CN201252662Y - 利用开关电源芯片实现高亮led灯的恒流驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用开关电源芯片控制开关器件实现高亮LED灯的恒流驱动电路。包括输入、辅助供电电路、开关器件、PWM控制芯片和驱动、滤波输出、电压反馈、电流放大、恒流环路和高亮LED灯。用本电路方式控制实现高亮LED灯单只或多只串并联的恒流驱动，效率高、恒流电流控制精度准确、温度稳定性好，能够稳定的控制高亮LED灯的照度，减小高亮LED灯的光衰，延长高亮LED灯的寿命，电压反馈电路能够保证稳定的输出电压，可靠的保护高亮LED灯。本实用新型具有恒压和恒流输出特性，可实现高亮LED灯的恒流驱动，对高亮LED灯照明的普及有很好的推动作用和利用价值，实现新的照明节能目标。

Description

利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路

技术领域

本实用新型涉及LED灯照明领域，具体涉及一种利用开关电源芯片控制开关器件实现高亮LED灯的恒流驱动电路。

背景技术

发光二极管(即LED)发明于20世纪60年代，LED具有体积小、寿命长、耗电量低、反应速率快、耐震性好等优点，被广泛应用在信号指示、数码显示等领域。随着LED发光材料技术的不断提高，高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光高亮LED的研制成功，使得它广泛地用到室内外装饰、甚至城市路灯照明和民用照明等领域。但是高亮LED的驱动是一个需要解决的问题，高亮LED的厂家推荐采用恒流驱动方式。以往在小功率高亮LED单只或几只串联的驱动方式多为通过串联固定限流电阻的方式来实现控制高亮LED的电流，此种方式存在的缺点是当输入电压变化的时候，流过高亮LED灯的电流变化很大，影响高亮LED灯的照度，并且串联的限流电阻存在很大的功耗，效率很低。后来为了实现准确的恒流控制，出现一种线性恒流电路实现高亮LED灯的驱动，此种电路能够实现了高亮LED灯的恒流驱动，但是由于它是通过线性调整管来调节压降进行恒流控制的，线性调整管有压降和电流，产生很大的功耗。这在大型的高亮LED路灯或高亮LED广场灯的应用中会产生非常大损耗，达不到节能的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有高亮LED路驱动技术存在的耗能问题，提出一种利用开关电源芯片控制开关器件实现高亮LED灯的恒流驱动电路，不仅能够实现高亮LED灯精确的恒流驱动，而且能够通过开关器件和储能器件完成能量的传递，驱动电路的效率可以达到92％以上，达到降低损耗节能的目的。

为实现上述目的，本实用新型所提供一种利用开关电源芯片控制开关器件实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其包括输入、辅助供电电路、开关器件、PWM控制芯片和驱动、滤波输出、电压反馈、电流放大、恒流环路和高亮LED灯。

依据上述主要技术特征，所述辅助供电电路的包括三极管Q2、并联于三极管Q2基极与集电极上的电阻R16、连接于三极管Q2基极上对模拟地的稳压管Z1、并联于三极管Q2的发射极与模拟地之间的滤波电容E3。

依据上述主要技术特征，所述的开关器件和滤波输出电路包括输入滤波电容E1、开关管TR1、连接于TR1的1脚和3脚之间的电阻R14、连接于TR1的1脚和DRV+驱动信号之间的驱动电阻R15、连接于TR1的3脚和模拟地之间的二极管D1、连接于TR1的3脚和输出UOUT+之间的电感L1、连接于输出UOUT+与模拟地之间的滤波电容E2、连接于输出UOUT-与模拟地之间采样电阻RS1。

依据上述主要技术特征，所述的PWM控制芯片和驱动电路包括PWM控制芯片U1和驱动芯片U2、连接于U1的8脚(VREF)和4脚之间的振荡电阻R1、连接于U1的4脚和模拟地之间的振荡电容C1、连接于U1的8脚和4脚之间的三极管Q1、连接于三极管Q1的1脚和U1的3脚之间的电阻R2、连接于U1的3脚与模拟地之间的电阻R3、连接于U1的7脚(VCC)和5脚(模拟地)之间的滤波电容C3、连接于U1的8脚(VCC)和5脚(模拟地)之间的滤波电容C4、连接于U1的7脚和U2的2脚之间的驱动电阻R7、连接于U2的1脚和U2的4脚(模拟地)之间的滤波电容C5、由接在U2的8脚的元件D3和C6组成的高端供电回路，从U2的7脚输出DRV+驱动信号，从U2的7脚输出DRV-驱动信号。

依据上述主要技术特征，所述的电流放大和恒流环路包括集成运放U3、连接于U3的3脚和UOUT-之间的电阻R11、连接于U3的1脚和U3的2脚之间的电阻R13以及连接于U3的2脚和模拟地之间的电阻R12组成电流信号的比例放大电路、连接于U3的5脚和VREF信号之间的电阻R8、连接于U3的1脚和U3的6脚之间的电阻R10、连接于U3的7脚和U3的6脚之间的电容C7和C8及电阻R9组成恒流环路、连接于U3的7脚和U1-1信号之间的二极管D2。

依据上述主要技术特征，所述的电压反馈电路包括连接于UOUT+与U3的2脚电阻R5、连接于U3的2脚与模拟地之间的电阻R4、连接于U1的1脚和2脚的电路R6和电容C2。

依据上述主要技术特征，所述的高亮LED灯包括连接于输出UOUT+和UOUT-之间连接由LED1到LEDN串联或者并联组成的高亮LED灯照明模组。

本实用新型的优点在于利用一种现有在电源界成熟应用多年、稳定可靠的开关电源PWM控制芯片，通过扩展一些驱动电路控制开关器件、电压反馈电路、电流放大电路、恒流环路实现恒压恒流输出功能。根据现有高亮LED灯的功率，例如1W、3W、5W高亮LED灯组合成的模组，根据模组的配置，通过调整采样电阻RS1的阻值和电流放大器的放大比例设计出相应的恒流控制电流值，实现高亮LED灯的开关方式恒流驱动工作，功率器件的损耗很低，驱动电路的效率高，达到配合高亮LED灯实现节能的目的。

附图说明

图1为本实用新型利用开关电源芯片控制开关器件实现高亮LED灯的恒流驱动方框图；

图2为图1中的辅助供电电路的原理图；

图3为图1中的开关器件和滤波输出的原理图；

图4为图1中的PWM控制芯片和驱动及电压反馈的原理图；

图5为图1中的电流放大和恒流环路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本实用新型做进一步详细说明：

请参阅附图1至图5所示，UIN为本恒流驱动电路的输入电压，它可以来自经电网整流后或APFC校正后的电压，也可以是来自AC/DC变换器的输出电压或蓄电池的电压。VCC为经Q2、R16、Z1和E3组成的线性稳压电路产生的18V输出的稳压电源，负责给U1、U2、U3芯片的正常供电。VREF信号为由芯片U1内部产生的基准电压5V的信号，由U1的8脚经C4电容滤波后输出，作为U1的4脚振荡电阻R1和U3-B的5脚电阻R8的基准电压。DRV+和DRV-信号是由U2(IR2181)产生的高端驱动信号，DRV+和DRV-信号负责关管TR1的驱动。U1-1信号是由电流环路U3-B的7脚经二极管D2隔离输出的控制信号，负责控制U1的1脚的电压。UOUT+和UOUT-为输出信号，为高亮LED灯提供稳定的恒流驱动。

下面结合一种由25只1W的高亮LED灯串联组成的照明模组的恒流驱动实例说明电路的工作原理。1W的高亮LED灯的规格书给出的额定恒流驱动电流为350mA，每只高亮LED灯的压降的范围为3.0V～3.4V，那么25只高亮LED灯的压降为75.0V～85.0V，所以我们选择UIN的供电电压为直流100V，设计输出空载的时候的电压为88V。假设取采样电阻RS1的电阻值为1欧姆，那么在采样电阻RS1上流过350mA的电流产生的压降为350mV，经电流放大器比例放大后得到U3的1脚为5.0V的信号。

如图2所示，所述辅助供电电路的包括三极管Q2、并联于三极管Q2基极与集电极上的电阻R16、连接于三极管Q2基极上对模拟地的稳压管Z1、并联于三极管Q2的发射极与模拟地之间的滤波电容E3；所述的三极管Q2、电阻R16、稳压管Z1以及电容E3组成给PWM控制芯片和运放辅助供电的18伏的稳压电源VCC。

如图3所示，所述的开关器件和滤波输出电路包括输入滤波电容E1、开关管TR1、连接于TR1的1脚和3脚之间的电阻R14、连接于TR1的1脚和DRV+驱动信号之间的驱动电阻R15、连接于TR1的3脚和模拟地之间的二极管D1、连接于TR1的3脚和输出UOUT+之间的电感L1、连接于输出UOUT+与模拟地之间的滤波电容E2、连接于输出UOUT-与模拟地之间采样电阻RS1。

在本实例选择了UIN高输入电压100V，所以选择了降压型的BUCK拓扑电路组成的主功率变换器，如果选择了UIN为低输入电压，例如12V或24V，此时可以选择升压型的BOOST拓扑电路组成主功率变换器。

当25只1W的高亮LED灯串联组成的照明模组没有连接到UOUT+和UOUT-时，由于采样电阻中没有电流流过，所以UOUT-对模拟地的信号为0V，经电流放大器放大后U3-A的1脚电压也为0V，U3-A的1脚电压0V信号通过电阻R10加到U3-B的6脚与U3-B的5脚电压5.0V进行比较的结果是U3-B的7脚输出饱和为高电平，经二极管D2隔离后对芯片U1不起控制作用，即输出空载的时候电流放大和恒流环路不起控制作用。此时电路工作在由电压反馈电路和U1内部放大器组成的稳压工作状态，当输出电压高于88V时经电阻R5、R4分得的电压信号加到U1的2脚，U1的2脚的信号在U1内部与内部的2.5V参考电压比较，使U1的6脚输出的PWM信号占空比减小，通过高端驱动芯片U2驱动开关管TR1，控制传递到电感L1和电容E2的能量，使输出电压降低。反之当输出电压低于88V时，通过电压反馈电路使U1的6脚输出的PWM信号占空比增大，使输出电压升高。最终达到一个稳态的平衡，即实现稳定输出电压的功能。这在高亮LED灯串联组成的照明模组快速接入和断开的过程中，输出电压很接近高亮LED灯照明模组的总电压，减小对高亮LED灯的冲击，延长它的使用寿命。

当25只1W的高亮LED灯串联组成的照明模组连接到UOUT+和UOUT-输出端时，由于照明模组的总电压低于设计的恒压输出电压88V，所以经R5和R4在U1的2脚分得的电压低于内部的2.5V基准电压，所以U1的内部放大器的输出，即U1的1脚输出饱和为高电平。此时如果没有其它信号控制U1，U1的6脚将输出最大的占空比，通过高端驱动芯片U2驱动开关管TR1，使能量不断的从UIN传递到电感L1和电容E2，施加到高亮LED灯串联组成的照明模组，将导致流过高亮LED灯的电流不受控制远远超过额定电流，将损坏高亮LED灯。但是电路设计增加的电流放大和恒流环路将起到控制电流的作用，当输出电流大于350mA时，在UOUT-和模拟地之间产生一个大于350mV的信号，经U3-A组成的比例放大电路后，在U3的1脚产生一个大于5.0V的电压信号，此信号与U3的5脚的5.0V的基准电压进行比较，使U3的7脚输出电压降低，通过二极管D2将U1的1脚电压拉低，使U1的6脚输出的PWM信号的占空比减小，通过高端驱动芯片U2驱动开关管TR1，控制传递到电感L1和电容E2的能量减少，使输出电流降低。反之，当输出电流小于350mA时，电流放大和恒流环路控制U1，使U1的6脚输出的PWM信号的占空比增大，通过高端驱动芯片U2驱动开关管TR1，控制传递到电感L1和电容E2的能量增加，使输出电流增大，最后达到稳态的平衡，输出端的平均电流稳定。驱动高亮LED灯的电流恒定不变，实现高亮LED灯的恒流驱动工作。

Claims (7)

1、利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于它由输入、辅助供电电路、开关器件、PWM控制芯片和驱动、滤波输出、电压反馈、电流放大、恒流环路和高亮LED灯组成，输入先经过开关器件，后通过滤波输出到高亮LED灯；高亮LED灯通过电压反馈连接到PWM控制芯片和驱动；高亮LED灯经过电流放大后通过恒流环路连接到PWM控制芯片和驱动；输入通过辅助供电电路连接到PWM控制芯片和驱动后到开关器件；输入通过辅助供电电路连接到电流放大和恒流环路。

2、如权利要求1所述的利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于所述的辅助供电电路包括三极管(Q2)、并联于三极管(Q2)基极与集电极上的电阻(R16)、连接于三极管(Q2)基极上对模拟地的稳压管(Z1)、并联于三极管(Q2)的发射极与模拟地之间的滤波电容(E3)。

3、如权利要求1所述的利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于所述的开关器件和滤波输出电路包括输入滤波电容(E1)、开关管(TR1)、连接于开关管(TR1)的1脚和3脚之间的电阻(R14)、连接于开关管(TR1)的1脚和DRV+驱动信号之间的驱动电阻(R15)、连接于开关管(TR1)的3脚和模拟地之间的二极管(D1)、连接于开关管(TR1)的3脚和UOUT+输出之间的电感(L1)、连接于UOUT+输出与模拟地之间的滤波电容(E2)、连接于输出UOUT-与模拟地之间的采样电阻(RS1)。

4、如权利要求1所述的利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于所述的PWM控制芯片和驱动电路包括PWM控制芯片(U1)和驱动芯片(U2)、连接于PWM控制芯片(U1)的8脚和4脚之间的振荡电阻(R1)、连接于PWM控制芯片(U1)的4脚和5脚之间的振荡电容(C1)、连接于PWM控制芯片(U1)的8脚和4脚之间的三极管(Q1)、连接于三极管(Q1)的1脚和PWM控制芯片(U1)的3脚之间的电阻(R2)、连接于PWM控制芯片(U1)的3脚与5脚之间的电阻(R3)、连接于PWM控制芯片(U1)的7脚和5脚之间的滤波电容(C3)、连接于PWM控制芯片(U1)的8脚和5脚之间的滤波电容(C4)、连接于PWM控制芯片(U1)的7脚和驱动芯片(U2)的2脚之间的驱动电阻(R7)、连接于驱动芯片(U2)的1脚和4脚之间的滤波电容(C5)、由接在驱动芯片(U2)8脚上的二极管(D3)和电容(C6)组成的高端供电回路，从驱动芯片(U2)的7脚输出DRV+驱动信号，从驱动芯片(U2)的6脚输出DRV-驱动信号；PWM控制芯片(U1)的5脚接模拟地，8脚接VREF信号，7脚接VCC信号；驱动芯片(U2)的4脚接模拟地。

5、如权利要求1所述的利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于所述的电流放大和恒流环路包括集成运放(U3)、连接于U3的3脚和UOUT-之间的电阻(R11)、连接于U3的1脚和U3的2脚之间的电阻(R13)以及连接于U3的2脚和模拟地之间的电阻(R12)组成电流信号的比例放大电路、连接于U3的5脚和VREF信号之间的电阻(R8)、连接于U3的1脚和6脚之间的电阻(R10)、连接于U3的7脚和6脚之间的电容(C7、C8)及电阻(R9)组成恒流环路、连接于U3的7脚和U1-1信号之间的二极管(D2)。

6、如权利要求1所述的利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于所述的电压反馈电路包括连接于UOUT+与U3的2脚之间的电阻(R5)、连接于U3的2脚与模拟地之间的电阻(R4)、连接于U1的1脚和2脚的电阻(R6)和电容(C2)。

7、如权利要求1所述的利用开关电源芯片实现高亮LED灯的恒流驱动电路，其特征在于所述的高亮LED灯包括连接于输出UOUT+和UOUT-之间的由LED1到LEDN串联或者并联组成的高亮LED灯照明模组。

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