TWM464965U - 一種高功率因數、高電流精度的發光二極體驅動電路 - Google Patents

一種高功率因數、高電流精度的發光二極體驅動電路 Download PDF

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Wei Ding
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Description

一種高功率因數、高電流精度的發光二極體驅動電路
本創作技術涉及一種反激開關電源發光二極體(Light Emitting Diode,LED)驅動電路,具備高功率因數、高電流精度、低系統成本等特點,並能符合各種安規標準。
目前LED技術已趨成熟,由於其具有發光效率高、使用壽命長等特點,在照明領域上取代傳統的白熾燈已刻不容緩。但在現有的燈杯、燈管等小功率LED用開關電源方案中,普遍存在功率因數低、電流精度低、印刷板尺寸大等缺點。低功率因數導致電網中諧波能量大、能源利用率低、傳輸損耗大等問題,加重了電網負擔;另一方面,電流精度低會影響LED的使用壽命。
為了解決上述問題而做出了本創作。
根據本創作的一實施例,提供了一種LED驅動電路,包括:一整流和電磁干擾濾波電路,在一輸入端處接收一交流輸入信號,對該交流輸入信號進行整流和電磁干擾濾波,並在一輸出端處輸出一產生的信號;一反激開關電路,包括一反激變壓器、一電力開關和一原邊電流取樣電阻,其中該反激變壓器包括一初級繞組、一次級繞組和一輔助繞組,該初級繞組的一第一端連接到該電力開關的一第一端,該初級繞組的一第二端連接到該整流和電磁干擾濾波電路的該輸出端,該電力開關的一第二端連接到該原邊電流取樣電阻的一第一端,該原邊電流取樣電阻的一第二端連接到地;一輸出濾波電路,該輸出濾波電路接收該次級繞組的一輸出信號,並對該輸出信號執行整流和濾波,以輸出用於驅動一個或多個發光二極體燈的一發光二極體驅動信號;一控制電路,該控制電路具有與該整流 和電磁干擾濾波電路的該輸出端相連的一供電輸入端、與該輔助繞組的一第一端相連的一電壓回饋端、與該電力開關的該第二端相連的一電流回饋端以及一控制輸出端;一吸收電路,該吸收電路具有與該初級繞組的該第二端相連的一第一端以及與該初級繞組的該第一端相連的一第二端;以及一開關驅動電路,該開關驅動電路具有與該控制電路的該控制輸出端相連的一輸入端以及與該電力開關的一控制端相連的一輸出端,其中該開關驅動電路將從該控制電路的該控制輸出端輸出的一控制信號轉換成用於實現該電力開關的接通和關斷的一開關驅動信號。
根據本創作的LED驅動電路解決了前述技術問題,並且具有高功率因數、高電流精度、低系統成本等優點。
1‧‧‧整流和電磁干擾濾波電路
2‧‧‧反激開關電路
3‧‧‧輸出濾波電路
4‧‧‧控制電路
5‧‧‧吸收電路
6‧‧‧開關驅動電路
BD1‧‧‧整流橋
C1‧‧‧第一濾波電容
C2‧‧‧第二濾波電容
L2‧‧‧第二濾波電感
MOV‧‧‧壓敏電阻
Na ‧‧‧輔助繞組
Np ‧‧‧初級繞組
Ns ‧‧‧次級繞組
Q1‧‧‧開關MOSFET
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧原邊電流取樣電阻
C3‧‧‧第三濾波電容
C4‧‧‧第四電容
C5‧‧‧第五電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
FUSE‧‧‧保險絲
L1‧‧‧第一濾波電感
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
R7‧‧‧第七電阻
R8‧‧‧第八電阻
R9‧‧‧第九電阻
T1‧‧‧反激變壓器
第1圖示出了根據本創作實施例LED驅動電路的結構。
第2圖示出了根據本創作實施例LED驅動電路中吸收電路的多種接法。
第3圖示出了根據本創作實施例LED驅動電路中開關驅動電路的多種接法。
下面將詳細描述本創作各個方面的特徵和示例性實施例。下面的描述給出了許多具體細節,以便提供對本創作的全面理解。然而,對於本領域技術人員來說顯而易見的是,本創作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創作的示例來提供對本創作更清楚的理解。本創作絕不限於下面所提出的任何具體配置,而是在不脫離本創作的精神的前提下涵蓋了相關元素或部件的任何修改、替換和改進。
本創作的LED驅動電路是基於常見的反激開關電源電路開發的,如第1圖所示,該LED驅動電路包括整流和電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)濾波電路1、反激開關電路2、輸出濾波電路3、控制電路4、吸收電路5和開關驅動電路6。
整流和EMI濾波電路1包括:保險絲FUSE;壓敏電阻MOV;第一濾波電感L1和第二濾波電感L2;第一電阻R1和第二電阻R2;整流橋BD1;以及第一濾波電容C1和第二濾波電容C2。整流和EMI濾波電路1在輸入端處接收交流輸入信號,該交流輸入信號例如是常見的220V交流信號等等。如第1圖所示,整流和EMI濾波電路1的兩個輸入端分別接收L(火線)信號和N(中性線,又稱零線)信號。整流和EMI濾波電路1對接收到的交流輸入信號進行整流和EMI濾波,並在其輸出端(A點)處輸出產生的信號,即輸出到反激開關電路2。
具體地,保險絲FUSE的第一端連接到整流和EMI濾波電路1的第一輸入端,保險絲FUSE的第二端連接到壓敏電阻MOV的第一端;第一電阻R1和第一濾波電感L1的第一端連接到整流和EMI濾波電路1的第二輸入端,第一電阻R1和第一濾波電感L1的第二端連接到MOV壓敏電阻的第二端;整流橋BD1包括四個二極體,其中的第一二極體的負極和第二二極體的正極連接到壓敏電阻MOV的第一端,第二二極體和第三二極體的負極連接到第一濾波電容C1、第二濾波電感L2和第二電阻R2的第一端,第三二極體的正極和第四二極體的負極連接到壓敏電阻MOV的第二端,第一二極體的正極和第四二極體的正極連接到第一濾波電容C1和第二濾波電容C2的第二端;並且第二濾波電感L2和第二電阻R2的第二端以及第二濾波電容C2的第一端連接到整流和EMI濾波電路1的輸出端,第一濾波電容C1和第二濾波電容C2的第二端連接到地。
反激開關電路2包括反激變壓器T1、開關金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)Q1和原邊電流取樣電阻R3。反激變壓器T1包括初級繞組(也稱為輸入繞組)Np 、次級繞組(也稱為輸出繞組)Ns 和輔助繞組Na ,其中初級繞組Np 與次級繞組Ns 、輔助繞組Na 的極性相反。如圖所示,初級繞組Np 的第一端(B點)連接到開關MOSFET Q1的汲極,初級繞組Np 的第二端連接到整流和EMI濾波電路1的輸出端(A點);次級繞組Ns 的第一端連接到輸出濾波電路3的第一輸入端(即二極體D1的正極),次級繞組Ns 的第二端連接到輸出濾波電路3的第二輸入端(在本實施例中連接到 地);輔助繞組Na 的第一端連接到控制電路4的電壓回饋端(即第八電阻R8的第一端和第二二極體D2的正極),輔助繞組Na 的第二端連接到地。
在本實施例中,使用MOSFET(開關MOSFET Q1)作為電力開關,然而本領域技術人員將會認識到,也可以採用任何其他類型的電力開關,例如二極體或者其他能夠根據控制信號而接通或關斷的開關。該電力開關的第一端(在本實施例中為開關MOSFET Q1的汲極)連接到初級繞組Np 的第一端,該電力開關的第二端(在本實施例中為開關MOSFET Q1的源極)連接到原邊電流取樣電阻R3的第一端,並且該電力開關的控制端(在本實施例中為開關MOSFET Q1的閘極)連接到開關驅動電路6的輸出端(D點)。原邊電流取樣電阻R3的第二端連接到地。
電力開關根據來自開關驅動電路的開關驅動信號而接通或關斷,使得在電力開關中存在或者不存在原邊電流,由此調節反激變壓器T1的輸出。具體地,當開關驅動電路6的輸出端D處的電壓使得作為電力開關的開關MOSFET Q1接通時,初級繞組Np 、開關MOSFET Q1和原邊電流取樣電阻R3形成通路,使得原邊電流流過初級繞組Np 、開關MOSFET Q1和原邊電流取樣電阻R3,而當開關驅動電路6的輸出端D處的電壓使得作為電力開關的開關MOSFET Q1關斷時,沒有電流流過開關MOSFET Q1和原邊電流取樣電阻R3。當作為電力開關的開關MOSFET Q1接通時,輔助繞組Na 可以反映出輸入電壓,而當作為電力開關的開關MOSFET Q1關斷時,輔助繞組Na 可以反映出輸出電壓。輔助繞組Na 的電壓取決於其與初級繞組Np 和次級繞組Ns 的匝數比。
輸出濾波電路3接收次級繞組Ns的輸出信號,並對該輸出信號執行整流和濾波,以輸出用於驅動一個或多個LED燈的LED驅動信號。輸出濾波電路3包括輸出整流二極體(第一二極體D1)和濾波電容(第三濾波電容C3)兩個主要部分,針對不同的輸出紋波要求,輸出濾波電路可以增加p型濾波電路或者共模濾波電路。具體地,輸出濾波電路3包括第一二極體D1和第三濾波電容C3,第一二極體D1的正極連接到次級繞組Ns 的第一端,第一二極體D1的負極和第三濾波電容C3的第一端連接在一起作為輸出濾波電路3的第一輸出端,第三濾波電容C3的第二端和次級繞組 Ns 的第二端連接在一起作為輸出濾波電路3的第二輸出端。
如第1圖所示,輸出濾波電路3的兩個輸入端分別連接到次級繞組Ns 的第一端和第二端,並且輸出濾波電路3的兩個輸出端連接到一個或多個LED燈(例如LED燈串)。在本實施例中,次級繞組Ns 的第二端、輸出濾波電路3和LED燈串的一端連接到地。換言之,在這種情況下,輸出濾波電路3接收反激開關電路2的輸出信號並對該輸出信號執行整流和濾波,並且輸出用於驅動一個或多個LED燈的LED驅動信號。這一個或多個LED燈利用該LED驅動信號而工作。
控制電路4具有與整流和EMI濾波電路1的輸出端相連的供電輸入端、與輔助繞組Na 的第一端相連的電壓回饋端、與開關MOSFET Q1的第二端相連的電流回饋端以及控制輸出端。如第1圖所示,控制電路4是由電流模式脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)晶片為主的控制元件構成的,該PWM控制晶片可為例如是六接腳的晶片。控制電路4還包括第四電阻R4至第九電阻R9、第四電容C4和第五電容C5以及第二二極體D2。PWM控制晶片的六個接腳包括:
(1)FB接腳,即電壓回饋輸入接腳,其通過第八電阻R8以及第九電阻R9分壓網路檢測輸出電壓映射到原邊的電壓。具體地,FB接腳連接到第八電阻R8以及第九電阻R9的連接節點(第八電阻R8的第二端和第九電阻R9的第一端),第八電阻R8的另一端(第一端)連接到輔助繞組Na 的第一端,第九電阻R9的另一端(第二端)連接到地。這樣,變壓器T1的輸出電壓反映到輔助繞組Na 上的電壓通過第八電阻R8以及第九電阻R9的分壓網路輸入到FB接腳,作為電壓回饋信號。
(2)CMP接腳,即迴路補償接腳,其通過第四電容C4連接到地。具體地,CMP接腳連接到第四電容C4的第一端,第四電容C4的第二端連接到地。
(3)VDD接腳,即晶片供電輸入接腳,其通過第五電容C5連接到地,通過第二二極體D2連接到反激開關電路2中的反激變壓器T1的輔助繞組Na 的第一端,並且還通過第五電阻R5和第四電阻R4連接到整流和EMI濾波電路1的輸出端,即第二電容C2的正端。具體地,VDD 接腳連接到第五電容C5的第一端、第二二極體D2的負極和第五電阻R5的第二端,第五電容C5的第二端連接到地,第二二極體D2的正極連接到第八電阻R8的第一端,第五電阻R5的第一端連接到第四電阻R4的第二端,第四電阻R4的第一端連接到控制電路4的供電輸入端。
(4)GND接腳,即晶片基準地,其連接到地。
(5)GATE接腳,即晶片驅動接腳,其連接到開關驅動電路6,用以驅動反激開關電路2中的MOSFET Q1的閘極。換言之,GATE接腳連接到控制電路4的控制輸出端。
(6)CS接腳,即原邊電流採樣輸入接腳,其通過第七電阻R7連接至反激開關電路2中開關MOSFET Q1的源極,並且還通過第六電阻R6連接到第四電阻R4以及第五電阻R5的連接節點(第四電阻R4的第二端和第五電阻R5的第一端)。具體地,CS接腳連接到第六電阻R6的第一端和第七電阻R7的第一端,第六電阻R6的第二端連接到第四電阻R4的第二端和第五電阻R5的第一端,第七電阻R7的第二端連接到控制電路4的電流回饋端,即開關MOSFET Q1的第二端(開關MOSFET Q1的源極)。
吸收電路5具有與初級繞組Np 的第二端相連的第一端(A點)以及與初級繞組Np 的第一端相連的第二端(B點)。
開關驅動電路6具有與控制電路4的控制輸出端相連的輸入端以及與開關MOSFET Q1的控制端相連的輸出端。開關驅動電路6將從控制電路4的控制輸出端輸出的控制信號轉換成用於實現開關MOSFET Q1的接通和關斷的開關驅動信號。
吸收電路5在電路中連接在A、B兩點之間,開關驅動電路6在電路中連接在C、D兩點之間,分別可以接成如第2圖、第3圖的接法,並且根據不同的系統要求,可以變化。
吸收電路5在A、B兩點之間可以有多種接法,第2圖示出了7種接法,當然也可以採用其他接法。第2圖最左方示出了瞬態抑制二極體(Transient Voltage Suppressor,TVS)的符號表示,這樣,第2圖所示的吸收電路5的接法如下(以下說明均從A點開始):(1)將電容和電阻並聯,然後串聯反向二極體(即,電容和電阻的一端連接到二極體的負極); (2)正向TVS和反向二極體的串聯;(3)將正向TVS、電阻和電容並聯,然後串聯反向二極體;(4)將正向TVS和電阻並聯,然後串聯反向二極體;(5)將正向TVS和電容並聯,然後串聯反向二極體;(6)將電阻和電容並聯,然後串聯電阻和反向二極體;以及(7)將電阻和電容並聯,然後串聯反向二極體和電阻。
開關驅動電路6在C、D兩點之間可以有多種接法,第3圖示出了4種接法,當然也可以採用其他接法。第3圖所示的開關驅動電路6的接法如下(以下說明均從C點開始):(1)單獨的電阻;(2)將反向二極體和電阻串聯,然後在二者上並聯電阻;(3)將電阻和反向二極體串聯,然後在二者上並聯電阻;以及(4)將反向二極體和電阻並聯。
以上已經參考本創作的具體實施例描述了本創作,但是本領域技術人員將會瞭解到,可以對這些具體實施例進行各種修改、組合和變更,而不會脫離由所附申請專利範圍或其等同物限定的本創作的精神和範圍。此外,附圖中的任何符號應當被認為僅是示例性的,而不是限制性的,除非另有具體指示。例如,各個基準地可以處於相同電位,或者根據具體情況而採用不同電位。在閱讀了本創作之後,本領域技術人員所認識到的對電路結構的替換和修改均包括在本創作的範圍內。
1‧‧‧整流和電磁干擾濾波電路
2‧‧‧反激開關電路
3‧‧‧輸出濾波電路
4‧‧‧控制電路
5‧‧‧吸收電路
6‧‧‧開關驅動電路
BD1‧‧‧整流橋
C1‧‧‧第一濾波電容
C2‧‧‧第二濾波電容
C3‧‧‧第三濾波電容
C4‧‧‧第四電容
C5‧‧‧第五電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
FUSE‧‧‧保險絲
L1‧‧‧第一濾波電感
L2‧‧‧第二濾波電感
MOV‧‧‧壓敏電阻
Na ‧‧‧輔助繞組
Np ‧‧‧初級繞組
Ns ‧‧‧次級繞組
Q1‧‧‧開關MOSFET
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧原邊電流取樣電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
R7‧‧‧第七電阻
R8‧‧‧第八電阻
R9‧‧‧第九電阻
T1‧‧‧反激變壓器

Claims (9)

  1. 一種發光二極體驅動電路,包括:一整流和電磁干擾濾波電路,在一輸入端處接收一交流輸入信號,對該交流輸入信號進行整流和電磁干擾濾波,並在一輸出端處輸出一產生的信號;一反激開關電路,包括一反激變壓器、一電力開關和一原邊電流取樣電阻,其中該反激變壓器包括一初級繞組、一具有第一端及第二端之次級繞組和一輔助繞組,該初級繞組的一第一端連接到該電力開關的一第一端,該初級繞組的一第二端連接到該整流和電磁干擾濾波電路的該輸出端,該電力開關的一第二端連接到該原邊電流取樣電阻的一第一端,該原邊電流取樣電阻的一第二端連接到地;一輸出濾波電路,該輸出濾波電路接收該次級繞組的一輸出信號,並對該輸出信號執行整流和濾波,以輸出用於驅動一個或多個發光二極體燈的一發光二極體驅動信號;一控制電路,該控制電路具有與該整流和電磁干擾濾波電路的該輸出端相連的一供電輸入端、與該輔助繞組的一第一端相連的一電壓回饋端、與該電力開關的該第二端相連的一電流回饋端以及一控制輸出端;一吸收電路,該吸收電路具有與該初級繞組的該第二端相連的一第一端以及與該初級繞組的該第一端相連的一第二端;以及一開關驅動電路,該開關驅動電路具有與該控制電路的該控制輸出端相連的一輸入端以及與該電力開關的一控制端相連的一輸出端,其中該開關驅動電路將從該控制電路的該控制輸出端輸出的一控制信號轉換成用於實現該電力開關的接通和關斷的一開關驅動信號。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動電路,其中該電力開關是一金屬氧化物半導體場效應電晶體,並且該電力開關的該第一端、該第二端和該控制端分別是該金屬氧化物半導體場效應電晶體的汲極、源極和閘極。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動電路,其中該整流和電磁干擾濾波電路包括一保險絲、一壓敏電阻、一第一濾波電感和一第二濾波電感、一第一電阻和一第二電阻、一整流橋以及一第一濾波電容和一第 二濾波電容,其中該保險絲的一第一端連接到該整流和電磁干擾濾波電路的一第一輸入端,該保險絲的一第二端連接到該壓敏電阻的一第一端;該第一電阻和該第一濾波電感的一第一端連接到該整流和電磁干擾濾波電路的一第二輸入端,該第一電阻和該第一濾波電感的一第二端連接到該壓敏電阻的一第二端;該整流橋包括四個二極體,其中的一第一二極體的一負極和一第二二極體的一正極連接到該壓敏電阻的該第一端,一第二二極體和一第三二極體的一負極連接到該第一濾波電容、該第二濾波電感和該第二電阻的一第一端,一第三二極體的一正極和一第四二極體的一負極連接到該壓敏電阻的該第二端,該第一二極體的一正極和該第四二極體的一正極連接到該第一濾波電容和該第二濾波電容的一第二端;並且該第二濾波電感和該第二電阻的一第二端以及該第二濾波電容的一第一端連接到該整流和電磁干擾濾波電路的該輸出端,該第一濾波電容和該第二濾波電容的該第二端連接到地。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動電路,其中,該輸出濾波電路包括一第一二極體和一第三電容,該第一二極體的一正極連接到該次級繞組的該第一端,該第一二極體的一負極和該第三電容的一第一端連接在一起作為該輸出濾波電路的一第一輸出端,該第三電容的一第二端和該次級繞組的一第二端連接在一起作為該輸出濾波電路的一第二輸出端。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動電路,其中,該控制電路包括:一六接腳的脈寬調製控制晶片;一第四電阻、一第五電阻、一第六電阻、一第七電阻、一第八電阻以及一第九電阻;一第四電容和一具有第一端及第二端之第五電容;以及一第二二極體。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述的發光二極體驅動電路,其中該脈寬調製控制晶片包括:(1)一FB接腳,即電壓回饋輸入接腳;(2)一CMP接腳,即迴路補償接腳;(3)一VDD接腳,即晶片供電輸入接腳;(4)一GND接腳,即晶片基準地;(5)一GATE接腳,即晶片驅動接腳;和(6)一CS接腳,即原邊電流採樣輸入接腳。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述的發光二極體驅動電路,其中: 該FB接腳連接到該第八電阻的一第二端和該第九電阻的一第一端,該第八電阻的一第一端連接到該輔助繞組的該第一端,該第九電阻的一第二端連接到地;該CMP接腳連接到該第四電容的一第一端,該第四電容的一第二端連接到地;該VDD接腳連接到該第五電容的一第一端、該第二二極體的一負極和該第五電阻的一第二端,該第五電容的該第二端連接到地,該第二二極體的一正極連接到該第八電阻的該第一端,該第五電阻的一第一端連接到該第四電阻的一第二端,該第四電阻的一第一端連接到該控制電路的該供電輸入端;該GND接腳連接到地;該GATE接腳連接到該控制電路的該控制輸出端;該GS接腳連接到該第六電阻的一第一端和該第七電阻的一第一端,該第六電阻的一第二端連接到該第四電阻的一第二端和該第五電阻的該第一端,該第七電阻的一第二端連接到該控制電路的該電流回饋端。
  8. 依據申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的發光二極體驅動電路,其中,該吸收電路在其該第一端與該第二端之間包括以下接法之一:(1)將一電容和一電阻並聯,然後串聯一反向二極體;(2)一正向瞬態抑制二極體和一反向二極體的串聯;(3)將一正向瞬態抑制二極體、一電阻和一電容並聯,然後串聯一反向二極體;(4)將一正向瞬態抑制二極體和一電阻並聯,然後串聯一反向二極體;(5)將一正向瞬態抑制二極體和一電容並聯,然後串聯一反向二極體;(6)將一電阻和一電容並聯,然後串聯一電阻和一反向二極體;以及(7)將一電阻和一電容並聯,然後串聯一反向二極體和一電阻。
  9. 依據申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的發光二極體驅動電路,其中,該開關驅動電路在其輸入端與輸出端之間包括以下接法之一:(1)一單獨的電阻;(2)將一反向二極體和一電阻串聯,然後在兩者上並聯一電阻;(3)將一電阻和一反向二極體串聯,然後在兩者上並聯一電阻;以及(4)將一反向二極體和一電阻並聯。
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