專利名稱：一種高效率的led驅動電路及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及LED照明領域，尤其涉及一種高效率的LED驅動電路及其驅動方法。
背景技術：
隨著照明行業的不斷創新和迅速發展，加之節能和環保日益重要，LED照明作為一種革命性的節能照明技術，正在飛速發展。但是，由于LED自身的伏安特性及溫度特性，使得LED對電流的敏感度要高于對電壓的敏感度，故不能由傳統的電源直接給LED供電。因此，要用LED作照明光源首先就要解決電源驅動的問題。傳統的利用兩級結構為LED供電的驅動電路的原理框圖如圖I所示，交流輸入電源AC依次經過可控硅電路、EMI抗電磁干擾電路、整流電路的處理后，形成一直流輸入電壓 Vin,前一級為一具有功率因數校正功能的boost型預調制電路，后級的反激式變換器用以將前級的輸出電壓通過隔離式的拓撲結構傳輸至副邊，同時大致濾除LED驅動電流中的低頻諧波并對LED負載進行調光。但是由于采用升壓型電路，其輸出電壓比輸入電壓高，在用于輸入電壓較高的寬輸出電壓范圍場合時，將造成輸出電壓進一步提高，因此某些電路器件如圖I中的二極管D1、開關管Q1、開關管Q2以及電容C1均需要采用耐高壓器件，而且由于LED驅動電路需要在高溫下長期運行，因此電容C1必須采用耐高溫長壽命的電解電容，因此導致電路的成本較高且可靠性不佳。另外，表征系統調光的信號一般從輸出側輸入，輸出側的信號需要經過光耦傳到圖I的反激式變換器的控制電路，這些就導致了成本的進一步增加。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種高效率的LED驅動電路及其驅動方法，以克服現有技術中的成本較高，效率較低的問題。更進一步的，該驅動電路可應用于可控硅調光的LED驅動電路，并能夠同時接收表征系統調光的信號進行調光。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案依據本發明一實施例的一種高效率的LED驅動電路，其將交流電源經過可控硅電路和整流電路處理后得到的直流電壓轉換為一定的輸出電壓和輸出電流來驅動LED負載，包括第一級轉換電路和第二級轉換電路，其中，所述第一級轉換電路為具有功率因數校正功能的隔離型拓撲結構，其將接收到的所述直流電壓轉換為第一輸出電壓；其中第一級轉換電路包括一變壓器，所述變壓器的原邊通過開關耦合所述直流電壓，副邊通過整流電路耦合到所述第一輸出電壓；所述第二級轉換電路為非隔離型拓撲結構，其根據可控硅導通角度將所述第一輸出電壓轉換為一定的輸出電流驅動所述LED負載。進一步的，所述第一級轉換電路包括一反激式變換器和第一控制電路；所述反激式變換器與所述整流電路連接，以接收所述直流電壓；
所述第一控制電路通過控制所述反激式變換器的原邊功率開關管的動作以將所述直流電壓轉換為第一輸出電壓，并保證所述反激式變換器的輸入電壓和輸入電流同相位。優選的，所述第二級轉換電路的拓撲結構為非隔離型降壓電路、非隔離型升壓電路或非隔離型升降壓電路，并進一步包括調光電路和第二控制電路；所述調光電路與所述第一級轉換電路相連接，以輸出一表征可控硅導通角度的調光信號;所述第二控制電路接收LED電流信號和所述調光信號，并據此控制所述第二級轉換電路中開關管的動作以將所述第一輸出電壓轉換為一定的輸出電流驅動所述LED負載。進一步的，所述調光電路包括一方波信號發生電路，所述方波信號發生電路接收 所述變壓器副邊電路的電信號以輸出一表征所述可控硅導通角度的方波信號作為所述調光信號。進一步的，所述調光電路進一步包括一均值電路，所述方波信號經過所述均值電路的處理后得到所述調光信號。進一步的，所述表征可控硅導通角度的調光信號與一表征系統調光的信號進行運算，根據運算的結果對所述LED負載進行調光。進一步的，所述第一級轉換電路根據所述可控硅的導通角度而間歇性工作。依據本發明一實施例的一種高效率的LED驅動方法，包括以下步驟將一交流電源經過一可控硅電路的處理后得到一直流電壓；利用一具有功率因數校正功能的隔離型拓撲結構對所述直流電壓進行第一級轉換，得到第一輸出電壓；利用一非隔離型拓撲結構對所述第一輸出電壓進行第二級轉換得到一定的輸出電流驅動LED負載，并根據可控硅的導通角度得到一調光信號對所述LED負載進行調光。進一步的，根據可控硅的導通角度來間歇性進行所述第一級轉換。進一步包括對表征可控硅角度的調光信號和表征系統調光的信號進行運算，根據其運算結果對所述LED負載進行調光。經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本發明提供的LED驅動電路，對第一級轉換電路輸出的電壓信號進行調制，取得大致穩定的電壓，避免了 LED負載出現故障時，反激式變換器的副邊仍吸收原邊傳遞的電能造成電容上充電過高的問題，且當允許第一級轉換電路的輸出電壓有一定的波動時，可以進一步減小輸出電容的體積和成本，因此輸出電容的容值可以減小至不采用電解電容，進一步提高了整個電路的可靠性。同時第二級轉換電路的拓撲結構優選為非隔離型變換器，且位于變壓器的低壓偵牝因此對相應元件的耐壓要求降低，無需采用高耐壓元件，進而降低了成本。依據本發明的LED驅動電路可將表征系統調光的信號與表征可控硅導通角度的調光信號進行運算，根據運算的結果對LED負載的電流進行控制，而無需將輸出側的表征系統調光的信號進過光耦進行傳遞，進一步降低了成本。由此采用依據本發明的LED驅動電路具有高效率、高可靠性、低成本的優點。通過下文優選實施例的具體描述，本發明的上述和其他優點更顯而易見。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。圖I所示為依據現有技術的具有兩級結構的LED驅動電路；圖2所示為依據本發明一實施例的LED驅動電路的原理框圖；圖3所示為依據本發明又一實施例的LED驅動電路的原理框圖；圖4所示為圖3所示的LED驅動電路中調光電路的工作波形圖； 圖5所示為依據本發明的另一實施例的LED驅動電路的原理框圖；圖6所示為依據本發明的一種LED驅動方法的一實施例的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明并不僅僅限于這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選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,所示為依據本發明一實施例的LED驅動電路的原理框圖,所述LED驅動電路接收一交流電源AC，并將其經過可控硅電路、EMI抗電磁干擾電路和整流電路處理后得到一直流電壓Vin，所述直流電壓Vin經過第一級轉換電路和第二級轉換電路后為一定的輸出電壓和輸出電流以驅動LED負載。其中，所述第一級轉換電路為具有功率因數校正功能的隔離型拓撲結構，將接收到的所述直流電壓Vin轉換為一大致穩定的第一輸出電壓Vp其中第一級轉換電路包括一變壓器，所述變壓器的原邊通過開關耦合所述直流電壓Vin，副邊通過整流電路耦合到所述第一輸出電壓\。在本實施例中，所述第一級轉換電路具體包括一反激式變換器和第一控制電路201 ；所述反激式變換器與所述整流電路連接，以接收所述直流電壓Vin ;—采樣電阻R1與所述反激式變換器的原邊功率開關管連接，以采樣其原邊電流。在實際應用中可采用原邊控制方式，通過一輔助繞組以及其并聯的分壓電阻來米樣表征第一輸出電壓V1的電壓信號。所述第一控制電路201根據表征第一輸出電壓V1的電壓信號、所述直流電壓Vin和表征原邊電流的電阻電壓控制所述原邊功率開關管的動作以將所述直流電壓Vin轉換為第一輸出電壓V1，并保證所述反激式變換器的輸入電壓和輸入電流同相位，提高功率因數，進而保證電路具有較高的電能轉換效率。由于所述第一輸出電壓V1上有兩倍的交流工頻紋波，需要輸出端利用輸出電容進行濾除，一般地，我們允許所述第一輸出電壓V1有一定的波動以減小輸出電容Ctjutl的體積和成本,所述第一控制電路201控制所述第一輸出電壓V1保持大致穩定，因此所述輸出電容Cratl的容值可以減小至不采用電解電容，進一步提高了整個電路的可靠性。但所述第一輸出電壓V1的最高電壓將被限制住以保護輸出電容Cwtl和其他輸出側元件。
所述第二級轉換電路的主電路結構為非隔離型拓撲結構，具體為由開關管Q2、二極管D2、電感L1和電容Cwt2組成的非隔離型降壓電路，并進一步包括調光電路202和第二控制電路203 ；由圖中可以很明顯的看出，可控硅導通角度的變化將影響第一級轉換電路所接收的電能，相應的所述第一輸出電壓V1的波形隨之變化，進一步表現為所述反激式變換器的副邊繞組電壓VS6。的變化。所述調光電路202接收所述副邊繞組電壓VS6。，以輸出一表征可控硅導通角度的調光信號Vkef;利用一采樣電阻R2與所述LED負載串聯連接，其電阻上的壓降表征流過LED負載的電流，因此所述第二控制電路203接收采樣電阻R2電壓所表征的LED電流信號和所述調光信號Vkef，并據此控制所述第二級轉換電路中開關管Q2的動作，以將所述第一輸出電壓V1 轉換為一定的輸出電流驅動所述LED負載。當可控硅的導通角度發生變化時，所述第一控制電路201通過控制原邊功率開關管的開關動作保持所述第一輸出電壓V1的穩定，同時所述調光電路202根據所述副邊繞組電壓V.的變化相應的調整所述調光信號VKEF，第二控制電路203根據所述調光信號Vkef對主電路中開關管Q2的控制能夠調節LED電流與所述可控硅的導通角度相匹配以實現調光作用，并保持電流恒定防止LED燈閃爍。這里需要說明的是在該實施例中給出了利用采樣電阻對反激式變換器原邊電流和LED負載電流的進行采樣的方法，本領域技術人員可以得知，電流的采樣方法并不局限于上述方式，其他合適的電流采樣方法同樣適用于本發明的實施例。另外，第一級轉換電路還可以采用其他的隔離型拓撲結構如正激、推挽、橋式變換器等，而第二級轉換電路的拓撲結構也不限制于本實施中所列舉的非隔離型降壓電路，任何合適的非隔離型拓撲結構，如非隔離型升壓電路或非隔離型升降壓電路等均落在本發明的保護范圍之內。可見，采用圖2所示的依據本發明的LED驅動電路，對第一級轉換電路輸出的電壓信號進行調制，保證其大體穩定，避免了 LED負載出現故障時，反激式變換器的副邊仍吸收原邊傳遞的電能造成電容上充電過高的問題，且當允許第一級轉換電路的輸出電壓有一定的波動時，可以進一步減小輸出電容的體積和成本，因此輸出電容的容值可以減小至不采用電解電容，進一步提高了整個電路的可靠性。同時第二級轉換電路的拓撲結構優選為非隔離型變換器，且位于變壓器的低壓偵牝而無需采用高壓型功率級電路，因此對相應元件如開關管、二極管等的耐壓要求降低，無需采用高耐壓元件，進而降低了成本。由此采用依據本發明的LED驅動電路具有高效率、高可靠性、低成本的優點。參考圖3，所示為依據本發明的LED驅動電路的另一實施例的原理框圖。具體描述了調光電路202和第二控制電路203的一種實現方法和工作原理。所述調光電路202包括一方波信號發生電路，所述方波信號發生電路接收所述第一級轉換電路中變壓器副邊電路的電信號以輸出一表征所述可控娃導通角度的方波信號作為所述調光信號。所述方波信號發生電路具體包括第一開關管S1、第一電容C1和放電電路，其中所述第一開關管S1的第一功率端接收所述反激式變換器的副邊繞組電壓V■，第二功率端的輸出為所述第一電容C1提供充電電流；為了保證電能的單向流動，在所述第一開關管S1的第一功率端與所述副邊繞組之間加入一二極管d3。
所述放電電路可以優選為電流源或電阻，在本實施例中采用一電流源與所述第一電容C1并聯連接以為其提供放電回路。以下結合圖4所示的圖3所示的調光電路的工作波形圖來詳細說明其工作過程。優選的，所述第一級轉換電路根據可控硅的導通角度間歇性工作。如利用所述第一控制電路檢測可控硅的導通角度，并根據該角度來間歇性地使能和禁止反激式變換器，從而產生圖4中的第一輸出電壓V1和反激式變換器的副邊繞組電壓V.的波形。其中所述副邊繞組電壓V■的波形為正峰值穩定，而負峰值隨輸入交流電變化的高頻脈沖，其頻率一般位于20k-200kHz的范圍。所述第一開關管S1的控制信號Vmte為一恒定電壓，其幅值小于所述副邊繞組電壓幅值，在實際應用中副邊繞組電壓Vsec幅值一般在IOV以上。一般地，可以將所述控制信號Vgate設置為一 3-10V范圍內的恒定電壓。優選的，當所述第一級轉換電路根據可控硅導通角被允許工作時，原邊功率開關 管Q1可以高頻的開關，當所述原邊功率開關管Q1關斷時，所述副邊繞組電壓VS6。為正電壓時，其通過導通的第一開關管S1對所述第一電容C1進行充電,所述第一電容C1兩端的電壓Vci的幅值為Vmte減去所述第一開關管S1導通閾值。當原邊功率開關管Q1導通，而所述副邊繞組電壓V.為負電壓時，所述第一電容C1將對電流源緩慢放電，電壓Va有所下降直至副邊繞組電壓vse。再次變為正電壓。如此反復，所述第一電容C1兩端的電壓Va的波形如圖所不,為一表征可控娃導通角度的方波信號，但由于其波形存在一定的波動，因此將其輸入至一比較器的同相輸入端，其反相輸入端接收一數值小于電壓Va幅值的參考信號VMfl,如設定Vrafl為IV,比較器的輸出則變為比較規整的方波信號Vdim ;該方波信號Vdim可以直接作為調光信號控制所述第二控制電路對LED負載進行調光。但由于不同型號可控硅的性能不一致，方波信號Vdim有可能具有低于IOOHz頻率分量，人眼會感受到燈的閃爍。所以優選地，為防止LED出現閃爍，我們可用由電阻和電容組成的均值電路對所述方波信號Vdim進行均值處理以再得到所述調光信號VKEF。所述調光信號Vkef可以用作輸出LED電流的參考值對LED負載進行線性調光，也可以將所述調光信號Vkef與一定頻(一般頻率大于IOOHz )的三角波相比產生新的穩定方波對LED進行0N/0FF調光。圖3優選實施例采用線性調光。0N/0FF調光屬于本領域的公知常識，在此不再贅述。所述第二控制電路203可以具體包括誤差運算電路、PWM電路和驅動電路；所述誤差運算電路可以采用一誤差放大器，其接收采樣電阻R2電壓所表征的LED電流信號和所述調光信號以獲得一誤差信號；所述PWM電路根據所述誤差信號輸出一 PWM信號通過所述驅動電路控制所述第二級轉換電路中開關管Q2的動作。為了在可控硅調光的基礎上，進一步根據系統的需要對所述LED負載進行調光，可將一表征系統調光的方波信號Vsdim通過一電阻R3連接至均值電路中電阻和電容的公共連接點，以將所述表征可控硅導通角度的調光信號Vdim與表征系統調光的信號Vsdim進行疊加運算后產生所述調光信號VKEF。一優選實施例的原理框圖如圖5所示。從該實施例可以看出依據本發明的LED驅動電路可將表征系統調光的信號與表征可控硅導通角度的調光信號進行運算，根據運算的結果對LED負載的電流進行控制，而無需將輸出側表征系統調光的信號進過光耦進行傳遞，進一步降低了成本。
參考圖6，所示為依據本發明的一種LED驅動方法的一實施例的流程圖。其包括以下步驟S601 :將一交流電源經過一可控硅電路的處理后得到一直流電壓；S602:利用一具有功率因數校正功能的隔離型拓撲結構對所述直流電壓進行第一級轉換，得到第一輸出電壓；S603利用一非隔離型拓撲結構對所述第一輸出電 壓進行第二級轉換得到一定的輸出電流驅動LED負載；并根據可控硅的導通角度得到一調光信號對所述LED負載進行調光。其中步驟S601中進一步包括根據可控硅的導通角度間歇性進行所述第一級轉換。所述步驟S603中可進一步包括對表征可控硅角度的調光信號和表征系統調光的信號進行運算，根據其運算結果對所述LED負載進行調光。依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節，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。本說明書選取并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。本發明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
權利要求
1.一種高效率的LED驅動電路，其將交流電源經過可控硅電路和整流電路處理后得到的直流電壓轉換為一定的輸出電壓和輸出電流來驅動LED負載，其特征在于，包括第一級轉換電路和第二級轉換電路，其中， 所述第一級轉換電路為具有功率因數校正功能的隔離型拓撲結構，其將接收到的所述直流電壓轉換為第一輸出電壓； 其中第一級轉換電路包括一變壓器，所述變壓器的原邊通過開關耦合所述直流電壓，副邊通過整流電路耦合到所述第一輸出電壓； 所述第二級轉換電路為非隔離型拓撲結構，其根據可控硅導通角度將所述第一輸出電壓轉換為一定的輸出電流驅動所述LED負載。
2.根據權利要求I所述的LED驅動電路，其特征在于，所述第一級轉換電路包括一反激式變換器和第一控制電路； 所述反激式變換器與所述整流電路連接，以接收所述直流電壓； 所述第一控制電路通過控制所述反激式變換器的原邊功率開關管的動作以將所述直流電壓轉換為第一輸出電壓，并保證所述反激式變換器的輸入電壓和輸入電流同相位。
3.根據權利要求I所述的LED驅動電路，其特征在于，所述第二級轉換電路的拓撲結構為非隔離型降壓電路、非隔離型升壓電路或非隔離型升降壓電路，并進一步包括調光電路和第二控制電路； 所述調光電路與所述第一級轉換電路相連接，以輸出一表征可控硅導通角度的調光信號; 所述第二控制電路接收LED電流信號和所述調光信號，并據此控制所述第二級轉換電路中開關管的動作以將所述第一輸出電壓轉換為一定的輸出電流驅動所述LED負載。
4.根據權利要求3所述的LED驅動電路，其特征在于，所述調光電路包括一方波信號發生電路，所述方波信號發生電路接收所述變壓器副邊電路的電信號以輸出一表征所述可控硅導通角度的方波信號作為所述調光信號。
5.根據權利要求4所述的LED調光電路，其特征在于，所述調光電路進一步包括一均值電路，所述方波信號經過所述均值電路的處理后得到所述調光信號。
6.根據權利要求3所述的LED調光電路，其特征在于，所述表征可控硅導通角度的調光信號與一表征系統調光的信號進行運算，根據運算的結果對所述LED負載進行調光。
7.根據權利要求I所述的LED驅動電路，其特征在于，所述第一級轉換電路根據所述可控硅的導通角度而間歇性工作。
8.一種高效率的LED驅動方法，其特征在于， 將一交流電源經過一可控硅電路的處理后得到一直流電壓； 利用一具有功率因數校正功能的隔離型拓撲結構對所述直流電壓進行第一級轉換，得到第一輸出電壓； 利用一非隔離型拓撲結構對所述第一輸出電壓進行第二級轉換得到一定的輸出電流驅動LED負載，并根據可控硅的導通角度得到一調光信號對所述LED負載進行調光。
9.根據權利要求8所述的LED驅動方法，其特征在于，根據可控硅的導通角度來間歇性進行所述第一級轉換。
10.根據權利要求9所述的LED驅動方法，其特征在于，進一步包括對表征可控硅角度的調光信號和表征系統調 光的信號進行運算，根據其運算結果對所述LED負載進行調光。
全文摘要
依據本發明的一種高效率的LED驅動電路及其驅動方法，避免了LED負載出現故障時，反激式變換器的副邊仍吸收原邊傳遞的電能造成電容上充電過高的問題，且允許第一級轉換電路的輸出電壓有一定的波動進一步減小輸出電容的體積和成本以至不采用電解電容，進一步提高了整個電路的可靠性。同時第二級轉換電路的拓撲結構優選為非隔離型變換器，且位于變壓器的低壓側，因此對相應元件的耐壓要求降低，無需采用高耐壓元件，進而降低了成本。依據本發明的LED驅動電路還可將表征系統調光的信號與表征可控硅導通角度的調光信號進行運算，根據運算的結果對LED負載的電流進行控制，而無需將輸出側的表征系統調光的信號進過光耦進行傳遞，進一步降低了成本。
文檔編號H05B37/02GK102752940SQ20121025004
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月19日 優先權日2012年7月19日
發明者陳偉 申請人:矽力杰半導體技術(杭州)有限公司