CN213586367U - 一种pwm控制可调大功率led恒压恒流驱动电路 - Google Patents

一种pwm控制可调大功率led恒压恒流驱动电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，包括有DC‑DC调压模块、LED可调恒流模块、PWM数模转换模块和大功率LED负载，PWM数模转换模块控制DC‑DC调压模块的反馈电压以使DC‑DC调压模块的输出可调节；并且PWM数模转换模块控制LED可调恒流模块，使得LED负载工作电流可调，PWM数模转换模块采用二级RC低通滤波器进行数模转换以分别实现调整DC‑DC调压模块的输出电压与LED驱动电流。本实用新型具有以下优点，第一，大功率LED恒流工作并可调，达到LED亮度稳定并可线性调节，增强使用的灵活性；第二，采用单路PWM或互补PWM信号同时调整输出电压电流，保证恒流部分效率最高，发热量降低，延长寿命。

Description

一种PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路
技术领域
本实用新型涉及LED恒压恒流驱动电源技术领域，尤其是涉及一种采用单路PWM或者双路互补PWM实现线性可调电压电流的大功率LED驱动电路结构。
背景技术
LED有着极为明显的照明优势，电能利用率高，稳定可靠，可长期使用。近年来大功率LED进入通用照明领域，逐渐代替白炽灯、卤钨灯与紧凑型荧光灯，特别在传统户外照明、强光手电筒、汽车前灯、手机闪光灯等领域拓展，市占率不断提升。LED驱动电源是指满足LED自身工作特性要求的高精度恒压恒流电源，是LED运行可靠的重要部件。由于大功率LED工作时对电源稳定性、精度、效率、可靠性、散热等要求很高，传统照明电源及小功率电源驱动方式无法满足其特定需求。
专利CN202020263427.1公开了一种PWM波滤波电路及可编程LED驱动电源，专利将PWM波形经滤波和运放放大后电压信号作为LED驱动控制信号，并使用了两级RC滤波，可实现减小纹波的目的。
专利CN202020358995.X公开了一种LED灯模组的PWM调光器调光电路，包括LED灯模组和LED灯电源,LED灯模组和LED灯电源之间电性连接,LED灯电源与LED灯模组的供电电路上连接有PWM调光器,PWM调光器上电性连接有电源。在PWM调光器上可以直接调节LED灯电源电流大小来控制LED灯模组来发光强度和均匀度能量；PWM调光器输出调光LED灯电源电流输出误差小，LED灯模组发光强度和均匀度能量更均匀一点。在PWM调光器上输出调光，误差在2％-3％之间。
专利申请CN201710766753.7公开了一种基于PWM的电压调光LED控制系统,系统中的LED从电路模块主要包括顺次电连接的电压转换模块、PWM生成模块和驱动线路。LED调光原理为首先根据对LED的亮度要求直接改变LED从电路的输入电压值,然后经过电压转换模块后改变其用来驱动开关管的PWM信号或者将流过LED的电流稳定在对应值上,从而改变LED的亮度。
然而，上述现有技术的方案虽然实现了PWM信号的数模转换和PWM调节LED电源电流，但对于大功率LED如果只采用调节电流方式，则电源功率的大部分会被耗散在恒流功率管上，导致发热量巨大，效率低，可靠性差。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种调节电路简洁、效率高、发热低，寿命长的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：包括有DC-DC调压模块、LED可调恒流模块、PWM数模转换模块和大功率LED负载，PWM数模转换模块控制DC-DC调压模块的反馈电压以使DC-DC调压模块的输出可调节，使LED负载处于线性工作范围内，降低损耗、提高电路整体效率；并且PWM数模转换模块控制LED可调恒流模块，使得LED负载工作电流可调，从而使得LED负载的亮度线性可调；DC-DC调压模块提供输出电压可调的稳定电压供给LED负载，LED可调恒流模块采用运放配合MOS功率管方式为LED提供恒定电流；PWM数模转换模块采用二级RC低通滤波器进行数模转换以分别实现调整DC-DC调压模块的输出电压与LED驱动电流。
第一路PWM数模转换模块的控制信号经数模转换后直接连接至DC-DC调压模块的反馈端。
第二路PWM数模转换模块的信号经数模转换后连接至运放加MOS管恒流电路的运放正极端。
DC-DC调压模块的输出端连接有反馈电阻R1和反馈电阻R2，反馈端FEEDBACK端作为输出电压采集反馈端连接回至DC-DC调压模块；MOS管Q1连接LED并连接有采样电阻R_I，运放UA的输出端及负极端分别连接MOS管。
PWM数模转换模块的PWM2信号经由电阻RI1、电容CI1及电阻RI2、电容CI2组成的二级RC低通滤波器进行数模转换，并通过电阻RI3保证在PWM2信号管脚浮空情况下Vc电位被下拉到地，该二级RC低通滤波器连接运放正极端的正极端，PWM数模转换模块的PWM2信号经该二级RC低通滤波器后连接至恒流驱动电路的运放正极端后用于调节电流。
PWM数模转换模块的PWM1信号经由电阻RV1、电容CV1及电阻RV2、电容CV2组成的二级RC低通滤波器进行数模转换为直流，并通过电阻RV3连接至DC-DC调压模块的反馈端feedback端；PWM数模转换模块的PWM1信号经其对应的二级RC低通滤波器后用于调节DC-DC调压模块的输出电压VOUT。
另外，在PWM数模转换模块无法生成双路互补的PWM波形时采用单路PWM经过非门或数字三极管转换出另一路互补PWM波形，其连接于PWM1信号对应的二级RC低通滤波器与PWM2信号对应的二级RC低通滤波器之间。PWM信号如果采用双路PWM信号，需要采用互补模式。
本实用新型采用单路PWM或双路互补PWM实现LED驱动的电压电流均可调，保证后端恒流MOS管工作在最佳状态，降低恒流MOS耗散功率及发热量，提高整体电路工作效率，同时让LED持续工作在恒流模式稳定亮度及延长寿命。如此使得本实用新型具有以下优点，第一，大功率LED恒流工作并可调，达到LED亮度稳定并可线性调节，增强使用的灵活性；第二，采用单路PWM或互补PWM信号同时调整输出电压电流，保证恒流部分效率最高，发热量降低，延长寿命。
附图说明
图1为本实用新型示意框图；
图2为同步BUCK降压方式驱动电路图；
图3为同步BOOST升压方式驱动电路图；
图4为DC-DC简化模块图；
图5为运放加MOS驱动管LED恒流驱动电路图；
图6为DC-DC与LED恒流驱动组合电路图；
图7为PWM二级低通滤波数模转换电路图；
图8为DC-DC与PWM调节控制恒流驱动组合电路图；
图9为大功率LED的Forward Voltage VS.If参数图；
图10为PWM调节DC-DC输出电压电路图；
图11为双路PWM分别DC-DC输出电压调节与LED恒流调节完整电路图；
图12为双路PWM互补波形；
图13为单路PWM转双路互补PWM电路图；
图14为单路PWM转双路互补PWM并分别调节DC-DC输出电压与LED恒流电流完整电路图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本实用新型做进一步说明：
本实施例中，所述PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，如图1所示，DC-DC调压模块可选用升压、降压、反向、同步或非同步方式，不影响后端可调恒流稳定工作。再参照图2、图3和图4，图2为同步BUCK降压方式、图3为同步BOOST升压方式，均为典型DC-DC恒压输出电路。其输出电压Vout值依赖于基准电压Vref和反馈电阻R1及R2值。其计算公式为：
Figure BDA0002857438120000041
本实施例中，为后续电路简洁，将图2、图3之DC-DC电路简化为图4所示，将电压变换部分采用DC-DC模块表示，保留反馈电阻R1和R2，feedback端作为输出电压采集反馈端连接回至DC-DC模块。
一般小功率无需调节亮度的LED如上图2、图3、图4所示采用恒压驱动方式，DC-DC模块直接连接至LED灯，恒定电压工作。但在需要亮度调节的大功率LED驱动电路工作中，以上电路存在以下问题：
1、工作电压恒定，亮度无法调节；
2、随着LED持续工作，温度上升，LED正向电压下降，工作电流升高，会导致DC-DC模块和LED的温度继续上升，效率降低，产生光衰，寿命缩短。极限情况下导致电路或LED损坏。
因此在大功率LED驱动电路中常采用恒流驱动模式，本实施例中采用运放加MOS驱动管的方式，如图5所示。
图5为典型恒流电路，其电流计算公式如下：
Figure BDA0002857438120000051
由该公式可见，流经LED的电流只和控制电压Vc及采样电阻R_I有关，如果Vc和R_I恒定，则LED工作电流恒定，调整Vc电压值，则可以调整LED电流，进而调整LED亮度。
结合图4与图5，即可得到可调节亮度的大功率LED驱动电路，如图6：
DC-DC模块输出恒定电压，通过调整Vc电压值，即可满足LED调节亮度需求。本实施例中采用调节PWM占空比方式控制电流，需要进过图7所示二级低通滤波电路将PWM占空比信号进过数模转换后变成可调直流电压。
图7中由电阻RI1、电容CI1、电阻RI2、电容CI2组成二级RC低通滤波器，电阻RI3保证在PWM2信号管脚浮空情况下Vc电位被下拉到地，避免Vc浮空导致最大电流工作所引起的LED损坏。组合图6与图7即可得到PWM控制调节亮度的恒流LED驱动电路，如图8所示：
图8电路中，DC-DC模块输出电压VOUT恒定，调整PWM的占空比即可调节LED亮度，但当LED非最大电流工作时，电路效率较低，其主要原因在于此时MOS驱动管Q1和采样电阻R_I损耗了大量的功率，发热量大。由以下公式：
P＝VOUT*I＝Vled*I+VQ1*I+VR_I*I
可知真正有用功率为Vled*I，而VQ1*I+VR_I*I部分均以热量方式耗散掉，VOUT恒定方式导致系统整体效率较低，在特殊空间下如果系统散热不佳，也会导致恒流控制部分电路损坏。
本实施例中，对于所需任意亮度的LED调节实际就是LED电流调节，只要满足VOUT微大于当前LED工作电流所需电压即可，无需恒定最大VOUT电压，此时，MOS驱动管Q1和采样电阻R_I分担的电压极小，耗散功耗也会降低。一典型大功率LED(SBT-90)的工作电压与电流如图9所示：
由图9可知，其Vled正常工作范围在2.7V-3.4V，VOUT电压无需持续输出最大电压3.4V，可以随亮度电流需求变化，只要满足VOUT微大于Vled即可。本实施例中，通过调整DC-DC模块的feedback端电压，使得VOUT满足调节要求，其调节方式同样采用PWM并经过数模转换为直流，如图10所示：
图10所示PWM1经二级RC低通滤波器后连接至DC-DC模块的feedback端,叠加电阻R1、R2分压电压，固此时Vref的计算公式为：
Figure BDA0002857438120000061
则推导得以下VOUT计算公式：
Figure BDA0002857438120000062
式中已知R1、R2、RV3为定值，Vref为DC-DC芯片的固定值，Vpwm1为PWM芯片工作电压，也为固定值，则可令：
Figure BDA0002857438120000063
Figure BDA0002857438120000064
公式可简化为：
Vout＝[A-K*Duty]
由公式可知，Vout输出电压只与PWM1的占空比Duty线性相关，且随Duty的上升而下降，随Duty的下降而上升。实际应用中，合理选取电阻R1、R2、RV3的值，使得VOUT输出范围覆盖LED工作电压即可。
合并图8、图10如图11所示，采用两路PWM分别控制DC-DC输出电压和LED驱动电流：
如图11，PWM1经二级RC低通滤波器后连接至DC-DC模块的feedback端用于调节DC-DC模块的输出电压VOUT，PWM2经二级RC低通滤波器后连接至恒流驱动电路的运放正极性端用于调节电流。
实际应用中，为降低控制复杂度，保证可靠性，PWM1和PWM2工作在互补模式，其工作如下：
当需要LED亮度升高时，调整PWM2的占空比上升，Vc电压上升，LED电流I上升，此时需要VOUT电压同步上升，因此需要PWM1的的占空比下降，满足VOUT电压上升需求；当需要LED亮度降低时，调整PWM2的占空比下降，Vc电压下降，LED电流I也下降，此时需要PWM1的的占空比上升，满足VOUT电压下降需求，以降低功耗；互补波形如图12所示。
如果PWM无法生成双路互补的PWM波形，可以使用单路PWM经过非门或数字三极管转换出另一路互补PWM波形，其转换电路如图13所示：PWM1为高电平时，Q2截止，PWM2被电容RC1下拉至地；PWM1为低电平时，Q2导通，PWM2输出高电平。
组合图11、图13，可得完整图14，采用单路PWM驱动分别调整DC-DC模块输出电压及LED驱动电流的电路。
以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本申请实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：包括有DC-DC调压模块、LED可调恒流模块、PWM数模转换模块和大功率LED负载，PWM数模转换模块控制DC-DC调压模块的反馈电压以使DC-DC调压模块的输出可调节，使LED负载处于线性工作范围内；并且PWM数模转换模块控制LED可调恒流模块，使得LED负载工作电流可调，从而使得LED负载的亮度线性可调；DC-DC调压模块提供输出电压可调的稳定电压供给LED负载，LED可调恒流模块采用运放配合MOS功率管方式为LED提供恒定电流；PWM数模转换模块采用二级RC低通滤波器进行数模转换以分别实现调整DC-DC调压模块的输出电压与LED驱动电流。
2.根据权利要求1所述的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：第一路PWM数模转换模块的控制信号经数模转换后直接连接至DC-DC调压模块的反馈端。
3.根据权利要求2所述的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：第二路PWM数模转换模块的信号经数模转换后连接至运放加MOS管恒流电路的运放正极端。
4.根据权利要求1所述的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：DC-DC调压模块的输出端连接有反馈电阻R1和反馈电阻R2，反馈端feedback端作为输出电压采集反馈端连接回至DC-DC调压模块；MOS管Q1连接LED并连接有采样电阻R_I，运放UA的输出端及负极端分别连接MOS管。
5.根据权利要求4所述的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：PWM数模转换模块的PWM2信号经由电阻RI1、电容CI1及电阻RI2、电容CI2组成的二级RC低通滤波器进行数模转换，并通过电阻RI3保证在PWM2信号管脚浮空情况下Vc电位被下拉到地，该二级RC低通滤波器连接运放正极端的正极端，PWM数模转换模块的PWM2信号经该二级RC低通滤波器后连接至恒流驱动电路的运放正极端后用于调节电流。
6.根据权利要求5所述的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：PWM数模转换模块的PWM1信号经由电阻RV1、电容CV1及电阻RV2、电容CV2组成的二级RC低通滤波器进行数模转换为直流，并通过电阻RV3连接至DC-DC调压模块的反馈端feedback端；PWM数模转换模块的PWM1信号经其对应的二级RC低通滤波器后用于调节DC-DC调压模块的输出电压VOUT。
7.根据权利要求6所述的PWM控制可调大功率LED恒压恒流驱动电路，其特征在于：在PWM数模转换模块无法生成双路互补的PWM波形时采用单路PWM经过非门或数字三极管转换出另一路互补PWM波形，其连接于PWM1信号对应的二级RC低通滤波器与PWM2信号对应的二级RC低通滤波器之间。
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