CN206077773U

CN206077773U - 一种分段式ac led的驱动照明电路

Info

Publication number: CN206077773U
Application number: CN201621092288.0U
Authority: CN
Inventors: 李国元; 杨博新; 梁志明; 吴朝晖
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2026-09-29

Abstract

本实用新型公开了一种分段式AC LED的驱动照明电路，包括：整流桥电路、恒流单元、模拟加法器、采样电阻和LED灯串。所述整流桥电路的一端接市电，所述整流桥电路的另一端接LED灯串的正极；所述LED灯串的负极连接恒流单元中NMOS的漏端；所述恒流单元包括误差放大器和NMOS管，所述误差放大器的正端接参考电压VREF，所述误差放大器的负端接模拟加法器的输出，所述误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极；所述采样电阻的一端接恒流单元中NMOS的源端，所述采样电阻的另一端接地；所述模拟加法器的一个输入端接采样电阻。具有提高了系统的稳定性等优点。

Description

一种分段式AC LED的驱动照明电路

技术领域

本实用新型涉及一种分段式恒流驱动LED的领域，特别涉及一种分段式AC LED的驱动照明电路，本实用新型是一种利用交流市电全波整流后的脉动电压直接驱动LED的技术。

背景技术

LED灯是继白炽灯，荧光灯，节能灯之后兴起的第四代照明光源，LED作为一种新型的光源器件，它所具有的高效、节能环保、寿命长，体积小等优点使其拥有广泛的市场前景。

早期的LED驱动电源绝大数采用直流驱动，在使用过程中必须使用AC-DC转换器对市电进行降压、滤波、稳压等一系列操作，这个过程存在较大的能量损失，而且AC-DC转换器会增加LED灯具的体积和成本，降低系统的可靠性。

随着技术的发展，有的公司开始探索采用交流驱动LED(AC LED)技术，它们大致可以分为两类：桥式AC LED芯片技术和交流驱动HV-LED的驱动芯片技术。桥式ACLED芯片技术是指利用LEDPN结的单向导通特性，在制造中采用类似桥式整流结构的排列方式，将超细的LED晶粒加入到芯片中。这样的芯片具备有整流特性，在交流电源中可以双向导通，从而实现交流发光。由于LED晶粒是交替发光的，它不仅造成了芯片的单位面积利用率低下、还提高制造成本、降低总体的发光效率，存在较大的闪烁效应。交流驱动HV-LED技术中，输入电压只有高于HV-LED的开启电压，HV-LED才会发光，但是由于LED的输出伏安特性曲线呈指数变化，因此LED的输出电流呈现脉冲状，系统的功率因素低下。为了提高系统的功率因素，需要开发驱动电路来更有效地驱动HV-LED。LED的发光强度和流过LED的电流大小在一定范围内成正比，必须通过驱动电路控制流过LED电流的大小，保证LED发光均匀，保持色温，减少总谐波失真。

实用新型内容

本实用新型的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种分段式AC LED的驱动照明电路，该驱动照明电路具有效率高，成本低，集成度高等特点。

本实用新型的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于分段式AC LED的驱动照明电路的驱动方法，该驱动方法所驱动的照明电路具有总谐波失真小等特点。

本实用新型的首要目的通过下述技术方案实现：一种分段式AC LED的驱动照明电路，一种分段式AC LED的驱动照明电路，包括：整流桥电路1、恒流单元2、模拟加法器3、采样电阻4和LED灯串5；所述整流桥电路1的一端接市电，所述整流桥电路1的另一端接LED灯串5的正极；所述LED灯串5的负极连接恒流单元2中NMOS的漏端以及下一串LED灯串的正极；所述恒流单元2包括误差放大器和NMOS管，所述误差放大器的正端接参考电压VREF，所述误差放大器的负端接模拟加法器3的输出，所述误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极；所述采样电阻4的一端接恒流单元2中NMOS的源端，所述采样电阻4的另一端接地；所述模拟加法器3的一个输入端接采样电阻4，所述模拟加法器3的另外一个输入端接下一个通道中模拟加法器的输出端，所述模拟加法器3的输出端连接本通道中恒流单元2中误差放大器的负端，以及上一个LED通道中模拟加法器3的输入端。

市电经过整流桥电路1全波整流后直接驱动灯串5，无须进行降压滤波、稳压等一系列AC-DC转换，提高了驱动照明电路系统的整体效率。

恒流单元2包括误差放大器和MOS管；加入到误差放大器正向输入端的参考电压值相等。

模拟加法器3用于采样电压的相加；模拟加法器包含3个单元，所述3个单元为：adder1、adder2、adder3，adder1用于通道1、通道2、通道3、通道4的采样电压V_A、V_B、V_C、V_D的相加，adder2用于通道2、通道3、通道4的采样电压V_B、V_C、V_D的相加，adder3用于通道3、通道4的采样电压V_C、V_D的相加；模拟加法器的输出电压作用于误差放大器的反相输入端，进行电压负反馈。

每个LED通道都加入了采样电阻，采样电阻的一端接MOS管，采样电阻的另一段接地；各个通道中采样电阻的阻值相等。

在通道1中，有VREF＝(I_M1+I_M2+I_M3+I_M4)×R，在通道2中，有VREF＝(I_M2+I_M3+I_M4)×R，在通道3中，有VREF＝(I_M3+I_M4)×R，在通道4中，有VREF＝I_M4×R＝I_LED4×R，其中,I_M1、I_M2、I_M3、I_M4分别是通道1、通道2、通道3、通道4的电流，R是采样电阻的阻值。

I_LED1＝I_LED2+I_M1，I_LED2＝I_LED3+I_M2，I_LED3＝I_LED4+I_M3，I_LED4＝I_M4。

所述LED灯串5中子单元的个数与恒流单元2、采样电阻4的个数是一致的，所述LED灯串5中子单元的个数比模拟加法器3的个数多一个；所述LED灯串5中子单元的个数可以为4个，但不仅限于此数量。

本实用新型的另一目的通过以下技术方案实现：一种应用于分段式AC LED的驱动照明电路的驱动方法，包括以下步骤：

步骤1、通过整流桥电路1将市电全波整流，得到的周期性脉动电压VBR直接用于驱动LED灯串5；

步骤2、随着VBR电压的升高，LED灯串5中的LED单元LED 1、LED2、LED3、LED 4逐个被点亮；LED受到恒流单元2的限制，流过LED单元的电流是恒定的；

步骤3、采样电阻4将电流信号转化为电压信号，模拟加法3将电压信号叠加后负反馈作用于恒流单元2，进而控制恒流单元2的导通/截至，从而进行分段式控制LED单元。

本实用新型将市电全波整流得到的脉动电压直接驱动LED，并利用负反馈实现分段处理和恒流控制。与直流驱动LED相比，本实用新型无须进行AC-DC转换，不需要大电容和大电感，有效减小电路系统的体积，节省成本，并提高系统效率和稳定性。与现有分段式ACLED驱动方法相比，本实用新型采用软开关实现分段处理，避免在分段点产生电流抖动。

本实用新型的工作原理：本实用新型的分段式AC LED的驱动照明电路在市电经过全波整流后直接驱动LED，模拟加法器对采样电压叠加后负反馈作用于恒流单元，实现对输入电压进行分段处理，并且保证流过LED单元的电流是恒定的。驱动电路包括整流桥电路1、恒流单元2、模拟加法器3、采样电阻4、LED灯串5。该驱动芯片电路的工作过程如下：

市电经过整流桥电路1全波整流后得到的周期性脉动电压VBR直接驱动LED灯串5。随着VBR电压的上升，LED1单元开始导通，LED2～4单元未达到开启电压，不能导通，因此电流经过LED1单元、MOS管M1后流入接地端。由于在该阶段中，只有通道1中有电流，通道2～4没有电流，因此节点A的采样电压V_A＝I_M1×R,V_B＝V_C＝V_D＝0,模拟加法器adder1输出电压V_(A+B+C+D)＝V_A＝I_M1×R＝I_LED1×R。VBR进一步增加，流过LED1单元的电流迅速增大，当电流达到I_LED1＝I_M1＝VREF/R，LED1单元进入恒流状态，因此LED1单元的端电压差保持恒定。VBR升高，节点E的电压V_E也跟着升高，促使LED 2单元开始导通，但是LED 3、4单元不导通，流过LED 2单元的电流I_LED2迅速增加，流经MOS管M2和采样电阻。对于通道1，由于VREF＝V_A+V_B+V_C+V_D，V_C＝V_D＝0，节点B的电压V_B逐渐升高，迫使节点A电压V_A降低，流过MOS管M1的电流I_M1下降。VREF＝V_A+V_B＝(I_M1+I_M2)×R＝(I_M1+I_LED2)×R＝I_LED1×R，故流过LED1单元的电流I_LED1并不会随着VBR的增加而变化。I_LED1＝I_M1+I_LED2＝VREF/R，随着I_LED2逐渐增加，直到I_LED2＝VREF/R，I_M1＝0，因此MOS管M1不再消耗电能，节点A的电压V_A＝0，LED2单元进入恒流状态I_LED2＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。随着VBR继续升高，节点F的电压V_F开始增加，促使LED3单元开始导通，而LED4单元尚未达到开启电压，不能导通。流过LED 3单元的电流I_LED3迅速增加，流经MOS管M3和采样电阻。对于通道2，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，V_D＝0，节点C的电压V_C逐渐升高，迫使节点B电压V_B降低，流过MOS管M2的电流I_M2下降。

VREF＝V_B+V_C＝(I_M2+I_M3)×R＝(I_M2+I_LED3)×R＝I_LED2×R，故流过LED2单元的电流I_LED2并不会随着VBR的增加而变化。I_LED2＝I_M2+I_LED3＝VREF/R，随着I_LED3逐渐增加，增至VREF/R，I_M2＝0，因此MOS管M2不再消耗电能，节点B的电压V_B＝0，LED3单元进入恒流状态I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。随着VBR继续升高，节点G的电压V_G开始增加，促使LED4单元开始导通，流过LED4单元的电流I_LED4迅速增加，流经MOS管M4和采样电阻。对于通道3，由于VREF＝V_C+V_D，节点D的电压V_D逐渐升高，迫使节点C电压V_C降低，流过MOS管M3的电流I_M3下降。VREF＝V_C+V_D＝(I_M3+I_M4)×R＝(I_M3+I_LED4)×R＝I_LED3×R，故流过LED3单元的电流I_LED3并不会随着VBR的增加而变化。I_LED3＝I_M3+I_LED4＝VREF/R，随着I_LED4逐渐增加，增至VREF/R，I_M3＝0，因此MOS管M3不再消耗电能，节点C的电压V_C＝0，LED4单元进入恒流状态I_LED4＝I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定,VBR增加的电压将全部落下MOS管M4上面。脉动电压VBR的下降过程，刚好是上升过程的逆过程。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型与直流驱动LED电路相比，无须进行AC-DC转换，有效减小系统体积，降低系统成本，还提高系统效率和稳定性。同时还解决了现有分段式交流驱动LED电路在分段点的电流抖动问题。本技术方案中的功率MOS管开关属于软开关(soft-switches)，在分段点能够平稳过渡，不会产生任何电流抖动。

2、本实用新型对各个波段中的电流进行恒流控制，有效降低了市电波动对电流的影响，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为市电经过全波整流后得到的脉动电压VBR。

图2为现有分段式ACLED驱动方法的工作波形图。

图3为本实用新型基于分段式AC LED驱动方法的电路结构图。

图4为本实用新型基于分段式AC LED驱动方法的工作波形图。

具体实施方式

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

实施例

如图1所示，市电经过全波整流后，将正弦波电压变成单一方向的脉动电压。如图2所示，现有分段式ACLED驱动方法大多采用硬开关操作，因此在打开瞬间会产生电流抖动，而本实用新型采用软开关，避免了通道切换所产生的电流抖动。

如图3所示，为本实用新型基于分段式AC LED驱动方法的电路结构图，电路包括整流桥电路1、恒流单元2、模拟加法器3、采样电阻4、LED灯串5。其中，恒流单元2由误差放大器和功率MOS管组成，加入到每个误差放大器正向输入端的参考电压是相等。每个恒流单元2中MOS管的源端接采样电阻4，接入的采样电阻的阻值是相等的。模拟加法器3将采样电压进行叠加后，输出到恒流单元2中误差放大器的反相输出端，控制所处单元模块中通道电流大小。

如图4所示，为本实用新型基于分段式AC LED驱动方法的工作波形图，图中包括市电整流后的脉动电压VBR、流过LED灯串5中四个子单元的电流I_LED1、I_LED2、I_LED3、I_LED4，以及流过通道1～4的电流I_M1、I_M2、I_M3、I_M4，波形图中，所有电流信号的峰值都是VBR/R。

在t0时刻，市电全波整流后的脉动电压VBR从0开始增大，达到LED1单元的开启电压后，LED1单元开始导通，LED2～4单元未达到开启电压，不能导通，因此电流经过LED1单元、MOS管M1后流入接地端，有I_M1＝I_LED1。由于只有通道1中有电流，通道2～4没有电流，因此节点A的采样电压V_A＝I_M1×R，V_B＝V_C＝V_D＝0，模拟加法器adder1输出电压V_(A+B+C+D)＝V_A＝I_M1×R＝I_LED1×R。VBR进一步增加，流过LED1单元的电流迅速增大，在时刻t1处，电流达到I_LED1＝I_M1＝VREF/R，LED1单元进入恒流状态，因此LED1单元的端电压差保持恒定，即VBR-V_E保持恒定。

从t1时刻开始，节点E的电压V_E逐渐升高，促使LED 2单元开始导通，但是LED 3、LED 4单元不导通，流过LED 2单元的电流I_LED2迅速增加，流经MOS管M2和采样电阻，有I_M2＝I_LED2。对于通道1，由于VREF＝V_A+V_B+V_C+V_D，V_C＝V_D＝0，节点B的电压V_B逐渐升高，迫使节点A电压V_A降低，流过MOS管M1的电流I_M1下降。

VREF＝V_A+V_B＝(I_M1+I_M2)×R＝(I_M1+I_LED2)×R＝I_LED1×R，故流过LED1单元的电流I_LED1并不会随着VBR的增加而变化。I_LED1＝I_M1+I_LED2＝VREF/R，随着I_LED2迅速增加，I_M1迅速下降。在t2时刻，I_LED2达到峰值VBR/R，I_M1＝0，因此MOS管M1不再消耗电能，V_A＝0，LED2单元进入恒流状态I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。

从t2时刻起，节点F的电压V_F逐渐增加，促使LED3单元开始导通，而LED4单元尚未达到开启电压，不能导通。流过LED 3单元的电流I_LED3迅速增加，流经MOS管M3和采样电阻，有I_M3＝I_LED3。对于通道2，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，V_D＝0，节点C的电压V_C逐渐升高，迫使节点B电压V_B降低，流过MOS管M2的电流I_M2下降。

VREF＝V_B+V_C＝(I_M2+I_M3)×R＝(I_M2+I_LED3)×R＝I_LED2×R，故流过LED2单元的电流I_LED2并不会随着VBR的增加而变化。I_LED2＝I_M2+I_LED3＝VREF/R，随着I_LED3迅速增加，I_M2迅速下降，在t3时刻，I_LED3增至VREF/R，I_M2＝0，因此MOS管M2不再消耗电能，V_B＝0，LED3单元进入恒流状态I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。

从t3时刻开始，节点G的电压V_G逐渐增加，促使LED4单元开始导通，流过LED4单元的电流I_LED4迅速增加，流经MOS管M4和采样电阻，有I_M4＝I_LED4。对于通道3，由于VREF＝V_C+V_D，节点D的电压V_D升高，迫使节点C电压V_C降低，流过MOS管M3的电流I_M3下降。VREF＝V_C+V_D＝(I_M3+I_M4)×R＝(I_M3+I_LED4)×R＝I_LED3×R，故流过LED3单元的电流I_LED3并不会随着VBR的增加而变化。I_LED3＝I_M3+I_LED4＝VREF/R，随着I_LED4迅速增加，I_M3迅速下降。在t4时刻，I_LED4增至VREF/R，I_M3＝0，因此MOS管M3不再消耗电能，V_C＝0，LED4单元进入恒流状态I_LED4＝I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定，VBR增加的电压将全部落下MOS管M4上面。

从t4时刻开始，LED灯串5中所有LED子单元进入恒流状态，子单元的端电压差保持不变，因此节点E、F、G、H的电压都跟随脉动电压VBR的变化而变化。VBR逐渐增大至峰值后开始下降，直到t5时刻，节点G下降一定值，无法维持通道4的电流VREF/R，流过LED4单元的电流I_LED4开始下降，采样电压V_D也下降。对于通道3，由于VREF＝V_C+V_D，节点D的电压V_D下降，迫使节点C的电压V_C升高，流过MOS管M3的电流I_M3开始升高。VREF＝V_C+V_D＝(I_M3+I_M4)×R＝(I_M3+I_LED4)×R＝I_LED3×R，故流过LED3单元的电流I_LED3并不会随着VBR的下降而变化。I_LED3＝I_M3+I_LED4＝VREF/R，随着I_LED4迅速下降，I_M3迅速上升。直到t6时刻，VBR下降到0，I_M3＝I_LED3＝VREF/R，节点D的电压V_D＝0。

从t6时刻开始，VBR进一步降低，无法维持通道3电流VREF/R，通道3电流I_M3开始下降，采样电压V_C也下降，I_LED3＝I_M3。对于通道2，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，节点D的电压V_D＝0，节点C电压V_C下降迫使节点B的电压V_B升高，流过MOS管M2的电流I_M2开始增加。VREF＝V_B+V_C＝(I_M2+I_M3)×R＝(I_M2+I_LED3)×R＝I_LED2，故流过LED2单元的电流I_LED2并不会随着VBR的下降而变化。I_LED2＝I_M2+I_LED3＝VREF/R，随着I_LED3迅速下降，I_M2迅速上升。直到t7时刻，I_LED3下降到0，I_M2＝I_LED2＝VREF/R，节点C的电压V_C＝0。

从t7时刻开始，VBR进一步降低，无法维持通道2电流VREF/R，通道2电流I_M2开始下降，采样电压V_B也下降，I_LED2＝I_M2。对于通道1，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，V_C＝V_D＝0，节点B电压V_B下降迫使节点A的电压V_A升高，流过MOS管M1的电流I_M1开始增加。VREF＝V_A+V_B＝(I_M1+I_M2)×R＝(I_M1+I_LED2)×R＝I_LED1，故流过LED1单元的电流I_LED1并不会随着VBR的下降而变化。VREF＝I_LED1＝I_M1+I_LED2＝VREF/R，随着I_LED2迅速下降，I_M1迅速上升。直到t8时刻，I_LED2下降到0，I_M1＝I_LED1＝VREF/R，节点B的电压V_B＝0。

从t8时刻开始，VBR进一步降低，无法维持通道1电流VREF/R，通道1电流I_M1开始迅速下降，采样电压V_A也下降，I_LED1＝I_M1。直到t9时刻，VBR小于LED1单元的开启电压，流过LED1单元的电流V_A下降到0。

以上完成了本实用新型驱动方法在一个脉动电压周期内控制流程的描述。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，包括：整流桥电路(1)、恒流单元(2)、模拟加法器(3)、采样电阻(4)和LED灯串(5)；所述整流桥电路(1)的一端接市电，所述整流桥电路(1)的另一端接LED灯串(5)的正极；所述LED灯串(5)的负极连接恒流单元(2)中NMOS的漏端；所述恒流单元(2)包括误差放大器和NMOS管，所述误差放大器的正端接参考电压VREF，所述误差放大器的负端接模拟加法器(3)的输出，所述误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极；所述采样电阻(4)的一端接恒流单元(2)中NMOS的源端，所述采样电阻(4)的另一端接地；所述模拟加法器(3)的一个输入端接采样电阻(4)，所述模拟加法器(3)的输出端连接本通道中恒流单元(2)中误差放大器的负端。

2.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，恒流单元(2)包括误差放大器和MOS管。

3.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，所述LED灯串(5)中子单元的个数为4。