TWI688307B - 用於ｌｅｄ照明的分段恒流控制系統和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了用於LED照明的分段恒流控制系統和方法。該分段恒流控制系統包括電晶體、LED電流感測電阻、電晶體的閘極電壓控制單元、和輸入電壓感測單元。電晶體的閘極、汲極和源極分別與閘極電壓控制單元的輸出端、LED以及LED電流感測電阻相耦接。輸入電壓感測單元基於所感測到的LED的輸入電壓的大小產生並輸出控制信號，用於控制選通預定參考電壓，使得當輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓。閘極電壓控制單元對LED電流感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸出控制電晶體的閘極電壓。從而對LED照明系統實現輸入電壓低時輸出電流大，輸入電壓高時輸出電流小的分段恒流控制，降低LED照明系統的損耗。

Description

用於LED照明的分段恒流控制系統和方法
本發明涉及發光二極體(Light Emitting Diode,LED)照明領域，更具體地涉及用於LED照明的分段恒流控制系統和方法。
線性恒流LED照明系統因結構簡單可靠、系統成本低的特點在LED照明領域有廣泛應用。第1圖示出了典型的線性恒流控制的LED照明系統，該系統主要包括橋式整流器BD101、放大器U101、電晶體M101、輸出電容C101、LED電流感測電阻R101等。該系統的工作過程如下：系統上電以後，市電VAC經過橋式整流器BD101整流後產生輸入電壓VIN；放大器U101在上電後控制電晶體M101的閘極電壓使電晶體M101處於導通狀態；當輸入電壓VIN高於LED的最小正嚮導通電壓時，電流通過LED經電晶體M101流入感測電阻R101，感測電阻R101上的感測電壓Vsense的大小對應於LED的電流大小；放大器U101通過偵測LED電流感測電阻R101上的感測電壓Vsense並將該感測電壓Vsense與參考電壓Vref進行誤差放大，來調節電晶體M101的閘極電壓，從而實現LED的恒流控制。
在該系統中，電晶體M101在進行恒流控制的過程中會產生較大的功率損耗，該功率損耗是影響系統效率的主要因素。電晶體M101上的功率損耗可以用下面的等式(1)來表示：PM101=(Vdrain-Vsense)*ILED (1)
其中，Vdrain是電晶體M101的汲極電壓，ILED是流經電晶體M101的LED電流，由於感測電壓Vsense具有基本固定的大小，所以損耗PM101主要受汲極電壓Vdrain的影響。
電晶體M101的汲極電壓Vdrain等於輸入電壓VIN和LED正嚮導通電壓VLED之差，如下面的等式(2)所示：Vdrain=VIN-VLED (2)
輸入電壓VIN是輸入交流電壓經橋式整流器BD101整流後的M形波信號，因而會在輸入電壓VIN對應的M形波的波峰附近產生較大的汲極電壓Vdrain。由此帶來的問題是在進行恒流控制的過程中電晶體M101上會產生較大的功率損耗，降低系統效率。
鑒於以上所述的問題，本發明提供了一種用於LED照明的分段恒流控制系統和方法。
根據本發明的一方面，提供了一種用於LED照明的分段恒流控制系統，包括：電晶體、LED電流感測電阻、所述電晶體的閘極電壓控制單元、以及輸入電壓感測單元。其中，電晶體的閘極、汲極和源極分別與閘極電壓控制單元的輸出端、LED以及LED電流感測電阻相耦接；輸入電壓感測單元被配置為感測LED的輸入電壓，並基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出控制信號，用於控制選通多個預定參考電壓中的一個預定參考電壓，使得當輸入電壓感測單元所感測到的輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓；並且閘極電壓控制單元被配置為對LED電流感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸出控制電晶體的閘極電壓。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於LED照明的分段恒流控制方法，其中LED的一端與經整流的輸入電壓耦接，且另一端與電晶體的汲極耦接，並且該電晶體的源極與LED電流感測電阻耦接。該方法包括：由輸入電壓感測單元感測LED的輸入電壓，並基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出控制信號，用於控制選通多個預定參考電壓中的一個預定參考電壓，使得當輸入電壓感測單元所感測到的輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓；並且由電晶體的閘極電壓控制單元對LED電流 感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸出控制電晶體的閘極電壓。
根據本發明的各個方面，通過對LED上的電流和LED照明系統的輸入電壓的感測，可以對LED照明系統實現輸入電壓低時輸出電流大，輸入電壓高時輸出電流小的分段恒流控制，降低整個LED照明系統的損耗，提高系統效率。
C302:取樣電容
VAC:市電
LED:發光二極體
VIN:輸入電壓
R302、R303:電阻
Vsense、VS:感測電壓
S301:取樣開關
VS_sample:電壓
SW、SW1~SWn:控制信號
Vdrain:汲極電壓
U204、U704、U804:參考電壓選通開關
Vth:閾值電壓
U504、U805、U904:放大器選通開關
VLED:LED正嚮導通電壓
OP:運算放大器
V301~V30n:電壓源
Vref、Vref_1~Vref_n:參考電壓
C602、C702、C802、C902:補償電容
CMP:第一放大器U701的輸出端
ILED:流經電晶體M101的LED電流
210、510、610、710、810、910:閘極電壓控制單元
1000、1100:用於LED照明的分段恒流控制方法
BD101、BD201、BD501、BD601、BD701、BD801、BD901:橋式整流器
C101、C201、C501、C601、C701、C801、C901:輸出電容
M101、M201、M501、M601、M701、M801、M901:電晶體
R101、R201、R501、R601、R701、R801、R901:LED電流感測電阻
R202、R203、R502、R503、R602、R603、R702、R703、R802、R803、R902、R903:線電壓感測電阻
S1010、S1020、S1110、S1120、S1130、S1140:步驟
U101、U201、U511~U51n、U601、U701、U705、U801、U811、U812、U901、U911~U91n:放大器
U202、U302、U311~U31n、U502、U602、U702、U802、U902:電壓比較器
U203、U303、U503、U603、U703、U803、U903:輸入電壓感測單元
從下面結合圖式對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：第1圖是典型的線性恒流控制的LED照明系統的示意圖；第2圖是根據本發明實施例的分段恒流控制的LED照明系統的示意圖；第3圖示出了用於如第2圖所示的分段恒流控制的LED照明系統中的輸入電壓感測單元的示意性電路圖；第4圖示出了如第2圖所示的LED照明系統在分段恒流控制模式下的輸入感測電壓VS和LED電流感測電阻上的感測電壓Vsense的示意性控制時序圖；第5圖是根據本發明的另一實施例的分段恒流控制的LED照明系統的示意圖；第6圖是根據本發明實施例的包括補償電容的分段恒流控制的LED照明系統的示意圖；第7圖示出了如第6圖所示的包括補償電容的分段恒流控制的LED照明系統的一種具體實現方式；第8圖示出了如第6圖所示的包括補償電容的分段恒流控制的LED照明系統的另一種具體實現方式；第9圖示出了如第6圖所示的包括補償電容的分段恒流控制的LED照明系統的又一種具體實現方式； 第10圖示出了根據本發明實施例的用於LED照明的分段恒流控制方法的示意性流程圖；以及第11圖示出了根據本發明的另一實施例的用於LED照明的分段恒流控制方法的示意性流程圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
第2圖是根據本發明實施例的分段恒流控制的LED照明系統的示意圖。相對於傳統的線性恒流LED照明系統(如第1圖所示)，第2圖的LED照明系統除了包括橋式整流器BD201、放大器U201、電晶體M201、輸出電容C201、LED電流感測電阻R201之外，還增加了電壓比較器U202、線電壓感測電阻R202和R203、輸入電壓感測單元U203、以及參考電壓選通開關U204。
在該LED照明系統中，可以將電晶體M201、LED電流感測電阻R201、放大器U201、參考電壓選通開關U204、提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端Vref_1到Vref_n、電壓比較器U202、線電壓感測電阻R202和R203、以及輸入電壓感測單元U203構成的系統稱為用於LED照明的分段恒流控制系統。在該分段恒流控制系統中，電晶體M201、LED電流感測電阻R201的功能與第1圖中所示的典型的線性恒流控制LED照明系統中的類似，因此這裡不再進行詳細描述。以下將詳細討論與輸入電壓感測和參考電壓選通相關的內容。
如前所述，LED的輸入電壓是經整流後的M形波信號，其即時電壓值會在0和峰值電壓之間變化。當該輸入電壓變得越大時，系統中的損耗就會越大。鑒於此問題，第2圖中的分段恒流控制系統包括輸入電壓感測單元U203和用於控制電晶體M201的閘極電壓控制單元210，其中閘極電壓控制單元210由放大器U201、參考電壓選通開關U204、提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端Vref_1到Vref_n構成。
利用上述分段恒流控制系統，第2圖中的LED照明系統的具體工作過程如下：系統上電以後，市電VAC經過橋式整流器BD201整流後產生輸入電壓VIN；放大器U201在上電後控制電晶體M201的閘極電壓使電晶體M201處於導通狀態；當輸入電壓VIN高於LED的最小正嚮導通電壓後，電流通過LED經電晶體M201流入LED電流感測電阻R201，LED電流感測電阻R201上的感測電壓對應於LED的電流大小；放大器U201通過偵測LED電流感測電阻R201上的感測電壓並將該感測電壓與由參考電壓選通開關U204選通的預定參考電壓Vref進行誤差放大，來調節電晶體M201的閘極電壓以實現對LED的恒流控制。
參考電壓選通開關U204的一端與不同的預定參考電壓Vref_1至Vref_n之一耦接，另一端耦接到放大器U201的輸入端。參考電壓選通開關U204的控制信號SW由輸入電壓感測單元U203產生。
輸入電壓感測單元U203被配置為感測LED的輸入電壓的即時電壓值，基於所感測到的即時電壓值的大小生成並輸出控制信號SW。該控制信號SW可以控制參考電壓選通開關U204來選通與放大器U201耦接的參考電壓端，使得當所感測到的輸入電壓越高時，提供越低的預定參考電壓的參考電壓端被選通以與放大器U201耦接，從而實現輸入電壓低時輸出電流大，輸入電壓高時輸出電流小的分段恒流控制。
第3圖示出了用於如第2圖所示的分段恒流控制的LED照明系統中的輸入電壓感測單元的一種示例性實現方式。輸入電壓感測單元U303可以在感測到LED開始有電流流過(即感測電壓Vsense大於預定 閾值電壓Vth時)之後將感測到的輸入電壓值與基準輸入電壓值進行比較，並基於輸入電壓值與基準輸入電壓值之間的差值大小產生並輸出相應的控制信號SW。
具體地，如第3圖中所示，輸入電壓感測單元U303可以包括取樣開關S301、取樣電容C302、多個電壓比較器U311至U31n、以及提供預設電壓值V301至V30n的多個電壓源V301至V30n。輸入電壓感測單元U303接收經電阻R302和R303分壓後的輸入感測電壓VS；同時電壓比較器U302感測如第2圖中所示的LED電流感測電阻R201上的感測電壓Vsense，並將該感測電壓與預定閾值電壓Vth進行比較。
當輸入電壓VIN較低時，LED未發生正嚮導通也沒有電流流過，對應第2圖的LED電流感測電阻R201上的感測電壓Vsense低於電壓比較器U302的預定閾值電壓Vth，此時取樣開關S301處於閉合狀態，取樣電容C302上的電壓VS_sample與感測電壓VS相同。當輸入電壓VIN逐漸升高至LED開始有電流流過且對應的LED電流感測電阻R201上的感測電壓Vsense高於預定閾值電壓Vth時，電壓比較器U301產生信號控制取樣開關S301斷開，使得取樣電容C302上保持當前的電壓VS_sample，該電壓VS_sample可以作為基準感測電壓VS。隨著輸入電壓VIN的進一步升高，經電阻分壓後的感測電壓VS將持續高於電壓VS_sample電壓值。這兩個電壓之間不同的差值將對應於第2圖中電晶體M201的不同的汲極電壓，電壓差值越大對應電晶體M201的汲極電壓越大，在電晶體M201上的電流恒定的情況下產生的損耗越大。
鑒於此，根據本發明實施例的輸入電壓感測單元U303被配置為根據感測電壓VS和基準感測電壓VS(例如電壓VS_sample)之間不同的差值(例如V301~V30n)產生相應的控制信號SW1~SWn來控制選通不同的預定參考電壓Vref_1~Vref_n。具體地，較小的電壓差值對應於產生用於選通較高的預定參考電壓Vref的控制信號，對應於得到較高的LED電流；較大的電壓差值對應於產生用於選通較低的預定參考電壓Vref的控 制信號，對應於得到較低的LED電流。這樣，在輸入電壓VIN的整個工頻M形波週期裡將形成以下分段恒流控制模式：一旦LED發生正嚮導通有電流流過時，輸入電壓VIN越低，對應的LED電流越高；而輸入電壓VIN越高，對應的LED電流越低。這種分段恒流控制模式使得在電晶體M201上產生的損耗較低，系統效率可以得到改善。
相應地，第4圖示出了在根據本發明實施例的上述分段恒流控制模式下的輸入感測電壓VS和對應第2圖中LED電流感測電阻R201上的感測電壓Vsense的示意性控制時序圖。如第4圖中所示，設置了感測電壓Vsense的多個參考電壓Vref_1~Vref_n，輸入感測電壓VS在不同的電壓值範圍內時，選通不同的參考電壓。
需要注意的是，這裡的控制信號SW1~SWn以及預定參考電壓Vref_1~Vref_n的數目選取不是唯一固定的，較多的控制分段會產生更為理想的效率優化控制，但也會帶來成本的上升。因此，可以根據具體需求對參考電壓Vref_1~Vref_n的數目和具體數值進行設置。
第5圖是根據本發明的另一實施例的分段恒流控制的LED照明系統的示意圖。與第2圖相比，第5圖中的分段恒流控制系統的主要工作過程是類似的，仍然是基於來自輸入電壓感測單元U503的控制信號SW來選通針對LED電流感測電阻R501上的感測電壓Vsense的不同的預定參考電壓Vref。與第2圖類似地，第5圖中的分段恒流控制系統包括橋式整流器BD501、電晶體M501、輸出電容C501、LED電流感測電阻R501、電壓比較器U502、線電壓感測電阻R502和R503、輸入電壓感測單元U503、以及參考電壓選通開關U504。與第2圖不同的是，輸入電壓感測單元U503輸出的控制信號SW用於控制放大器選通開關U504選通不同的放大器U511~U51n的輸出，來控制電晶體M501的閘極電壓。換言之，第5圖中的用於控制電晶體M501的閘極電壓控制單元510由耦接不同參考電壓Vref_1~Vref_n的多個放大器U511~U51n和放大器選通開關U504構成。由於不同的放大器U511~U51n耦接不同的參考電壓Vref_1~Vref_n， 所以選通連接不同的放大器實際上就相當於選通不同的參考電壓。因此，如第5圖所示的分段恒流控制系統同樣可以實現輸入電壓VIN越低，對應的LED電流越高，而輸入電壓VIN越高，對應的LED電流越低，從而實現效率優化的LED電流控制。
第6圖示出了根據本發明又一實施例的分段恒流控制的LED照明系統的示意圖。與前面的第2圖相比，第6圖中所示的分段恒流控制系統類似地包括橋式整流器BD601、放大器U601、電晶體M601、輸出電容C601、LED電流感測電阻R601、電壓比較器U602、線電壓感測電阻R602和R603、輸入電壓感測單元U603、以及閘極電壓控制單元610。此外，在第6圖的分段恒流控制系統中，還增加了補償電容C602，該補償電容C602的一端耦接到放大器U601的輸出端，另一端接地。該補償電容C602與放大器U601、電晶體M601以及LED電流感測電阻R601一起構成了電流控制環路。由於閉環控制使得LED上的電流盡可能地不隨輸入電壓和輸出電壓變化，所以可以得到相對穩定的LED平均電流。
在第6圖所示的分段恒流控制系統中，由R602、R603，比較器U602，輸入電壓感測單元U603組成的感測控制電路的具體結構和工作方式可以與第3圖相同。此外，輸入電壓感測單元U603輸出控制信號SW，來控制電晶體M601的閘極電壓控制單元610。該閘極電壓控制單元610的具體結構可以與第2圖中的閘極電壓控制單元210或第5圖中的閘極電壓控制單元510類似。因此，第6圖的分段恒流控制系統可以實現效率優化的閉環LED分段恒流控制。
第7圖示出了第6圖的分段恒流控制系統的一種具體的示例性實現方式。相對於第6圖所示出的分段恒流控制系統，第7圖所示的分段恒流控制系統類似地包括橋式整流器BD701、放大器U701、電晶體M701、輸出電容C701、LED電流感測電阻R701、補償電容C702、電壓比較器U702、線電壓感測電阻R702和R703、輸入電壓感測單元U703、以及閘極電壓控制單元710。並且，第7圖所示的分段恒流控制系統具體 使用與第2圖中的閘極電壓控制單元210類似的閘極電壓控制單元710。不同之處在於，在閘極電壓控制單元710中，由第一放大器U701的輸出端CMP作為閘極電壓控制單元710中的放大器U705的多個參考電壓端中的第一參考電壓端，該第一參考電壓端可以被配置為提供比其它參考電壓Vref_2~Vref_n更高的參考電壓Vref_1。除此之外，閘極電壓控制單元710的具體控制方式與第2圖中的閘極電壓控制單元210相同，即較高的輸入電壓VIN對應產生控制信號SW，來控制參考電壓選通開關U704選通較低的參考電壓Vref，從而產生較低的LED電流，降低系統損耗。
第8圖示出了第6圖的分段恒流控制系統的另一種具體的示例性實現方式。相對於第6圖所示出的分段恒流控制系統，第8圖所示的分段恒流控制系統類似地包括橋式整流器BD801、放大器U801、電晶體M801、輸出電容C801、LED電流感測電阻R801、補償電容C802、電壓比較器U802、線電壓感測電阻R802和R803、輸入電壓感測單元U803、以及閘極電壓控制單元810。並且，第8圖所示的分段恒流控制系統具體使用與第2圖中的閘極電壓控制單元210類似的閘極電壓控制單元810。不同之處在於，在閘極電壓控制單元810中，增加了一個放大器選通開關U805，用於選通由第一放大器U811或者第二放大器U812來控制電晶體M801。第一放大器U811的輸入端耦接第一參考電壓Vref_1，並且其輸出端耦接補償電容C802。第二放大器U812的輸入端耦接通過參考電壓選通開關U804選通的其它參考電壓Vref_2~Vref_n。這裡，第一參考電壓Vref_1可以是比其它參考電壓Vref_2~Vref_n更高的參考電壓。放大器選通開關U805的控制信號SW1可以按之前的第3圖中所示的方式生成，即對應於選通第一參考電壓Vref_1的控制信號SW1。類似地，第二放大器U812的控制信號SW2也可以按之前的第3圖中所示的方式生成，即對應於選通參考電壓Vref_2~Vref_n的控制信號SW2~SWn。除此之外，閘極電壓控制單元810的具體控制方式與第2圖中的閘極電壓控制單元210相同，即較高的輸入電壓VIN對應產生控制信號SW，來控制參考電壓選通開關 U804選通較低的參考電壓Vref，從而產生較低的LED電流，降低系統損耗。
第9圖示出了第6圖的分段恒流控制系統的又一種具體的示例性實現方式。相對於第6圖所示出的分段恒流控制系統，第9圖所示的分段恒流控制系統類似地包括橋式整流器BD901、放大器U901、電晶體M901、輸出電容C901、LED電流感測電阻R901、補償電容C902、電壓比較器U902、線電壓感測電阻R902和R903、輸入電壓感測單元U903、以及閘極電壓控制單元910。並且，第9圖所示的分段恒流控制系統具體使用與第5圖中的閘極電壓控制單元510類似的閘極電壓控制單元910，該閘極電壓控制單元910由耦接不同參考電壓Vref_1~Vref_n的多個放大器U911~U91n和放大器選通開關U904構成。不同之處僅在於，在閘極電壓控制單元910中，輸入端耦接第一參考電壓端的第一放大器U911的輸出端耦接有補償電容C902。這裡，該第一參考電壓端可以被配置為提供比其它參考電壓Vref_2~Vref_n更高的參考電壓Vref_1。除此之外，閘極電壓控制單元910的具體控制方式與第5圖中的閘極電壓控制單元510相同，即較高的輸入電壓VIN對應產生控制信號SW，控制放大器選通開關U904選通輸入端耦接較低參考電壓Vref的放大器來控制電晶體M901，從而產生較低的LED電流，降低系統損耗。
第10圖示出了根據本發明實施例的用於LED照明的分段恒流控制方法1000的示意性流程圖。該方法可以由之前所描述的根據本發明實施例的分段恒流控制系統來執行，並且可以包括步驟S1010和S1020。
在步驟S1010中，由輸入電壓感測單元感測LED的輸入電壓，並基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出控制信號，用於控制選通多個預定參考電壓中的一個預定參考電壓，使得當輸入電壓感測單元所感測到的輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓。
在步驟S1020中，由電晶體的閘極電壓控制單元對LED電流感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸 出控制電晶體的閘極電壓。
如前所述，根據本發明實施例的分段恒流控制系統中的電晶體的閘極電壓控制單元可以包括放大器、參考電壓選通開關、以及提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端。在這種系統組態下，根據本發明實施例的分段恒流控制方法可以包括：由參考電壓選通開關在來自輸入電壓感測單元的控制信號的控制下選通多個參考電壓端中的一個參考電壓端與閘極電壓控制單元中的放大器的輸入端相耦接。
相應地，在分段恒流控制系統中的電晶體的閘極電壓控制單元包括放大器選通開關、以及分別耦接到提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端的多個放大器的情況下，根據本發明實施例的分段恒流控制方法可以包括：由放大器選通開關在來自輸入電壓感測單元的控制信號的控制下選通多個放大器中的一個放大器與電晶體的閘極相耦接。
第11圖示出了根據本發明另一實施例的用於LED照明的分段恒流控制方法1100的示意性流程圖。該方法可以由之前所描述的根據本發明實施例的分段恒流控制系統來執行，並且可以包括步驟S1110、S1120、S1130和S1140。
在S1110中，將LED電流感測電阻上的感測電壓與預定閾值電壓進行比較。
在S1120中，由輸入電壓感測單元回應於LED電流感測電阻上的感測電壓變得高於預定閾值電壓，取樣並保持LED的輸入電壓作為基準輸入電壓。
在S1130中，由輸入電壓感測單元基於所感測到的輸入電壓與基準輸入電壓之間的差值產生控制信號，用於選通閘極電壓控制單元的預定參考電壓，使得所感測到的輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓。
在S1140中，由電晶體的閘極電壓控制單元對LED電流感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸出控 制電晶體的閘極電壓。
應注意的是，上述用於LED照明的分段恒流控制方法1000和1100中的各個步驟僅表示用於LED照明的分段恒流控制系統中的模組要執行的相應動作，這些步驟不需要按圖中所示的循序執行，也可以按照其他合適的循序執行或者並行地執行，並且可以根據實際情況進行刪減或合併。
利用根據本發明實施例的分段恒流控制系統和方法，通過對LED上的電流和LED照明系統的輸入電壓的感測，可以對LED照明系統實現輸入電壓低時輸出電流大，輸入電壓高時輸出電流小的分段恒流控制，降低整個LED照明系統的損耗，提高系統效率。
上文中提到了“一個實施例”、“另一實施例”、“又一實施例”，然而應理解，在各個實施例中提及的特徵並不一定只能應用於該實施例，而是可能用於其他實施例。一個實施例中的特徵可以應用於另一實施例，或者可以被包括在另一實施例中。
上文中提到了“第一”、“第二”….等序數詞。然而應理解這些表述僅僅是為了敘述和引用的方便，所限定的物件並不存在次序上的先後關係。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
LED:發光二極體
SW:控制信號
U204:參考電壓選通開關
OP:運算放大器
Vref_1~Vref_n:參考電壓
210:閘極電壓控制單元
BD201:橋式整流器
C201:輸出電容
M201:電晶體
VAC:市電
VIN:輸入電壓
Vsense、VS:感測電壓
R201:LED電流感測電阻
R202、R203:線電壓感測電阻
U201:放大器
U202:電壓比較器
U203:輸入電壓感測單元

Claims (17)

  1. 一種用於LED照明的分段恒流控制系統，包括：電晶體、LED電流感測電阻、所述電晶體的閘極電壓控制單元、以及輸入電壓感測單元，其特徵在於：所述電晶體的閘極、汲極和源極分別與所述閘極電壓控制單元的輸出端、所述LED以及所述LED電流感測電阻相耦接；所述輸入電壓感測單元被配置為感測所述LED的輸入電壓，並基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出控制信號，用於控制選通多個預定參考電壓中的一個預定參考電壓，使得當所述輸入電壓感測單元所感測到的輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓；並且所述閘極電壓控制單元被配置為對所述LED電流感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸出控制所述電晶體的閘極電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的分段恒流控制系統，其中所述閘極電壓控制單元包括放大器、參考電壓選通開關、以及提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端，所述參考電壓選通開關在所述控制信號的控制下選通所述多個參考電壓端中的一個參考電壓端與所述放大器的輸入端相耦接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的分段恒流控制系統，其中所述閘極電壓控制單元包括放大器選通開關、以及分別耦接到提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端的多個放大器，所述放大器選通開關在所述控制信號的控制下選通所述多個放大器中的一個放大器與所述電晶體的閘極相耦接。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的分段恒流控制系統，還包括：電壓比較器，用於將所述LED電流感測電阻上的感測電壓與預定閾值電壓進行比較，其中：所述輸入電壓感測單元被配置為回應於所述LED電流感測電阻上的感測電壓變得高於所述預定閾值電壓，來感測所述LED的輸入電壓，並且基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出用於選通所述閘極電壓控制單元 的預定參考電壓的控制信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的分段恒流控制系統，其中所述輸入電壓感測單元被配置為取樣並保持所述LED電流感測電阻上的感測電壓變得高於所述預定閾值電壓時所述LED的輸入電壓作為基準輸入電壓，並基於所述LED的輸入電壓與所述基準輸入電壓之間的差值產生用於選通所述閘極電壓控制單元的預定參考電壓的控制信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的分段恒流控制系統，其中所述輸入電壓感測單元包括取樣開關、取樣電容、以及多個電壓比較器，其中：所述取樣開關的一端與所述輸入電壓耦接並且另一端與所述多個電壓比較器的參考電壓端耦接，所述取樣開關被配置為在所述LED電流感測電阻上的感測電壓低於所述預定閾值電壓時閉合並且在所述LED電流感測電阻上的感測電壓變得高於所述預定閾值電壓時斷開；所述取樣電容與所述取樣開關的另一端相耦接，以在所述取樣開關斷開時保持所取樣的輸入電壓作為所述基準輸入電壓；並且所述多個電壓比較器被配置為分別將所述輸入電壓與所述基準輸入電壓進行比較，並基於所述輸入電壓與所述基準輸入電壓之間的不同差值產生並輸出不同的控制信號以用於選通所述閘極電壓控制單元的預定參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的分段恒流控制系統，其中所述輸入電壓感測單元被配置為通過感測所述輸入電壓經電阻分壓後的電壓來感測所述輸入電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的分段恒流控制系統，還包括第一放大器和補償電容，其中：所述第一放大器的兩個輸入端分別與第一預定參考電壓和所述LED電流感測電阻上的感測電壓相耦接；所述第一放大器的輸出端與所述閘極電壓控制單元的輸入端相耦接；並且 所述補償電容的一端與所述第一放大器的輸出端相耦接，且另一端接地。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的分段恒流控制系統，還包括第一放大器和補償電容，其中：所述第一放大器的兩個輸入端分別與第一預定參考電壓和所述LED電流感測電阻上的感測電壓相耦接；所述補償電容的一端與所述第一放大器的輸出端相耦接，且另一端接地；並且所述第一放大器的輸出端被配置為所述閘極電壓控制單元的多個參考電壓端中的第一參考電壓端。
  10. 如申請專利範圍第2項所述的分段恒流控制系統，還包括第一放大器、放大器選通開關和補償電容，其中：所述第一放大器的兩個輸入端分別與第一預定參考電壓和所述LED電流感測電阻上的感測電壓相耦接；所述補償電容的一端與所述第一放大器的輸出端相耦接，且另一端接地；所述放大器選通開關被配置為在所述控制信號的控制下選擇將所述第一放大器的輸出端或者所述閘極電壓控制單元中的放大器的輸出端耦接到所述電晶體的閘極。
  11. 如申請專利範圍第3項所述的分段恒流控制系統，還包括補償電容，其中所述補償電容的一端與所述多個放大器中的與第一預定參考電壓耦接的第一放大器的輸出端相耦接，且另一端接地。
  12. 如申請專利範圍第8項至第11項中任一項所述的分段恒流控制系統，其中所述第一預定參考電壓是所述多個預定參考電壓中具有最大電壓值的預定參考電壓。
  13. 一種用於LED照明的分段恒流控制方法，其特徵在於，所述LED的一端與經整流的輸入電壓耦接，且另一端與電晶體的汲極耦接，並且所 述電晶體的源極與LED電流感測電阻耦接，所述方法包括：由輸入電壓感測單元感測所述LED的輸入電壓，並基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出控制信號，用於控制選通多個預定參考電壓中的一個預定參考電壓，使得當所述輸入電壓感測單元所感測到的輸入電壓越高時，選通越低的預定參考電壓；並且由所述電晶體的閘極電壓控制單元對所述LED電流感測電阻上的感測電壓與所選通的預定參考電壓進行誤差放大，以輸出控制所述電晶體的閘極電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的分段恒流控制方法，其中所述閘極電壓控制單元包括放大器、參考電壓選通開關、以及提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端，所述方法還包括：由所述參考電壓選通開關在所述控制信號的控制下選通所述多個參考電壓端中的一個參考電壓端與所述放大器的輸入端相耦接。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的分段恒流控制方法，其中所述閘極電壓控制單元包括放大器選通開關、以及分別耦接到提供不同的預定參考電壓的多個參考電壓端的多個放大器，所述方法還包括：由所述放大器選通開關在所述控制信號的控制下選通所述多個放大器中的一個放大器與所述電晶體的閘極相耦接。
  16. 如申請專利範圍第13項至第15項中任一項所述的分段恒流控制方法，還包括：將所述LED電流感測電阻上的感測電壓與預定閾值電壓進行比較；並且由所述輸入電壓感測單元回應於所述LED電流感測電阻上的感測電壓變得高於所述預定閾值電壓，來感測所述LED的輸入電壓，並且基於所感測到的輸入電壓的大小產生並輸出用於選通所述閘極電壓控制單元的預定參考電壓的控制信號。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的分段恒流控制方法，還包括： 由所述輸入電壓感測單元取樣並保持所述LED電流感測電阻上的感測電壓變得高於所述預定閾值電壓時所述LED的輸入電壓作為基準輸入電壓，並基於所感測到的輸入電壓與所述基準輸入電壓之間的差值產生用於選通所述閘極電壓控制單元的預定參考電壓的控制信號。
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