TWI466594B - 發光二極體電路及方法 - Google Patents

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Description

發光二極體電路及方法
本技術涉及一種電子控制系統，具體涉及一種發光二極體(LED)驅動電路及其方法。
LED用在各種場合，例如液晶顯示器(LCD)背光和通用照明中。為了驅動LED，需要LED驅動器向LED提供調節後的電流信號。LED驅動器通常包括變壓器和整流電路。變壓器可以提供轉換後的電壓，該電壓取決於變壓器的原邊繞組和副邊繞組的匝數比的。整流電路可以將交流電(AC)轉換成直流電(DC)。
傳統的基於原邊繞組的電路包括整流電路、開關管、變壓器、副邊電路和邏輯控制電路，驅動諸如LED燈之類的負載。但是，負載電流與負載中LED的數目成反比例變化。
本發明的實施例涉及電流控制的LED電路。例如，本發明的實施例允許LED驅動器在LED數目變化時向串聯連接的LED提供相對恆定的電流。
考慮到現有技術中的一個或者多個問題，本發明提供了一種LED電路及其方法。
根據本發明的實施例，提供了一種發光二極體(LED)電路，包括：開關管；變壓器，包括第一原邊繞組、第二原邊繞組和副邊繞組，其中第一原邊繞組電耦接至開關管，隨著開關管的導通和關斷，所述變壓器存儲和輸出能量；電流檢測電路，電耦接至開關管，檢測流過開關管的 電流，並產生電流檢測信號；過零檢測電路，電耦接至第二原邊繞組，當流過副邊繞組的電流過零時，產生過零信號；控制電路，電耦接至電流檢測電路和過零檢測電路，至少基於電流檢測信號和過零信號產生控制信號，驅動所述開關管導通和關斷；以及補償電路，電耦接至第二原邊繞組和控制電路，基於來自第二原邊繞組的信號對電流檢測信號進行補償。
在本發明的另一方面，提供了一種用LED電路驅動多個串聯連接的發光二極體(LED)的方法，所述LED電路包括開關管和變壓器，該變壓器包括第一原邊繞組、第二原邊繞組和副邊繞組，第一原邊繞組電耦接至開關管，隨著開關管的導通和關斷，所述變壓器存儲和輸出能量，所述方法包括步驟：檢測流過第二原邊繞組的電流並且在流過副邊繞組的電流過零時產生過零信號；檢測流過開關管的電流並產生電流檢測信號；基於來自第二原邊繞組的信號對電流檢測信號進行補償；以及至少基於補償後的電流檢測信號和過零信號驅動所述開關管導通和關斷。
根據本發明的實施例，由於對輸入到控制電路的電流檢測信號進行了補償，使得即使負載中LED數目發生變化時，流過負載的電流也基本保持恆定。
下面的說明中，列出了許多具體細節以便提供對本發明的理解。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是，實施本發明並不必需使用這些具體細節。在其他情況下，那些眾所周知的材料或方法沒有被詳細描述，以免使本發明費解。
下面參考示例實施例來對本發明進行詳細描述。本發明的實施例中，通過耦接在第二原邊繞組的一端和電流檢測電路的輸出端或控制電路接收電流檢測信號的端子之間的補償電路對電流檢測電路輸出的檢測電流信號進行補償。這樣，控制電路至少基於經過補償的電流檢測信號和過零信號來控制開關管的導通和關斷。在另一實施例中，控制電路基於經過補償的電流檢測信號、過零信號和輸入整流信號產生控制信號來控制開關管的導通和關斷。根據本發明的實施例，由於對電流檢測信號進行了補償，使得LED數目變化時，流過LED串的電流也基本保持恆定。
根據本發明的一個實施例，通過設置在第二原邊繞組一端和電流檢測電路的輸出端或控制電路接收電流檢測信號的端子之間的電流鏡電路來對電流檢測信號進行補償。
根據本發明的另一實施例，通過設置在第二原邊繞組一端和電流檢測電路的輸出端或控制電路接收電流檢測信號的端子之間的壓控電流源來對電流檢測信號進行補償。
第1圖示出了基於原邊控制的LED電路的框圖。如第1圖所示，LED電路包括交流橋電路101、電壓檢測電路102、變壓器103、負載104、開關管Q1 105，過零檢測電路106、原邊側電流檢測電路107和控制電路108。變壓器103包括第一原邊繞組T1，副邊繞組T2和第二原邊繞組T3。
交流橋電路101包括四個二極體或者類似的半導體裝置，連接成橋式電路。交流橋電路101的第一端子耦接到電壓檢測電路102的第一端子和變壓器103的第一原邊繞組T1的第一端子。交流橋電路101的第二端子耦接到電 壓檢測電路102的第二端子和變壓器103的第二副邊繞組T3的第一端子。
電壓檢測電路102包括串聯連接的兩個電阻器，R3和R4。電路102檢測交流橋電路101的輸出電壓並且產生輸入整流信號Vin-rec。可選地，該電壓檢測電路102可以包括串聯連接的電容器或者其他裝置。
開關管Q1耦接到第一原邊繞組T1的第二端子，並且被來自控制電路108的柵控信號Cgate驅動。當開關管Q1導通時，電流流過第一原邊繞組T1，使得能量得以存儲。當開關管Q1關斷時，存儲在第一原邊繞組T1中的能量被傳送到副邊繞組T2。副邊繞組T2耦接到二極體D5、電阻器R5、電容器C1和負載RL。電容器C1上的電壓是驅動負載RL的輸出電壓。
過零檢測電路106耦接到第二原邊繞組T3的第二端子。過零檢測電路106包括串聯連接的兩個電阻器R1和R2。電路106檢測流過第二原邊繞組T3的電流，該電流代表或指示了流過副邊繞組T2的電流，並且當流過副邊繞組T2的電流過零時，產生過零信號ZCD。
原邊電流檢測電路107耦接到開關管Q1。電路107檢測開關管Q1的電流並且產生電流檢測信號Cs。該電流檢測信號Cs與過零檢測信號ZCD和輸入整流信號Vin-rec耦接到控制電路108的輸入端。控制電路108產生柵控信號來驅動開關管Q1導通和關斷。電路107包括由電阻器R7、電阻器R8、電阻器R9和電阻器R10構成的電阻網路。
控制電路108包括乘法器M1。乘法器M1通過將輸入整流信號Vin-rec與補償信號VCOMP相乘，輸出預期值信號 Vexp。比較器COMP2將預期值信號Vexp和電流採樣信號Cs相比較。比較器COMP2的輸出端子耦接到RS觸發器RS1的復位端(R)。另一比較器COMP1比較過零信號ZCD和參考電壓Vref。比較器COMP1的輸出端耦接到RS觸發器RS1的置位端(S)。當S端子的信號為高電平時，RS觸發器RS1通過輸出端Q輸出高電平信號Cgate。當R端子的信號為高電平時，觸發器RS1通過輸出端Q輸出低電平信號Cgate。這樣，開關管Q1在柵控信號Cgate的控制下關斷和導通，將電能從第一原邊繞組T1傳送到副邊繞組T2。
第2圖示出了根據第1圖所示的LED電路在不同數目的串聯LED作為負載的情況下LED電流相對於平均電流的誤差曲線圖。X軸為串聯連接的LED數目，Y軸為通過LED的電流相比於平均電流的誤差百分比。如第2圖所示，無論是220V驅動和110V驅動的情況下，隨著LED數目的增加LED串中流過的電流與平均電流之間的差值相對於平均電流的成反比例變化。
第3圖示出了根據本發明一個示例實施例的基於原邊控制LED電路的框圖。在第3圖的例子中，LED電路包括交流橋電路301、電壓檢測電路302、變壓器303、負載304、開關管Q1 305，過零檢測電路306、原邊側電流檢測電路307和控制電路308。變壓器303包括第一原邊繞組T1、副邊繞組T2和第二原邊繞組T3。
交流橋電路301包括四個二極體或者類似的半導體裝置，連接成橋式電路。交流橋電路301的第一端子耦接到電壓檢測電路302的第一端子和變壓器303的第一原邊繞 組T1的第一端子。交流橋電路301的第二端子耦接到電壓檢測電路302的第二端子和變壓器303的第二原邊繞組T3的第一端子。
開關管Q1耦接到第一原邊繞組T1，並且被來自控制電路308的柵控信號驅動。原邊側電流檢測電路307耦接到開關管Q1 305。電流檢測電路307檢測流過開關管Q1的電流並且產生電流檢測信號Cs。信號Cs表示流過串聯連接的LED的電流。根據本發明的一個實施例，原邊側電流檢測電路307可以包括多個電阻器或者其他電流檢測電路。
根據本發明另一個實施例的LED電路還包括補償電路310，其設置在變壓器303的第二原邊繞組T3的一端和原邊側電流採樣電路307的輸出端之間。該補償電路310包括電阻器R11和構成電流鏡電路的多個電晶體T1和T2。流過電阻器R11的電流與第二原邊繞組T3上的電壓成正比，並且與變壓器303的副邊繞組T2的輸出電壓成正比。流過電阻器R11的電流可以補償電流檢測信號Cs並且消除因為串聯連接的LED數目的變化引起的負載電流波動。例如，通過精細調節電阻器R11的阻值和原邊側電流採樣電路307的電阻器的阻值來進一步對電流檢測信號Cs進行精細補償，產生經過補償後的電流檢測信號Cs’。
根據本發明的另一實施例，電流鏡電路包括第一NPN電晶體和第二NPN電晶體，兩個NPN電晶體具有基本相同的發射極電流，第一NPN電晶體的集電極電耦接至第二原邊繞組T3，第二NPN電晶體的集電極電耦接至控制電路308的輸入端子和電流檢測電路307的輸出端子。
根據本發明的另一實施例，補償電路310還包括電阻器R11，電耦接在第二原邊繞組T3和第一NPN電晶體之間，以調節第一NPN電晶體的發射極電流。
根據本發明的另一實施例，補償電路310包括二極體D6，耦接在第二原邊繞組的一端和電阻器R11的一端。
過零檢測電路306耦接到第二原邊繞組T3。過零檢測電路306包括串聯連接的兩個電阻器R1和R2。電路306檢測流過第二原邊繞組T3的電流，該電流錶示或指示了流過副邊繞組T2的電流，並且當流過副邊繞組T2的電流過零時，產生過零信號ZCD。
電壓檢測電路302包括串聯連接的兩個電阻器，R3和R4，耦接到交流橋電路301。電路302檢測交流橋電路301的輸出電壓並且產生輸入整流信號Vin-rec。可選地，該電壓檢測電路102可以包括串聯連接的電容器或者其他裝置。
根據本發明的另一個實施例，控制電路308的輸入端子耦接到過零信號ZCD、經過補償的電流採樣信號Cs’和輸入整流信號Vin-rec。基於上述信號，控制電路308產生柵控信號Cgate來驅動開關管Q1的導通和關斷。
根據本發明的一個實施例，控制電路308包括乘法器M1。乘法器M1通過將輸入整流信號Vin-rec與補償信號VCOMP相乘，輸出預期值信號Vexp。比較器COMP2將預期值信號Vexp和經過補償的電流採樣信號Cs’相比較。比較器COMP2的輸出端子耦接到RS觸發器RS1的復位端(R)。另一比較器COMP1比較過零信號ZCD和參考電壓Vref。比較器COMP1的輸出端耦接到RS觸發器RS1的置位端(S)。當S端子的信號為高電平時，RS觸發器RS1 通過輸出端Q輸出高電平信號Cgate。當R端子為高電平時，觸發器RS1通過輸出端Q輸出低電平信號Cgate。這樣，開關管Q1在柵控信號Cgate的控制下關斷和導通，將電能從第一原邊繞組T1傳送到副邊繞組T2。
第4圖示出了如第3圖所示的LED電路在驅動不同數目的LED時LED串中流過的電流相對於平均電流的誤差曲線。如第4圖所示，無論是驅動電壓為110V還是220V，LED串中流過的電流在不同的LED數目的情況下保持相對恆定。
第5圖示出了根據本發明另一實施例的補償電路510的示意圖。該實施例的補償電路包括壓控電流源。壓控電流源接收來自第二原邊繞組T3的電壓信號並產生補償信號來對電流採樣信號Cs進行補償。可選地，可以在壓控電流源的輸入端串接可調電阻器來實現精細補償。
第6圖為根據本發明一實施例的LED電路308的流程圖。在第6圖的例子中，LED電路包括開關管Q1、控制電路和變壓器。該變壓器包括第一原邊繞組T1、第二原邊繞組T3和副邊繞組T2。第一原邊繞組T1電耦接至開關管。控制電路驅動開關管導通和關斷並控制能量從第一原邊繞組T1傳送到副邊繞組T2。
如第6圖所示，在步驟601，流過開關管的電流被檢測，並產生電流檢測信號。
在步驟602，基於來自第二原邊繞組T3的信號對電流檢測信號進行補償。
在步驟603，當副邊繞組T2的電流過零時產生過零信號。
在步驟604，至少基於補償後的電流檢測信號和過零信號 產生控制信號，控制電路控制所述開關管的導通和關斷。
在一個實施例中，使用電流鏡電路，基於第二副邊繞組T3的輸出電流產生補償信號。
在另一個實施例中，使用壓控電流源，基於第二副邊繞組T3的輸出電壓產生補償信號。
以上出於演示的目的描述了本發明的具體實施例。但是可以對上述實施例進行修改而不會脫離本發明的精神和原理。一個實施例中的單元或者要素可以與其他實施例進行組合或者代替其他實施例中的單元或者要素。本領域的技術人員應該理解，本發明的範圍由所附申請專利範圍限定。
101、301‧‧‧交流橋電路
102、302‧‧‧電壓檢測電路
103、303‧‧‧變壓器
104、RL、304‧‧‧負載
105、305‧‧‧開關管Q1
106、306‧‧‧過零檢測電路
107、307‧‧‧原邊側電流檢測電路
108、308‧‧‧控制電路
T1‧‧‧第一原邊繞組、電晶體
T2‧‧‧副邊繞組、電晶體
T3‧‧‧第二原邊繞組
R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11‧‧‧電阻器
Vin-rec‧‧‧輸入整流信號
Cgate‧‧‧柵控信號、高電平信號、低電平信號
D5、D6‧‧‧二極體
C1‧‧‧電容器
ZCD‧‧‧過零信號
Cs、Cs’‧‧‧電流檢測信號
M1‧‧‧乘法器
VCOMP‧‧‧補償信號
Vexp‧‧‧預期值信號
COMP1、COMP2‧‧‧比較器
RS1‧‧‧RS觸發器
Vref‧‧‧參考電壓
(R)‧‧‧復位端
(S)‧‧‧置位端
Q‧‧‧輸出端
310、510‧‧‧補償電路
601、602、603、604‧‧‧步驟
第1圖示出了根據本發明實施例的第一示例LED電路的框圖；第2圖示出了如第1圖所示的電路在驅動串聯連接的不同數目LED時LED串中流過的電流相對於平均電流的誤差曲線；第3圖示出了根據本發明實施例的第二示例LED電路的框圖；第4圖示出了如第3圖所示的電路在驅動串聯連接的不同數目LED時LED串中流過的電流相對於平均電流的誤差曲線；第5圖示出了的補償電路的一個實施例；第6圖示出了根據本發明一個示例實施例的控制電路的示意性流程圖。
301‧‧‧交流橋電路
302‧‧‧電壓檢測電路
303‧‧‧變壓器
304、RL‧‧‧負載
305‧‧‧開關管Q1
306‧‧‧過零檢測電路
307‧‧‧原邊側電流檢測電路
308‧‧‧控制電路
310‧‧‧補償電路
T1‧‧‧第一原邊繞組、電晶體
T2‧‧‧副邊繞組、電晶體
T3‧‧‧第二原邊繞組
R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11‧‧‧電阻器
Vin-rec‧‧‧輸入整流信號
Cgate‧‧‧柵控信號、高電平信號、低電平信號
D5、D6‧‧‧二極體
C1‧‧‧電容器
ZCD‧‧‧過零信號
Cs’‧‧‧電流檢測信號
M1‧‧‧乘法器
VCOMP‧‧‧補償信號
Vexp‧‧‧預期值信號
COMP1、COMP2‧‧‧比較器
RS1‧‧‧RS觸發器
Vref‧‧‧參考電壓
(R)‧‧‧復位端
(S)‧‧‧置位端
Q‧‧‧輸出端

Claims (15)

  1. 一種發光二極體(LED)電路，包括：開關管；變壓器，包括第一原邊繞組、第二原邊繞組和副邊繞組，其中第一原邊繞組電耦接至開關管，隨著開關管的導通和關斷，所述變壓器存儲和輸出能量；電流檢測電路，電耦接至開關管，檢測流過開關管的電流，並產生電流檢測信號；過零檢測電路，電耦接至第二原邊繞組，當流過副邊繞組的電流過零時，產生過零信號；控制電路，電耦接至電流檢測電路和過零檢測電路，至少基於電流檢測信號和過零信號產生控制信號，驅動所述開關管導通和關斷；以及補償電路，電耦接至第二原邊繞組和控制電路，基於來自第二原邊繞組的信號對電流檢測信號進行補償。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，還包括交流橋電路和電壓檢測電路，其中電壓檢測電路對交流橋電路輸出的電壓進行檢測，並產生輸入整流信號，其中所述控制電路基於輸入整流信號、電流檢測信號和過零信號產生控制信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，其中所述過零檢測電路包括多個串聯的電阻器或者電容器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，其中所述補償電路包括電流鏡電路。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的LED電路，其中所述電流鏡電路包括第一NPN電晶體和第二NPN電晶體，兩個 NPN電晶體具有基本相同的發射極電流，第一NPN電晶體的集電極電耦接至第二原邊繞組，第二NPN電晶體的集電極電耦接至控制電路的輸入端子和電流檢測電路的輸出端子。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的LED電路，其中所述補償電路還包括電阻器，電耦接在第二原邊繞組和第一NPN電晶體之間，以調節第一NPN電晶體的發射極電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的LED電路，其中所述電阻器是可調電阻器，通過調節所述可調電阻器的阻值來調節輸入到第一NPN電晶體的發射極電流。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，其中所述補償電路包括壓控電流源，耦接到第二原邊繞組、電流檢測電路和控制電路，其中補償電路根據第二原邊繞組的輸出電壓對電流檢測信號進行補償。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的LED電路，其中所述補償電路還包括電阻器，電耦接在第二原邊繞組和壓控電流源之間，以調節輸入到壓控電流源的輸入電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的LED電路，其中所述電阻器是可調電阻器，通過調節所述可調電阻器的阻值來調節輸入到壓控電流源的輸入電壓。
  11. 一種用LED電路驅動多個串聯連接的發光二極體(LED)的方法，所述LED電路包括開關管和變壓器，該變壓器包括第一原邊繞組、第二原邊繞組和副邊繞組，所述第一原邊繞組電耦接至所述開關管，隨著所述開關管的導通和關斷，所述變壓器存儲和輸出能量，所述方法包括步驟： 檢測流過所述第二原邊繞組的電流以在流過所述副邊繞組的電流過零時產生過零信號；檢測流過所述開關管的電流以產生電流檢測信號；基於來自所述第二原邊繞組的信號對所述電流檢測信號進行補償；以及至少基於補償後的電流檢測信號和所述過零信號驅動所述開關管導通和關斷。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的驅動方法，其中使用電流鏡電路基於第二原邊繞組的輸出電流產生的信號來對電流檢測信號進行補償。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的驅動方法，其中使用壓控電流源基於第二原邊繞組的輸出電壓產生的信號來對電流檢測信號進行補償。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的驅動方法，其中過零信號是由過零檢測電路產生的，所述過零檢測電路電耦接到第二原邊繞組。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的驅動方法，其中過零檢測電路包括多個串聯連接的電阻器或者電容器。
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