CN201509335U - 一种恒流源驱动器电路和器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可用于驱动LED照明光源的恒流源驱动器电路以及基于该电路的集成化恒流源器件。低成本的阻容降压型驱动电路虽然结构简单成本低廉，但性能差效率低，对LED光源器件有一定程度的损害；串联稳压型电路体积大重量重，发热多，效率低，不节能；PWM稳压或恒流电源性能相对较好，效率也较高，但成本也相对较高，重要毛病在于引入EMI电磁干扰。本实用新型的优越之处在于：恒流效果好、成本低、效率高、寿命长、无EMI。实现上述优越性的关键在于采用CRD器件向调整管提供稳定的基极电流，从而在保持恒流源电路结构简单成本低廉的前提下极大改善了整体恒流技术指标。

Description

一种恒流源驱动器电路和器件

【技术领域】

本发明涉及一种电源适配器，具体涉及一种可用于驱动LED照明光源的恒流源驱动器电路以及基于该电路的恒流源集成化器件。该电路/器件立足于现有元器件资源、封装技术和原材料，通过合理安排各种元器件之间的互联拓扑结构以及参数分配等设计，达到高标准的恒流效果。应用该发明，既可以采取分立元器件电路形式，更利于采用厚膜封装，实现以比较低的成本，获得比较高的电能利用效率和器件可靠性，同时，在LED灯具应用产品中不会引入EMI电磁干扰，从而实现高性能价格比的目标。基于该电路原理采用集成化封装工艺，可以制造为LED光源专门配套的电源适配器：高性能恒流源器件。

【背景技术】

LED照明是新兴绿色照明高科技产业，LED光源产品具有绿色环保、高效节能特点，已得到广泛重视。不同于其它人造电光源，要获得LED光源器件的稳定高效工作，需要将流经LED器件的工作电流稳定在一定的限度内，如果工作电流超过LED器件的极限值限度，将会导致照明失效，甚至于造成LED光源器件的永久性损坏。目前，针对LED照明光源的应用，已经推出了许多种不同类型的电源适配器技术方案，良莠不齐，各有侧重。相对比较流行、使用量比较大的技术方案是采用PWM技术的恒流源电源适配器。经过众多技术人员和生产厂家多年持续不断地努力，已经取得了可喜的进步，PWM恒流源的转换效率在不断提高，电路的核心部分已经集成化为IC集成电路，使用方便，成本低廉，性能稳定，应用很广。

然而，LED绿色照明在推广进程中，一直受到各种阻碍，其中阻碍因素之一就是LED灯具所产生的EMI电磁污染。目前大多数LED光源的电源适配器采用PWM技术，该技术方案的核心是脉冲宽度调制。高频率的信号调制、大电流的功率转换难免有电磁辐射泄漏，而恒流源成本的严格控制，使得在电磁屏蔽措施上投入不够，在一定程度上造成对周围环境的电磁污染，不但会影响无线电信号传输，甚至会影响人们的身体健康。在十分注重环境保护的发达国家，EMI指标不过关，产品被拒绝进入市场。

另外，如果对电源适配器进行稍微全面的分析就会知道，基于PWM技术的恒流源具有几方面先天不足。首先，其能源转换效率一般只作到80～90％左右，难于做到95％以上；其次，电路结构相对复杂，元器件较多，分布参数的控制需要经验，综合制造成本较高，体积也比较大；再次，测量与调试都要依靠仪器仪表，专业技术有较高要求，调试与故障排除工作有一定难度和工作量，这样又增加了一块成本；最后，电路可靠性模型比较复杂，恒流源子系统可靠性指标相对较低，也就是说，其平均无故障时间MTBF指标不够高，有可能最终影响LED照明灯具整体可靠性指标下降。

相比在这几个方面，本专利技术方案占有较大的优势：效率高、成本低、可靠性好，特别是直流工作无EMI电磁污染。这几点正是未来应用最广、靠市电网供电的LED照明光源所需要的最佳配套恒流源驱动器技术方案所应具备的特征：高效、长寿、低成本、无污染。

由于用市电网直接供电的照明产品用量极大，而LED科技和产业的进展日新月异，可以预见在不久的将来LED照明灯具将会呈现巨大的增长，因此，研发出一种相对更合理、更有效的技术方案并加以推广，使得在尽可能多的LED照明灯具上都能减少一点污染、都能降低一点资源消耗，其细微进步之汇聚如聚小流以成江海，对社会的意义将是极其巨大的。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种电路设计合理、制造工艺简单、成本低廉、性能优异的恒流源，用以配套LED光源的电源驱动功能，主要解决配套以市电网供电的LED照明光源的交流电网恒流源适配器功能。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种恒流源驱动器电路和器件，即采用基于说明书附图1～5所示的电路原理图设计、制造的一类新型恒流源电路和集成化封装器件。

本发明一种恒流源驱动器电路和器件的工作原理，如图1所示。这是一个双端器件，以串联方式接入应用电路中。按照电流方向，器件的电流输入端为①，器件的电流输出端为②。工作电流I进入端口①，分两路I_C和I_CRD，I_C是调整管集电极电流，它不受恒流源①、②两端之间所施加电压的影响，但要受I_C＝β*Ib条件的约束，如果基极电流Ib发生变化，电流I_C以及Ie就会发生变化，整个恒流源的恒流效果就受到影响。影响Ib发生变化的因素主要来自前后两级电压：前级的Vb和后级的Ve。Ve以负反馈电压形式通过调整管的be结与基准电压Vb共同影响基极电流Ib。显然，基准电压Vb的恒定对恒流效果至关重要。

在此发明之前设计的恒流源电路如图6所示，其基准电压Vb是通过稳压二极管Dz实现。然而稳压二极管Dz的特性曲线表明，其电压稳定度勉强可用但并不理想，同时还需较大工作电流Iz消耗，然而这一设计中最无奈之处在于，图6恒流源调整管的偏置电阻Rb与集电极相连，当输入端①与②端之间的电压大幅度变化，导致流经Rb的偏置电流也大幅变化，因此恒流效果非常不理想。作为图6的改进方案，图7为Rb提供了专门的电源Vdd，只要Vdd足够稳定，则流经Rb的偏置电流也会足够稳定，恒流效果就会令人满意，但在实际使用中总感觉有点儿麻烦，而这样使用也还要增加一些成本，低成本的优越性被打了折扣。

自从商品化恒流二极管CRD的出现，使我们看到一种结构简单性能独特的双端器件，其特点是：无论施加在其两端的电压如何变化，流经CRD的电流保持恒定，故称‘恒流二极管’。

然而CRD并非完美无缺。首先，CRD是半导体工艺制造，相同型号成品CRD的V/I特性曲线虽然相近，但个体参数离散性较大，生产厂家必须对其进行事后分级分类。如果分得细，则品种型号烦冗，既不方便管理又增加工厂库存；但是如果分得太粗，则产品型号相同而参数可能不同，导致最终应用并不方便。其次，半导体材料制造的CRD，工作电压范围不够宽，耐受电压上限仅为100V左右，而工作电压范围仅几十伏特，无法满足高电压恒流源应用的要求。再次，CRD工作时必须把工作电流变化部分的功率消耗掉，这会导致CRD器件本身过度发热。对于工作电流较小的应用，CRD可以将热量尽快散掉，以保持正常的工作温度，如果要求CRD对较大电流进行恒流，大量的热量散不出去就会使CRD管芯温度过高，就有可能导致CRD失效甚至永久性损坏。因此，从理论上不宜将CRD器件的工作电流做得太大，也就是说，CRD不适合单独应用在工作电流大于300mA的恒流应用场合。事实上，要将工作电流做大也有许多技术上的困难，到目前为止，市场上几乎没有超过20mA数量级的CRD供应，而工作电流仅为100mA的CRD才刚刚进入研发阶段。可见，能对100mA的工作电流进行恒流已经算是‘大电流’CRD了。

认真分析CRD的优越之处和不足，结合现有技术方案的优缺点，将两者有机结合，便产生了本发明。在图6中，我们只须用CRD简单地取代Rb，就变成了图2和图3，于是，相似的电路和相近的成本，相同的体积和相当的重量，却能使貌似相同的恒流源电路的恒流效果比此前提高若干数量级，同时，新恒流源器件整体的耐压级别极大提升，单个器件参数的离散程度大大下降，尤其是工厂安排生产计划时完全可以做到‘以不变应万变’：只需极少数几种型号的高品质CRD，配接不同参数的外围电路，选择几种标准规格的集成封装形式，便可以适应全系列参数的应用需求。

本发明的关键点在于：

1采用恒流二极管CRD取代偏置电阻提供恒定的偏置电流，明显提高恒流源整体的性能技术指标。

a)在外加电压发生变化特别是剧烈变化时，表现在恒流源器件①、②端之间的电压也发生相应变化，并直接影响到恒流源内部的一系列变化。由于本发明采用CRD稳定偏置电流I_CRD，取代原来在此位置的偏置电阻Rb，显然，流经Rb的偏置电流I_b会随外电压变化而变化，而流经CRD的偏置电流I_CRD能够保持恒定，这一点对恒流源恒定电流的整体性能起到严格把关的作用。

b)基于CRD的恒流特性，在电路结构上变得很简单：无须独立给其供电，只要简单地将其入端和集电极相连即可，如图1等原理图所示。

c)需要说明的是，本发明之恒流源的工作电压有一定的盲区，盲区电压数值由几个部分构成：CRD初始电压Vk，调整管基极到发射极电压Vbe，反馈电阻Re上的电压降Ve，再加个附加量，比如0.5V左右。在应用中只要注意到本发明的恒流源在常规工作状态下，把电压降分配适当，超过盲区电压，就可以确保其恒流性能。尽管这一点原理很简单，做到也很容易，但是还是应该在恒流源器件的技术文件中务必提供具体翔实的数据，并向用户说清楚这一点。

2恒流源的调整管仍采用晶体三极管，具体包括NPN、PNP不同极性，也包括为提高电流增益所采用的达林顿等多级互联形式。

a)采用晶体管作调整管，可将应用本发明的恒流源电路工作电压扩展到CRD难以实现甚至无法企及的范围，例如数百伏特甚至更高。可以预言，未来使用量最大的LED照明产品，其供电方式将不是低电压而是高电压，是市电网的交流电经简单处理后直接供电，因为只有这样才能实现简洁、高效，实现LED照明灯具的高可靠长寿命，进而实现真正意义上的最高综合效益目标。

b)耐压较高的晶体管制造工艺决定其电流增益的上限，为提高其电流增益可采用级联耦合形式，如达林顿电路。达林顿的电流增益为各级增益之乘积，在本发明的应用中，有两级也就足够了，如图8中所示。

c)为减少调整管发热量，保障其长久安全工作，可根据CRD初始电压Vk和集电极电流Ic，选择适当功率级别的电阻作为恒流源内部的集电极电阻Rc，用以匹配CRD的初始电压Vk，如图8中所示，这样可以长期减少调整管的发热量，提高恒流源系统的可靠性指标。

3调整管基准电压

a)稳压二极管Dz产生调整管的基准电压Vb，同时在温度系数方面，可以与调整管实现较好地匹配，一般来说，选用稳压二极管Dz是最佳匹配。

b)由于CRD优异性能，可以用一只成本更加低廉的电阻Rz取代稳压二极管Dz，这不仅进一步降低成本，还在调整指标方面更加方便灵活，而整体可靠性指标将进一步提高；同时，又可以选择工作电流更小的CRD，使得恒流源整体功耗进一步下降，在长期应用中，十分有意义。其电路原理如图2和图8所示。

4恒流源工作电流的调整

a)在符合电路设计规范的前提下，本发明恒流源主要通过调整反馈电阻Re，实现恒流工作电流的设定和调整。

b)为方便用户，使用本专利的恒流源器件生产厂家将生产不同规格的双端恒流源器件，用户只需根据应用需要选择相应的型号，按照说明书在电路中正确使用即可。双端器件的封装形式与传统二极管类似，既可以是插件式，如DO或TO系列封装，也可以是贴片式，如SOT/SOD系列封装，或采用其它标准系列封装。

c)为方便用户，使用本专利的恒流源生产厂家还将生产不同规格的三端恒流源器件，其电路原理图如图4、图5所示。恒流源①②端的接入方法如同双端器件，不同之处在于：必须在②③端之间接入用于调整工作电流的反馈电阻Re。这样的安排，对于有些用户是非常方便的，他们可以在事后根据实际应用情况随时调整恒流源的工作电流，只要设定的参数不超过限度即可。

【附图说明】

图1是本发明一种恒流源驱动器电路和器件的工作原理分析示意图，图中标明各处电流和主要电压符号，其工作原理在【发明内容】部分有叙述。

图2、图3是本发明一种恒流源驱动器电路和器件之双端器件原理图。

图4、图5是本发明一种恒流源驱动器电路和器件之三端器件原理图。

图6是本发明之前所设计的类似原理的恒流源电路原理图。

图7是图6的改进版本，变化之处在于为偏置专门设置独立电源，效果好但使用比较麻烦。

图8是图2、图3电路在几个环节上的演变，包括采用达林顿复合晶体管，还包括增加了集电极电阻Re等，这些变化在应用中非常具有实用价值。

图9是本发明一种恒流源驱动器电路和器件在市电网供电环境中驱动多级串联式LED光源的电路原理图，这是典型的市电网供电应用方案之一，其中使用的创新电路符号Ds表示多个(多于3个)LED串联电路或组件，称为‘LED串’。市电网电源经Bdg桥式整流，再经C1、L、C2构成的π型滤波电路送至LED光源电路Ds，再经本发明一种恒流源驱动器电路和器件PCS(Permanent Current Source)最终构成回路。在本应用中，只要计算好Ds的级联数量就可获得很好的恒流效果。

【具体实施方式】

实施例一、AC220V/50Hz市电网接入80W单头LED路灯

本实施例80W单头LED路灯光源部分采用80颗额定功耗1W的Power LED(功率型LED)串联而成，电路结构如图9所示。桥式整流电路可以选用成品整流桥，也可以用4支1N4007分立二极管组成。恒流源的工作电流为330mA，选用本专利的双端成品器件十分方便，几乎无需调试就可以正常工作。

实施例二、AC220V/50Hz市电网接入E26旋口式3W-LED走道灯

本实施例电路原理图同图9，LED光源Ds为96颗φ5草帽型封装的LED灯珠串联而成，工作电流为15mA，据此选择本专利双端封装的成品，接入电路即可正常工作。

实施例三、AC110V/60Hz市电网接入E26旋口式8W-LED室内照明灯

本实施例电路原理图同图9，电网电压为AC110V/60Hz，LED光源Ds为LED面封装结构的光源，该光源的结构是在铝基板PCB上密集封装两路并联、每路46颗共92颗14mil*14mil蓝色LED管芯，再在其上覆盖一层黄色荧光粉结合制造而成。两路并联LED电路串共用一个恒流源器件，总的工作电流设定为40mA，据此选择双端封装的恒流源成品，接入电路即可正常工作。

Claims (4)

1.一种串联接入应用电路的恒流源驱动器电路和器件，其特征是：恒流源中三极管基极的偏置电路部分包括提供偏置电流的恒流二极管CRD。

2.根据权利要求1所述的一种恒流源驱动器电路和器件，其特征是：电路包含调整管集电极的附加电阻Rc。

3.根据权利要求1所述的一种恒流源驱动器电路和器件，其特征是：采用厚膜封装工艺制作成结构紧凑便于使用的标准化的双端器件。

4.根据权利要求1所述的一种恒流源驱动器电路和器件，其特征是：采用厚膜封装工艺制作成便于使用的标准化三端器件，将恒流源工作电流参数调整的功能留给外接的Re，用户通过调整Re的电阻值就可以方便地精确调整恒流源的工作电流。

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