CN203225910U - 一种led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种LED驱动电路，包括：单片机、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路、负载、输入电源；其中，所述单片机分别与所述输入电源、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；所述负载分别与所述Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；且所述失调偏置电路与所述取样及放大电路连接;进而本实用新型提供的LED驱动电路在满足低压差应用的基础上，实现了宽范围、高精度、高效率、低成本的目的。

Description

一种LED驱动电路

技术领域

本实用新型涉及一种驱动电路，特别涉及一种LED驱动电路。

背景技术

LED=LightEmittingDiode，即：发光二极管。LED是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低与功耗低，因此被广泛的应用于照明领域当中。

LED在具体的使用时，要注意驱动电路的选用。LED驱动电路除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面：

一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15%的变动时，仍应能保持输出电流在±10%的范围内变动。

二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。

目前，在电池供电情况下的LED照明技术中，采用的技术有：线性降压恒流驱动电路、使用PWM降压型芯片的恒流驱动电路、PWM升压型芯片的恒流驱动电路。然而，在电路中他们存在的如下缺点：线性降压型恒流驱动电路，其特点是成本低、精度高，但效率较低；线性降压型恒流驱动电路由于效率较低，一般用在驱动小电流的LED电路中，而在电池供电的LED照明产品使用中很少使用。使用PWM降压型芯片的恒流驱动电路，其特点是大电流下效率较高，但是，成本较高、小电流下效率低、小电流下控制精度低；在电池供电的LED照明产品中普便使用，通常是2节或多节理电池供电，配合单片机来进行换档控制；产品整体效率在78%-88%附近，20mA驱动时，效率低于60%。PWM升压型芯片的恒流驱动电路的特点，效率仅次于PWM降压型芯片的恒流驱动，同样存在类似问题。后面两种PWM方式的恒流驱动电路一般都是采用集成电路，在需要换档和对电流控制的场合，还必须增加附属电路和控制电路（如单片机），整体成本偏高。

上述说所的整体效率是指LED驱动功率比产品的整体功耗（包括单片机或控制电路的消耗）。

由上述可见，如何提供一种控制灵活、成本低、高精度、高效率、并且能够适应更大恒流范围的驱动电路，成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是如何提供一种控制灵活、成本低、高精度、高效率、并且能够适应更大恒流范围的LED驱动电路。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种LED驱动电路，包括：单片机、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路、负载、输入电源；其中，所述单片机分别与所述输入电源、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；所述负载分别与所述Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；且所述失调偏置电路与所述取样及放大电路连接。

优选地，所述单片机包括：信号输出端、控制输出端、信号采样输入端；所述信号输出端连接所述Buck变换电路；所述控制输出端与所述取样及放大电路连接；所述信号采样输入端与所述与所述取样及放大电路连接。

优选地，所述Buck变换电路包括：第一电容、第一电阻、场效应管、二极管、电感、第二电容；所述的第一电容正极与所述场效应管源极连接，所述信号输出端与所述场效应管栅极连接；所述第一电阻连接在所述场效应管的源极与栅极之间；所述二极管的负极连接所述场效应管的漏极；正极接地；所述电感连接于所述场效应管漏极与所述负载正极之间；所述第二电容连接于所述电感右端与所述二极管正极之间。

优选地，所述失调偏置电路包括：第二电阻、第三电阻以及基准电压源；其中，所述第二电阻、第三电阻、基准电压源串联，所述基准电压源的一端与所述信号采样输入端连接，另一端与所述第二电阻连接；所述第三电阻与所述负载负极连接。

优选地，所述取样及放大电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、运算放大器；其中，所述第四电阻一端与所述负载负极连接，另一端接地；所述第五电阻一端与所述运算放大器的负输入端连接，另一端接地；所述第六电阻连接在所述运算放大器输出端与负输入端之间；所述运算放大器的输出端与所述信号采样输入端连接；所述运算放大器的电源正极与所述控制输出端连接；所述运算放大器的电源负极接地；所述运算放大器的正输入端连接在第二电阻和第三电阻之间。

优选地，所述取样及放大电路进一步包括：第三电容和第四电容；其中所述第三电容一端连接在所述运算放大器的电源正极与所述控制输出端之间，另一端接地；所述第四电容与所述第四电阻并联。

优选地，所述第四电阻为取样电阻。

优选地，进一步包括：第三电容，所述第三电容一端连接在所述运算放大器的电源正极端，另一端接地。

优选地，进一步包括：第四电容，与所述第六电阻并联。

优选地，所述负载为多个并联的LED。

本实用新型提供的一种LED驱动电路，所述Buck变换电路接收单片机输出的PWM信号，调整输出电压驱动负载（LED）；取样及放大电路对流过负载（LED）的电流变换为电压信号进行放大，取样及放大电路将放大后的电压信号送到单片机AD采样的输入端，单片机根据采样结果进行判断和处理，调整PWM的占空比后送到Buck变换电路里，调整输出电压，进而形成一个闭环调节。在这期间，运算放大器的的输入失调问题会导致输出偏差很大，影响了控制精度，因此，在取样及放大电路上加入了失调偏置电路，再使用单片机的可编程优势进行学习和抵消正偏的电压值，从而解决了运放输入失调问题。另外，本实用新型把把Buck变换电路设计在非连续电流工作模式下工作，减小电感体积和提升低压差性能，同时降低了成本和满足驱动的高效率，并且电路控制灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例和现有技术中的技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的一种LED驱动电路的结构框图；

图2是本实用新型提供的一种LED驱动电路的电路原理图；

图3是本实用新型提供的一种LED驱动电路中Buck变换电路的不连续电路模式的示意图；

图4是本实用新型提供的一种LED驱动电路的上电流程图；

图5是本实用新型提供的一种LED驱动电路使用过程中的流程图；

图6是本实用新型提供的一种LED驱动电路应用于太阳能充电电路中的示意图。

具体实施方式

下面将接合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1所示，图1是本实用新型提供的一种LED驱动电路的结构框图。

本实用新型提供的一种LED驱动电路，包括：单片机、基准电压源、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路、负载（LED）、输入电源；其中，所述单片机分别与所述输入电源、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；所述负载分别与所述Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；且所述失调偏置电路与所述取样及放大电路连接。

本实用新型提供的一种LED驱动电路，所述单片机包括：信号输出端、控制输出端、信号采样输入端；所述信号输出端连接所述Buck变换电路；所述控制输出端与所述取样及放大电路连接；所述信号采样输入端与所述与所述取样及放大电路连接。

具体地，所述Buck变换电路接收单片机输出的PWM信号，调整输出电压驱动负载（LED）；取样及放大电路对流过负载（LED）的电流变换为电压信号进行放大，将放大后的电压信号送到单片机AD采样的输入端，单片机根据采样结果进行判断和处理，调整PWM的占空比后送到Buck变换电路里，调整输出电压。在这期间，运算放大器的的输入失调问题会导致输出偏差很大，影响了控制精度，因此，在取样及放大电路上加入了失调偏置电路，再使用单片机的可编程优势进行学习和抵消偏置，从而解决了运放输入失调问题。

另外，本实用新型把Buck变换电路设计在非连续电流工作模式下工作，减小电感体积和提升低压差性能，同时降低了成本和满足驱动的高效率，并且电路控制灵活。具体地，通过与单片机信号输出端连接，接收单片机产生的PWM信号，调整输出电压驱动负载（LED）；取样及放大电路对流过负载（LED）的电流变换为电压信号进行放大，将放大后的电压信号送到单片机AD采样的输入端，单片机根据采样结果进行判断和处理，调整PWM的占空比后送到Buck变换电路里，调整输出电压，如此形成一个闭环调节；在驱动负载（LED）的电流很小时，导致取样出的信号非常微弱，因运放的输入失调问题，会导致输出的偏差很大，因此，在取样及放大电路上接入了失调偏置电路，使得取样及放大电路的同相输入端电压处于正偏，再使用单片机的可编程优势进行学习和抵消正偏的电压值，从而解决了运放输入失调问题。

由此可见，本实用新型取样及放大电路的失调偏置电路和自学习抵消技术，使得驱动电路在小电流工作下也可以被正确采样，大大地拓宽了驱动电路恒流范围和精度；同时在驱动电路上的独特设计，提升了低压差性能和降低了产品体积和成本，非常具有实用价值。结合图1，参考图2所示，图2是本实用新型提供的一种LED驱动电路的电路原理图。

所述Buck变换电路包括：第一电容C1、第一电阻R1、场效应管Q1、二极管D1、电感L1、第二电容C2；所述的第一电容正极C1与所述场效应管Q1源极连接，所述单片机的PWM信号输出端与所述场效应管Q1栅极连接；所述第一电阻R1连接在所述场效应管Q1的源极与栅极之间；所述二极管D1的负极连接所述场效应管Q1的漏极，正极接地；所述电感L1连接于所述场效应管漏极与所述负载（LED）正极之间；所述第二电容C2连接于所述电感右端与所述二极管正极之间。

所述Buck变换电路中，第一电容C1是电源滤波电容，场效应管Q1为PMOS型开关管；第一电阻R1是场效应管Q1栅极的上拉电阻；二极管D1是肖特基型二极管，起续流作用；电感L1为储能电感，第二电容C2为容量较大的滤波电容。因为Buck变换电路为一个公知电路，因此不再赘述。

本实用新型提供的驱动电路，所述Buck变换电路的工作模式是在非连续电流模式下进行。

连续电流模式的纹波较其他模式更小，但需要的电感L1的电感值较大，通常单片机输出的PWM信号的频率不高，在十几千赫兹到几十千赫兹之间，那么使用的电感的电感量比较大，导致电感的体积及的直流内阻（DCR）也变大，不利于实现高效和低成本。本实用新型避开了传统做法，而让Buck变换电路主要工作在不连续电流模式下，使得可以使用电感量小的电感，其DCR很小且体积小，容易实现高效与低压差特性。但由于Buck变换电路在非连续电流模式下工作时，输出纹波会偏高，因此，本本实用新型在Buck变换电路的在输出端使用了一个容值较大的第二电容C2（可以为滤波电容），以降低纹波。

基于上述，参考图3所示，图3是本实用新型提供的一种LED驱动电路中Buck变换电路的不连续电路模式的示意图。当Buck变换电路工作于不连续电流的模式时，t0-t1时段，是场效应管Q1导通的时间段，t1-t2时段，是二极管D1（该二极管可以为续流二极管）导通的时间段。在Buck变换电路中，当输出电压较低时，续流二极管D1的正向压降是影响电路效率的重要环节，由于本实用新型是用于低压差环境下（也就是，图3中电压Uout接近Uin），因此图2中t0-t1段远远大于t1-t2时间段，意味着场效应管Q1导通的时间远大于续流二极管D1导通的时间，使得因续流二极管D1上产生的正向压降消耗很低，因此该结构在低压差应用下非常适合，满足了高效率并且电路简单（相比同步整流方式）。

所述失调偏置电路包括：第二电阻R2、第三电阻R3以及基准电压源；其中，所述第二电阻R2、第三电阻R3、基准电压源串联，所述基准电压源的一端与所述单片机AD采样参考输入端连接，另一端与所述第二电阻R2连接；所述第三电阻R3与所述LED负极连接，进而为取样及放大电路提供参考电压。所述基准电压源也可是内置于单片机内，因此基准电压源的连接方式并不限于上述方式。

所述取样及放大电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、运算放大器U1；其中，所述第四电阻R4一端与所述LED负极连接，另一端接地；所述第五电阻R5一端与所述运算放大器的负输入端连接，另一端接地；所述第六电阻R6连接在所述运算放大器U1输出端与负输入端之间；所述运算放大器U1的输出端与所述信号采样输入端连接；所述运算放大器U1的电源正极与所述控制输出端连接；所述运算放大器U1的电源负极接地；所述运算放大器U1的正输入端连接在第二电阻R2和第三电阻R3之间。

在取样及放大电路中，第四电阻R4为取样电阻，LED的电流将在第四电阻R4上产生电压降，运算放大器U1、第五电阻R5、第六电阻R6构成一个直流放大器，负责将第四电阻R4上的电压进行放大，送到单片机信号采样输入端进行AD转换。U1的放大倍数由R5、R6决定。

由于第四电阻R4的阻值很小，当使用小电流驱动LED的情况下，第四电阻R4的压降很小（例如R4=0.05欧，LED电流=20mA，那么R4的压降=1mV），对于直流放大而言，运放的输入失调电压都可能大于1mV，因此导致不能正常工作。因此，本实用新型在运放的正输入端叠加了一个偏置电压，该失调偏置电路偏置的幅度略高于运放的输入失调电压，让运放处于正偏置，进而保证：

正偏置电压-输入失调电压>0

（正偏置电压+R2上的最大压降）×放大倍数<运放最大输出摆幅

这样始终可使运放的输出工作于线性状态，由于解决了运放输入失调的问题，大大延伸了在小电流恒流控制的可能。

本实用新型提供的驱动电路的工作原理是：通过单片机信号输出端向Buck变换电路发送PWM信号，通过Buck变换电路进行降低电压用于驱动负载LED，驱动LED的电流流过第四电阻R4，取样及放大电路对第四电阻R4上产生的电压信号进行放大，将放大后的电压信号送到单片机AD采样的输入端，单片机根据采样结果，与预先存储在单片机内的初始值（该初始值是驱动电路的电流值，可人为设定）进行判断，根据判断结果调整PWM的占空比后送到Buck变换电路里，调整输出电压，如此形成一个闭环调节；为了避免运放的输入失调导致输出偏差，在取样及放大电路上接入了失调偏置电路，使得取样及放大电路的同相输入端电压处于正偏，再使用单片机的可编程优势进行学习和抵消正偏的电压值，从而解决了运放输入失调问题。

另外，本实用新型取样及放大电路进一步包括：第三电容C3，所述第三电容一端连接在所述运算放大器的电源正极端，另一端接地。第三电容C3是运放电源端的退耦电容。

本实用新型取样及放大电路进一步包括：第四电容C4，与所述第六电阻R6并联，以降低频率较高的纹波。

上述本实用新型在驱动LED时，可以驱动多个并联的LED。

请参考图4和图5所示，图4是本实用新型提供的一种LED驱动电路的上电流程图；图5是本实用新型提供的一种LED驱动电路使用过程中的流程图。

当驱动电路不工作时，单片机打开运放电源进行学习，记录下偏置后的输出电压，将其值存入到单片机的eeprom或flash中，在正常使用时，单片机程序减去这个底数，便得到实际值，如此完成了正确的采样，消除了运放输入失调误差。根据产品的实际情况，可在上电或者在使用过程中进行学习。在使用过程中学习的流程可参考图5。

请参考图6所示，图6是本实用新型提供的一种LED驱动电路应用于太阳能充电电路中的实例图。

图6选用了正向电压在2.9V600mA的灯珠，电池选用了平台电压为3.2V的铁理电池，能够对LED进行10mA-600mA的宽范围恒流驱动，在100mA-600mA区间，实测整机的效率为91.5%-96%，使之在同类产品中处于领先地位。

由此可见，本实用新型提供的一种LED驱动电路，在低电压的环境下，该电路的各方面都有很大的优势，在该驱动电路中使用单节理电池来对LED进行供电能有很好的性能，而单节理电池会给产品其他方面带来优化，比如：简化了多节锂电池串联时充电的均衡处理电路，也不需要对串联的锂电池进行筛选匹配，无形之间延长了锂电池循环充电的寿命；由于高效性，在可提供相同的照明时间情况下，可降低产品在系统上的配置，节省了系统成本。

因此，本实用新型提供的一LED驱动电路，电路成本低，精度高，适应恒流的范围广。

以上所述仅为本实用新型提供的一种LED驱动电路的优选实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。该实施例中的部件数量并不局限于实施例中所采用的方式，任何在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED驱动电路，其特征在于，包括：单片机、Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路、负载、输入电源；其中，所述单片机分别与所述输入电源、Bcuk变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；所述负载分别与所述Buck变换电路、失调偏置电路、取样及放大电路连接；且所述失调偏置电路与所述取样及放大电路连接。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述单片机包括：信号输出端、控制输出端、信号采样输入端；所述信号输出端连接所述Buck变换电路；所述控制输出端与所述取样及放大电路连接；所述信号采样输入端与所述与所述取样及放大电路连接。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述Buck变换电路包括：第一电容、第一电阻、场效应管、二极管、电感、第二电容；所述的第一电容正极与所述场效应管源极连接，所述信号输出端与所述场效应管栅极连接；所述第一电阻连接在所述场效应管的源极与栅极之间；所述二极管的负极连接所述场效应管的漏极；正极接地；所述电感连接于所述场效应管漏极与所述负载正极之间；所述第二电容连接于所述电感右端与所述二极管正极之间。

4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述失调偏置电路包括：第二电阻、第三电阻以及基准电压源；其中，所述第二电阻、第三电阻、基准电压源串联，所述基准电压源的一端与所述单片机的信号采样输入端连接，另一端与所述第二电阻连接；所述第三电阻与所述负载负极连接。

5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述取样及放大电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、运算放大器；其中，所述第四电阻一端与所述负载负极连接，另一端接地；所述第五电阻一端与所述运算放大器的负输入端连接，另一端接地；所述第六电阻连接在所述运算放大器输出端与负输入端之间；所述运算放大器的输出端与所述信号采样输入端连接；所述运算放大器的电源正极与所述控制输出端连接；所述运算放大器的电源负极接地；所述运算放大器的正输入端连接在第二电阻和第三电阻之间。

6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述取样及放大电路进一步包括：第三电容和第四电容；其中所述第三电容一端连接在所述运算放大器的电源正极与所述控制输出端之间，另一端接地；所述第四电容与所述第四电阻并联。

7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述第四电阻为取样电阻。

8.根据权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，进一步包括：第三电容，所述第三电容一端连接在所述运算放大器的电源正极端，另一端接地。

9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，进一步包括：第四电容，与所述第六电阻并联。

10.根据权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，所述负载为多个并联的LED。

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