專利名稱：動態線性控制led驅動電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED驅動，尤其涉及一種動態線性控制LED驅動電路。
背景技術：
隨著綠色照明的普及,發光二極管(LED:Light Emitting Diode)照明得到了飛速的發展。LED驅動電源普遍都是采用了開關電源來實現。線性的驅動電源因為效率的問題，都被工程師們摒棄。圖1是傳統的LED線性驅動電路的示意圖，如圖1所示，整流橋110由4個高壓二極管組成，濾波電容101把市電信號(通常為正弦的交流電壓)整流為直流電壓。控制芯片105的供電模塊包括分壓電阻102、鉗位二極管103、以及控制芯片的去耦電容104，供電模塊可以從約300VDC的輸入電壓中分出約IOV的電壓給驅動芯片工作。控制芯片105的主要功能是穩定LED的驅動電流，無論輸入電壓如何變化，或是無論LED負載106如何變化，其通過LED的驅動電流都是恒定不變的。其中，LED負載106就是本驅動的負載LED燈串，它需要恒定的電流來驅動，電流的大小由LED的種類來定，一般高亮度的LED驅動電流為300mA。驅動電源的驅動開關107一般為功率M0SFET。驅動電流的檢測電阻108的阻值決定了驅動電流的大小。圖1中的線性驅動電源的原理是:控制芯片采樣54節點處的電壓，通過調整53節點處的電壓來保證54節點處為恒定的電壓，從而通過LED的驅動電流為恒定值:1_led=Vcs/Rcs ;其中，I_led為通過LED負載106的驅動電流，Vcs為控制芯片CS管腳的電壓，即節點504處的電壓。這種線性恒流驅動的電路的優點就是電路簡單，成本低，電磁干擾低，但是有一個致命的弱點:效率差，壽命受限制。圖2示出了圖1中節點50、51、53和54處的電壓的波形圖，如圖2所示，節點50處為輸入的市電信號的電壓Vac，全球的市電信號的電壓范圍為90VAC 265VAC。節點51處是經過濾波后的線電壓(也稱之為線性電壓)Vline，其大小為^ XVae。節點54處是由控制芯片105決定的基準電壓Vcs，一般為0.5V左右的電壓。節點53處為控制芯片105的驅動電壓 Vout。其工作的效率 n = V_ledXI_led/(V_ledXI_led+I_ledXVd)，V_led 為LED負載106的壓降，I_led為LED的驅動電流，Vd為功率開關管107漏端的電壓，即節點52處的電壓。例如，可以為輸出電壓為100V，輸出電流為50mA的5W的高壓LED方案。實際應用中，圖1中的驅動電路在90VAC的效率高達78 %，但是在135VAC的輸入電壓時，效率只有52%，如果全電壓范圍工作，在265VAC時效率低至30%，系統根本無法工作。因此，上述驅動電路在單電壓(90Vac 136Vac)的范圍內可以勉強工作。但是其低效率的損耗都是集中在功率開關管107。功率開關管的散熱和壽命對線性LED驅動電源提出了很高的要求。因此，需要一種解決效率和壽命的線性恒流驅動方案。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在于針對現有技術中線性控制LED驅動電路的效率低的缺陷，提供一種動態線性控制LED驅動電路。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:本實用新型提供了一種動態線性控制LED驅動電路，包括:整流模塊，用于將輸入的市電信號轉換為線性驅動電壓信號，以輸出給LED負載；采樣模塊，用于獲取流過所述LED負載的驅動電流；反饋模塊，用于獲取所述線性驅動電壓信號；恒流控制模塊，用于根據所述驅動電流生成恒流調節信號，以及用于根據所述線性電壓信號生成恒流控制信號；恒流驅動模塊，用于根據所述恒流調節信號和所述恒流控制信號來控制所述負載電流為恒流。在依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路中，所述整流模塊包括整流橋，所述整流橋的共陰極端連接所述LED負載的正極端，所述整流橋的共陽極端接地，所述整流橋的另外兩端接所述市電信號；所述恒流驅動模塊包括功率開關管，所述功率開關管的柵極連接所述恒流控制模塊的輸出端，漏極連接所述LED負載的負極端；所述采樣模塊包括采樣電阻，所述采樣電阻的第一端連接所述功率開關管的源極以及連接所述恒流控制模塊的第一輸入端，第二端接地；以使得所述恒流控制模塊根據所述采樣電阻兩端的電壓大小生成用于控制所述功率開關管的柵極電壓大小的所述恒流調節信號，并從所述輸出端輸出至所述功率開關管的柵極，以將所述采樣電阻兩端的電壓控制為恒定電壓；所述反饋模塊包括包括第一電阻和第二電阻，所述第一電阻和第二電阻的公共端連接所述恒流控制模塊的第二輸入端，所述第一電阻的另一端連接所述LED負載的負極端，所述第二電阻的另一端接地；以使得所述恒流控制模塊根據所述公共端處的電壓大小生成用于控制所述功率開關管導通或關閉的所述恒流控制信號，并從所述輸出端輸出至所述功率開關管的柵極。在依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路中，所述功率開關管為功率 MOSFET。在依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路中，所述動態線性控制LED驅動電路進一步包括用于提高所述動態線性控制LED驅動電路的功率因數的功率因數調節模塊；其中，所述功率因數調節模塊包括輔助LED負載和輔助功率開關管；所述輔助LED負載的正極端與所述LED負載的負極端連接；所述輔助功率開關管的漏極連接所述輔助LED負載的負極端，源極連接所述恒流控制模塊的第一輸入端，柵極連接所述恒流控制模塊的第二輸入端；以使得所述輔助功率開關管在所述恒流控制模塊的控制下，在所述功率開關管的關閉周期內至少導通一段時間來提高所述驅動電流的連續性，以提高所述動態線性控制LED驅動電路的功率因數。在依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路中，所述輔助功率開關管為功率MOSFET。在依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路中，所述動態線性控制LED驅動電路進一步包括去耦電容；所述去耦電容的兩端分別與所述LED負載的正極端和負極端連接。本實用新型產生的有益效果是:根據LED負載的線性電壓大小選擇功率開關管導通和關閉的模式，可以大大提高線性LED驅動的效率。具體而言，在低輸入電壓，高效率工作的時候，恒流控制模塊把功率開關管導通，保證LED在恒流輸出的狀態。在高輸入電壓，低效率工作的時候，恒流控制模塊把功率開關管強行關閉。所以，在一個周期的正弦交流電中，當市電輸入電壓處于非波峰時，本實用新型中的驅動電路的工作模式和現有的線性LED驅動電路一樣。當市電輸入電壓處于波峰時，本實用新型中的驅動電路的功率開關管進入關閉模式，驅動電路不會從市電信號中消耗功率。那么和現有的線性LED驅動電路相比，效率得到明顯的改善。
下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:圖1是傳統的LED線性驅動電路的示意圖；圖2示出了圖1中節點50、51、53和54處的電壓的波形圖；圖3示出了依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路的電路示意圖；圖4示出了圖3中節點50、51、53和54處的電壓的波形圖；圖5示出了包含功率因數調節模塊的驅動電路的電路示意圖；圖6示出了圖5中節點50、51、53、56和54處的電壓的波形圖；圖7示出了依據本實用新型實施例的恒流控制模塊的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。圖3示出了依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路的電路示意圖，如圖3所示，該動態線性控制LED驅動電路(以下可簡稱為驅動電路)包括:整流模塊100、采樣模塊200、反饋模塊300、恒流控制模塊400以及恒流驅動模塊500。其中，整流模塊100可將輸入的市電信號轉換為線性驅動電壓信號，并將該線性驅動電壓信號輸出給LED負載，以驅動LED負載工作。采樣模塊200可獲取流過LED負載的驅動電流，并輸出給恒流控制模塊400。反饋模塊300可獲取線性驅動電壓信號，并反饋給恒流控制模塊400。這樣，恒流控制模塊400可根據驅動電流生成恒流調節信號，以及根據線性電壓信號生成恒流控制信號；并將該恒流調節信號和恒流控制信號輸出給恒流驅動模塊500。恒流驅動模塊500可根據恒流調節信號和恒流控制信號來控制負載電流為恒流。具體而言，在本實用新型的優選實施例中，整流模塊100包括整流橋，該整流橋可以由四個高壓二極管構成。其中，整流橋的共陰極端連接LED負載的正極端，整流橋的共陽極端接地，整流橋的另外兩端接市電信號，即圖2中的AC輸入。恒流驅動模塊500包括功率開關管，該功率開關管可以是功率M0SFET。功率開關管的柵極連接恒流控制模塊400的輸出端0UT，漏極連接LED負載的負極端。在本實用新型中，數字標號500也可表示功率開關管。采樣模塊200包括采樣電阻，采樣電阻的第一端連接功率開關管的源極，并同時連接恒流控制模塊400的第一輸入端CS，第二端接地。以使得恒流控制模塊400根據采樣電阻兩端的電壓大小生成用于控制功率開關管的柵極電壓大小的恒流調節信號，并從輸出端OUT輸出至功率開關管的柵極，以將采樣電阻兩端的電壓控制為恒定電壓。反饋模塊300包括包括第一電阻310和第二電阻320，第一電阻310和第二電阻320的公共端連接恒流控制模塊400的第二輸入端FB，第一電阻310的另一端連接LED負載的負極端，第二電阻320的另一端接地；以使得恒流控制模塊400根據公共端處的電壓大小生成用于控制功率開關管導通或關閉的恒流控制信號，并從輸出端OUT輸出至功率開關管的柵極。圖4示出了圖3中節點50、51、53和54處的電壓的波形圖，下面將結合圖4的電壓波形圖來闡述圖3中的驅動電路的工作過程。首先，恒流控制模塊400從第一輸入端CS接收采樣電阻兩端的電壓，因為通過采樣電阻的電流決定了 LED負載的驅動電流，因此，只要將采樣電阻兩端的電壓控制為恒壓，就可以將LED負載的驅動電流控制為恒流。工作中，恒流控制模塊400可根據獲得的采樣電阻兩端的電壓，生成恒流調節信號，該恒流調節信號可以為直接輸出至功率開關管的柵極電壓，通過調節該柵極電壓的大小(即柵極電壓具體的數值)可以確保采樣電阻兩端的電壓為恒定值，從而使得流過LED負載的驅動電流為恒流。從這里可以看出，恒流調節信號決定了圖4中的Vout的大小。另一方面，節點50處為輸入的交流電壓信號Vac，節點51處為經過整理濾波后的線性驅動電壓信號(可以簡稱為線電壓)Vline，該電壓信號用于驅動LED負載工作。線電壓經過LED負載、第一電阻310和第二電阻320的分壓，節點55處的電壓，即恒流控制模塊400 的第二輸入端 FB 的輸入電壓 VFB=(Vline-V_led) XR_320/(R_310+R_320)，其中，V_led為LED負載的電壓降，R_310和R_320分別為圖3的第一電阻310和第二電阻320的阻值。此時，節點55處的電壓波形與節點51處的波形一樣，即電壓VFB的波形圖與Vline的波形圖一樣。應當注意的是，圖4中的線性電壓Vline的波形不同于圖2中的線性電壓Vline的波形，這是因為圖1的濾波電容101的容值很大，一般需要電解電容，并采用傳統的工作模式，而且沒有考慮功率因數的糾正。然而，對于圖3中的驅動電路而言，其濾波電容101的容值很小，不需要采用電解電容，并且還有可能結合功率因數的優化，因此，圖4和圖2的Vline波形不一樣。工作中，恒流控制模塊400根據VFB的電壓信息，生成用于控制功率開關管導通或關閉的恒流控制信號，該恒流控制信號從恒流控制模塊400的輸出端OUT輸出給功率開關管的柵極。例如，如果VFB的電壓大小大于一個預先設定的基準電壓，恒流控制模塊400生成關閉功率開關管的恒流控制信號，從而關閉輸出端OUT的驅動電壓。例如，如圖4所示，參見恒流控制模塊400的輸出端OUT輸出的電壓Vout的波形，當V line的電壓大于一定值時，Vout就變成零電位，因為輸出端OUT為零電位，功率開關管就處于不導通狀態，通過檢測電阻的電流就為零，那么第一輸入端CS的電壓Vcs也為零，如圖4所示。從這里可以看出，恒流控制信號決定了圖4中的Vout是有驅動電壓信號輸出，還是零電壓輸出，即不輸出驅動電壓信號。[0046]這種根據V line的電壓大小選擇功率開關管導通和關閉的模式，可以大大提高線性LED驅動的效率。在低輸入電壓，高效率工作的時候，恒流控制模塊400把功率開關管導通，保證LED在恒流輸出的狀態。在高輸入電壓，低效率工作的時候，恒流控制模塊400把功率開關管強行關閉。所以，在一個周期的正弦交流電中，當輸入電壓Vac處于非波峰時，本實用新型中的驅動電路的工作模式和現有的線性LED驅動電路一樣。當輸入電壓Vac處于波峰時，本實用新型中的驅動電路的功率開關管進入關閉模式，驅動電路不會從市電信號中消耗功率。那么和現有的線性LED驅動電路相比，效率得到明顯的改善。另外，系統在一個周期中，有一部分時間處于關閉狀態，恒定電流的控制比較困難，本實用新型采用的是平均電流反饋技術實現。圖3的109為環路的補償電容。采用反饋模塊300雖然提高了效率，但是帶來了另一個問題，因為在一個周期的波峰處，驅動電路處于關閉狀態，輸入電流(LED負載的驅動電流)為零，從而輸入電壓和輸入電流的不同步，造成了功率因數變差。所以，要解決這個問題，依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路進一步包括用于提高該驅動電路的功率因數的功率因數調節模塊。圖5示出了包含功率因數調節模塊的驅動電路的電路示意圖，如圖5所示,功率因數調節模塊包括輔助LED負載710和輔助功率開關管720 ;輔助LED負載710的正極端與LED負載106的負極端連接；輔助功率開關管720的漏極連接輔助LED負載710的負極端，源極連接恒流控制模塊400的第一輸入端CS,柵極連接恒流控制模塊400的第二輸入端FB ;以使得輔助功率開關管720在恒流控制模塊400的控制下，在功率開關管的關閉周期內至少導通一段時間來提高驅動電流的連續性，以提高動態線性控制LED驅動電路的功率因數。其中，輔助功率開關管720可以為功率M0SFET。圖6示出了圖5中節點50、51、53、56和54處的電壓的波形圖，其中，節點50處為輸入的市電信號的電壓Vac，;節點51處是經過濾波后的線電壓Vline ;節點53處為恒流控制模塊400的輸出端OUT的輸出電壓Vout ;節點56處為恒流控制器的第二輸出端0UT2的輸出電壓Vout2 ;節點54處是恒流控制模塊400的第一輸入端CS的電壓Vcs。結合圖5和圖6可以看出，輔助LED負載710在功率開關管的關閉周期內至少導通一段時間，優選地，只在接近交流電輸入的波峰區導通工作。輔助功率開關管720用于控制輔助LED負載710的工作周期。例如，如圖6所示，參見恒流控制模塊的第二輸出端0UT2輸出的輔助功率開關管的驅動電壓Vout2的波形，其選擇在接近波峰時區導通。這樣可以大大減小功率開關管和輔助功率開關管都同時不導通的時間，即提高輸入電流的連續性，從而提高了系統的功率因數。仍如圖3和圖5所示，依據本實用新型實施例的動態線性控制LED驅動電路還可進一步包括去耦電容600 ;該去耦電容600的兩端分別與LED負載的正極端和負極端連接。該去耦電容可減小LED輸出電流的紋波，減小LED的光衰，保證其壽命。圖7示出了依據本實用新型實施例的恒流控制模塊的結構示意圖，如圖7所示，該恒流控制模塊包括供電單元401，為恒流控制模提高基準電壓和供電電壓。還包括線電壓檢測單元403，通過恒流控制模的第二輸入端(即FB管腳)檢測輸入電壓的大小，選擇恒流控制模工作在不同的工作模式。恒流控制模還包括環路恒流控制單元404、405和406，以及平均電流檢測單元404，通過檢測線電壓檢測單元403和第一輸入端的信號，計算通過LED負載的平均電流。其中標號405表示誤差放大器，其作用是通過調整環路恒流控制單元406的輸入信號來保證誤差放大器405的反相端電壓等于正相端的基準電壓，從而保證輸出電流恒定值。恒流控制模塊還包括邏輯控制單元407，其為整個驅動電路的信號處理中心。它控制驅動單元408的開關，最終實現恒流驅動的同時，保證系統的高效率，高功率因數。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本實用新型所附權利要求的保護范圍。
權利要求1.一種動態線性控制LED驅動電路，其特征在于，包括: 用于將輸入的市電信號轉換為線性驅動電壓信號的整流模塊，并將所述線性驅動電壓信號輸出給LED負載； 用于獲取流過所述LED負載的驅動電流的采樣模塊； 用于獲取所述線性驅動電壓信號的反饋模塊； 用于根據所述驅動電流生成恒流調節信號、以及用于根據所述線性電壓信號生成恒流控制信號的恒流控制模塊； 用于根據所述恒流調節信號和所述恒流控制信號來控制所述負載電流為恒流的恒流驅動模塊。
2.根據權利要求1所述的動態線性控制LED驅動電路，其特征在于， 所述整流模塊包括整流橋，所述整流橋的共陰極端連接所述LED負載的正極端，所述整流橋的共陽極端接地，所述整流橋的另外兩端接所述市電信號； 所述恒流驅動模塊包括功率開關管，所述功率開關管的柵極連接所述恒流控制模塊的輸出端，漏極連接所述LED負載的負極端； 所述采樣模塊包括采樣電阻，所述采樣電阻的第一端連接所述功率開關管的源極以及連接所述恒流控制模塊的第一輸入端，第二端接地；以使得所述恒流控制模塊根據所述采樣電阻兩端的電壓大小生成用于控制所述功率開關管的柵極電壓大小的所述恒流調節信號，并從所述輸出端輸出至所述功率開關管的柵極，以將所述采樣電阻兩端的電壓控制為恒定電壓； 所述反饋模塊包括包括第一電阻和第二電阻，所述第一電阻和第二電阻的公共端連接所述恒流控制模塊的第二輸入端，所述第一電阻的另一端連接所述LED負載的負極端，所述第二電阻的另一端接地；以使得所述恒流控制模塊根據所述公共端處的電壓大小生成用于控制所述功率開關管導通或關閉的所述恒流控制信號，并從所述輸出端輸出至所述功率開關管的柵極。
3.根據權利要求2所述的動態線性控制LED驅動電路，其特征在于，所述功率開關管為功率 MOSFET。
4.根據權利要求2所述的動態線性控制LED驅動電路，其特征在于，所述動態線性控制LED驅動電路進一步包括用于提高所述動態線性控制LED驅動電路的功率因數的功率因數調節模塊；其中， 所述功率因數調節模塊包括輔助LED負載和輔助功率開關管； 所述輔助LED負載的正極端與所述LED負載的負極端連接； 所述輔助功率開關管的漏極連接所述輔助LED負載的負極端，源極連接所述恒流控制模塊的第一輸入端，柵極連接所述恒流控制模塊的第二輸入端；以使得所述輔助功率開關管在所述恒流控制模塊的控制下，在所述功率開關管的關閉周期內至少導通一段時間來提高所述驅動電流的連續性，以提高所述動態線性控制LED驅動電路的功率因數。
5.根據權利要求4所述的動態線性控制LED驅動電路，其特征在于，所述輔助功率開關管為功率MOSFET。
6.根據權利要求1-5任一項所述的動態線性控制LED驅動電路，其特征在于，所述動態線性控制LED驅動電路進一步包括去耦電容；所述去耦電容的兩端分別與所述LED負載的正極端和負極端連接 。
專利摘要本實用新型公開了一種動態線性控制LED驅動電路，包括整流模塊，用于將輸入的市電信號轉換為線性驅動電壓信號，以輸出給LED負載；采樣模塊，用于獲取流過LED負載的驅動電流；反饋模塊，用于獲取線性驅動電壓信號；恒流控制模塊，用于根據驅動電流生成恒流調節信號，以及根據線性電壓信號生成恒流控制信號；恒流驅動模塊，用于根據恒流調節信號和恒流控制信號來控制負載電流為恒流。根據LED負載的線性電壓大小選擇功率開關管導通和關閉的模式，可以大大提高線性LED驅動的效率。在低輸入電壓，高效率工作的時候，恒流控制模塊把功率開關管導通，保證LED在恒流輸出的狀態。在高輸入電壓，低效率工作的時候，恒流控制模塊把功率開關管強行關閉。
文檔編號H05B37/02GK203072226SQ20132006793
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者廖偉明, 鄭曰, 胡小波 申請人:深圳市芯飛凌半導體有限公司