一種分段線性恒流LED驅動電路的制作方法

本發明屬于LED驅動電源技術，尤其涉及一種分段線性恒流LED驅動電路。

背景技術：

21世紀，LED作為一種固態光源，是典型的綠色照明光源，具有壽命長，光效高，低功耗等特點。在LED照明技術當中，電源的驅動至關重要，它涉及到了LED整燈的使用壽命以及各項電氣性能。至今，LED驅動電源大致發展為開關電源和線性電源，開關電源具有效率高、功耗小的優點，但由于電路結構的原因，電路具有較嚴重的干擾，這些開關干擾可能會串入到電網進而干擾到附近工作的電器設備，影響其他電器的正常工作。而線性電源幾乎沒有電磁干擾問題，輸出電流電壓紋波小，在工程應用質量要求較高的場合，線性電源有著明顯的優勢。LED是一種電流型器件，其對恒定電流的要求高，故LED驅動一般為恒流驅動電源。LED光源的使用壽命一般為30000-50000h，故要求驅動電源的使用壽命高于LED光源的使用壽命，才能保證LED整燈的使用壽命。但由于電路中使用了電解電容，易受工作溫度的影響，發生電解液揮發、泄漏，電容容量下降等問題導致電容老化，使用壽命大大降低，影響了驅動電源的使用壽命，進而降低LED整燈的使用壽命，因此驅動電源的性能是影響LED照明發展的重要因素。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題：提供一種分段線性恒流LED驅動電路，以解決現有技術的LED驅動電路使用了電解電容，易受工作溫度的影響，發生電解液揮發、泄漏，電容容量下降等問題導致電容老化，使用壽命大大降低，影響了驅動電源的使用壽命，進而降低LED整燈的使用壽命等技術問題。

本發明技術方案：

一種分段線性恒流LED驅動電路，它包括：

整流橋：對220V/50Hz的正弦電壓波形進行全波整流，與高壓穩壓降壓電路和LED燈串連接；

高壓穩壓降壓電路：利用高壓LDMOS管對RC電路充電，通過線性穩壓電路得到穩定輸出電壓，與輸出參考電壓電路連接；

輸出參考電壓電路：輸出參考電壓，與線性恒流電路連接；

線性恒流電路：利用集成的高壓功率管作為調整管，通過反饋信號控制調整管，實現恒流輸出。

它還包括保護電路，所述保護電路提供欠壓保護、過溫保護、過壓保護和過流保護。

所述整流橋為全波整流橋，將220V/50Hz的交流電轉換為0-311V的直流脈動高壓。

所述高壓穩壓降壓電路包括電阻R0，電阻R0為LDMOS0管提供柵端電壓，電阻R1和電容C0串聯接在LDMOS0管的源端，LDMOS0管的漏端接輸入電壓，電容C0兩端的電壓經電阻R2和齊納二極管Zener1進行穩壓，P型場效應管Mp1、Mp2、Mp4、Mp5和N型場效應管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4構成共源共柵結構，電阻R3、R4為共源共柵結構提供偏置，雙極型晶體管Q1,Q2基極相連接地， P型場效應管Mp3和Mp6構成電流鏡，鏡像電流經電阻R6和雙極型晶體管Q3得到基準電壓Vref1，誤差放大器OPA0的反相端接基準電壓Vref1，電阻R7、R8串聯形成反饋網絡，電阻R8上的反饋電壓連接到誤差放大器OPA0的同相端，誤差放大器OPA0輸出端接功率管Mp40的柵端。

輸出參考電壓電路包括P型場效應管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10，P型場效應管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10和N型場效應管Mn5、Mn6、Mn7、Mn8構成共源共柵結構，電阻R11、R12為共源共柵結構提供偏置，雙極型晶體管Q4,Q5基極相連接地，P型場效應管Mp11和P型場效應管Mp12構成電流鏡，鏡像電流流經電阻R10和晶體管Q6得到溫度一階補償的基準電壓，溫度一階補償的基準電壓經誤差放大器OPA5構成的單位增益緩沖器之后，得到基準電壓Vref2，電阻R13、R14、R15、R16、R17組成電阻分壓結構，可得到四路參考電壓，N型場效應管Mn13與電阻R13并聯，N型場效應管Mn13的柵端接電平轉換電路的輸出信號EN。

線性恒流電路包括LED燈串、LDMOS管、運放和外置采樣電阻，當輸入的外部電壓達到LED燈串的正向導通壓降時， LDMOS管和外置采樣電阻構成通路，并在采樣電阻上產生壓降，該電壓值作為反饋信號接到運放的反向端，運放的同向端接參考電壓電路中相應的一路參考電壓，運放輸出端接LDMOS管的柵端。

參考電壓電路至少包括四路參考電壓輸出，在輸出參考電壓電路使能端外接一個電平轉換電路，控制參考電壓輸出的電壓值，進而產生兩組輸出參考電壓，為線性恒流電路提供了兩組不同的參考電壓。

本發明的有益效果：

本發明的分段線性恒流LED驅動電路通過內部降壓方式，內部集成高壓功率管，將驅動電源集成在一塊芯片上，具有便于集成化、體積小、無需電解電容、去電源化、電磁干擾小等特點；該電路可直接應用于市電，交流輸入電壓范圍寬，且工作溫度范圍寬、保護電路完善；解決了現有技術的LED驅動電路使用了電解電容，易受工作溫度的影響，發生電解液揮發、泄漏，電容容量下降等問題導致電容老化，使用壽命大大降低，影響了驅動電源的使用壽命，進而降低LED整燈的使用壽命等技術問題。

附圖說明

圖1為本發明原理結構示意圖；

圖2、圖3是本發明實施例器件接線示意圖；

圖4為本發明實施例輸入電壓與輸出電流波形示意圖。

具體實施方式

一種分段線性恒流LED驅動電路，它包括（見圖1）：

整流橋：對220V/50Hz的正弦電壓波形進行全波整流，與高壓穩壓降壓電路和LED燈串連接；

高壓穩壓降壓電路：利用高壓LDMOS管對RC電路充電，通過線性穩壓電路得到穩定輸出電壓，與輸出參考電壓電路連接；

參考電壓電路為多值輸出參考電壓電路，至少包括四路參考電壓輸出，在輸出參考電壓電路使能端外接一個電平轉換電路，控制參考電壓輸出的電壓值，進而產生兩組輸出參考電壓，為線性恒流電路提供了兩組不同的參考電壓。

線性恒流電路：利用集成的高壓功率管作為調整管，通過反饋控制調整管，實現恒流輸出。

它還包括保護電路，所述保護電路提供欠壓保護、過溫保護、過壓保護和過流保護。

所述整流橋為全波整流橋，將220V/50Hz的交流電轉換為0-311V的直流脈動高壓。其中每一橋臂上二極管的反向耐壓在700V以上，正向電流容量在300mA以上。

所述高壓穩壓降壓電路包括LDMOS管和外置電容C，LDMOS管和外置電容C構成RC充電支路，并通過齊納二極管Zener1得到穩壓值供前置基準電壓源和線性穩壓器工作，前置基準電壓源產生電壓Vref1作為線性穩壓器的參考電壓，電容C兩端的電壓作為線性穩壓器的輸入電壓。

下面通過具體的實施例對本發明技術方案進行細化說明（見圖2，圖3）：

整流橋采用全波整流橋，它將220V/50Hz的交流電轉換為0-311V的直流脈動高壓；其中每一橋臂上二極管的反向耐壓要求在700V以上，正向電流容量在300mA以上。

高壓穩壓降壓電路2，電路采用的LDMOS管為耐高壓LDMOS0和外置的電容C0構成RC充電支路，并通過齊納二極管Zener1得到穩壓值供前置基準電壓源和線性穩壓器工作，前置基準電壓源產生基準電壓Vref1作為線性穩壓器的參考電壓，誤差放大器OPA0根據反饋電壓的變化調節功率管Mp40的柵壓，使得輸出電壓VDD穩定，設置合適的功率管Mp40參數，使得輸出電壓VDD具有一定的帶負載能力，并作為芯片的低壓模塊的工作電壓。

高壓穩壓降壓電路的具體結構為：電阻R0為LDMOS0管提供柵端電壓，電阻R1和電容C0串聯接在LDMOS0管的源端，LDMOS0管的漏端接輸入電壓，電容C0兩端的電壓經電阻R2和齊納二極管Zener1進行穩壓，P型場效應管Mp1、Mp2、Mp4、Mp5和N型場效應管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4構成共源共柵結構，電阻R3、R4為共源共柵結構提供偏置，雙極型晶體管Q1的發射結面積是雙極型晶體管Q2的8倍，雙極型晶體管Q1,Q2基極相連接地，電阻R5的阻值可以改變電路的基準電流，P型場效應管Mp3和Mp6構成電流鏡，鏡像電流經電阻R6和雙極型晶體管Q3可以得到溫度一階補償的基準電壓Vref1，誤差放大器OPA0的反相端接基準電壓Vref1，電阻R7、R8串聯形成反饋網絡，電阻R8上的反饋電壓連接到誤差放大器OPA0的同相端，誤差放大器OPA0輸出端接功率管Mp40的柵端（功率管Mp40的D-S耐壓40V），運放根據反饋電壓調整功率管Mp40的柵源電壓，使得功率管Mp40處于線性狀態，使得輸出電壓VDD穩定。

所述輸出參考電壓電路為多值輸出參考電壓電路，包括帶隙基準電壓源、緩沖器、電阻分壓網絡和使能端，輸出參考電壓電路的工作電壓為線性穩壓器的輸出電壓，帶隙基準電壓源輸出基準電壓，經緩沖器和電阻分壓網絡后得到四路輸出參電壓，在電阻分壓網絡中加入一使能端控制四路輸出參考電壓的電壓值，進而產生兩組四路輸出參考電壓。

本實施例中輸出參考電壓電路3，主要由基準電壓源、緩沖器和電阻分壓網絡三部分構成。基準電壓源利用具有相反的溫度系數電壓的權重以合適的比例相加得到具有零溫度系數的基準電壓，且受輸入電壓波動影響小，通過緩沖器可以得到基準電壓Vref2，經電阻按比例分壓后可得到多個參考電壓，緩沖器保證了參考電壓的特性跟基準電壓Vref2特性一樣。電阻分壓網絡加入一個開關管Mn13，可以根據使能信號EN控制開關管Mn13的導通與截止，從而改變電阻分壓網絡的比例，使得輸出參考電壓發生變化。使能信號有兩種狀態，故參考電壓會隨之輸出兩組不同電壓值。

具體電路結構：P型場效應管Mp7、Mp8、Mp9、Mp10和N型場效應管Mn5、Mn6、Mn7、Mn8構成共源共柵結構，電阻R11、R12為共源共柵結構提供偏置，雙極型晶體管Q4的發射結面積是雙極型晶體管Q5的8倍，雙極型晶體管Q4,Q5基極相連接地電阻R9的阻值可以改變電路的基準電流，P型場效應管Mp11和P型場效應管Mp12構成電流鏡，鏡像電流流經電阻R10和晶體管Q6可以得到溫度一階補償的基準電壓，該基準電壓經誤差放大器OPA5構成的單位增益緩沖器之后，得到基準電壓Vref2，電阻R13、R14、R15、R16、R17組成電阻分壓結構，可得到四路參考電壓，N型場效應管Mn13與R13并聯，N型場效應管Mn13的柵端接電平轉換電路的輸出信號EN。

所述線性恒流電路包括LED燈串、LDMOS管、運放和外置采樣電阻，當輸入的外部電壓達到LED燈串的正向導通壓降時， LDMOS管和外置采樣電阻構成通路，并在采樣電阻上產生壓降，該電壓值作為反饋信號接到運放的反向端，運放的同向端接參考電壓電路中對應的參考電壓，運放輸出端接LDMOS管的柵端。

本實施例中線性恒流電路4，主要由運放OPA1、高壓LDMOS1和采樣電阻Rsen構成。當輸入電壓未達到第一串LED燈N1的正向導通電壓值時，采樣電阻沒有電流流過，壓降為0，故運放OPA1輸出高電平，使得高壓LDMOS1的柵源電壓大于閾值電壓；當輸入電壓上升到第一串LED燈N1的正向壓降后，LDMOS1的漏源電流開始增加并流過采樣電阻，采樣電阻上的壓降也逐漸上升且反饋到運放的反相端，OPA1通過輸入端電壓的變化，調節LDMOS1使得輸出電流穩定，使LED燈串1恒流工作。線性恒流電路4、5、6、7工作原理相同。

電路結構：LED燈串N1正向端接輸入電壓，反向端接LDMOS1的漏極，LDMOS1的源極接采樣電阻Rsen，電阻Rsen的壓降作為反饋電壓接到運放OPA1的反相端，OPA1同相端接參考電壓V1或V11（V1和V11受使能信號EN控制），運放的輸出接LDMOS1的柵端，OPA1通過反饋電壓的變化，輸出控制LDMOS1的導通電阻大小，電路實現恒流工作，Out_pt與保護模塊相連，實現保護功能。圖2、圖3中的線性恒流電路4、5、6、7結構一樣。

所述電平轉換電路輸入信號為外部感應信號，輸出信號控制參考電壓電路中的使能端，進而產生兩組輸出參考電壓，為線性恒流電路提供了兩組不同的參考電壓；

本實施例中電平轉換電路8，外部感應信號EN_Vin通過電平轉換電路后可以將EN_Vin調整為與芯片工作電壓電平一致，得到輸出使能信號EN。輸出使能信號EN反映了外部感應信號，并通過控制輸出參考電壓電路的使能端，使輸出參考電壓電路輸出兩組不同的參考電壓，可切換LED處于兩種不同的工作狀態。

電路結構：P型場效應管Mp13和N型場效應管Mn9的柵端相連，且漏端相連，構成反向器，反向器的輸入接EN_Vin。N型場效應管Mn10柵端接反向器的輸入端，N型場效應管Mn11的柵端接反向器的輸出端，在外部感應信號EN_Vin信號下，N型場效應管Mn10和N型場效應管Mn11只有一個管子會導通，P型場效應管Mp14與N型場效應管Mn10漏端相連，P型場效應管Mp15與N型場效應管Mn11漏端相連，P型場效應管Mp14的柵端接N型場效應管Mn11的漏端，P型場效應管Mp15的柵端接N型場效應管Mn10的漏端，在X點可以得到與EN_Vin信號電平一致的電壓Vx（Vx高電平為VDD，低電平為GND），P型場效應管Mp16與N型場效應管Mn12柵極相連，構成第一級反向器，P型場效應管Mp17與N型場效應管Mn13柵極相連，構成第二級反向器，兩級反向器可以起到整形作用，在P型場效應管Mp17與N型場效應管Mn13的漏端得到使能信號EN。

保護電路9，由過溫保護電路、過壓保護電路和過流保護電路構成。當電路工作超過保護電路設定的極限情況時，都會觸發保護電路產生保護使能信號out_pt，從而控制功率管的工作，防止芯片異常工作導致芯片毀壞。

本發明工作原理：輸入市電為220V/50Hz的交流電經整流橋整流之后，可以在整流橋的兩個輸出端口得到脈動直流高壓，該電壓峰值電壓為311V、時間周期為10ms的正弦半波脈動電壓。該電壓既為高壓穩壓降壓電路提供工作電壓，也作為LED光源的輸入電壓。高壓穩壓降壓電路可在第一串燈珠正向導通前穩定輸出芯片的工作電壓，保證芯片正常工作。多值輸出參考電壓電路產生四路參考電壓分別作為四組線性恒流電路的參考電壓（V1<V2<V3<V4），即分別接在四組線性恒流電路中的運放的同向端，四組線性恒流電路的功率管輸入端各接一組LED燈串，四組LED燈串采用串聯方式連接（附圖1、圖3）。由于輸入電壓未達到燈珠的正向導通電壓，電路中沒有電流流過，采樣電阻上的電壓為零即反饋電壓為零，故運放輸出均為高電平，使得四個LDMOS的柵源電壓都大于閾值電壓。

在輸入電壓上升階段，當輸入電壓上升到LED燈串N1的正向壓降后，第一組線性恒流電路中的LDMOS1處于導通狀態，LED燈串N1點亮，電流受第一組線性恒流電路控制，電流值為V1/Rsen。當輸入電壓達到燈串N1和LED燈串N2的正向導通電壓后，由于支路的電流增大，反饋電壓變大，使得第一組線性恒流電路的運放輸出為低電平，從而關斷了第一組的LDMOS1，LED燈串N1、LED燈串N2和LDMOS2構成一條支路，電流受第二組線性恒流電路控制，電流值為V2/Rsen。當輸入電壓上升到LED燈串N1、LED燈串N2和LED燈串N3的正向導通電壓后，由于支路的電流增大，反饋電壓變大，從而關斷第二組LDMOS2，LED燈串N1、LED燈串N2、LED燈串N3和LDMOS3構成一條支路，電流受第三組線性恒流電路控制,電流值為V3/Rsen。隨著輸入電壓上升到LED燈串N1、LED燈串N2、LED燈串N3和LED燈串N4的正向導通電壓后，關斷第三組的LDMOS3，LED燈串N1、LED燈串N2、LED燈串N3、LED燈串N4和LDMOS4構成一條支路，電流受第四組線性恒流電路控制,電流值為V4/Rsen。在輸入電壓下降階段，四組線性恒流電路工作次序與輸入電壓上升階段相反。由于多值輸出參考電壓電壓可受使能端控制，在使能信號無效時，電路輸出參考電壓為V1：V2：V3：V4,輸出電流為V1/Rsen：V2/Rsen：V3/Rsen：V4/Rsen。當使能信號有效時，電路輸出參考電壓為V11：V22：V33：V44，輸出電流為V11/Rsen：V22/Rsen：V33/Rsen：V44/Rsen。這樣電路可工作在兩種工作電流模式下。電路可根據應用場合和LED燈珠規格，通過調節外置采樣電阻Rsen的阻值改變電路工作電流。