開關管分離式led驅動電路結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種開關管分離式LED驅動電路結構，包括串聯拓撲結構、輸入電壓檢測單元、負載電流檢測單元和控制單元，串聯拓撲結構包括一個或多個串聯驅動模塊，輸入電壓檢測單元和負載電流檢測單元分別與控制單元相連；輸入電壓檢測單元用于檢測所述串聯拓撲結構的輸入電壓，并將輸入電壓信息輸出至所述控制單元；負載電流檢測單元用于檢測每個串聯驅動模塊的負載電流，并將負載電流信息輸出至控制單元；控制單元與每個串聯驅動模塊中MOS管的柵極相連，用于根據輸入電壓信息和負載電流信息控制MOS管的柵極電壓，使LED串導通時，負載電流與輸入電壓成正比關系。本實用新型能夠提高驅動效率，改善了電路的功率因數，且改善了與TRIAC調光器的兼容性。
【專利說明】開關管分離式LED驅動電路結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及LED (發光二極管)照明領域，特別涉及一種開關管分離式LED驅動電路結構。
【背景技術】
[0002]LED芯片以其高效，高集成度，以及高壽命在新型節能光源領域得到廣泛應用。在LED光源中，電源驅動是比較關鍵的技術。由于對LED應用的高集成度以及低成本要求，無電感電容等儲能器件的LED驅動方案在市場中占的份額越來越大，在未來的應用中會成為主流LED驅動方案。在該類驅動方案中，控制IC通過對LED通路開關MOS管的柵極電壓調節來控制實際導通電流經過的LED的數量，以彌補因為LED非線性而導致的導通電流對輸入電壓的過度敏感，從而達到限流目的。
[0003]在圖1的一個典型應用中，一個控制IC (圖中未示出)控制四段LED燈串的導通。控制IC通過調節Ml到M4這四個MOS管的導通來調節實際負載。當輸入電壓較小的時候，MOS管Ml導通，電流只通過第一段LED燈串，當輸入電壓增加的時候，MOS管Ml電阻逐漸增力口，以達到限流目的。當輸入電壓足夠高時，MOS管Ml完全開啟，電流通過第二段燈串。當輸入電壓繼續增加時，MOS管M2電阻逐漸增加，以此類推。
[0004]在目前市場應用的控制芯片，當輸入電壓在某段燈串開啟范圍內的時候，控制IC采用恒流控制。圖2是一個典型的該類芯片的IV曲線。從該曲線可以看出該類控制驅動的等效負載特性。當電壓逐漸增加時，負載電流呈現一個臺階型曲線，在某一串LED芯片點亮的區間，負載電流保持常數。臺階的具體形狀視各LED芯片串的數量而定，同一個芯片可以有不同的設置。
[0005]圖3顯示的是當輸入為交流電壓時，電流隨時間變化曲線。從中我們可以看出電流的不連續特性。
[0006]雖然傳統的電流反饋電路有效的解決了 LED負載的非線性問題，實現了可以接受交流電直接輸入的光驅動引擎，但是該類驅動還是存在一些問題。主要有以下問題:
[0007]1、驅動效率不高。由于MOS管在某些工作點壓降較大，驅動效率很難達到90%以上，這使得該類驅動難以在效率上和開關電源類驅動相競爭。
[0008]2、功率因子不高。由于電流的臺階曲線不完全和輸入電壓吻合，功率因子約在95%。
[0009]3、諧波干擾。臺階曲線存在高頻諧波成分，構成電網干擾。這個問題比第2點更加突出。
[0010]4、和某些TRIAC (三端雙向交流開關)調光設備的不匹配。這個問題是在應用中相對比較嚴重的一個問題。由于TRIAC的開啟和關閉受導通電流控制，當導通電流過度反饋時，在某些工作點TRIAC會形成雙穩態，這類雙穩態導致TRIAC的開啟關閉時間不確定，從而導致LED芯片的發光會有閃爍現象，這樣的閃爍在應用中是客戶無法接受的。實用新型內容
[0011]本實用新型要解決的技術問題就是克服上述現有技術的問題，提出一種開關管分離式LED驅動電路結構，以提高LED的驅動效率。
[0012]為了解決上述問題，本實用新型提供一種開關管分離式LED驅動電路結構，包括串聯拓撲結構，所述串聯拓撲結構包括一個或多個串聯驅動模塊，所述串聯驅動模塊包括MOS管和LED串，所述MOS管與LED串為串聯連接；所述開關管分離式LED驅動電路結構還包括輸入電壓檢測單元、負載電流檢測單元和控制單元，所述輸入電壓檢測單元和負載電流檢測單元分別與所述控制單元相連；
[0013]所述輸入電壓檢測單元用于檢測所述串聯拓撲結構的輸入電壓，并將輸入電壓信息輸出至所述控制單元；
[0014]所述負載電流檢測單元用于檢測每個串聯驅動模塊的負載電流，并將負載電流信息輸出至控制單元；
[0015]所述控制單元與每個串聯驅動模塊中MOS管的柵極相連，用于根據輸入電壓信息和負載電流信息控制MOS管的柵極電壓，使LED串導通時，負載電流與輸入電壓成正比關系O
[0016]優選地，所述輸入電壓檢測單元包括相連的第一電壓采樣電阻和第二電壓采樣電阻，所述第一電壓米樣電阻的一端接串聯拓撲結構的高電壓端，第一電壓米樣電阻的另一端接第二電壓采樣電阻和控制單元的電壓輸入端；所述第二電壓采樣電阻的一端接第一電壓采樣電阻和控制單元的電壓輸入端，另一端接串聯拓撲結構的低電壓端。
[0017]優選地，所述輸入電壓檢測單元包括相連的電壓采樣電阻和非線性器件，所述電壓采樣電阻的一端接串聯拓撲結構的高電壓端，另一端接所述非線性器件和控制單元的電壓輸入端；所述非線性器件的一端接電壓采樣電阻和控制單元的電壓輸入端，另一端接串聯拓撲結構的低電壓端。
[0018]優選地，所述非線性器件為二極管。
[0019]優選地，所述負載電流檢測單元包括一個或多個電流采樣電阻，所述電流采樣電阻與串聯拓撲結構中MOS管的一一對應，每個電流采樣電阻位于所對應的MOS管的低電壓端和串聯拓撲結構的低電壓端之間，每個電流采樣電阻與MOS管之間的連接點連接控制單元相應的電流輸入端。
[0020]優選地，所述控制單元包括一個或多個控制模塊，所述控制模塊與串聯拓撲結構中MOS管的一一對應，每個控制模塊包括:依次相連的放大器、模數轉換器和數字信號處理器，其中，
[0021]所述放大器的電壓輸入端接收輸入電壓信息，電流輸入端接收所對應的串聯驅動模塊的負載電流信息，輸出端接所述模數轉換器，所述放大器用于將輸入電壓信息與負載電流信息進行比較并放大，輸出至模數轉換器；
[0022]所述模數轉換器用于將接收到的模擬信號轉換為數字信號，發送至數字信號處理器；
[0023]所述數字信號處理器與所對應的MOS管的柵極相連，用于將接收到的數字信號進行濾波后，控制所連接的MOS管的柵極電壓，使負載電流與輸入電壓成正比關系。
[0024]和傳統恒流控制相比，本實用新型在使用效果上有以下優點:[0025]1、效率有5%左右的提高。和恒流驅動相比，在大電壓輸入情況下LED驅動電流增力口，MOS管壓降降低，驅動效率增加。
[0026]2、功率因數有5%_10%的提高。由于輸入電流和輸入電壓曲線的匹配較好，改善了電路的功率因數。
[0027]3、和TRIAC調光器的兼容性大大改善。由于恒流驅動在一固定區間電流保持恒定，對某類TRIAC調光器會產生因為雙穩態存在而導致的頻閃效應。采用本實用新型，電流始終是電壓的單調函數，不會產生雙穩態，因而避免了 TRIAC調光器的頻閃。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為一個典型的分段LED驅動電路；
[0029]圖2為圖1所示的電路的LED負載電流和輸入電壓的函數曲線；
[0030]圖3為典型應用中當輸入為交流信號時的負載電流曲線；
[0031]圖4為本實用新型實施例的開關管分離式LED驅動電路結構的示意圖；
[0032]圖5為本實用新型實施例的電流和輸入電壓成正比的IV曲線；
[0033]圖6為本實用新型應用實例的控制模塊組成示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下文中將結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。
[0035]本實用新型提出一種新的電流反饋控制的機制(Algorithm),其核心思想是，當輸入電壓在某一燈串導通區間內變化時，電流不是一個常數，而是隨電壓呈線性變化。
[0036]如圖4所示，開關管分離式LED驅動電路結構，包括串聯拓撲結構，以及輸入電壓檢測單元、負載電流檢測單元和控制單元。其中，串聯拓撲結構為上文所述類似圖1的結構，包括一個或多個串聯驅動模塊，所述串聯驅動模塊包括MOS管和LED串，所述MOS管與LED串為串聯連接。所述LED串包括一個或多個串聯的LED ；M0S管的高電壓端接本串聯驅動模塊的LED串的負極；當所述串聯拓撲結構包括多個串聯驅動模塊時，前一個串聯驅動模塊中MOS管的高電壓端與后一個串聯驅動模塊中LED串的正極相連。
[0037]輸入電壓檢測單元和負載電流檢測單元分別與所述控制單元相連；所述輸入電壓檢測單元用于檢測所述串聯拓撲結構的輸入電壓，并將輸入電壓信息輸出至所述控制單元；所述負載電流檢測單元用于檢測每個串聯驅動模塊的負載電流，并將負載電流信息輸出至控制單元；所述控制單元與每個串聯驅動模塊中MOS管的柵極相連，用于根據輸入電壓信息和負載電流信息控制MOS管的柵極電壓，使LED串導通時，負載電流與輸入電壓成正比關系。
[0038]在圖4中，輸入電壓檢測單元包括相連的第一電壓采樣電阻Rsl和第二電壓采樣電阻Rs2,所述第一電壓米樣電阻Rsl的一端接串聯拓撲結構的高電壓端,第一電壓米樣電阻Rsl的另一端接第二電壓采樣電阻Rs2和控制單元的電壓輸入端；所述第二電壓采樣電阻Rs2的一端接第一電壓采樣電阻Rsl和控制單元的電壓輸入端，另一端接串聯拓撲結構的低電壓端。
[0039]在其它應用實例中，也可以把Rs2置換為其他非線性器件，以獲得其他負載電流與電壓關系的電路。比如，把Rs2置換為一個二極管，以匹配二極管的電流電壓特性。
[0040] 所述負載電流檢測單元可包括一個或多個電流采樣電阻，所述電流采樣電阻與串聯拓撲結構中MOS管的 對應，每個電流米樣電阻位于所對應的MOS管的低電壓端和串聯拓撲結構的低電壓端之間，每個電流采樣電阻與MOS管之間的連接點連接控制單元相應的電流輸入端。在本實用新型實施例中，電流采樣電阻為Rl、R2、R3，分別對應MOS管Ml、M2、M3。
[0041 ] 控制單元通過比較電壓采樣電阻和電流采樣電阻上的壓降來控制MOS管開關上的柵極電壓，目標負載電流為一個和輸入電壓成正比的信號。
[0042]如圖5所示，為一個典型的輸出電流電壓曲線。當電壓在某一 LED串導通范圍內，導通電流和輸入電壓成正比。為了保證MOS管的開關順序，在MOS管切換區間，電流有一個小的臺階突變。該突變幅度較小，不會對功率因子造成實質性影響。
[0043]所述控制單元包括一個或多個控制模塊，所述控制模塊與串聯拓撲結構中MOS管的一一對應，如圖6所示，每個控制模塊包括:依次相連的放大器、模數轉換器(ADC)和數字信號處理器(DSP)，其中，
[0044]所述放大器的電壓輸入端接收輸入電壓信息，電流輸入端接收所對應的串聯驅動模塊的負載電流信息，輸出端接所述模數轉換器，所述放大器用于將輸入電壓信息與負載電流信息進行比較并放大，輸出至模數轉換器；
[0045]所述模數轉換器用于將接收到的模擬信號轉換為數字信號，發送至數字信號處理器；
[0046]所述數字信號處理器與所對應的MOS管的柵極相連，用于將接收到的數字信號進行濾波后，控制所連接的MOS管的柵極電壓，使負載電流與輸入電壓成正比關系。
[0047]在具體應用中，可以根據系統精度，帶寬要求，以及輸入電壓變化幅度等特點來采用不同的數字或模擬反饋系統。
[0048]以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種開關管分離式LED驅動電路結構，包括串聯拓撲結構，所述串聯拓撲結構包括一個或多個串聯驅動模塊，所述串聯驅動模塊包括MOS管和LED串，所述MOS管與LED串為串聯連接；其特征在于， 所述開關管分離式LED驅動電路結構還包括輸入電壓檢測單元、負載電流檢測單元和控制單元，所述輸入電壓檢測單元和負載電流檢測單元分別與所述控制單元相連； 所述輸入電壓檢測單元用于檢測所述串聯拓撲結構的輸入電壓，并將輸入電壓信息輸出至所述控制單元； 所述負載電流檢測單元用于檢測每個串聯驅動模塊的負載電流，并將負載電流信息輸出至控制單元； 所述控制單元與每個串聯驅動模塊中MOS管的柵極相連，用于根據輸入電壓信息和負載電流信息控制MOS管的柵極電壓，使LED串導通時，負載電流與輸入電壓成正比關系。
2.如權利要求1所述的開關管分離式LED驅動電路結構，其特征在于， 所述輸入電壓檢測單元包括相連的第一電壓采樣電阻和第二電壓采樣電阻，所述第一電壓采樣電阻的一端接串聯拓撲結構的高電壓端，第一電壓采樣電阻的另一端接第二電壓采樣電阻和控制單元的電壓輸入端；所述第二電壓采樣電阻的一端接第一電壓采樣電阻和控制單元的電壓輸入端，另一端接串聯拓撲結構的低電壓端。
3.如權利要求1所述的開關管分離式LED驅動電路結構，其特征在于， 所述輸入電壓檢測單元包括相連的電壓采樣電阻和非線性器件，所述電壓采樣電阻的一端接串聯拓撲結構的高電壓端，另一端接所述非線性器件和控制單元的電壓輸入端；所述非線性器件的一端接電壓采樣電阻和控制單元的電壓輸入端，另一端接串聯拓撲結構的低電壓端。
4.如權利要求3所述的開關管分離式LED驅動電路結構，其特征在于， 所述非線性器件為二極管。
5.如權利要求1所述的開關管分離式LED驅動電路結構，其特征在于， 所述負載電流檢測單元包括一個或多個電流采樣電阻，所述電流采樣電阻與串聯拓撲結構中MOS管的 對應，每個電流米樣電阻位于所對應的MOS管的低電壓端和串聯拓撲結構的低電壓端之間，每個電流采樣電阻與MOS管之間的連接點連接控制單元相應的電流輸入端。
6.如權利要求1所述的開關管分離式LED驅動電路結構，其特征在于， 所述控制單元包括一個或多個控制模塊，所述控制模塊與串聯拓撲結構中MOS管的一一對應，每個控制模塊包括:依次相連的放大器、模數轉換器和數字信號處理器，其中， 所述放大器的電壓輸入端接收輸入電壓信息，電流輸入端接收所對應的串聯驅動模塊的負載電流信息，輸出端接所述模數轉換器，所述放大器用于將輸入電壓信息與負載電流信息進行比較并放大，輸出至模數轉換器； 所述模數轉換器用于將接收到的模擬信號轉換為數字信號，發送至數字信號處理器； 所述數字信號處理器與所對應的MOS管的柵極相連，用于將接收到的數字信號進行濾波后，控制所連接的MOS管的柵極電壓，使負載電流與輸入電壓成正比關系。
【文檔編號】H05B37/02GK203632941SQ201320849277
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】馮向光, 孫國喜, 劉國旭 申請人:易美芯光（北京）科技有限公司