CN208079440U - Led驱动电路、led照明电路和led灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例涉及LED驱动电路、LED照明电路和LED灯。该LED驱动电路包括控制器，用于控制变换器，使得变换器能够工作在启动模式和恒流模式中，在启动模式中，控制器控制变换器根据LED的额定电压来提供在第一输出端的电压，并且在恒流模式中控制变换器在第一输出端所提供的电流，变换器还在第二输出端对控制器供电。在待机模式中变换器提供第二输出端的电压并且限制第一输出端的电压小于LED的额定电压且保证LED不会导通发光。控制器还包括：电压控制回路，用于处理第二输出端的电压以控制待机模式；以及切换回路，用于调整电压控制回路的控制参数，以将变换器从待机模式切换到启动模式。

Description

LED驱动电路、LED照明电路和LED灯

技术领域

本实用新型的实施例总体上涉及照明领域，并且更具体地涉及一种LED驱动电路。

背景技术

近年来，随着固态照明技术的发展，LED应用越来越广泛。这得益于LED具有电光转化效率高、绿色环保、寿命长等诸多优点。LED 颗粒的成本逐年下降，在这种情况下，LED驱动器的成本占灯具总价格的百分比越来越大。因此，LED驱动器朝着更简单、更便宜的方向发展。

为了降低白光调光产品的成本，功率集成是一个非常关键的因素。一种成本低、高效的方案是单级降压或降压升压变换器，其对 LED负载进行供电的同时还对控制器进行供电。在这种情况下，需要实现控制器确保控制器能够工作在待机模式中而不会导致LED负载发光，且能够顺利地从待机模式切换到正常工作。但是，目前的控制器可能会呈现较长的启动时间，换句话说，从待机模式到LED发光需要很长时间；或者，对LED负载包括多个LED的情况供电会产生过冲，出现爆米花/闪烁效应。

实用新型内容

本实用新型的实施例旨在提供至少部分地解决现有技术中的上述问题的LED驱动电路。

根据一些实施例，提供了一种LED驱动电路。该LED驱动电路包括：输入端，用于接收输入功率；变换器，用于对输入功率进行变换以获得第一输出功率，变换器包括第一输出端，第一输出端用于连接到LED并且将第一输出功率提供给LED；控制器，用于控制变换器，使得变换器能够工作在启动模式和恒流模式中，在启动模式中，控制器控制变换器根据LED的额定电压来提供在第一输出端的电压，并且在恒流模式中控制变换器在第一输出端所提供的电流，其中变换器还用于对输入功率进行变换以获得第二输出功率在第二输出端输出；控制器进一步控制变换器，使得变换器能够工作在待机模式中，在待机模式中变换器提供第二输出端的电压并且限制第一输出端的电压小于LED的额定电压且保证LED不会导通发光；控制器还包括：电压控制回路，用于处理第二输出端的电压以控制待机模式；以及切换回路，用于调整电压控制回路的控制参数，以将变换器从待机模式切换到启动模式。

本公开的上述实施例可以实现诸多有益技术效果。在待机模式至启动模式的过渡中，切换回路是通过调整同一个电压回路来完成，输出电压完全处于受控过程，可以缩短启动时间而且不导致输出功率过冲。另外，该电路可以实现电压回路自动退出和电流回路的自动切入。电路实现起来比较容易，并且成本很低。

在一些实施例中，变换器是基于功率电感的开关电源，第一输出端耦合到功率电感；变换器还包括与功率电感磁耦合的辅助电感，第二输出端电连接到辅助电感。变换器可以是非隔离类型的，也可以是非隔离类型的，并不受限。

在一些实施例中，电压控制回路包括：电压检测器，用于接入第二输出端的电压并基于一函数关系获得一反馈电压；电压比较器，用于比较反馈电压与一参考电压；开关驱动器，用于当反馈电压小于参考电压时驱动开关电源进行高频开关操作，并且当反馈电压大于参考电压时停止开关电源的高频开关操作。

该实施方式提供了在待机模式中的间歇(Burst)操作，避免开关电源持续工作，降低了待机功耗。

在一些实施例中，在待机模式下，由参考电压决定的反馈电压所对应的第二输出端的电压位于控制器的电源电压范围，且与第二输出端的电压对应的第一输出端的电压在LED的额定电压的60％以下。以这种方式，可以确保LED负载在待机模式下不发光。

在一些实施例中，切换回路用于调整电压检测器并因此调整反馈电压与第二输出端的电压之间的函数关系；在启动模式下，参考电压决定的反馈电压所对应的第二输出端的电压位于控制器的电源电压范围，且与第二输出端的电压对应的第一输出端的电压处于LED的额定电压的60％至80％。以这种方式，可以确保变换器能够在负载完全开启之前达到LED将亮未亮或者微微发亮的状态，而不会导致过冲的现象，且这个电压的提升是通过原先已在运行的待机电压控制回路完成，具有很快的响应速度。

在一些优选的实施例中，在启动模式下，与第二输出端的电压对应的第一输出端的电压处于LED的额定电压的75％至80％。75％至 80％的额定电压能够使LED更快且平稳地从启动状态达到恒流状态。

在一些实施例中，控制器控制变换器在启动模式中达到LED的额定电压的80％后切换到恒流模式。以这种方式，可以确保变换器能够在负载完全开启之前自动切换到恒流模式，而不会导致过冲的现象。

在一些实施例中，控制器还包括电流检测单元以检测流过变换器的电流，并提供给开关驱动器以控制开关电源的高频开关操作。

在一些实施例中，控制器还包括PWM调光接口，用于接收PWM 调光信号，并将PWM调光信号提供给开关驱动器以控制开关电源的高频开关操作工作在脉宽调制模式。该实施例提供了以PWM形式来使开关电源间歇性工作从而对LED进行调光的技术方案。

在一些实施例中，PWM调光接口与电压比较器的输出耦合在一起并连接到开关驱动器。该实施例中，PWM调光和待机模式控制通过同一个接口来控制开关驱动器，因为它们都是基于间歇性工作这一原理，节省了控制接口的数目，使得电路实现比较简单。

本实用新型还提供了一种LED照明电路，包括前述的LED驱动电路，还包括LED，连接到所述LED驱动电路的所述第一输出端以获得所述第一输出功率；及微控制单元，连接到所述LED驱动电路的所述第二输出端以获得所述第二输出功率，且连接到所述控制器以控制所述控制器。

本实用新型还提供了一种LED灯，包括前述的LED照明电路。

附图说明

图1示出了根据现有技术的LED驱动电路的电路图；

图2示出了如图1所示的LED驱动电路在启动过程中的时序图；

图3示出了如图1所示的LED驱动电路在启动过程中的时序图；

图4示出了根据本实用新型的一个实施例的LED驱动电路的电路图；以及

图5示出了图4所示的LED驱动电路在启动过程中的时序图。

具体实施方式

现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本实用新型的原理。

图1示出了LED驱动电路10的一个实施例的电路图。LED驱动电路10包括用于从电源Vin接收输入功率的输入端。如图1所示，电源Vin可以是交流输入，并且通过整流电路1整流以获得经整流的交流输入。经整流的交流输入可以通过电容器C1滤波以获得基本恒定的直流输入。直流输入可以被提供给变换器(例如，DC-DC变换器)，以用于对LED负载进行供电。替代地，交流输入Vin可以被替换为直流输入，在这种情况下整流电路1可以被省略。

如图1所示，该变换器是基于功率电感L1的开关电源，并且包括与功率电感L1串联连接在直流输入两端的功率开关Q1。如图1所示，功率开关Q1是n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。应当理解，功率开关Q1也可以由任何其他合适的开关来实现，例如 p型MOSFET，双极型晶体管等。另外，该变换器还包括串联耦合在功率电感L1两端的二极管D1和输出电容C3，其中输出电容C3的两端作为第一输出端被连接到负载LED并且将第一输出功率提供给负载LED。如图1所示，输出电容C3可以由电解电容器实现，其通常具有较大的电容值。

图1所示的变换器是降升压(Buck-Boost)类型的变换器。应当理解，其他类型的变换器也可适用，例如降压、升压等类型。

应当理解，尽管图1所示的变换器具有非隔离式拓扑，但是该变换器也可以被实现为隔离式拓扑，例如反激(Fly-back)类型变换器，其中功率电感L1将被实现为变压器的原边绕组。在隔离式拓扑的情况下，第一输出端被电耦合到变压器的副边绕组，从而被磁耦合至功率电感L1。

该变换器还包括与功率电感L1磁耦合的辅助电感L2。二极管 D2和电容器C2串联电连接在辅助电感L2的两端，并且电容器C2 的两端作为变换器的第二输出端V_CC来提供除了给LED的第一输出功率之外的第二输出功率，从而对系统中的其他设备，例如微控制单元(MCU)(未示出)进行供电。如图1所示，输出电容C2也可以由电解电容器实现，其通常具有较大的电容值。

控制器6连接到用于提供PWM调光信号的微控制单元(MCU) (未示出)。如图1所示，控制器6还包括开关驱动器，其包括比较器3和驱动器4。控制器6还包括PWM调光接口IN，用于从MCU 接收PWM调光信号，并将PWM调光信号提供给开关驱动器以控制开关电源的高频开关操作工作在脉宽调制模式中。

控制器6还包括电流检测单元来检测流过变换器的电流，并将该电流提供给开关驱动器以控制开关电源的高频开关操作。如图1所示，电流检测单元可以是电阻Rsense。

如图1所示，MCU在PWM调光接口IN处向比较器3提供PWM 调光信号，从而通过调节PWM调光信号的占空比来调节负载LED 的输出光功率。

具体地，当PWM调光信号的占空比是1时，PWM调光信号保持在高电平。此时，调光基准电压REF最大，从而提供最大的输出光功率。随着PWM调光信号的占空比降低到1与0之间，PWM调光信号变为在高电平与低电平之间交替的方波。在这种情况下，变换器在PWM调光信号为高电平时工作，并且在PWM调光信号为低电平时不工作，从而提供PWM调光效果。为确保变换器的正常工作，通常PWM调光信号的频率低于变换器的开关频率。

在变换器的工作时(不论是持续工作还是间歇性工作)，辅助电感L2会因电磁耦合而感生出电压，该能量通过二极管D2对电容器 C2充电，因此C2能够提供电压Vcc。

另外，在待机模式中，因为不需要LED发光，MCU提供占空比为0的PWM调光信号。即，PWM调光信号保持为低电平，例如零伏。如果没有任何其他电路，变换器将停止工作，从而导致第二输出端处的电压V_CC降低，直至完全断电。

为了避免完全断电，LED驱动电路包括电压控制回路，其包括电压检测器，用于接入第二输出端的电压并基于一函数关系获得一反馈电压。例如，图1所示的电压检测器包括电阻R1和R2，其根据分压关系在节点N处获得反馈电压Vfb。电压控制回路还包括电压比较器 2，用于比较反馈电压Vfb与一参考电压。如图1所示，电压比较器 2由晶体管Q2来实现，从而具有成本低、电路简单等优点。在图1 的实施例中，上述参考电压为3.3V-Vbe，其中Vbe是晶体管Q2的基极-发射极电压，其通常由器件属性确定。应当理解，也可以使用任何其他合适的比较器来实现比较器2。其中，3.3V电压的来源可以对 Vcc进行向下电压变换而得。

电压控制回路还包括开关驱动器，其包括比较器3和驱动器4，当反馈电压Vfb小于参考电压时驱动开关电源进行高频开关操作，并且当反馈电压Vfb大于参考电压时停止开关电源的高频开关操作。

如图1所示，PWM调光接口IN与电压比较器2的输出耦合在一起并连接到开关驱动器。开关驱动器在反馈电压Vfb小于参考电压时驱动开关电源进行高频开关操作，并且在反馈电压Vfb大于参考电压时停止开关电源的高频开关操作。

在待机模式中，电压比较器2控制节点N处的反馈电压Vfb，以将第二输出端处的输出电压V_CC保持在控制器6的电源电压范围内。具体地，当电压Vfb降低到参考电压时，晶体管Q2将变为导通，以将3.3V的电压作为基准电压REF提供到比较器3，例如，非反相输入节点。变换器将开始工作，直到反馈电压Vfb被再次充电到高于参考电压。这使得第二输出端V_CC处的电压在控制器6的电源电压范围内，确保控制器6正常工作而没有重置问题。应当理解，尽管以3.3V 为例来描述这一实施例，但是也可以使用其他任何适当的电压，本实用新型在此不受限制。在待机模式中，根据功率电感L1与辅助电感 L2之间的匝比，第一输出端处的输出电压足够低以使LED负载关闭，从而确保LED负载没有光输出。

具体地，在待机模式中，第二输出端V_CC处的电压V_CC和反馈电压Vfb之间的函数关系为：

V_CC＝n V_LED＝Vfb(R1+R2)/R2 公式(1)，

其中n为辅助电感L2与功率电感L1之间的匝比。在反馈电压Vfb 小于或等于参考电压时，晶体管Q2导通，向比较器3提供调光基准电压REF，从而将第一输出端处的电压设置在负载LED的额定电压之下，确保负载LED不发光。另外，将第二输出端处的电压设置在控制器6的电源电压范围内，导致控制器6正常工作而不被重置。

图2示出了图1所示的LED驱动电路在负载启动期间第一输出端处的输出电压V_LED的时序图。如图2所示，在时间t₁之前，LED 驱动电路10处于待机模式中。在时间t₁，LED驱动电路10从待机模式切换到低调光水平，并且相应的PWM调光信号被提供给比较器3，以提高第二输出端处的电压V_CC。由于电阻R1和R2的分压作用，反馈电压Vfb也相应地增加。当反馈电压Vfb高于参考电压时，晶体管 Q2断开。调光基准电压REF完全由PWM调光信号确定，从而LED 驱动电路10由电流控制回路来控制。换言之，LED驱动电路10在时间t₁从待机模式切换到恒流模式。

但是，由于低调光水平对应于较小的恒流输出，以及变换器以较低的占空比而间歇性地工作，因此充电时间很长才能将输出电容C3 充电到LED的额定电压，从而第一输出端处的输出电压需要一段时间才能达到该调光水平所对应的输出电压。如图2所示，在时间t₂才能达到2％调光水平所对应的输出电压。

具体地，如图1所示，由于在恒流模式中充电电流恒定，转变时间t₂-t₁可以由对输出电容C3的充电时间来表示，即C3*ΔV_LED/I_LED，其中C3为输出电容C3的电容值，ΔV_LED表示从期望输出电压与待机模式电压之差，并且I_LED表示该调光水平对应的恒流输出。

输出电容C3通常由电解电容器来实现，并具有较大电容值。在低调光水平时，充电电流I_LED较小。因此，需要较长时间来完全启动负载。此外，输出电容C3和充电电流的容差将导致负载启动时间的变化。如果负载包括多个LED，则由于启动时间较长，一些LED点亮得较早，一些LED点亮得较晚，即，引起爆米花效应。启动时间越长，爆米花效应越明显。通常而言，为了提高用户体验，LED负载的启动时间应当小于400ms，并且还需要确保不出现爆米花效应。

如图2所示，在待机模式中，输出电压V_LED低于V_{LED_OFF}，因此，负载LED关闭。当启动负载时，电压反馈回路停止工作，驱动电路 10由电流控制回路来进行控制，以提供恒流输出。在经过较长的转变时间之后，输出电压达到2％调光水平的输出电压V_{LED_2％}。

为解决这一技术问题，可以在转变期间增加电流环路所提供的电流来提升输出功率，例如增大3.3V电压或者减少检测电阻Rsense的阻值。问题在于，难以精确控制这段时间的长度，也难以控制应当增加多少功率。如图3所示，这会导致在时间t₂出现电压过冲的情况，导致LED出现闪光，特别是在快速关灯并再次开灯的情况下。此外，这种控制方式是开环控制，因此稳定性较差。

图4示出了根据本实用新型的一个实施例的LED驱动电路10'的电路图，其中与图1相同的部分用相同的附图标记指示，不再进行详细描述。LED驱动电路10'还包括切换回路5，包括串联连接在电阻器R2两端的晶体管Q3和电阻器R3。晶体管Q3的控制端接收EN 信号。在图4中，晶体管Q3是n型金属氧化物半导体晶体管 (MOSFET)，应当理解，也可以使用任何其他合适的开关。在待机模式中，EN信号为逻辑0，晶体管Q3关断。在这种情况下，V_CC和 Vfb之间的函数关系如公式(1)所示。

由于反馈电压Vfb低于参考电压，晶体管Q2导通，向比较器3 提供调光基准电压REF，并将第一输出端处的电压设置在负载LED 的额定电压之下，确保负载LED不发光。另外，将第二输出端处的电压设置在控制器6的电源电压范围内，导致控制器6能够正常工作。具体地，第一输出端的电压可以被设置在负载LED的额定电压的60％以下。

图5示出了如图4所示的LED驱动电路10'的启动过程的时序图，其中在时间t₁之前为待机模式，在时间t₁-t₂之间为启动模式，在时间 t₂之后为恒流模式，并且在时间t₃，负载LED完全达到预定的调光水平，即2％。

如图5所示，在时间t₁，PWM调光信号从占空比为零变为低调光水平。控制器6将EN信号设置为逻辑1，从而导通晶体管Q3。此时启动模式开始，第二输出端处的电压V_CC和第一输出端处的电压 V_LED与反馈电压Vfb之间的函数关系变为：

V_CC＝n V_LED＝Vfb(R1+R2//R3)/R2//R3 公式(2)。

此时，反馈电压Vfb被拉低，晶体管Q2保持导通。电压控制回路仍然对变换器进行控制，即控制变换器持续工作以提高Vfb。

在启动模式中，调光基准电压REF包括PWM调光信号和由电压比较器2的输出所提供的电压输出。在反馈电压Vfb升高到参考电压之前，变换器输出电流对输出电容C2和C3充电，第一输出端和第二输出端的电压逐渐增加。如图5所示，在时间t₂，反馈电压Vfb增加到参考电压之上，与此对应的第一输出端处的输出电压V_LED对应于0.5％的调光水平的输出电压V_{LED_0.5％}。在启动模式中，第二输出端 V_CC的电压位于控制器6的电源电压范围，且第一输出端的电压处于负载LED的额定电压的60％至80％。在一些实施例中，第一输出端的电压可以处于负载LED的额定电压的75％至80％。

在时间t₂，由于反馈电压Vfb升高到参考电压之上，晶体管Q2 断开，电压控制回路被切断，并且变换器进入恒流模式。在一些实施例中，在时间t₂，第一输出端处的电压达到LED的额定电压的80％，并且从启动模式切换到恒流模式。

此时，调光基准电压REF完全地由PWM调光信号确定。因为第一输出端的电压已经快速升高到VLED_0.5％，所以从时间t₂到t₃之间通过由PWM调光信号所设定的小的充电电流已经能够很快将第一输出端处的输出电压从V_{LED_0.5％}升高到V_{LED_2％}。

如图5所示，在启动模式中，电压控制回路使得第一输出端处的充电电流增大，减小了启动时间(例如，小于400ms)。此外，由于电压控制回路是闭环控制，进一步减轻了爆米花效应。

本公开的实施例可以实现诸多有益技术效果。切换回路可以缩短启动时间而不影响待机模式。该电路可以实现电压回路自动退出和电流回路的自动切入。电路非常简单并且成本很低。

虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论他是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。

Claims (12)

1.一种LED驱动电路(10')，包括：

输入端，用于接收输入功率；

变换器，用于对所述输入功率进行变换以获得第一输出功率，所述变换器包括第一输出端，所述第一输出端用于连接到LED并且将所述第一输出功率提供给所述LED；

控制器(6)，用于控制所述变换器，使得所述变换器能够工作在启动模式和恒流模式中，在所述启动模式中，所述控制器(6)控制所述变换器根据所述LED的额定电压来提供在所述第一输出端的电压，并且在所述恒流模式中控制所述变换器在所述第一输出端所提供的电流，

其特征在于，

所述变换器还用于对所述输入功率进行变换以获得第二输出功率在第二输出端(V_CC)输出；

所述控制器(6)进一步控制所述变换器，使得所述变换器能够工作在待机模式中，在所述待机模式中所述变换器提供第二输出端(V_CC)的电压并且限制所述第一输出端的电压小于所述LED的额定电压且保证所述LED不会导通发光；

所述控制器(6)还包括：

电压控制回路，用于处理第二输出端(V_CC)的电压以控制所述待机模式；以及

切换回路(5)，用于调整所述电压控制回路的控制参数，以将所述变换器从所述待机模式切换到所述启动模式。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，

所述变换器是基于功率电感(L1)的开关电源，所述第一输出端耦合到所述功率电感(L1)；

所述变换器还包括与所述功率电感(L1)磁耦合的辅助电感(L2)，所述第二输出端电连接到所述辅助电感(L2)。

3.根据权利要求2所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，所述电压控制回路包括：

电压检测器(R1，R2)，用于接入所述第二输出端的电压并基于一函数关系获得一反馈电压；

电压比较器(2)，用于比较所述反馈电压与一参考电压；

开关驱动器(3，4)，用于当所述反馈电压小于所述参考电压时驱动所述开关电源进行高频开关操作，并且当所述反馈电压大于所述参考电压时停止所述开关电源的高频开关操作。

4.根据权利要求3所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，

在所述待机模式下，由所述参考电压决定的所述反馈电压所对应的所述第二输出端(V_CC)的电压位于所述控制器(6)的电源电压范围，且与所述第二输出端(V_CC)的电压对应的所述第一输出端的电压在所述LED的额定电压的60％以下。

5.根据权利要求3所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，

所述切换回路(5)用于调整所述电压检测器(R1，R2)并因此调整所述反馈电压与所述第二输出端(V_CC)的电压之间的函数关系；

在所述启动模式下，所述参考电压决定的所述反馈电压所对应的所述第二输出端(V_CC)的电压位于所述控制器(6)的电源电压范围，且与所述第二输出端(V_CC)的电压对应的所述第一输出端的电压处于所述LED的额定电压的60％至80％。

6.根据权利要求5所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，在所述启动模式下，与所述第二输出端的电压(V_CC)对应的所述第一输出端的电压处于所述LED的额定电压的75％至80％。

7.根据权利要求1所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，

所述控制器(6)控制所述变换器在所述启动模式中达到所述LED的额定电压的80％后切换到所述恒流模式。

8.根据权利要求3所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，所述控制器(6)还包括电流检测单元(Rsense)以检测流过所述变换器的电流，并提供给所述开关驱动器(3，4)以控制所述开关电源的所述高频开关操作。

9.根据权利要求3所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，

所述控制器(6)还包括PWM调光接口(IN)，用于接收PWM调光信号(PWM)，并将所述PWM调光信号(PWM)提供给所述开关驱动器(3，4)以控制所述开关电源的所述高频开关操作工作在脉宽调制模式。

10.根据权利要求9所述的LED驱动电路(10')，其特征在于，所述PWM调光接口(IN)与所述电压比较器(2)的输出耦合在一起并连接到所述开关驱动器(3，4)。

11.一种LED照明电路，包括根据权利要求1至10中任一项所述的LED驱动电路(10’)，还包括：

LED，连接到所述LED驱动电路(10’)的所述第一输出端以获得所述第一输出功率；及

微控制单元，连接到所述LED驱动电路(10’)的所述第二输出端以获得所述第二输出功率，且连接到所述控制器(6)以控制所述控制器(6)。

12.一种LED灯，包括根据权利要求11所述的LED照明电路。