CN203748074U

CN203748074U - 基于电压记忆与分段限流的led驱动电路

Info

Publication number: CN203748074U
Application number: CN201420095601.0U
Authority: CN
Inventors: 梁志明; 詹建新; 李国元; 吴朝晖
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2024-03-04

Abstract

本实用新型公开了一种基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，所述电路包括整流电路、分压电路、电压上升下降检测模块、电压记忆模块、比较器组、控制逻辑模块、高压开关电路、检流电阻、检流比较器以及LED灯串；其驱动方式是根据直接整流后的直流脉动电压的上升下降特性，对LED灯串负载采用分段式点亮的控制方式。本实用新型的驱动电路解决了实际应用中灯串所使用的LED芯片伏安特性的差异对驱动电流影响的问题，使LED灯串在整个工作周期内的工作电流限制在设计的最大电流值Imax内，避免出现欠流所造成的亮度偏暗和过流所造成的LED芯片损害的问题，在提高LED灯具发光效率的同时，更好地对LED器件进行过流保护。

Description

基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路

技术领域

本实用新型涉及一种LED驱动电路，尤其是一种利用交流市电直接整流后的直流脉动电压进行供电的，使用电压记忆与分段限流的LED驱动电路，属于LED驱动技术领域。

背景技术

LED照明驱动电路，就是能够使采用LED作为发光器件的照明设备能够正常工作所需要的电源电路，能够为LED器件的正常工作提供所需的电压和电流。LED照明驱动电路结构框架如图1所示，主要由整流电路、辅助电源电路、电源变换电路以及反馈回路构成。输入的交流市电经过整流电路转变成为直流高压，直流高压由辅助电源电路产生稳定的直流低压供电源变换电路使用，电源变换电路把直流高压转换成为LED器件工作所需的电压和电流，反馈回路对LED的工作状态进行检测，通过反馈控制使LED器件的工作电压和电流稳定在设计点上。

目前，由于LED比传统光源在节能方面具有较高的效率，其应用越来越广泛，各种LED照明产品中所使用的驱动电源结构也越来越丰富。现有的LED分段式电源如图2所示，其工作过程是如下：当整流电路输出电压低于U1时，NMOS管Q1、Q2、Q3、Q4导通，L1段LED工作；整流电路输出电压高于U1低于U2时，NMOS管Q1关断，Q2、Q3、Q4导通，L1、L2段LED工作；整流电路输出电压高于U2低于U3时，NMOS管Q1、Q2关断，Q3、Q4导通，L1、L2、L3段LED工作；整流电路输出电压高于U3低于U4时，NMOS管Q1、Q2、Q3关断，Q4导通，L1、L2、L3、L4段LED工作；当整流电路输出电压高于U4时，NMOS管Q1、Q2、Q3、Q4关断，L1、L2、L3、L4段LED不工作。

以上所描述LED分段式驱动电路无需电解电容进行电压储能，功率因素较高，整灯寿命也不会受制于电容，但此驱动方式也有不足之处，由LED器件的伏安特性可知，在其正常工作电压条件下，电压的细小差异会导致电流的明显波动，而LED的光强主要和流过LED的电流有关；在实际应用中，即使同一厂家同一批次生产的LED芯片，其伏安特性曲线也会存在着差异，因此依据固定分压比进行分段的驱动方式，由于用于比较的参考电压精度以及LED芯片伏安特性差异的原因，使得灯串中LED的工作电流不可精确预测和设计，出现欠流或者过流的驱动状态。欠流会造成灯串的亮度偏暗，而过流则会对LED芯片造成损害。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、使用方便，既不需要采用感性器件，也无须电解电容的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，包括整流电路、分压电路、比较器组、高压开关电路和LED灯串，所述整流电路与分压电路连接，所述高压开关电路与LED灯串连接，所述LED灯串与整流电路连接，其特征在于：还包括电压上升下降检测模块、电压记忆模块、控制逻辑模块、检流电阻以及检流比较器，所述电压记忆模块、比较器组、控制逻辑模块、高压开关电路和LED灯串依次连接；所述分压电路分别与电压上升下降检测模块和电压记忆模块连接，所述电压上升下降检测模块分别与电压记忆模块和控制逻辑模块连接，所述控制逻辑模块与电压记忆模块连接；所述高压开关电路通过检流电阻与电源共地端连接，所述检流比较器的一个输入端接检流电阻与高压开关电路的公共连接点，另一个输入端接参考电压，所述检流比较器的输出端与控制逻辑模块连接。

优选的，所述电压记忆模块由多个电压保持器构成，所述每个电压保持器的输出端分别与比较器组连接。

优选的，所述每个电压保持器由电容和运算放大器组成。

优选的，所述比较器组由多个电压比较器组成，所述每个电压比较器的一个输入端与每个电压保持器的输出端一一对应连接，另一个输入端相接在一起后与分压电路连接，所述每个电压比较器的输出端分别与控制逻辑模块连接。

优选的，所述控制逻辑模块由多个D触发器和完成功能所需的组合数字逻辑构成，所述控制逻辑模块以比较器组内每个电压比较器的输出、电压上升下降检测模块的输出以及检流比较器的输出作为输入信号。

优选的，所述电压上升下降检测模块由微分单元电路和电压比较器组成，输出指示直流脉动电压上升下降状态的方波信号。

优选的，所述高压开关电路由多个高压NMOS管组成，所述每个D触发器的存储状态和每个高压NMOS管的开关状态一一对应；所述每个高压NMOS管的源极相接在一起后经过检流电阻与电源共地端连接，所述检流比较器的一个输入端接检流电阻与每个高压NMOS管的源极的公共连接点，另一个输入端接参考电压；所述每个高压NMOS管的漏极与LED灯串连接。

优选的，所述LED灯串由多个LED灯段串联组成，所述LED灯段的数量与高压NMOS管的数量相一致。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

本实用新型基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路根据直接整流后的直流脉动电压的上升下降特性，对LED灯串负载采用分段式点亮的控制方式，解决了实际应用中灯串所使用的LED芯片伏安特性的差异对驱动电流影响的问题，使LED灯串在整个工作周期内的工作电流限制在设计的最大电流值Imax内，避免出现欠流所造成的亮度偏暗和过流所造成的LED芯片损害的问题，在提高LED灯具发光效率的同时，更好地对LED器件进行过流保护。

附图说明

图1为LED驱动电路结构框架图。

图2为现有线性分段式LED驱动电路的结构原理框图。

图3为本实用新型基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路的结构原理框图。

图4为本实用新型基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路的驱动方法工作波形图。

具体实施方式

实施例1：

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图3所示，本实施例基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路包括整流电路1、分压电路2、电压上升下降检测模块3、电压记忆模块4、比较器组5、控制逻辑模块6、高压开关电路7、检流电阻8(Ris)、检流比较器9(Icomp)以及LED灯串10；所述电压上升下降检测模块3由微分单元电路和电压比较器组成；所述电压记忆模块4由4个电压保持器构成，编号从上至下分别为H1、H2、H3和H4，所述每个电压保持器由电容和运算放大器组成；所述比较器组5由4个电压比较器组成，编号从上至下分别为Comp1、Comp2、Comp3和Comp4；所述控制逻辑模块6由4个D触发器和完成功能所需的组合数字逻辑构成；所述高压开关电路7由4个高压NMOS管组成，编号从上至下分别为Q1、Q2、Q3和Q4；所述LED灯串10由4个LED灯段组成，编号从上至下分别为L1、L2、L3和L4，其中：

交流市电在经过所述整流电路1整流后，输出具有周期性的高压直流脉动电压(简称为HVDCP)，在HVDCP的一个周期内，电压从谷值变化到峰值的过程为上升过程，电压从峰值变化到谷值的过程为下降过程；

所述分压电路2对整流电路1整流后的HVDCP按一定的比例进行线性分压，得到低压直流脉动电压(简称为LVDCP)，作为电压上升下降检测模块3、电压记忆模块4和比较器组5的输入信号，和整流后的HVDCP相比，LVDCP的相位与周期与其相同，在电压值大小上与其成正比例关系；

所述电压上升下降检测模块3把分压电路2分压后的LVDCP转换成只有高低两种电平的方波信号RFC，该方波信号RFC的两种不同电平分别指示LVDCP的上升和下降过程，如高电平指示上升过程，低电平则指示下降过程，把该信号反相后，可以得到与原信号相反的指示方式；工作时需要用到RFC信号的电路模块有电压记忆模块4和控制逻辑模块6；

所述电压记忆模块4在直流脉动电压(HVDCP或LVDCP)的上升过程中，依次记下LED灯串10的驱动电流每次达到限流值时LVDCP的瞬时值，由于分压电路2的线性比例关系，所记录的LVDCP的电压瞬时值与此刻的HVDCP的电压瞬时值也成一一对应的线性比例关系，其采用模拟的方式进行电压记忆，所使用的电压保持器的个数为在直流脉动电压(HVDCP或LVDCP)的一个电压上升过程中所需要记忆电压瞬时值的个数，也即LED灯串10的分段数量(均为4个)；所述电压记忆模块4在直流脉动电压(HVDCP或LVDCP)的下降过程中，其记忆的电压值保持不变，输入到比较器组5中进行比较处理；

所述比较器组5中，所述电压比较器Comp1、Comp2、Comp3和Comp4的一个输入端分别与电压保持器H1、H2、H3和H4的输出端一一对应连接，另一个输入端相接在一起后与分压电路2连接，即LVDCP作为该输入端的输入信号；所述比较器组5在直流脉动电压(HVDCP或LVDCP)的下降过程中，把电压记忆模块4的输出和LVDCP进行比较，输出与电压比较器Comp1、Comp2、Comp3和Comp4对应的方波序列，每一个输出的方波，其高低电平的变化指示LVDCP是否已经下降到了对应的电压比较器所输入的记忆电压值，该方波序列反向重现了电压上升过程中LED灯串10每次达到电流限定值时各个控制节点，并输入到控制逻辑模块6进行处理；

所述控制逻辑模块6中，所述每个D触发器的存储状态和高压开关电路7中的高压NMOS管的开关状态一一对应，即控制逻辑模块6可输出开关信号对高压开关电路7的高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4进行开关控制；所述LED灯段L1的正极与整流电路1输出的HVDCP连接，连接点为N0；所述LED灯段L1的负极与LED灯段L2的正极连接，连接点为N1，连接点N1与高压NMOS管Q1的漏极连接；所述LED灯段L2的负极与LED灯段L3的正极连接，连接点为N2，连接点N2与高压NMOS管Q2的漏极连接；所述LED灯段L3的负极与LED灯段L4的正极连接，连接点为N3，连接点N3与高压NMOS管Q3的漏极连接；所述LED灯段L4的负极与高压NMOS管Q4的漏极连接，连接点为N4；所述高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4的源极相接在一起后与检流电阻Ris的一端连接，连接点为N5，检流电阻Ris的另一端接电源的共地端；所述检流比较器Icomp的一个输入端接检流电阻Ris与高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4的源极的公共连接点N5，另一个输入端接参考电压Vref；

如图4所示，为本实施例基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路的工作波形图，上半部分虚线为低压直流脉动电压信号LVDCP的波形，粗实线为电压上升下降检测电路的输出信号RFC的方波波形，Umax为LCDCP的峰值；下半部分虚线为低压直流脉动电压信号LVDCP的波形，Umax为LCDCP的峰值，粗实线为流过LED灯串的电流I_LED波形图，Imax为I_LED的峰值(即限流值)，由输入到检流比较器Icomp的参考电压Vref和检流电阻Ris决定，I_LED=Vref／Ris。

如图3和图4所示，本实施例基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路的驱动方法，包括以下步骤：

1)交流市电经过整流电路1整流后，输出HVDCP；

2)分压电路2对整流电路1整流后的HVDCP按一定的比例进行分压，输出LVDCP；

3)电压上升下降检测模块3把分压后的低压直流脉动电压转换成只有高低两种电平的方波信号RFC，在LVDCP的一个上升下降周期内，上升过程中电压上升下降检测模块3的输出信号RFC为高电平，下降过程中电压上升下降检测模块3的输出信号RFC为低电平，控制逻辑模块6根据RFC的高低电平状态决定其控制模式，以下分别对LVDCP的上升过程和下降过程的控制流程进行描述：

4)在LVDCP的上升过程中，电压处于谷值时，每个高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4都处于导通状态，对应图4中的时间点t0；在时间段t0到t1的过程中，高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4处于导通状态，连接点N1、N2、N3和N4均被Q1、Q2、Q3和Q4的导通状态短接到连接点N5，LED灯段L2、L3和L4无效，LED灯段L1被接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动；在时间点t1，流过LED灯串10中已被接入的LED灯段的驱动电流I_LED到达限流值Imax，检流比较器Icomp的输出状态发生过流翻转，控制逻辑模块6检测到过流翻转，输出信号控制电压记忆模块4由电压保持器H1记住此时LVDCP的瞬时电压值Ua，使高压NMOS管Q1处于关断状态，高压NMOS管Q2、Q3和Q4保持导通状态；在时间段t1到t2的过程中，高压NMOS管Q1处于关断状态，高压NMOS管Q2、Q3和Q4保持导通状态，连接点N2、N3和N4均被高压NMOS管Q2、Q3和Q4的导通状态短接到连接点N5，LED灯段L3和L4无效，LED灯段L1和L2被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动；在Q1被关断后，I_LED重新下降到Imax以下，检流比较器Icomp的输出恢复到发生过流翻转前的状态。在时间点t2，流过LED灯串10中已被接入的LED灯段的驱动电流I_LED到达限流值Imax，检流比较器Icomp的输出状态发生过流翻转，控制逻辑模块6检测到过流翻转，输出信号控制电压记忆模块4由电压保持器H2记住此时LVDCP的瞬时电压值Ub，使高压NMOS管Q1和Q2处于关断状态，高压NMOS管Q3和Q4保持导通状态；在时间段t2到t3的过程中，高压NMOS管Q1、Q2处于关断状态，Q3、Q4保持导通状态，连接点N3、N4均被Q3、Q4的导通状态短接到N5，LED灯段L4无效，LED灯段L1、L2和L3被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动；在Q1和Q2被关断后，I_LED重新下降到Imax以下，检流比较器Icomp的输出恢复到发生过流翻转前的状态；在时间点t3，流过LED灯串10中已被接入的LED灯段的驱动电流I_LED到达限流值Imax，检流比较器Icomp的输出状态发生过流翻转，控制逻辑模块6检测到过流翻转，输出信号控制电压记忆模块4由电压保持器H3记住此时LVDCP的瞬时电压值Uc，使高压NMOS管Q1、Q2和Q3处于关断状态，高压NMOS管Q4保持导通状态；在时间段t3到t4的过程中，高压NMOS管Q1、Q2和Q3处于关断状态，高压NMOS管Q4保持导通状态，连接点N4均被高压NMOS管Q4的导通状态短接到连接点N5，LED灯段L1、L2、L3和L4被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动；在Q1、Q2和Q3被关断后，I_LED重新下降到Imax以下，检流比较器Icomp的输出恢复到发生过流翻转前的状态；在时间点t4，流过LED灯串10中已被接入的LED灯段的驱动电流I_LED到达限流值Imax，检流比较器Icomp的输出状态发生过流翻转，控制逻辑模块6检测到过流翻转，输出信号控制电压记忆模块4由电压保持器H4记住此时LVDCP的瞬时电压值Ud，使高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4处于关断状态；在时间段t4到LCDCP达到峰值的过程中，高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4处于关断状态，LED灯段L1、L2、L3和L4从有效输出端口断开，I_LED的值为0，避免电压的继续上升导致LED灯串10过流而受到损害；在Q1、Q2、Q3和Q4被关断后，I_LED重新下降到Imax以下，检流比较器Icomp的输出恢复到发生过流翻转前的状态；

5)在LVDCP的下降过程中，控制逻辑模块6根据比较器组5的输出信号决定高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4的开关状态；在LVDCP的峰值点到t5的过程中，此时LVDCP的电压值U_LV>Ud>Uc>Ub>Ua，比较器组5中的电压比较器Comp1、Comp2、Comp3和Comp4的输出状态保持不变，高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4保持关断状态，LED灯段L1、L2、L3和L4从有效输出端口断开，I_LED的值为0；在时间点t5到t6的过程中，Ud>U_LV>Uc>Ub>Ua，电压比较器Comp1的输出状态发生变化，电压比较器Comp2、Comp3和Comp4的输出状态保持不变，这时控制逻辑模块6根据Comp1、Comp2、Comp3和Comp4的输出状态使高压NMOS管Q4导通，高压NMOS管Q1、Q2和Q3保持关断状态，LED灯段L1、L2、L3和L4被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动；在时间点t5，由于LVDCP的电压与t4时间点时LVDCP的电压值相等，而接入的LED灯段相同，因此t5与t4时间点I_LED的值相等，并且等于Imax，从时间点t5到t6的过程中，电流I_LED随电压下降而减小；在时间点t6到t7的过程中，Ud>Uc>U_LV>Ub>Ua，电压比较器Comp2的输出状态发生变化，电压比较器Comp1、Comp3和Comp4的输出状态保持不变，这时控制逻辑模块6根据电压比较器Comp1、Comp2、Comp3和Comp4的输出状态使高压NMOS管Q3和Q4导通，高压NMOS管Q1和Q2保持关断状态，LED灯段L1、L2和L3被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动，LED灯段L4无效；在时间点t6，由于LVDCP的电压与t3时间点时LVDCP的电压值相等，而接入的LED灯段相同，因此t6与t3时间点I_LED的值相等，并且等于Imax，从时间点t6到t7的过程中，电流ILED随电压下降而减小。在时间点t7到t8的过程中，Ud>Uc>Ub>U_LV>Ua，电压比较器Comp3的输出状态发生变化，电压比较器Comp1、Comp2和Comp4的输出状态保持不变，这时控制逻辑模块6根据电压比较器Comp1、Comp2、Comp3和Comp4的输出状态使高压NMOS管Q2、Q3和Q4导通，高压NMOS管Q1保持关断状态，LED灯段L1和L2被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动，LED灯段L3和L4无效；在时间点t7，由于LVDCP的电压与t2时间点时LVDCP的电压值相等，而接入的LED灯段相同，因此t7与t2时间点I_LED的值相等，并且等于Imax，从时间点t7到t8的过程中，电流ILED随电压下降而减小。在时间点t8到t9的过程中，Ud>Uc>Ub>Ua>ULV，电压比较器Comp4的输出状态发生变化，电压比较器Comp1、Comp2和Comp3的输出状态保持不变，这时控制逻辑模块6根据电压比较器Comp1、Comp2、Comp3和Comp4的输出状态使高压NMOS管Q1、Q2、Q3和Q4导通，LED灯段L1被串联接入HVDCP与连接点N5之间被有效驱动，LED灯段L2、L3和L4无效；在时间点t8，由于LVDCP的电压与t1时间点时LVDCP的电压值相等，而接入的LED灯段相同，因此t8与t1时间点I_LED的值相等，并且等于Imax，从时间点t8到t9的过程中，电流ILED随电压下降而减小，到此完成一个LCDCP周期内的LED驱动控制流程。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，例如可以改变电压保持器、电压比较器、高压NMOS管等的数量，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。

Claims

1.基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，包括整流电路、分压电路、比较器组、高压开关电路和LED灯串，所述整流电路与分压电路连接，所述高压开关电路与LED灯串连接，所述LED灯串与整流电路连接，其特征在于：还包括电压上升下降检测模块、电压记忆模块、控制逻辑模块、检流电阻以及检流比较器，所述电压记忆模块、比较器组、控制逻辑模块、高压开关电路和LED灯串依次连接；所述分压电路分别与电压上升下降检测模块和电压记忆模块连接，所述电压上升下降检测模块分别与电压记忆模块和控制逻辑模块连接，所述控制逻辑模块与电压记忆模块连接；所述高压开关电路通过检流电阻与电源共地端连接，所述检流比较器的一个输入端接检流电阻与高压开关电路的公共连接点，另一个输入端接参考电压，所述检流比较器的输出端与控制逻辑模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述电压记忆模块由多个电压保持器构成，所述每个电压保持器的输出端分别与比较器组连接。

3.根据权利要求2所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述每个电压保持器由电容和运算放大器组成。

4.根据权利要求2所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述比较器组由多个电压比较器组成，所述每个电压比较器的一个输入端与每个电压保持器的输出端一一对应连接，另一个输入端相接在一起后与分压电路连接，所述每个电压比较器的输出端分别与控制逻辑模块连接。

5.根据权利要求4所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述控制逻辑模块由多个D触发器和完成功能所需的组合数字逻辑构成，所述控制逻辑模块以比较器组内每个电压比较器的输出、电压上升下降检测模块的输出以及检流比较器的输出作为输入信号。

6.根据权利要求5所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述电压上升下降检测模块由微分单元电路和电压比较器组成，输出指示直流脉动电压上升下降状态的方波信号。

7.根据权利要求5所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述高压开关电路由多个高压NMOS管组成，所述每个D触发器的存储状态和每个高压NMOS管的开关状态一一对应；所述每个高压NMOS管的源极相接在一起后经过检流电阻与电源共地端连接，所述检流比较器的一个输入端接检流电阻与每个高压NMOS管的源极的公共连接点，另一个输入端接参考电压；所述每个高压NMOS管的漏极与LED灯串连接。

8.根据权利要求7所述的基于电压记忆与分段限流的LED驱动电路，其特征在于：所述LED灯串由多个LED灯段串联组成，所述LED灯段的数量与高压NMOS管的数量相一致。