TWI517751B - Adapt to controllable silicon LED driver circuit, drive method and application of its switching power supply - Google Patents

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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Description

適應可控矽的LED驅動電路，驅動方法及應用其的開關電源
本發明關於開關電源領域，更具體地說，關於一種適應可控矽的LED驅動電路、驅動方法及應用其的開關電源。
發光二極體(LED)由於其高效、節能等優點被廣泛應用於辦公、家庭等場合，如今LED照明已成為照明領域中的主流技術，但是，在LED照明取代現有白熾燈照明的過程中，如何將LED燈與傳統線路中的可控矽調光器進行良好匹配以實現精確調光是極需解決的關鍵問題。
現有技術中的帶可控矽的LED驅動電路一般為通過控制功率級電路中的功率電晶體的開關動作，以為LED燈負載提供恆定的輸出電流，其驅動電路往往設有功率因數校正功能，因此，其功率級電路的輸入電壓和輸入電流波形保持為一致，如圖1所示為現有技術中的帶有可控矽的LED驅動電路的輸入電壓和輸入電流波形圖，在現有技術中帶有可控矽的LED驅動電路中，其可控矽的截止 一般是等到功率級電路的輸入電流小於可控矽的維持電流時，可控矽自然截止，此時由於輸入電壓還沒有降至零，可控矽觸發電路會充電以致重新導通可控矽，這時，輸入電流可能會產生如圖1所示的振盪，繼而造成可控矽多次不規則的重啟動，使得每個週期內所述LED驅動電路從輸入側吸收的功率不相同，導致所述LED燈負載在不同週期內的亮度不同，造成LED頻閃並可能會發出雜訊。
依據本發明的一種適應可控矽的LED驅動電路和驅動方法，根據功率級電路的輸入電流來控制功率電晶體的截止，使得功率電晶體在功率級電路的輸入電流降至可控矽的維持電流之前就截止，並維持此截止狀態一段時間，可以保證在可控矽的導通時間區間內，其負載電流始終在可控矽的維持電流之上，不會發生可控矽多次誤導通造成LED燈負載閃爍，使得每個半週期內系統的輸入功率相同，避免了頻閃和雜訊。
依據本發明的一種適應可控矽的LED驅動電路，應用於開關電源中，所述開關電源中包括有功率電晶體，還包括有， 閾值電壓控制電路，其接收一表徵缺相的正弦半波電壓信號的輸入電壓信號和一閾值電壓，並根據所述輸入電壓信號的角度資訊來判斷是否將所述閾值電壓輸出，其中，所述缺相的正弦半波電壓信號為電網交流電壓經過一 可控矽電路和整流橋處理後獲得；第一控制電路，其接收所述輸入電壓信號和所述閾值電壓控制電路輸出的閾值電壓，並進行比較，以產生一第一控制信號，所述第一控制信號用以控制所述功率電晶體的截止，直至所述電網交流電壓的絕對值降至為零。
進一步的，所述閾值電壓控制電路包括一檢測電路和第一開關，所述檢測電路用以檢測所述輸入電壓信號的角度資訊，並根據所述角度資訊輸出一方波信號；所述第一開關的第一端接收所述閾值電壓，控制端接收所述方波信號，其第二端作為所述閾值電壓控制電路的輸出端；在所述方波信號為高電位有效狀態時，所述第一開關導通，所述閾值電壓控制電路輸出所述閾值電壓。
進一步的，在所述輸入電壓信號的角度為大於等於90°而小於180°範圍內所述方波信號保持為高電位有效狀態；在所述輸入電壓信號角度大於0°而小於90°為範圍內所述第一方波信號保持為低電位無效狀態。
進一步的，所述第一控制電路包括一比較電路和脈衝寬度控制電路，所述比較電路第一輸入端接收所述輸入電壓信號，第二輸入端接收所述閾值電壓，以產生第一比較脈衝信號；所述脈衝寬度控制電路接收所述第一比較脈衝信號，並將所述第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段，以 獲得所述第一控制信號，其中，所述延展時間段為從所述功率電晶體截止的時刻起，所述電網交流電壓的絕對值降至為零的時間。
較佳的，在所述開關電源的功率級電路的輸入電流降至到所述可控矽電路的維持電流時，所述輸入電壓信號對應的電壓值定義為臨界電壓值；所述輸入電壓信號具有一最大值，則所述閾值電壓設置為從所述臨界電壓值到所述最大值之間的某一值。
依據本發明的一種適應可控矽的LED驅動方法，應用於開關電源中，所述開關電源中包含有一功率電晶體，包括以下步驟：接收一電網交流電壓，並將其轉換為一缺相的正弦半波電壓信號；採樣所述缺相的正弦半波電壓信號，以獲得一表徵所述正弦半波電壓信號的輸入電壓信號；檢測所述輸入電壓信號的角度資訊，並據此輸出一方波信號；在所述方波信號為高電位有效狀態時，接收一閾值電壓；比較所述輸入電壓信號和所述閾值電壓，以產生一第一比較脈衝信號；將所述第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段，以獲得一第一控制信號，所述第一控制信號用以控制所述功率電晶體的截止，其中，所述延展時間段為從所述功率 電晶體截止的時刻起，所述電網交流電壓的絕對值降至為零的時間。
進一步的，在所述輸入電壓信號的角度為大於等於90°而小於180°範圍內所述方波信號保持為高電位有效狀態；在所述輸入電壓信號角度大於0°而小於90°為範圍內所述方波信號保持為低電位無效狀態。
較佳的，在所述開關電源的功率級電路的輸入電流降至到所述可控矽電路的維持電流時，所述輸入電壓信號對應的電壓值定義為臨界電壓值；所述輸入電壓信號具有一最大值，則所述閾值電壓設置為從所述臨界電壓值到所述最大值之間的某一值。
依據本發明的一種適應可控矽的開關電源，包括上述的LED驅動電路，還包括功率級電路和控制驅動電路，所述控制驅動電路根據所述第一控制電路輸出的第一控制信號、所述缺相的正弦半波電壓信號和LED負載電流信號來控制功率級電路中的功率電晶體的開關動作，以驅動所述LED負載。
通過上述的一種適應可控矽的LED驅動電路、驅動方法及應用其的開關電源，將表徵正弦半波電壓信號的輸入電壓信號與一閾值電壓相比較，以獲得一第一比較脈衝信號，然後通過將所述第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段以獲得一第一控制信號，所述第一控制信號控制使所述功率電晶體在輸入電流降至可控矽的維持電流之前就截止，並維持此截止狀態一段時間，可以保證在可控矽 的導通時間區間內，其負載電流(即功率級電路的輸入電流)始終在可控矽的維持電流之上，不會使可控矽產生多次不規則的重導通，保證系統在每個半週期內系統的輸入功率相同，避免了LED頻閃和發出雜訊。
201‧‧‧閾值電壓控制電路
201-1‧‧‧檢測電路
202‧‧‧第一控制電路
202-1‧‧‧比較電路
202-2‧‧‧脈衝寬度控制電路
203‧‧‧控制驅動電路
Cin‧‧‧輸入電容
Np‧‧‧原邊繞組
Ns‧‧‧副邊繞組
T‧‧‧變壓器
D‧‧‧整流二極體
Cout‧‧‧輸出電容
Q1‧‧‧電晶體
Vdc‧‧‧正弦半波電壓信號
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
Vin‧‧‧輸入電壓信號
Vth‧‧‧閾值電壓
S1‧‧‧第一開關
VC2‧‧‧方波信號
VP‧‧‧第一比較脈衝信號
VC1‧‧‧第一控制信號
ILED‧‧‧LED負載電流信號
t‧‧‧時間
AC‧‧‧電網交流電壓
圖1所示為現有技術中的帶有可控矽的LED驅動電路的輸入電壓和輸入電流波形圖；圖2A所示為依據本發明的一種適應可控矽的LED驅動電路的電路圖；圖2B所示為圖2A所示的一種適應可控矽的LED驅動電路的工作波形圖；圖3所示為依據本發明的一種適應矽的LED驅動方法的流程圖。
以下結合附圖對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
參考圖2，所示為依據本發明的一種適應可控矽的LED驅動電路的電路圖，本發明所述的LED驅動電路應 用於開關電源中，通過控制所述開關電源中的功率電晶體的開關動作，以將電網交流電壓轉換為一直流輸出信號供給LED負載。具體的，在本實施例中，所述開關電源以單級反激式變換器為例，其功率級電路包含有一整流橋、輸入電容Cin、由原邊繞組Np和副邊繞組Ns組成的變壓器T、整流二極體D、輸出電容Cout和功率電晶體Q1。本實施例中的LED驅動電路包括一閾值電壓控制電路201、第一控制電路202，另外，所述開關電源中還包括有一控制驅動電路203。
其中，電網交流電壓AC經過可控矽電路和整流橋處理後轉換為一缺相的正弦半波電壓信號Vdc，通過由電阻R1和電阻R2組成的分壓電阻網路採樣所述缺相的正弦半波電壓信號Vdc，以獲得一表徵所述正弦半波電壓信號的輸入電壓信號Vin。
所述閾值電壓控制電路201接收所述輸入電壓信號Vin和一閾值電壓Vth，並根據所述輸入電壓信號的資訊判斷是否將所述閾值電壓輸出。具體的，本實施例中所述閾值電壓控制電路201包括一檢測電路201-1和第一開關S1，所述檢測電路201-1接收所述輸入電壓信號Vin，並進行角度檢測，以根據檢測資訊輸出一方波信號VC2；所述第一開關S1第一端接收所述閾值電壓Vth，控制端接收所述方波信號VC2，其第二端作為所述閾值電壓控制電路的輸出端。在所述方波信號VC2為高電位有效狀態時，所述第一開關S1導通，所述閾值電壓控制電路202輸出所 述閾值電壓Vth。
需要說明的是，在本實施例中，所述檢測電路檢測所述輸入電壓信號Vin的角度信號，在所述輸入電壓信號的角度為大於0°而小於90°的範圍內所述方波信號VC2保持為低電位無效狀態；而當其大於等於90°而小於180°範圍內所述方波信號VC2保持為高電位有效狀態。所述檢測電路的具體實現方式可為一微分電路，其對所述輸入電壓信號的斜率進行檢測，當檢測到的斜率為正時，表徵所述輸入電壓信號的角度為0°~90°，所述方波信號為低電位無效狀態；當斜率為零時，對應的輸入電壓信號的角度為90°，所述方波信號為高電位有效狀態；當檢測到斜率為負時，表徵所述輸入電壓信號的角度為90°~180°，所述方波信號為保持為高電位有效狀態。本領域技術人員可知，所述檢測電路不限於上述的微分電路，還可以為其他的具有同樣功能的電路結構。
進一步的，本實施例中的第一控制電路202具體包括一比較電路202-1和脈衝寬度控制電路202-2，其中，所述比較電路202-1具體包括一比較器，其反相輸入端接收所述輸入電壓信號Vin，同相輸入端接收所述閾值電壓控制電路輸出的閾值電壓Vth，以產生第一比較脈衝信號VP。所述脈衝寬度控制電路202-2接收所述第一比較脈衝信號VP，並將所述第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段，以獲得一第一控制信號VC1，所述第一控制信號VC1傳輸給後級的控制驅動電路203。
所述控制驅動電路203接收所述第一控制信號VC1後產生驅動信號以控制所述功率電晶體Q1截止，以使所述功率電晶體在輸入電流降至可控矽的維持電流之上就截止。另外，所述控制驅動電路203還接收所述缺相的正弦半波電壓信號Vdc以及LED負載電流信號ILED，並產生控制驅動信號控制所述功率電晶體的開關狀態，以實現對LED負載的調光和恆流控制。
下面依照圖2B所示的一種適應可控矽的LED驅動電路的工作波形圖詳細闡述本發明實施例的LED驅動電路的工作過程。如圖2B所示，當所述可控矽在某一角度導通後，所述功率級電路獲得一缺相的正弦半波電壓信號Vdc，所述分壓電阻網路採樣所述缺相的正弦半波電壓信號獲得一輸入電壓信號Vin，所述輸入電壓信號Vin與所述缺相的正弦半波電壓信號Vdc波形為一致，所述檢測電路檢測所述輸入電壓信號Vin的角度資訊，當所述輸入電壓信號的角度為大於等於90°而小於180°範圍內，所述方波信號VC2控制第一開關S1導通，所述閾值電壓控制電路輸出所述閾值電壓Vth。
所述比較器比較所述輸入電壓信號Vin和閾值電壓Vth，當所述輸入電壓信號下降至所述閾值電壓時，所述比較器輸出一第一比較脈衝信號Vp。其中，對於所述閾值電壓的取值如下：在所述開關電源的功率級電路的輸入電流降至到所述可控矽電路的維持電流時，所述輸入電壓信號對應的電壓值定義為臨界電壓值；所述輸入電壓信號 Vin具有一最大值，則所述閾值電壓設置為從所述臨界電壓值到所述最大值之間的某一值。較佳的，所述閾值電壓還可以考慮LED負載的大小，其根據LED負載的大小來確定從所述臨界電壓值到最大值之間的最佳值，例如，當所述LED負載為較小功率負載(如3W)時，在所述輸入電壓信號最大值的310V的情況下，所述閾值電壓設置的相對較高例如為140V以保證在所述功率電晶體截止時所述功率級電路的輸入電流至少在所述可控矽的維持電流之上；當所述LED負載為較大功率時，所述閾值電壓可以設置的相對較小，以保證同時滿足輸出功率的要求和可控矽的正常工作電流要求。
之後，所述脈衝寬度控制電路接收所述第一比較脈衝信號Vp，並將其有效寬度延展一時間段t，以獲得所述第一控制信號VC1，所述第一控制信號VC1用以控制所述功率電晶體截止。如圖2B所示，在所述第一比較脈衝信號的上升沿時刻，所述第一控制信號變為高電位有效狀態，並維持一段時間t，所述時間t為從所述第一控制信號控制所述功率電晶體的截止時刻起，所述電網交流電壓的絕對值降至為零的時間。在所述功率電晶體截止後，所述輸入電流Iin快速下降至零，此時，所述可控矽截止並保持截止一段時間直至下個週期。
其中，所述控制驅動電路可以為任何合適的電路結構，例如中國專利申請案CN201110069796.2和CN200910100298.2等記載的控制驅動電路的結構。所述 功率級電路也不限於本實施例中所述的單級反激式變換器，也可以為升壓型拓撲結構、降壓型拓撲結構以及升-降壓型拓撲結構等。
此外需要解釋的是，從圖2B中可以看出，在電路開始工作時，在功率電晶體Q1導通瞬間，由於輸入電容Cin的存在，功率級電路的輸入電流會產生一個衝擊電流，在精度要求較高的場合，所述衝擊電流可通過專利申請號為CN201210200342.9中所述的衝擊電流消除電路進行消除。
可見，採用圖2A所示的LED驅動電路，在輸入電流下降到所述可控矽的維持電流之前，就提前截止功率電晶體，並維持一段時間直至下個週期，這樣，在所述可控矽的導通時間內，所述輸入電流Iin一直在所述可控矽的維持電流之上，可控矽始終保持正常工作狀態，可避免在先前技術中提到的由於輸入電流小於其維持電流而出現可控矽的重複誤導通的情況，控制系統在每個半週期內的輸入功率相同，保證LED負載不會產生閃爍和雜訊。
參考圖3，所示為依據本發明的的一種適應可控矽的LED驅動方法的流程圖，包括以下步驟：
S301：接收一電網交流電壓，並將其轉換為一缺相的正弦半波電壓信號；
S302：採樣所述缺相的正弦半波電壓信號，以獲得一表徵所述正弦半波電壓信號的輸入電壓信號；
S303：檢測所述輸入電壓信號的角度資訊，並據此輸 出一方波信號；
S304：在所述方波信號為有效狀態時，接收一閾值電壓；
S305：比較所述輸入電壓信號和所述閾值電壓，以產生一第一比較脈衝信號。
S306：將所述第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段，以獲得一第一控制信號，所述第一控制信號用以控制所述功率電晶體的截止，其中，所述延展時間段為從所述功率電晶體截止的時刻起，所述電網交流電壓的絕對值降至為零的時間。
具體的，在所述輸入電壓信號的角度為大於等於90°而小於等於180°範圍內所述方波信號保持為高電位有效狀態；在所述輸入電壓信號角度大於0°而小於90°為範圍內所述方波信號保持為低電位無效狀態。
其中，在所述開關電源的功率級電路的輸入電流降至到所述可控矽電路的維持電流時，所述輸入電壓信號對應的電壓值定義為臨界電壓值；所述輸入電壓信號具有一最大值，則所述閾值電壓設置為從所述臨界電壓值到所述最大值之間的某一值。
以上對依據本發明的較佳實施例的適應可控矽的LED驅動電路和驅動方法進行了詳盡描述，但是本發明的實現電路並不限於本發明實施例中所描述的具體實現方式，本領域普通技術人員據此可以推知其他技術或者結構以及電路佈局、元件等均可應用於所述實施例。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敍述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。
201‧‧‧閾值電壓控制電路
201-1‧‧‧檢測電路
202‧‧‧第一控制電路
202-1‧‧‧比較電路
202-2‧‧‧脈衝寬度控制電路
203‧‧‧控制驅動電路
Cin‧‧‧輸入電容
Np‧‧‧原邊繞組
Ns‧‧‧副邊繞組
T‧‧‧變壓器
D‧‧‧整流二極體
Cout‧‧‧輸出電容
Q1‧‧‧電晶體
Vdc‧‧‧正弦半波電壓信號
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
Vin‧‧‧輸入電壓信號
Vth‧‧‧閾值電壓
S1‧‧‧第一開關
VC2‧‧‧方波信號
VP‧‧‧第一比較脈衝信號
VC1‧‧‧第一控制信號
ILED‧‧‧LED負載電流信號
AC‧‧‧電網交流電壓

Claims (9)

  1. 一種適應可控矽的LED驅動電路，應用於開關電源中，該開關電源中包括有功率電晶體，其特徵在於，包括，閾值電壓控制電路，其接收一表徵缺相的正弦半波電壓信號的輸入電壓信號和一閾值電壓，並根據該輸入電壓信號的角度資訊來判斷是否將該閾值電壓輸出，其中，該缺相的正弦半波電壓信號為電網交流電壓經過一可控矽電路和整流橋處理後獲得；第一控制電路，其接收該輸入電壓信號和該閾值電壓控制電路輸出的閾值電壓，並進行比較，以產生一第一控制信號，該第一控制信號用以控制該功率電晶體的截止，直至該電網交流電壓的絕對值降至為零。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的LED驅動電路，其中，該閾值電壓控制電路包括一檢測電路和第一開關，該檢測電路用以檢測該輸入電壓信號的角度資訊，並根據該角度資訊輸出一方波信號；該第一開關的第一端接收該閾值電壓，控制端接收該方波信號，其第二端作為該閾值電壓控制電路的輸出端；在該方波信號為高電位有效狀態時，該第一開關導通，該閾值電壓控制電路輸出該閾值電壓。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的LED驅動電路，其中，在該輸入電壓信號的角度為大於等於90°而小於180°範圍內該方波信號保持為高電位有效狀態；在該輸入 電壓信號的角度為大於0°而小於90°範圍內，該方波信號保持為低電位無效狀態。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的LED驅動電路，其中，該第一控制電路包括一比較電路和脈衝寬度控制電路，該比較電路第一輸入端接收該輸入電壓信號，第二輸入端接收該閾值電壓，以產生第一比較脈衝信號；該脈衝寬度控制電路接收該第一比較脈衝信號，並將該第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段，以獲得該第一控制信號，其中，該延展時間段為從該功率電晶體截止的時刻起，該電網交流電壓的絕對值降至為零的時間。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的LED驅動電路，其中，在該開關電源的功率級電路的輸入電流降至到該可控矽電路的維持電流時，該輸入電壓信號對應的電壓值定義為臨界電壓值；該輸入電壓信號具有一最大值，則該閾值電壓設置為從該臨界電壓值到該最大值之間的某一值。
  6. 一種適應可控矽的LED驅動方法，應用於開關電源中，該開關電源中包含有一功率電晶體，其特徵在於，包括以下步驟：接收一電網交流電壓，並將其轉換為一缺相的正弦半波電壓信號；採樣該缺相的正弦半波電壓信號，以獲得一表徵該正弦半波電壓信號的輸入電壓信號； 檢測該輸入電壓信號的角度資訊，並據此輸出一方波信號；在該方波信號為高電位有效狀態時，接收一閾值電壓；比較該輸入電壓信號和該閾值電壓，以產生一第一比較脈衝信號；將該第一比較脈衝信號的有效寬度延展一時間段，以獲得一第一控制信號，該第一控制信號用以控制該功率電晶體的截止，其中，該延展時間段為從該功率電晶體截止的時刻起，該電網交流電壓的絕對值降至為零的時間。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的LED驅動方法，其中，在該輸入電壓信號的角度為大於等於90°而小於180°範圍內該方波信號保持為高電位有效狀態；在該輸入電壓信號的角度為大於0°而小於90°範圍內該方波信號保持為低電位無效狀態。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述的LED驅動方法，其中，在該開關電源的功率級電路的輸入電流降至到該可控矽電路的維持電流時，該輸入電壓信號對應的電壓值定義為臨界電壓值；該輸入電壓信號具有一最大值，則該閾值電壓設置為從該臨界電壓值到該最大值之間的某一值。
  9. 一種適應可控矽的開關電源，其特徵在於，包括申請專利範圍第1-5項中任一項LED驅動電路，還包括功率級電路和控制驅動電路，該控制驅動電路根據該第一 控制電路輸出的第一控制信號、該缺相的正弦半波電壓信號和LED負載電流信號來控制功率級電路中的功率電晶體的開關動作，以驅動該LED負載。
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