CN1802056A - Led驱动电路与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED驱动电路与控制方法，包括功率开关和电流取样单元，以及电压比较单元，用于比较电流取样单元获取的电压与第一基准电压源的电压；输入电压取样单元，用于将取样的输入电压转换成电流信号；定时单元，用于根据电压取样单元采集的输入电压的大小控制功率开关的关断时间或预设固定的关断时间；逻辑单元，用于根据电压比较单元的比较结果和定时单元的输出信号，通过功率开关驱动单元控制功率开关，并控制定时单元中的定时开关。LED驱动电路控制方法包括用输入电压调制功率开关的关断时间的步骤或预设固定关断时间的步骤；当输入电压下降时关断时间变长，当输入电压上升时关断时间变短。本发明可用于LED灯组驱动，功率因数可达0.95以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源驱动电路与控制方法，特别是涉及一种用于LED的驱动电路与控制方法。
背景技术
随着大功率LED在灯光装饰和照明中的普遍使用，功率型LED驱动电路显得越来越重要。另外，LED作为一种电流型半导体发光器件，其发光强度由流过LED的电流确定，因此，驱动LED需要一种恒流的电源。
目前，普遍使用的市电供电(220V、110V交流供电)的LED驱动方法有两种，一是用RC降压的方式，这种方式的效率很低，给1W的LED供电需要耗用电网4-6W的电力，并且功率因素极低，只有0.2左右，不仅对电网的污染很大，而且还会严重地缩短LED的寿命。另一种方法是用传统的恒压AC/DC开关电源供电，效率在70％左右，功率因素在0.6左右。并且其体积大，批量使用时LED的亮度一致性差。另外，EMI(电磁干扰)比较大，对电网的污染很大。
为了解决上述问题，目前市场上出现了一种型号为HV9910的通用高亮度LED驱动器(HV9910 Universal High Brightness LEDDriver)，其电路原理图如图1所示，其被设计成将高电压源(整流后的AC85-265V，或者DC8-450V)转换成稳恒电流源，用于给串联或串并联的高亮度LED供电。HV9910利用恒定频率的峰电流控制脉冲宽度调制(PWM)操作，其使用小电感器和外部开关使LED驱动器的损失最小化。不象传统的PWM控制器，它使用简单的开/关控制以调节LED电流，因此，简化了控制电路设计。
这种HV9910驱动器相对于传统的LED驱动器虽然有很多优点，例如设计简单、成本较低、效率高(可达93％以上)、以及控制方便等等。但是，由于其采用的是脉冲宽度调制(PWM)，PWM控制需要对从功率电路得到的取样反馈信号进行精细的网络补偿设计。这个补偿回路的参数受IC内部参数和功率电路的参数以及印刷电路板的布局与分布参数的影响，随着工作频率的提高，这种设计变得越来越困难。不但使得IC本身的成本和周边元件的成本提高，还使得大规模生产的稳定性下降。另外，这种HV9910驱动器的功率因数也很低。为了改善功率因数，只是在LED驱动器的输入功率不超过25W时，通过在HV9910的应用电路中增加无源功率校正电路(如图2中的虚线框内的电路所示)，才可将功率因数提高。即使这样，其功率因数也只能达到0.85。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用脉冲宽度调制(PWM)的LED驱动电路的缺点，提供一种效率和功率因数更高、电流和脉冲的频率与占空比都可调的LED驱动电路与控制方法。为了实现本发明的目的，所采取的技术方案是：
按照本发明的第一方面，是提供一种LED驱动电路，除包括功率开关和用于对LED工作电流取样的电流取样单元外，还包括：电压比较单元，用于比较所述电流取样单元获取的电压与第一基准电压源的电压；输入电压取样单元，用于将输入电压转换成电流信号；定时单元，用于根据所述输入电压取样单元采集的输入电压的大小控制所述功率开关的关断时间；逻辑单元，用于根据所述电压比较单元的比较结果和所述定时单元的输出信号，通过功率开关驱动单元控制所述功率开关；并用于控制所述定时单元中的定时开关。
优选的是，所述电流取样单元为与所述功率开关串联的电阻器或电流耦合器件；当所述电流取样单元获取的电压达到第一基准电压源的电压时，所述电压比较单元输出低电平，使得所述逻辑单元输出端的电平改变，并通过连接在该输出端的功率开关驱动单元关断所述功率开关。所述输入电压取样单元为与电压输入端相连接的电阻器。所述定时单元进一步包括：与所述输入电压取样单元串联后接地的定时电容，与定时电容并联的定时开关，以及同相端通过第二基准电压源接地、异相端接在所述输入电压取样单元与定时电容之间的运算放大器。所述电压比较单元优选地为异相端接在所述电流取样单元的高电压端，同相端通过第一基准电压源接地的运算放大器。所述逻辑单元优选地为由门电路构成的触发器，其一个输入端接所述电压比较单元的输出，另一个输入端接所述定时单元的输出；其一个输出端接所述功率开关驱动单元，另一个输出端接所述定时开关。所述功率开关驱动单元优选地为图腾柱电路。LED驱动电路可以是分立元件电路也可以是集成电路，优选地为集成电路。
按照本发明的第二方面，还是提供一种LED驱动电路，除包括功率开关和用于对LED工作电流取样的电流取样单元外，还包括：电压比较单元，用于比较所述电流取样单元获取的电压与第一基准电压源的电压；定时单元，用于给所述功率开关设定固定的关断时间；逻辑单元，用于根据所述电压比较单元的比较结果和所述定时单元的输出信号，通过功率开关驱动单元控制所述功率开关；并用于控制所述定时单元中的定时开关。
优选的是，所述电流取样单元为与所述功率开关串联的电阻器或电流耦合器件；当所述电流取样单元获取的电压达到第一基准电压源的电压时，所述电压比较单元输出低电平，使得所述逻辑单元输出端的电平改变，并通过连接在该输出端的功率开关驱动单元关断所述功率开关。所述定时单元进一步包括：相互串联后又与第三基准电压源并联的定时电阻和定时电容，与定时电容并联的定时开关，以及同相端通过第二基准电压源接地、异相端接在所述定时电阻与所述定时电容之间的运算放大器。所述电压比较单元优选地为异相端接在所述电流取样单元的高电压端，同相端通过第一基准电压源接地的运算放大器。所述逻辑单元优选地为由门电路构成的触发器，其一个输入端接所述电压比较单元的输出，另一个输入端接所述定时单元的输出；其一个输出端接所述功率开关驱动单元，另一个输出端接所述定时单元中的定时开关。所述功率开关驱动单元优选地为图腾柱电路。LED驱动电路可以是分立元件电路也可以是集成电路，优选地为集成电路。
按照本发明的第三方面，是提供一种LED驱动电路控制方法，包括用输入电压调制功率开关的关断时间的步骤，或者给所述功率开关设定固定的关断时间。当用输入电压调制功率开关的关断时间时，输入电压下降时所述功率开关的关断时间变长，而当输入电压上升时所述功率开关的关断时间变短；或者当给所述功率开关设定固定的关断时间时，可以预设所述功率开关的关断时间。
按照本发明技术方案的LED驱动电路与控制方法，所取得的有益效果主要体现在：
1.电路结构简单，制造成本低廉；
2.可提供恒定的脉冲电流，其电流和脉冲的频率和占空比可以调整；
3.小体积，高效率，高功率因素。本驱动电路可以小到直接装入通用的灯头中，使得LED灯可以直接替代目前的灯具。由于用输入电压调制关断时间，功率因素高于0.95，其效率可以超过95％。
4.可增强LED的发光强度，延长LED的寿命。由于本发明提供的恒定电流充分可控，所以可以根据LED的性能调节最大的流过LED的电流使得LED的发光量增加。由于采用脉冲供电，LED处于间歇工作的状态，所以寿命延长。例如采用0.5的占空比，则LED的寿命相应延长一倍。并且该驱动电路是高频工作，充分利用了LED内萤光粉的余辉效应，不但不会有光的闪烁现象，还一步提高了LED的能耗发光比。
附图说明
图1是HV9910型通用高亮度LED驱动器电路原理图；
图2是HV9910型通用高亮度LED驱动器典型应用电路图；
图3是按照本发明的一种LED驱动电路的结构框图；
图4是按照本发明的另一种LED驱动电路的结构框图；
图5是按照本发明的一种LED驱动电路具体应用中的电路原理图；
图6是按照本发明的另一种LED驱动电路具体应用中的电路原理图。
图中：1.功率开关，2.电流取样单元，3.功率开关驱动单元，4.逻辑单元，5.电压比较单元，6.第一基准电压源，7.输入电压取样单元，8.定时单元，9.定时电容，10.定时开关，11.第二基准电压源，12.运算放大器，13.功率电感，14.整流桥，15.第三基准电压源，16.定时电阻，41.逻辑单元4的第一输出端，42.逻辑单元4的第一输入端，43.逻辑单元4的第二输入端，44.逻辑单元4的第二输出端。
具体实施方式
实施例1：如图3所示，除包括功率开关1和用于对LED工作电流取样的电流取样单元2外，还包括：电压比较单元5，用于比较所述电流取样单元2获取的电压与第一基准电压源6(见图5)的电压；输入电压取样单元7，用于将取样的输入电压转换成电流信号；定时单元8，用于根据所述输入电压取样单元7采集的输入电压的大小控制所述功率开关1的关断时间；逻辑单元4，用于根据所述电压比较单元5的比较结果和所述定时单元8的输出信号，通过功率开关驱动单元3控制所述功率开关1，并用于控制所述定时单元8中的定时开关10。
如图5所示，所述电流取样单元2为与所述功率开关1串联的电阻器或电流耦合器件，在本实施例中优选地为电阻器，用于将取样的电流信号转换成电压信号；当所述电流取样单元2获取的电压达到第一基准电压源6的电压时，所述电压比较单元5输出低电平，使得所述逻辑单元4的第一输出端41的电平改变，并通过连接在第一输出端41的功率开关驱动单元3关断所述功率开关1。
在本实施例中，功率开关驱动单元3为图腾柱电路，输入电压取样单元7为电阻器。定时单元8进一步包括：与所述输入电压取样单元7串联后接地的定时电容9，与定时电容9并联的定时开关10，以及同相端通过第二基准电压源11接地、异相端接在所述输入电压取样单元7与定时电容8之间的运算放大器12。
在本实施例中，所述电压比较单元5为异相端接在所述电流取样单元2的高电压端，同相端通过第一基准电压源6接地的运算放大器。
所述逻辑单元4为由门电路构成的触发器，其第一输入端42接所述电压比较单元5的输出，第二输入端43接所述定时单元8的输出；其第一输出端41接所述功率开关驱动单元3，第二输出端44接所述定时开关10。本实施例的电路形式可以是分立元件电路，但除功率开关之外的其他部分最好是集成电路。
实施例2：如图4所示，除包括功率开关1和用于对LED工作电流取样的电流取样单元2外，还包括：电压比较单元5，用于比较所述电流取样单元2获取的电压与第一基准电压源6(见图6)的电压；定时单元8，用于给所述功率开关1设定固定的关断时间；逻辑单元4，用于根据所述电压比较单元5的比较结果和所述定时单元8的输出信号，通过功率开关驱动单元3控制所述功率开关1，并用于控制所述定时单元8中的定时开关10。
如图6所示，所述电流取样单元2为与所述功率开关1串联的电阻器或电流耦合器件，在本实施例中优选地为电阻器，用于将取样的电流信号转换成电压信号；当所述电流取样单元2获取的电压达到第一基准电压源6的电压时，所述电压比较单元5输出低电平，使得所述逻辑单元4的第一输出端41的电平改变，并通过连接在第一输出端41的功率开关驱动单元3关断所述功率开关1。
在本实施例中，功率开关驱动单元3为图腾柱电路。定时单元8进一步包括：相互串联后又与第三基准电压源15并联的定时电阻16和定时电容9，与定时电容9并联的定时开关10，以及同相端通过第二基准电压源11接地、异相端接在所述定时电阻16与所述定时电容9之间的运算放大器12。
在本实施例中，所述电压比较单元5为异相端接在所述电流取样单元2的高电压端，同相端通过第一基准电压源6接地的运算放大器。
所述逻辑单元4为由门电路构成的触发器，其第一输入端42接所述电压比较单元5的输出，第二输入端43接所述定时单元8的输出；其第一输出端41接所述功率开关驱动单元3，第二输出端44接所述定时开关10。本实施例的电路形式可以是分立元件电路，但除功率开关之外的其他部分最好是集成电路。
工作原理与控制方法
对于实施例1，参考如图5所示的本发明的LED驱动电路具体应用中的电路原理图，首先利用直流电压或整流后的直流电压给功率电感13充电，充电的电流由电阻或电流互感器取样后反馈给驱动电路，当电流取样的电压达到第一基准电压源6的电压时，电压比较器5输出低电平，通过逻辑单元4使得输出端41的输出电平改变，关断功率开关1，停止对功率电感13的充电。同时逻辑单元4发出信号使定时开关10断开。定时电容9开始充电，当定时电容9的电平达到第二基准电压源11的电压时。定时电路8输出低电平，通过逻辑电路4使得功率开关驱动单元3输出电平再次改变，开启功率开关1。功率开关1的关断时间由驱动电路调制。当调制的关断时间结束后又开始对功率电感13的充电过程。如果是交流供电，需要一个整流桥14。在交流供电时，对整流后的输入电压取样来调制关断时间，使得输入电压下降时关断时间变长，输入电压上升时关断时间变短。从而使得输入电流的平均值是一个相位和输入电压相同的正弦波。结果得到一个高于0.95的输入功率因素。通过对定时电容的充放电来确定关断时间，由于不同输入电压的充电电流不同，因此，就实现了用输入电压调制关断时间。
对于实施例2，参考如图6所示的本发明的LED驱动电路具体应用中的电路原理图，除定时单元8与实施例1中的工作原理有区别之外，其余部分工作过程相同。由于在实施例2的定时单元8中，是由第三基准电压源15通过定时电阻16对定时电容9的充放电来控制由运放12和第二基准电压源11组成的电压比较器的输出电平的翻转时间，进而通过逻辑单元4和功率开关驱动单元3控制功率开关1的关断时间。因此，当预先设定好第三基准电压源15、定时电阻16和定时电容9的大小时，也就预先设定好了定时电路的时间常数，更明确地讲，也就是预设好了控制功率开关1的固定的关断时间。
在此要特别说明的是，在本发明的说明书和权利要求书中所述的“第一、第二和第三”等概念都是相对的，仅仅是为了描述的方便而相对确定的，可以任意改变。
以上通过具体的和优选的实施例详细地描述了本发明，但是，本领域的技术人员应该明白，本发明并不局限于所述的实施例，本发明的LED驱动电路中的各单元还可以选用一些能够实现同样功能的其他具体电路，例如，可以实现同样逻辑功能的电路都可以用作本发明的逻辑单元，可以实现同样比较功能的器件或电路都可以用作本发明的电压比较单元，可以实现同样定时功能的器件或电路都可以用作本发明的定时单元，等等。总之，不脱离本发明的权利要求的范围，可以对本发明作各种修改、变更或调整，这些都应在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种LED驱动电路，包括功率开关和用于对LED工作电流取样的电流取样单元，其特征在于还包括：
电压比较单元，用于比较所述电流取样单元获取的电压与第一基准电压源的电压；
输入电压取样单元，用于将取样的输入电压转换成电流信号；
定时单元，用于根据所述输入电压取样单元采集的输入电压的大小控制所述功率开关的关断时间；
逻辑单元，用于根据所述电压比较单元的比较结果和所述定时单元的输出信号，通过功率开关驱动单元控制所述功率开关；并用于控制所述定时单元中的定时开关。
2.一种LED驱动电路，包括功率开关和用于对LED工作电流取样的电流取样单元，其特征在于还包括：
电压比较单元，用于比较所述电流取样单元获取的电压与第一基准电压源的电压；
定时单元，用于给所述功率开关设定固定的关断时间；
逻辑单元，用于根据所述电压比较单元的比较结果和所述定时单元的输出信号，通过功率开关驱动单元控制所述功率开关；并用于控制所述定时单元中的定时开关。
3.按照权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于：
所述输入电压取样单元为与电压输入端连接的电阻器。
4.按照权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于所述定时单元进一步包括：
与所述输入电压取样单元串联后接地的定时电容，与所述定时电容并联的定时开关，以及同相端通过第二基准电压源接地、异相端接在所述输入电压取样单元与所述定时电容之间的运算放大器。
5.按照权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于所述定时单元进一步包括：
相互串联后又与第三基准电压源并联的定时电阻和定时电容，与定时电容并联的定时开关，以及同相端通过第二基准电压源接地、异相端接在所述定时电阻与所述定时电容之间的运算放大器。
6.按照权利要求1、2、3、4或5所述的LED驱动电路，其特征在于：
所述电流取样单元为与所述功率开关串联的电阻器或电流耦合器件。
7.按照权利要求1、2、3、4或5所述的LED驱动电路，其特征在于：
所述电压比较单元为异相端接在所述电流取样单元的高电压端，同相端通过第一基准电压源接地的运算放大器。
8.按照权利要求1、2、3、4或5所述的LED驱动电路，其特征在于：
所述功率开关驱动单元为图腾柱电路。
9.按照权利要求1、2、3、4或5所述的LED驱动电路，其特征在于：
所述逻辑单元为由门电路构成的触发器，其一个输入端接所述电压比较单元的输出，另一个输入端接所述定时单元的输出；其一个输出端接所述功率开关驱动单元，另一个输出端接所述定时单元中的定时开关。
10.按照权利要求1或2所述的LED驱动电路，其特征在于：
电路可以是分立元件电路也可以是集成电路。
11.一种LED驱动电路控制方法，其特征在于包括以下步骤：
用输入电压调制功率开关的关断时间，或者给所述功率开关设定固定的关断时间。
12.按照权利要求11所述的LED驱动电路控制方法，其特征在于：
当用输入电压调制所述功率开关的关断时间时，输入电压下降时所述功率开关的关断时间变长，而当输入电压上升时所述功率开关的关断时间变短；当给所述功率开关设定固定的关断时间时，可以预设所述功率开关的关断时间。
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