CN205160884U - 一种基于线性与pwm工作模式的led恒流驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，包括整流电路、LED负载、PWM控制器、开关电路、电压采样电路和电流采样电路；LED负载、开关电路和电流采样电路串联后与电压采样电路并联，接整流电路的正负极，PWM控制器的输入端接电压采样电路和电流采样电路，输出端接开关电路，在线性恒流的框架下，引入了PWM概念，当电源电压发生变化时，系统控制电源波形的占空比以达到输出电流的控制，能减少功率器件的发热量和提高转换效率，有效解决了现有技术中线性恒流驱动无功功耗大、允许电源电压波动范围小、转换效率低等缺陷，具有电路结构简单、无须电感元件、造价低廉、无EMI等优点。

Description

一种基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置

技术领域

本实用新型涉及一种照明灯驱动电源，特别是一种LED恒流驱动装置。

背景技术

在以AC220V/50Hz市电为电源的LED照明灯具中，高压线性恒流驱动方案已经被广泛应用，线性恒流驱动器具有结构简单、造价低廉、无电磁辐射、可靠性高等优点而被业界认可，然而，线性恒流驱动器同时也具有如下不可回避的缺陷：

1、线性恒流驱动器工作在线性的模式下，与负载(LED光源)串联使用，通过调节自身的压降来控制负载的电流，以达到恒流的目的，线性恒流驱动器自身的压降所产生的无功功率会导致器件发热，效率下降，在应用中必须选用高电压，小电流，低压差的光源，所以，在应用上受到一定程度的限制。

2、线性恒流驱动器允许电源电压的波动幅度比较小，一旦电源波动幅度超出允许范围，将造成效率下降甚至影响正常工作。

3、现有的LED光源一般是由若干个LED芯片或灯珠串联而成，单个LED的正向电压为3.2V左右，如果使用线性驱动方案，厂家一般都会以增加灯珠的数量为代价来提高灯串的电压，降低压差，或采用价格较高的高压灯珠，这样导致产品的成本增高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种电路结构简单、无须电感元件、造价低廉、无EMI的基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，该装置包括整流电路、LED负载、PWM控制器、开关电路、电压采样电路和电流采样电路；所述LED负载、开关电路和电流采样电路串联后一端接所述整流电路的正极，另一端接所述整流电路的负极；所述电压采样电路一端接所述整流电路的正极，另一端接所述整流电路的负极；所述PWM控制器的输入端接所述电压采样电路和电流采样电路，输出端接所述开关电路。

所述开关电路包括N沟道MOS管T1，所述MOS管T1的漏极D接所述LED负载，源极S接所述整流电路的负极，栅极G接所述PWM控制器的输出端；所述MOS管T1的漏极D和源极S之间并联有电阻R6。

所述电流采样电路包括NPN型三极管T2和电阻RCS，所述电阻RCS的一端接所述MOS管T1的源极S，另一端接所述整流电路的负极，所述三极管T2的基极B接所述电阻RCS和MOS管T1源极S的结点，发射极E接所述整流电路的负极，集电极C通过电阻R5接所述PWM控制器。

所述PWM控制器为电压比较器U1；电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和稳压二极管Z1，所述电阻R1和电阻R2串接后一端接所述整流电路的正极，另一端接整所述流电路的负极，所述电阻R3和稳压二极管Z1串接后，电阻R3的另一端接所述整流电路的正极，稳压二极管Z1的另一端接所述流电路的负极，所述电压比较器U1的同相输入端分两路，一路接所述电阻R1和电阻R2的结点，另一路接所述电阻R5，所述电压比较器U1的反向输入端分两路，一路通过电阻R21接所述电阻R3和稳压二极管Z1的结点，另一路通过电阻R22接所述整流电路的负极，电压比较器U1的输出端接所述MOS管T1的栅极G；所述稳压二极管Z1的两端并联有电容C1。

所述整流电路的正负极之间连接有滤波电容C2；所述滤波电容C2与所述整流电路的正极之间连接有隔离二极管D5。

所述PWM控制器包括三角波发生器U1A、电压比较器U1B，所述电压采样电路包括电阻R12、电阻R9、电阻R10、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、稳压二极管D6、电容C3和电容C4；所述电阻R12、电阻R9、电阻R10依次串联后，电阻R12的另一端接所述整流电路的正极，电阻R10的另一端接所述整流电路的负极；所述稳压二极管D6和电容C3并联后一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R13、电阻R14串联后，电阻R13的另一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，电阻R14的另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R16、电阻R17和电容C4依次串联后，所述电阻R16的另一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，所述电容C4的另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R15的一端接所述电阻R13和电阻R14的结点，另一端接电阻R16和电阻R17的结点，所述三角波发生器U1A的同相输入端接电阻R13和电阻R14的结点，反向输入端接电阻R17和电容C4的结点，输出端接电阻R16和电阻R17的结点；所述电压比较器U1B的同相输入端接电阻R9和电阻R10的结点，反向输入端接电阻R17和电容C4的结点，输出端接所述开关电路的输入端，所述电阻R18的一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，另一端接所述电压比较器U1B的输出端。

所述电压采样电路和电流采样电路包括NPN型三极管Q1、电阻RCS1、电阻R7、电阻R8和电阻R20，所述电阻RCS1的一端接所述MOS管T1的源极S，另一端接所述整流电路的负极，所述电阻R7和电阻R8串联后，电阻R7的另一端接所述整流电路的正极，电阻R8接所述整流电路的负极，所述电阻R20的一端接所述电阻R7和电阻R8的结点，另一端分两路，一路接所述三极管Q1的基极，另一路接所述电阻RCS1和开关电路的结点，所述三极管Q1的集电极通过电阻R11接所述电阻R9和电阻R10的结点，集电极所述整流电路的负极。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的LED恒流驱动器包括PWM控制器和开关电路，基于线性恒流控制和开关恒流控制的模式，在线性恒流的框架下，引入了PWM概念，当电源电压发生变化时，系统根据压差的大小来控制功率器件的工作状态，实现控制电源波形的占空比以达到输出电流的控制，能减少功率器件的发热量和提高转换效率，有效解决了现有技术中线性恒流驱动无功功耗大、允许电源电压波动范围小、转换效率低等缺陷，具有电路结构简单、无须电感元件、造价低廉、无EMI(电磁辐射)等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的第一种实施方式电路原理图；

图2是本实用新型的第二种实施方式电路原理图.

具体实施方式

参照图1、图2，一种基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动器，包括整流电路、LED负载、PWM控制器、开关电路、电压采样电路和电流采样电路；所述LED负载、开关电路和电流采样电路串联后一端接所述整流电路的正极，另一端接所述整流电路的负极；所述电压采样电路一端接所述整流电路的正极，另一端接所述整流电路的负极；所述PWM控制器的输入端接所述电压采样电路和电流采样电路，输出端接所述开关电路。

第一种实施方式参见图1，所述开关电路包括N沟道MOS管T1，所述MOS管T1的漏极D接所述LED负载，源极S接所述整流电路的负极，栅极G接所述PWM控制器的输出端，所述MOS管T1的漏极D和源极S之间并联有电阻R6。

所述电流采样电路包括NPN型三极管T2和电阻RCS，所述电阻RCS的一端接所述MOS管T1的源极S，另一端接所述整流电路的负极，所述三极管T2的基极B接所述电阻RCS和MOS管T1源极S的结点，发射极E接所述整流电路的负极，集电极C通过电阻R5接所述PWM控制器。

所述PWM控制器为电压比较器U1；电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和稳压二极管Z1，所述电阻R1和电阻R2串接后一端接所述整流电路的正极，另一端接整所述流电路的负极，所述电阻R3和稳压二极管Z1串接后，电阻R3的另一端接所述整流电路的正极，稳压二极管Z1的另一端接所述流电路的负极，所述电压比较器U1的同相输入端分两路，一路接所述电阻R1和电阻R2的结点，另一路接所述电阻R5，所述电压比较器U1的反向输入端分两路，一路通过电阻R21接所述电阻R3和稳压二极管Z1的结点，另一路通过电阻R22接所述整流电路的负极，电压比较器U1的输出端接所述MOS管T1的栅极G；所述稳压二极管Z1的两端并联有电容C1，电阻R1和电阻R2的结点与电阻R5连接。

220V、50Hz交流市电经过由二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流电路后，变成峰值为311V、100Hz的单向脉冲电压，经过电阻R1、电阻R2分压后作为取样电压V1，接电压比较器U1的同相输入端“+”，取样电压V1的波形和分压前的波形是一致的。电阻R3、稳压二极管Z1和电容C1组成一个简单的稳压电路，提供一个稳定的工作电压供电压比较器U1使用，电阻R3和稳压二极管Z1的结点通过电阻R22、电阻R21分压后作为基准电压V2提供给电压比较器U1的反向输入端“-”。

工作时，输入电压在0点时，V1＜V2，故，电压比较器U1的输出端电压为低电平L，接着，随着输入电压波形的爬升，V1的电压也往上爬升，当V1＞V2时，电压比较器U1输出端翻转，输出为高电平H,经过5ms的时间，脉冲波形达到峰点，V1的电平也达到了最高点，随后，输入电压脉冲波形开始下滑，V1也跟着下降，当电压下降到V1＜V2时，电压比较器U1输出端翻转，输出端为低电平L,从脉冲峰点到整个脉冲周期完成，也历时5ms，这样，就完成了一个脉冲周期的转换，接下来进入下一个脉冲周期，也同样重复前面的过程，在电压比较器U1的输出端，就得到一串与输入电压同步的方波信号。基准电压V2决定了电压比较器U1的翻转阈值，改变V2的电压，就可以改变输出脉冲的宽度，也就改变了输出脉冲的占空比。

用电压比较器U1输出的脉冲信号控制MOS管T1，在电压比较器U1输出低电平L时，MOS管T1截止，LED负载没有电流流过，在电压比较器U1输出高电平H时，MOS管T1导通，给LED负载提供工作电流。LED负载的工作电流通过电阻RCS时，会在其两端产生一个电压VCS，VCS的大小与通过电阻RCS的电流成正比，VCS接到三极管T2的基极B，直接影响了T2的集电极C的电压，也就直接影响了电压比较器U1的取样电压V1。假设，某种原因使负载电流增大(如输入市电电压升高等原因)，则通过电阻RCS的电流也同样增大，电压VCS也随着增大，由于三极管T2的放大作用，集电极C的电位也同时随之下降，通过电阻R5，把电压比较器U1的取样电压V1拉低，结果，电压比较器U1输出端的导通时间向后推移、截止时间提前，从而使输出脉冲宽度变窄；反之，如果某种原因使LED负载电流变小，通过电阻RCS的电流也同样变小，电压VCS下降，此时，三极管T2的集电极C点的电位上升，电压比较器U1的取样电压V1上升而使导通翻转时间提前、截止时间滞后，使输出脉冲宽度变大，这样，就可以把LED负载的电流自动控制在某个设定值上。

所述电阻R6的作用是检测MOS管T1的源极S与漏极D之间的电压，这个电压其实就是LED负载电压和电源电压(整流电路的输出端电压)之间的电压差，称为压差，在线性方案中，压差越小，效率就越高。当电源电压发生变化时，压差会随之改变，所以，电阻R6能将这个压差信号及时反馈给三极管T2，当电源电压上升时，MOS管T1的源极S与漏极D之间的电压也随之升高，通过电阻R6，VCS也随之升高，通过三极管T2、电阻R5，把电压比较器U1的取样电压拉低而使输出脉冲宽度变窄，反之，则输出脉冲宽度变大，这样，就一定程度的维持了LED负载的电流恒定。

适当选用电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电阻R6和稳压二极管Z1的参数，可以设定脉冲宽度的变化窗口，可以使脉冲占空比从10％-95％的范围内变化，从而适应较大范围的电源电压波动，甚至，在电源电压低于一定幅度时，使脉冲宽度大于99，使MOS管T1直接工作在纯线性状态，改变电阻RCS的阻值，则可以设定恒流电流的大小。上述的电压比较器U1型号为LM393,也可以选用其他任何型号的比较器或运算放大器，如LM311、LM358等；MOS管T1为高压场效应功率管，如型号为2N60等。

在上述的基础上，在电路中增加滤波电容C2和隔离二极管D5，隔离二极管D5把电阻R1、电阻R3和LED负载单向隔离，使电压比较器U1的电压V1保持为100Hz的脉冲信号，基准电压V2和LED负载工作在纯直流的状态下，由于加入了滤波电容C2，电容C1可以省略。

第二种实施方式参见图2，图2所示的电路与图1所示的电路的区别在于：采用了一个三角波发生器和一个电压比较器，具体电路如下：

所述PWM控制器包括三角波发生器U1A、电压比较器U1B，电压采样电路包括电阻R12、电阻R9、电阻R10、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、稳压二极管D6、电容C3和电容C4；所述电阻R12、电阻R9、电阻R10依次串联后，电阻R12的另一端接所述整流电路的正极，电阻R10的另一端接所述整流电路的负极；所述稳压二极管D6和电容C3并联后一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R13、电阻R14串联后，电阻R13的另一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，电阻R14的另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R16、电阻R17和电容C4依次串联后，所述电阻R16的另一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，所述电容C4的另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R15的一端接所述电阻R13和电阻R14的结点，另一端接电阻R16和电阻R17的结点，所述三角波发生器U1A的同相输入端接电阻R13和电阻R14的结点，反向输入端接电阻R17和电容C4的结点，输出端接电阻R16和电阻R17的结点；所述电压比较器U1B的同相输入端接电阻R9和电阻R10的结点，反向输入端接电阻R17和电容C4的结点，输出端接所述开关电路的输入端，所述电阻R18的一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，另一端接所述电压比较器U1B的输出端。

所述电压采样电路和电流采样电路包括NPN型三极管Q1、电阻RCS1、电阻R7、电阻R8和电阻R20，所述电阻RCS1的一端接所述MOS管T1的源极S，另一端接所述整流电路的负极，所述电阻R7和电阻R8串联后，电阻R7的另一端接所述整流电路的正极，电阻R8接所述整流电路的负极，所述电阻R20的一端接所述电阻R7和电阻R8的结点，另一端分两路，一路接所述三极管Q1的基极，另一路接所述电阻RCS1和开关电路的结点，所述三极管Q1的集电极通过电阻R11接所述电阻R9和电阻R10的结点，集电极所述整流电路的负极。

AC220V、50Hz的交流市电，经整流二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流器整流以后，变成峰值为311V、频率为100Hz的高压直流脉冲，输出正极接到LED负载的正极端，LED负载的负极连接到MOS管T1的漏极D。由电阻R12、稳压二极管D6、电容C3组成一个简单的直流降压稳压电路，提供了一个稳定的电压给三角波发生器U1A、电压比较器U1B、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17和电容C4组成一个通用的三角波发生器，其脉冲频率取决于电阻R17、电容C4的充放电时间常数，三角波信号从电容C4与电阻R17的结点输出，送入电压比较器U1B的反向输入端，三角波发生器U1A的基准电压由电阻R13和电阻R14分压所得，电压比较器U1B的取样电压由电阻R9和电阻R10从12V电源上分压所得，三角波发生器U1A输出的三角波通过电压比较器U1B被整形为一组方波信号，该方波信号送到MOS管T1的栅极G，控制MOS管T1导通和截止。

工作中，在电阻RCS1的两端就会产生一个电压VCS1，VCS1的大小与通过LED负载的电流大小成正比，VCS1被连接到三极管Q1的基极，由于三极管Q1的放大作用，VCS1的微小变化，会使三极管Q1的集电极电位同时发生变化，也就使电压比较器U1B的取样电压发生变化，而取样电压的变化就意味着门限电压发生改变，此时，其输出的脉冲占空比也就同时发生改变。比如，在一定的工作电流条件下，电压比较器U1B输出的脉冲占空比是80％，如果某种原因(如电源电压升高等)使LED负载的电流加大，此时，VCS1就由于电流的增大而跟着升高，这时，三极管Q1的基极电位升高就引起了集电极电流的增大，而把集电极电位拉低，通过电阻R6，把电压比较器U1B的同相输入端电位拉低，使电压比较器U1B的输出占空比变小，比如下降为70％、60％等，从而控制了MOS管T1的导通时间而使LED负载的电流变小，使通过LED负载的电流稳定在设定的范围内。

如果需要使LED负载工作电压处于纯直流的状态，可以在电路中加入一只电解电容和一只隔离二极管来实现。

以上的实施例只是为了说明本发明创造的工作原理，实施例中电路的具体结构不能构成对本发明创造保护范围的限定，专业技术领域的人员也可以根据电路的特性，将MOS管T1更换为P沟道的MOS管，将三极管T2、三极管Q1更换成PNP型等，并对器件的连接方式做适应的调整，PWM控制器也可以为单片机等，只要是依照本发明创造的整体构思所做的变化与改进，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，其特征在于该装置包括整流电路、LED负载、PWM控制器、开关电路、电压采样电路和电流采样电路；所述LED负载、开关电路和电流采样电路串联后一端接所述整流电路的正极，另一端接所述整流电路的负极；所述电压采样电路一端接所述整流电路的正极，另一端接所述整流电路的负极；所述PWM控制器的输入端接所述电压采样电路和电流采样电路，输出端接所述开关电路。

2.根据权利要求1所述的基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，其特征在于所述开关电路包括N沟道MOS管T1，所述MOS管T1的漏极D接所述LED负载，源极S接所述整流电路的负极，栅极G接所述PWM控制器的输出端；所述MOS管T1的漏极D和源极S之间并联有电阻R6。

3.根据权利要求2所述的基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，其特征在于所述电流采样电路包括NPN型三极管T2和电阻RCS，所述电阻RCS的一端接所述MOS管T1的源极S，另一端接所述整流电路的负极，所述三极管T2的基极B接所述电阻RCS和MOS管T1源极S的结点，发射极E接所述整流电路的负极，集电极C通过电阻R5接所述PWM控制器。

4.根据权利要求2所述的基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，其特征在于所述PWM控制器为电压比较器U1；电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和稳压二极管Z1，所述电阻R1和电阻R2串接后一端接所述整流电路的正极，另一端接整所述流电路的负极，所述电阻R3和稳压二极管Z1串接后，电阻R3的另一端接所述整流电路的正极，稳压二极管Z1的另一端接所述流电路的负极，所述电压比较器U1的同相输入端分两路，一路接所述电阻R1和电阻R2的结点，另一路接所述电阻R5，所述电压比较器U1的反向输入端分两路，一路通过电阻R21接所述电阻R3和稳压二极管Z1的结点，另一路通过电阻R22接所述整流电路的负极，电压比较器U1的输出端接所述MOS管T1的栅极G；所述稳压二极管Z1的两端并联有电容C1。

5.根据权利要求2所述的基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，其特征在于所述整流电路的正负极之间连接有滤波电容C2；所述滤波电容C2与所述整流电路的正极之间连接有隔离二极管D5。

6.根据权利要求2所述的基于线性与PWM工作模式的LED恒流驱动装置，其特征在于所述PWM控制器包括三角波发生器U1A、电压比较器U1B，所述电压采样电路包括电阻R12、电阻R9、电阻R10、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、稳压二极管D6、电容C3和电容C4；所述电阻R12、电阻R9、电阻R10依次串联后，电阻R12的另一端接所述整流电路的正极，电阻R10的另一端接所述整流电路的负极；所述稳压二极管D6和电容C3并联后一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R13、电阻R14串联后，电阻R13的另一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，电阻R14的另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R16、电阻R17和电容C4依次串联后，所述电阻R16的另一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，所述电容C4的另一端接所述整流电路的负极；所述电阻R15的一端接所述电阻R13和电阻R14的结点，另一端接电阻R16和电阻R17的结点，所述三角波发生器U1A的同相输入端接电阻R13和电阻R14的结点，反向输入端接电阻R17和电容C4的结点，输出端接电阻R16和电阻R17的结点；所述电压比较器U1B的同相输入端接电阻R9和电阻R10的结点，反向输入端接电阻R17和电容C4的结点，输出端接所述开关电路的输入端，所述电阻R18的一端接所述电阻R12和电阻R9的结点，另一端接所述电压比较器U1B的输出端；所述电压采样电路和电流采样电路包括NPN型三极管Q1、电阻RCS1、电阻R7、电阻R8和电阻R20，所述电阻RCS1的一端接所述MOS管T1的源极S，另一端接所述整流电路的负极，所述电阻R7和电阻R8串联后，电阻R7的另一端接所述整流电路的正极，电阻R8接所述整流电路的负极，所述电阻R20的一端接所述电阻R7和电阻R8的结点，另一端分两路，一路接所述三极管Q1的基极，另一路接所述电阻RCS1和开关电路的结点，所述三极管Q1的集电极通过电阻R11接所述电阻R9和电阻R10的结点，集电极所述整流电路的负极。