CN201294659Y - 用于大功率led驱动的通用温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，包括电压发生器、负反馈模块、1∶1电流镜、参考电阻、热敏电阻、比较器、开关控制模块、驱动模块和LED光源；电压发生器提供基准电压至负反馈模块的电压正向输入端，负反馈模块的电流输出端与参考电阻的输入端连接，参考电阻的输入端连接至负反馈模块的电压负向输入端；负反馈模块的电流输出端与1∶1电流镜的输出端A相连，1∶1电流镜的输出端B连接热敏电阻的输入端；参考电阻和热敏电阻分别连接比较器的两个输入端，比较器的输出端与开关控制模块的输入端相连；开关控制模块的输出端经由驱动模块与LED光源连接。此结构可实现温度补偿，延长LED光源的使用寿命。

Description

用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路

技术领域

本实用新型涉及LED照明领域，特别涉及大功率LED的温度补偿技术。

背景技术

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是个光电器件，其工作过程中只有15％～25％的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高，在大功率LED中，热管理是个大问题，若不对热量加以控制，则大功率LED的器芯温度T_J会急速上升，T_J对LED的出光率及寿命有较大影响；T_J越高会使LED的出光率越低，寿命越短。减小LED电流可以降低LED温度，延长LED寿命，但是一味地减小电流又造成LED没有工作在额定电流状态，亮度下降。为了兼顾亮度和寿命，就要使温度在合理的范围内，并保持驱动LED电流不变；当LED温度过高时，驱动LED的电流必须适当下降来降低LED本身温度，即温度补偿，这是LED应用领域需要解决的一个重点问题，特别是对于大功率LED来说，其功率高，发热量高，温度补偿对其而言显得更为重要。

如图1所示，是现有一种温度补偿的技术方案，其包括控制单元10、驱动单元20、LED光源30、光学传感器40和反馈电路50；控制单元10根据电源电压V_CC与反馈电压V_fd进行操作控制；驱动单元20响应控制单元10的控制，并为LED光源30提供电压V_DD；LED光源30包括借助驱动单元20提供的电源电压而发光的多个LED；光学传感器40用于检测从LED发出的光，并传送到反馈电路50；反馈电路50响应光学传感器40的检测信号，将反馈电压V_fd提供给控制单元10。

此结构工作时，反馈电路50将光学传感器40的检测信号与参考信号进行比较，并将对应于比较结果的误差信号的反馈电压V_fd提供给控制单元10，控制单元10响应反馈电压V_fd而改变电源电压，控制LED光源30的工作，缩短因温度变化而引起的亮度和色度的稳定时间。

然而，此种温度补偿电路具有以下缺陷：

(1)控制单元10只是根据温度反馈来调节LED发光时的亮度和色度，而没有解决LED在过热情况下工作引起的寿命缩短的问题；

(2)采用光学传感器40作为检测器件，体积大，安装占用空间大，且光学传感器40的成本高，从而提高了整体制造成本。

为了克服以上缺陷，如图2所示，是一种对于上述温度补偿电路的改进，其包括基准电压发生器100、非反相放大单元200、驱动单元300、LED光源400和正向电压检测器500；基准电压发生器100用于产生第一基准电压V_ref1；非反相放大单元200用于使用预定的增益A_V来对第一基准电压V_ref1和正向电压V_f之间的差电压执行非反相放大；驱动单元300用于响应于来自非反相放大单元200的电压来调节电源电压，以将经过调节的电源电压提供给LED光源400；正向电压检测器500用于检测LED光源400的LED的阳极处的正向电压V_f，以将正向电压V_f提供给非反相放大单元200。此种电路是通过检测LED光源400的正向电压V_f，根据温度改变来补偿亮度变化，与环境温度的目标电流值相结合来控制LED光源400的正向电压，从而无须使用光学传感器40或温度传感器或存储器或诸如CPU的判断装置，从而减小安装空间、节约制造成本并提高设计的灵活性。然而，这种电路结构也有其局限所在：

(1)通过反馈来恒定LED光源400的正向电压V_f，保证环境温度变化时LED发光亮度基本保持恒定，当环境温度上升时驱动LED电流上升，促使LED温度继续上升，因此也没有解决LED在过热情况下工作引起的寿命缩短的问题；

(2)需要设置温度补偿参数时，需要调节的电阻数目多，不方便直接进行设置。

鉴于前述电路结构的不足，本发明人对温度补偿电路进行潜心研究，终有本案产生。

实用新型内容

本实用新型的主要目的，在于提供一种用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其可以根据温度变化而调节流经LED光源的电流，实现温度补偿，延长LED光源的使用寿命。

本实用新型的次要目的，在于提供一种用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，进行温度补偿的起始温度点可调。

本实用新型的再一目的，在于提供一种用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其实现温度补偿时，流过LED光源的电流随温度升高而下降的斜率可调。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，包括电压发生器、负反馈模块、1∶1电流镜、参考电阻、热敏电阻、比较器、开关控制模块、驱动模块和LED光源；电压发生器提供基准电压至负反馈模块的电压正向输入端，负反馈模块的电流输出端与参考电阻的输入端连接，参考电阻的输入端还连接至负反馈模块的电压负向输入端，参考电阻的接地端接地，负反馈模块通过负反馈的形成使得电压正向输入端电压值与电压负向输入端电压值近乎相等，即参考电阻的端电压约等于基准电压；负反馈模块的电流输出端还与1∶1电流镜的输出端A相连，而1∶1电流镜的输出端B连接到热敏电阻的输入端；热敏电阻的接地端接地；参考电阻和热敏电阻的输入端还分别连接至比较器的两个输入端，比较器的输出端与开关控制模块的输入端相连，根据参考电阻与热敏电阻的电压比较结果向开关控制模块发出控制信号；开关控制模块的输出端经由驱动模块为LED光源提供驱动电流。

上述电压发生器为自行产生电压的基准电压发生器。

上述电压发生器也可以由外部电源取得电源。

上述参考电阻与负反馈模块的连接处具有插接头，参考电阻与负反馈模块之间通过插接连接。

上述热敏电阻与1∶1电流镜的连接处具有插接头，热敏电阻与1∶1电流镜之间通过插接连接。

采用上述方案后，本实用新型通过在LED光源附近设置一个热敏电阻，比较热敏电阻的端电压与参考电阻的端电压的高低，选择其中较低的电压输入驱动模块，驱动模块根据输入电压的大小按线性正比地输出驱动LED的电流。由于热敏电阻的负温效应，当LED环境温度比较低时，热敏电阻阻值大于参考电阻阻值，由于1∶1电流镜控制流经两电阻的电流始终相等，因此根据欧姆定律，热敏电阻的端电压高于参考电阻端电压，参考电阻端电压(也等于电压发生器提供的基准电压)作为驱动模块的输入电压，输出驱动LED电流保持恒定；反之，当LED环境温度过高时，热敏电阻的端电压降低到参考电阻的端电压以下，导致输出驱动LED电流随温度上升而下降，实现温度补偿，使得LED光源不致在高温状态持续工作在额定电流，从而延长LED光源的使用寿命。

另外，参考电阻与负反馈模块之间通过插接连接，可以方便更换参考电阻，当热敏电阻的阻值随温度升高而下降到与参考电阻的阻值相同时，温度补偿功能启动，因此可根据需要选取不同阻值的参考电阻，从而调节温度补偿的温度起始点。

再者，热敏电阻与1∶1电流镜之间也通过插接连接，可通过更换不同负温度系数的热敏电阻，而设定温度补偿时流经LED光源的电流随温度升高而下降的斜率。

附图说明

图1是一种现有温度补偿电路的示意图；

图2是另一种现有温度补偿电路的示意图；

图3是本实用新型的结构框图；

图4是本实用新型一个较佳实施例的电路示意图；

图5是本实用新型一个较佳实施例中的插接头的示意图；

图6是本实用新型一个较佳实施例中根据LED的温度-电流曲线所作的温度补偿的温度-电流特性曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。

如图3所示，是本实用新型用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路的一个较佳实施例的结构框图，包括电压发生器1、负反馈模块2、参考电阻3、1∶1电流镜4、热敏电阻5、比较器6、开关控制模块7、驱动模块8和LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源9。

电压发生器1的作用是直接或间接地为驱动模块8提供基准电压，此处可以是基准电压发生器，本身产生的恒定基准电压，也可以将输入端与外部电源相连，从外部获得电源电压，通过改变外部电压进而改变输入驱动模块8的电压。

电压发生器1的输出端与负反馈模块2的电压正向输入端相连，此处负反馈模块2的作用是实现负反馈，使负反馈模块2的电压正向输入端与电压负向输入端(也称反馈电压输入端)“虚短”，因电压负向输入端与参考电阻3的输入端连接，从而为参考电阻3提供与基准电压几乎相近的电压值。负反馈模块2的电流输出端也与其反馈电压输入端相连，并连接到参考电阻3的输入端，且负反馈模块2的电流输出端还与1∶1电流镜4的输出端A连接。在本实施例中，如图4所示，负反馈模块2由一运算放大器21与一NMOS管(N沟道金属-氧化物半导体场效应管)22组成，其中，运算放大器21的正向输入端与电压发生器1连接，输出端连接至NMOS管22的栅极，NMOS管22的漏极与1∶1电流镜4的电流输出端A连接，而NMOS管22的源极与运算放大器21的电压负向输入端短接，且源极还与参考电阻3的输入端连接。

参考电阻3的输入端与负反馈模块2的电流输出端相连，而另一端的接地端接地，这样就使得其输入端的电压即为参考电阻3两端的端电压，约等于电压发生器1提供的基准电压；此处参考电阻3可以与负反馈模块2集成在一起，也可以与负反馈模块2分开组装。

1∶1电流镜4的输出端A与参考电阻3的输入端连接，而1∶1电流镜4的输出端B连接到热敏电阻5的输入端，用于保证流经参考电阻3与热敏电阻5的电流值相等，因此将对二电阻阻值的比较，转化为对其两端电压值的比较。

热敏电阻5设置在LED光源9的附近，用于检测大功率LED光源9附近的温度，在本实施例中，热敏电阻5可采用NTC(NegativeTemperature Coefficient，负温度系数)的热敏电阻。热敏电阻5的输入端与1∶1电流镜4的输出端B连接，而其另一端的接地端接地，同参考电阻3的接法。这样设置则只需要测量热敏电阻5输入端的电压值，即可得到其两端的电压，减少电路中的接线，且测量方便。

参考电阻3和热敏电阻5的输入端还分别连接到比较器6的两个输入端，由比较器6将二者电压值比较后，根据比较结果向连接的开关控制模块7发出开关控制信号。

开关控制模块7的输入端与比较器6的输出端连接，根据比较器6发出的控制信号，将参考电阻3与热敏电阻5中具有较高端电压的电路与后续电路断开，而将较低的端电压加载到驱动模块8。在本实施例中，如图4所示，可采用一单刀双掷开关71与一反相器72组成，此单刀双掷开关71为高电平触发导通，则比较器6可通过输出的电平信号及反相器72控制单刀双掷开关71的S1或S2端闭合，假设当参考电阻3的端电压高于热敏电阻5的端电压时，比较器6输出低电平，经反相器72后使得单刀双掷开关71的S2端导通，将热敏电阻5的端电压加载到驱动模块8。

驱动模块8的输入端为高阻抗，输出端与LED光源9连接，用于输出驱动电流驱动LED光源9发光，驱动电流与此模块的输入电压呈线性正比关系。驱动方法可以是线性恒流驱动、DC-DC恒流驱动等，在本实施例中，采用线性恒流驱动，此为公知技术，在此不再赘述。

如图4所示，本实用新型工作时，设电压发生器1输出的基准电压为V_ADJI，参考电阻3的阻值为R_th，热敏电阻5的阻值为R_ntc，V_ADJO为驱动模块8的输入电压，驱动模块8输出的LED驱动电流I_out与V_ADJO呈线性正比关系：

I_out＝Gm*V_ADJO(Gm＞0)                   (1)

由于运算放大器21的正向输入端与反馈电压输入端虚短，可知参考电阻3的端电压即为基准电压V_ADJI，从而流经参考电阻3的电流值为：

$I_A=\frac{V_{\mathrm{ADJI}}}{R_{\mathrm{th}}}---\left(2\right)$

又由于流经参考电阻3与热敏电阻5的电流通过1∶1电流镜4复制，因此流经热敏电阻5的电流值也为：

$I_B=I_A=\frac{V_{\mathrm{ADJI}}}{R_{\mathrm{th}}}---\left(3\right)$

则热敏电阻5的端电压为：

$V_{\mathrm{RAMP}}=I_B*R_{\mathrm{ntc}}=V_{\mathrm{ADJI}}*\frac{R_{\mathrm{ntc}}}{R_{\mathrm{th}}}---\left(4\right)$

参考电阻3与热敏电阻5的端电压V_ADJI及V_RAMP分别输入比较器6的两个输入比较端，由比较器6对二者进行比较，此处由于流经参考电阻3与热敏电阻5的电流值相同，则只要比较二者的端电压，即是比较二者的电阻值，从而为温度补偿作基础。

当LED光源9工作时的温度较低时，此时热敏电阻5的阻值会高于参考电阻3的阻值，也即：

V_ADJI＜V_RAMP                           (5)

此时比较器6输出高电平，单刀双掷开关71的S1端闭合，直接将电压发生器1的输出端与驱动模块8的输入端连接，使：

V_ADJO＝V_ADJI(R_th＜R_ntc时)    (6)

此时LED光源9的电流值仅由基准电压V_ADJI控制，温度补偿功能未启动，LED光源9工作在与V_ADJI电压对应电流值的恒流状态。

当LED光源9的工作温度较高时，热敏电阻5的阻值由于负温度效应下降，使得热敏电阻5的端电压V_RAMP低于参考电阻3的端电压V_ADJI，则比较器6输出低电平，单刀双掷开关71的S1端断开，而此低电平信号经过反相器72后转换为高电平，触发S2端导通，将热敏电阻5的端电压连接到驱动模块8，也即：

$V_{\mathrm{ADJO}}=V_{\mathrm{RAMP}}=V_{\mathrm{ADJI}}*\frac{R_{\mathrm{ntc}}}{R_{\mathrm{th}}}$ (R_th＞R_ntc时)             (7)

由上述公式(7)可以看出，当温度补偿功能启动时，流经LED光源9的电流由电压发生器1提供的基准电压和参考电阻3与热敏电阻5共同决定。

在本实施例中所使用的负温度系数的热敏电阻的电阻表达式为：

$R=R_{25}*\mathrm{ExpB}(\frac{1}{T}-\frac{1}{298})---\left(8\right)$

其中，B为B常数(NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数)；R₂₅是指NTC热敏电阻5在25℃(298K)时候的电阻值；T为热敏电阻的温度值的绝对温度值表示(单位：K)。

因此热敏电阻5的阻值可以表示为：

$R_{\mathrm{ntc}}=R_{25}*\mathrm{ExpB}(\frac{1}{T}-\frac{1}{298})---\left(9\right)$

从而用于设定温度补偿起始点的温度值T_th的参考电阻3的阻值R_th可以等同于把T_th代入NTC热敏电阻的电阻表达式(7)中，即：

$R_{\mathrm{th}}=R_{25}*\mathrm{ExpB}(\frac{1}{T_{\mathrm{th}}}-\frac{1}{298})---\left(10\right)$

联立公式(7)(9)(10)，可得：

$V_{\mathrm{ADJO}}=V_{\mathrm{ADJI}}*\mathrm{ExpB}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_{\mathrm{th}}})$ (R_th＞R_ntc时)         (11)

由式(1)(6)(11)得出：

当R_th＜R_ntc时，温度补偿未开始工作：

I_out＝Gm*V_ADJO＝Gm*V_ADJI          (12)

当R_th＞R_ntc时，温度补偿开始工作：

$I_{\mathrm{out}}=\mathrm{Gm}*V_{\mathrm{ADJO}}=\mathrm{Gm}*V_{\mathrm{ADJI}}*\mathrm{ExpB}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_{\mathrm{th}}})---\left(13\right)$

其中，T_th为温度补偿起始点温度(单位：K)，T为热敏电阻5的本身温度(单位：K)。

参考图6所示，是根据本实施例中所选用的LED温度-电流曲线(图中实线表示)所作的温度补偿的温度-电流特性曲线图(图中虚线表示)，使用实线表示的温度-电流曲线表明，在70℃以下LED光源9工作在额定电流350mA，当超过70℃时，为了保证LED光源9的使用寿命，电流必须开始下降，当上升到100℃时电流达到130mA。为了保证温度补偿后的温度-电流特性曲线范围在温度-电流曲线(虚线表示)以内，并且尽可能趋近温度-电流曲线，图4中热敏电阻5的各参数如下：

B＝4485，R₂₅＝100KΩ，

根据公式(9)计算可得热敏电阻5在70℃时的阻值约为13.7K，设基准电压V_ADJI＝1.2V，对应的输出电流I_out＝350mA，1∶1电流镜4两支路的电流总和约为200uA，在合理范围之内，因此最终R_th＝13.7K，R_ntc的两个参数为：B＝4485，R₂₅＝100KΩ。图6中虚线表示温度补偿后的温度-电流特性曲线范围在温度-电流曲线(实线表示)以内，说明不论环境温度高低或是散热装置好坏，温度补偿功能都将保证LED光源9一直处于安全使用区域，寿命得到保证。

可以看出，采用本实用新型后，将热敏电阻5设置在LED光源9附近，当LED光源9的工作温度较低时，热敏电阻5的阻值会高于参考电阻3的阻值，即R_th＜R_ntc，此时温度补偿不启动，LED光源9在电压发生器1产生的基准电压对应的电流值下恒流工作；而当LED光源9的工作温度升高时，热敏电阻5的阻值会因为负温度效应而低于参考电阻3的阻值，即R_th＞R_ntc，此时由于1∶1电流镜4的作用使得流经热敏电阻5与参考电阻3的电流值相同，因此热敏电阻5两端的电压值低于参考电阻3的端电压，温度补偿开始工作，将热敏电阻5的电压(两电压值中较低的一个)加载至驱动模块8，从而降低流经LED光源9的电流，使LED光源9的功率减小，发热量减小，进而降低LED光源9的工作温度，保护其元器件不致持续工作在高温状态下，延长其使用寿命。

由式(10)可知，在选定热敏电阻5在室温(25℃)下的阻值R₂₅(流经热敏电阻5的电流在温度补偿起始温度点附近，不致太大或太小)后，通过查热敏电阻阻值表或是根据式(10)计算精确得到热敏电阻5在温度补偿的起始温度点(T_th)所对应的阻值，即参考电阻3的阻值R_th；因此，选用不同阻值的参考电阻3，可以设定不同的温度补偿起始温度点，为了使本实用新型方便更换参考电阻3，以便适应不同的LED温度-电流特性，本实施例还在参考电阻3与负反馈模块2的连接处具有插接头31，如图5所示，使参考电阻3和负反馈模块2通过插接连接，则需要调节温度点时，只需要从插接头31处拔下连接的参考电阻3进行更换即可。

另外，由式(11)还可以知道，通过选定不同NTC热敏电阻5的B常数，可以确定温度补偿时流经LED光源9的电流随温度升高而下降的斜率，B常数越大斜率也就越大。为了方便调节，也可以如前所述，在热敏电阻5与1∶1电流镜4的连接处设置插接头52，如图5所示，使热敏电阻5与1∶1电流镜4之间通过插接连接，方便更换。

当热敏电阻5有时需要设置在距离比较远的LED光源9附近时，为了进一步提高本实用新型的工作效果，还可以在电路中增加一电容51，此电容51的一端接地，另一端连接在热敏电阻5的输入端，则在工作时，可有效滤除电路及外界环境中的噪声，达到滤波的目的，使热敏电阻5的测量结果更准确。

当要大幅度降低温度补偿的斜率时，可再选用一恒定电阻53与热敏电阻5串联作为一个整体，这样相当于弱化了热敏电阻5的B常数。当恒定电阻53的阻值与热敏电阻5的阻值之和等于参考电阻3的阻值时，温度补偿启动，增加恒定电阻53后的具体温度补偿公式可参考上述推导，在此不再赘述。

综上所述，本实用新型用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，重点在于在LED光源9的附近设置一个热敏电阻5，通过比较热敏电阻5随温度变化的阻值与另一参考电阻3阻值的大小，而调节为驱动模块提供的电压值，进而控制LED光源9的驱动电流，实现温度补偿，使得LED光源9不致持续工作在高温状态下，从而延长LED光源9的使用寿命。以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1、一种用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其特征在于：包括电压发生器、负反馈模块、1∶1电流镜、参考电阻、热敏电阻、比较器、开关控制模块、驱动模块和LED光源；电压发生器提供基准电压至负反馈模块的电压正向输入端，负反馈模块的电流输出端与参考电阻的输入端连接，参考电阻的输入端还连接至负反馈模块的电压负向输入端，参考电阻的接地端接地，使得该参考电阻的端电压约等于基准电压；负反馈模块的电流输出端还与1∶1电流镜的输出端A相连，而1∶1电流镜的输出端B连接到热敏电阻的输入端；热敏电阻的接地端接地；参考电阻和热敏电阻的输入端还分别连接至比较器的两个输入端，比较器的输出端与开关控制模块的输入端相连，根据参考电阻与热敏电阻的电压比较结果向开关控制模块发出控制信号；开关控制模块的输出端经由驱动模块为LED光源提供驱动电流。

2、如权利要求1所述的用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其特征在于：所述电压发生器为自行产生电压的基准电压发生器。

3、如权利要求1所述的用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其特征在于：所述电压发生器也可以由外部电源取得电源。

4、如权利要求1所述的用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其特征在于：所述参考电阻与负反馈模块的连接处具有插接头，参考电阻与负反馈模块之间通过插接连接。

5、如权利要求1所述的用于大功率LED驱动的通用温度补偿电路，其特征在于：所述热敏电阻与1∶1电流镜的连接处具有插接头，热敏电阻与1∶1电流镜之间通过插接连接。

Images