高精度大功率LED恒流源驱动电路，具有通用性，形式设计简单、可靠性高、体积小，可基于不同芯片选型满足不同应用情况需求。

4、本发明提供的高精度大功率LED恒流源驱动电路，可通过调节前端的给定电压实现对LED或LED阵列的输出驱动电流大小控制的，从而发挥LED色彩多样性特点，实现LED变色驱动。

5、本发明提供的高精度大功率LED恒流源驱动电路，对后端输出LED驱动电流稳定精度根据设计需求可优于3％～0.5％。

附图说明

图1为本发明高精度大功率LED恒流源驱动电路实施例原理框图；

图2为本发明高精度大功率LED恒流源驱动电路实施例的传递函数框图；

图3为本发明实施例中电源转换器原理图；

图4为本发明实施例中电压比较器的电路图；

图5为本发明实施例中功率输出电路的N沟道MOS管驱动电路图；

图6为本发明实施例中采样电路的电路图；

图7为本发明实施例中运算放大滤波电路的电路图；

图8为本发明实施例N沟道MOS管IRF3205的典型输出特性。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高精度大功率LED恒流源驱动电路作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

参见图1，高精度大功率LED恒流源驱动电路包括依次连接的电源转换器、电压比较器和基于N沟道MOS管的功率输出电路，以及采样电路、运算放大滤波电路。

功率输出电路通过电源转换器供电，其电流通路上串接与LED或LED阵列的输入端连接；LED或LED阵列的输出端依次连接采样电路和运算放大滤波电路；运算放大滤波电路的输出端与电压比较器的第二输入端连接。

电源转换器用于将外部输入的28V等直流电源通过DC-DC及电源基准电路转化为电路所需的+5V功率电压及和±15V模拟电压，同时通过分压电路将+5V基准电压分成电流控制给定电压发送给电压比较器。功率电压为功率输出电路供电，电流控制给定电压连接电压比较器的第一输入端，模拟电压为电压比较器、采样电路及运算放大滤波电路供电。

电压比较器由高精度低噪声运算放大器电路组及配套保护电路成，用于比较电流控制给定压和电流反馈电压，输出MOS门极给定电压给N沟道MOS的栅源极。

N沟道MOS的栅源极通过VGS(栅源极电压)大小按比例系数控制ID(漏极电流)输出，从而输出给后端LED或LED阵列。

采样电路由大功率精密电阻器组成，用于将流经LED或LED阵列的电流换算成电流采样电压发送运算放大滤波电路。

运算放大滤波电路由高精度低噪声运算放大器电路组成，是一个放大系数可调的一阶低通滤波器，用于将电流采样电压滤波放大后输出电流反馈电压反馈给电压比较器。

整体设计采用智能闭环设计，通过对电流给定电压和电流反馈电压的实时比较来控制MOS管的VGS(栅源极电压)，从而间接完成对MOS输出LED驱动电流的控制。

参见图2，本实施例恒流源驱动电路的传递函数框图，其中V1表示电流设定电压，Vk表示电流反馈电压，K1表示放大滤波电路比例系数，K2表示采样电路放大倍数，K3表示N沟道MOS管电流放大增益，Io表示驱动器输出电流，г为放大滤波电路时间常数。

在LED驱动输出电流Io稳态状态下，s＝0；

Io＝K3*V1； (1)

Vk＝K1*K2*Io； (2)

Vk≈V1； (3)

由式(1)，(2)，(3)可得：

K1*K2*K3＝1 (4)

式(1)、(2)、(3)、(4)即为电路设计及参数选型的依据，同时还可通过调节放大滤波电路时间常数г的值抑制电路中的反馈干扰，提高电路的电流控制精度。

本实施例相关电路部分设计如图3～图7所示。

参见图3，电源转换器的原理图，电源转换器包括输入滤波及保护电路、5W小功率通用DC-DC转化电源模块、电源基准电路及分压电路和100W中功率电源转换模块；

DC-DC转化电源模块用于输入的28V电源转化为模拟电路所使用的±15V电压；

电源基准电路及分压电路中采用TI公司的LM7801电源基准，用于将输入的28V电源转化为给稳定的5V，经电阻分压调节后输出为电流给定Iout；

电源转换模块用于将输入的28V电源转化为给LED供电的+15V电源；

参见图4，电压比较器的电路图，包括电阻R1、R9，运算放大器U4和电容C1、C2。

运算放大滤波电路输出的电流反馈电压(Iout)连接电阻R9的一端，R9的另一端连接运算放大器U4的反相输入端；电流给定控制电压(Vref)连接电阻R1的一端，R1的另一端连接运算放大器U4的同相输入端；运算放大器U4的输出端与功率输出电路的输入端连接；

运算放大器U4的4端为电源-15V供电端，电容C1为U4的-15V电源滤波电容，电容C1的一端与-15V供电端连接，一端与模拟地连接；运算放大器U4的7端为电源+15V供电端，电容C2为U4的+15V电源滤波电容，电容C2的一端与+15V连接，一端与模拟地连接。

运算放大器U4为ADI公司的OP27精密运算放大器，具有低失调电压和漂移特性与高速、低噪声特性。将电流给定及电流反馈分别输入运算放大器U4正负输入端电压值，搭建成一个结构简单、灵敏度高的比较器。运算放大器U4直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。在实际工作中，由于系统的闭环效应比较器一直工作在动态调节状态下，并将比较后的均值电压输出作为MOS管的VGS(栅源极电压),从而控制ID(漏极电流)。

参见图5，功率输出电路包括电阻R2、N沟道功率MOS管U5以及对外功率输出接口P1，功率输出接口P1的PD+端及PD-端分别连接用于外部LED的正极及负极。

将比较器输出的电压值(Vout)送入IRF3205的G极作为功率场效应管开关控制电压，PD+及PD-为LED输出接口。+15V电源将电流经PD+、PD-送入LED电路，流入N沟道功率场效应管后，经D极流出。

N沟道功率MOS管U5为IRF公司的IRF3205 N沟道功率场效应管，具有输出功率大、极低的导通阻抗、快速的转换速率的特点、动态dv/dt率、工作温度高(175℃)等特点，IRF3205的典型输出曲线如图8所示。尤其注意的是N沟道功率MOS管U5在带动大功率LED负载时，加装良好的散热器以保证芯片的工作在稳定的温度状态下，从而保证线性控制特性及可靠性。

参见图6，采样电路包括并联的电阻RS、RS1和RS2，并联电阻的输入端与N沟道功率MOS管U5的输出端连接，输出端接地。

由N沟道功率场效应管流出的电流经采样电阻Rs返回到电源地线中。电阻RS、RS1和RS2为高精度0.02Ω精密电阻(1W)阵列，将驱动LED电流转化为一个采样反馈电压(Iin)送给后端的放大滤波电路，通过并联电阻实现降低功率损耗及提高采样精度的能力。

参见图7，运算放大滤波电路包括电阻R3、R4、R5、R6、R18，电容C3、C4、C5，以及运算放大器U2；

运算放大器U2的1、5、8引脚为无用引脚设计为悬空状态；电阻R4的一端与模拟地(AGND)连接，另一端与运算放大器U2的反向输入端连接；电阻R6和电阻R18的一端均与运算放大器U2的同向输入端连接，电阻R6的另一端与N沟道功率MOS管U5的S极连接，电阻R18的另一端与模拟地(AGND)连接。

运算放大器U2的输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与、电压比较器中的电阻R9的一端连接；电阻R3与电容C3为并联关系，均跨接在运算放大器U2的反向输入端与输出端之间。

运算放大器U2的4端为电源-15V供电端，C5为运算放大器U2的-15V电源滤波电容，C5的一端与-15V连接，一端与模拟地连接。U2的7端为电源+15V供电端，C4为U4的+15V电源滤波电容，C4的一端与+15V连接，一端与模拟地连接。

运算放大器U2为ADI公司的OP27精密运算放大器，运算放大器U2及附加阻容电路搭建为一阶放大滤波电路，以实现对反馈电流采样电压的放大及降噪功能。一般设计中，考虑整体电路的动态性能，该一阶滤波器截止带宽f＞100Hz即可。放大滤波电路将电流采样电压(Iin)经放大后输出为电流反馈电压(Iout)。

试验验证：

将本发明应用于积分球可调光色大功率LED阵列驱动，可实现对200nm～1050nmLED光源驱动，驱动能力优于5安培，电流控制精度优于0.1％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：包括依次连接的电源转换器、电压比较器和功率输出电路，以及采样电路、运算放大滤波电路；

所述电源转换器包括输入滤波及保护电路、第一电源转换模块、电源基准电路及分压电路和第二电源转换模块；

所述第二电源转换模块用于将输入的电源转换为功率电压；

2.根据权利要求1所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述功率输出电路输出电流Io稳定条件为：

K1*K2*K3＝1

3.根据权利要求2所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述电压比较器包括电阻R1、R9，运算放大器U4；

所述运算放大器U4为高精度低噪声运算放大器。

4.根据权利要求3所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述功率输出电路包括电阻R2、N沟道功率MOS管U5以及对外功率输出接口P1，功率输出接口P1的PD+端及PD-端分别用于连接外部LED的正极及负极；

5.根据权利要求4所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述采样电路包括并联的精密电阻RS、RS1和RS2，精密电阻RS、RS1和RS2的一端与N沟道功率MOS管U5的S极连接，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述运算放大滤波电路包括电阻R3、R4、R5、R6、R18，电容C3，以及运算放大器U2；

所述运算放大器U2为高精度低噪声运算放大器。

7.根据权利要求6所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述电源基准电路为TI公司的LM7801电源基准；

所述N沟道功率MOS管U5为IRF公司的IRF3205 N沟道功率场效应管。

8.根据权利要求7所述的高精度大功率LED恒流源驱动电路，其特征在于：

所述运算放大滤波电路的截止带宽f＞100Hz。