自適應基準恒流源led驅動裝置制造方法
【專利摘要】一種自適應基準恒流源LED驅動裝置，采樣單元與串接在LED照明燈組端的采樣電阻相接，獲取一預設采樣時間段內LED照明燈組端的采樣電流集；濾波運算單元與采樣單元相接，接收采樣電流集并進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取并鎖定基準電流后輸出至運算放大器的同相端；運算放大器的反相端接采樣電阻，通過反相端實時獲取LED照明燈組端的采樣電流；運算放大器比較采樣電流以及基準電流，獲取電流差并輸出一功率驅動單元以動態調節恒定輸出電流。本實用新型采用動態自適應基準恒流源來消除紋波，自適應恒流源以預設采樣時間段內實際輸出電流的平均值為基準，為傳統單級功率因數校正LED照明燈組提供精準的恒流源。
【專利說明】自適應基準恒流源LED驅動裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及LED照明恒流源【技術領域】，尤其涉及一種動態自適應基準恒流源LED驅動裝置。
【背景技術】
[0002]LED以其高效、節能、環保及壽命長等優點受到越來越多的關注。由于LED的發光強度由流過LED的電流大小決定，并且流過LED的電流與LED兩端的電壓成指數關系，因此當LED兩端的電壓有微小的變化時，其流過的電流會產生較大的變化。為了保證LED照明系統正常使用，保證流過LED的電流不受紋波電壓的影響，需要給LED照明系統增加穩壓裝置即恒流源裝置。
[0003]參考圖1，現有自帶有源功率因素校正的LED驅動電路示意圖，輸入的電壓經整流、穩壓、耦合、濾波等處理后，輸出恒定的電流至LED。該電路是雙管LED日光燈情況下自帶功率因數校正的LED驅動電路，可以采用MP4021A型隔離驅動芯片，其具有最高50W的驅動能力。并聯在雙管LED日光燈兩端起濾波作用的大電容CO的值可以為8000uF。
[0004]參考圖2，固定基準恒流源LED驅動電路示意圖，其為在圖1中自帶功率因素校正的應用條件下，采用固定基準的恒流源來降低輸出紋波電流的電路，電路中串聯了 D1-D8共8個LED照明燈。圖中標號21所示部分為把初級側的控制作用折算到次級側的示意圖，Ipeak為這個包絡電流的峰值，Iava為這個包絡電流的平均值也就是恒流控制的目標值。電阻R1、電容C3以及穩壓管D9組成穩壓電路給運放UlA供電；其中Rl的阻值為IK歐姆、C3為無極性電解電容其容值為10uF，D9的參考電壓為5.1V。電容C2用作旁路電容器，采用瓷片電容(Cap Ceramic)其容值為0.1 uF。電容Cl用作濾波電容器，采用極性電解電容(CapPol3)其容值為1000 UF0圖中標號22所示部分為固定基準恒流源的局部圖，采樣電阻R3上產生的壓降輸入到運算放大器UlA的反相端，電阻R2以及穩壓管DlO組成基準電壓電路中，電阻R2上獲取的壓降輸入到運算放大器UlA的同相端，通過運算放大器UlA進行比較來獲取電壓差，進而通過控制晶體管Ql的導通時間對LED照明燈進行恒流控制；其中R2的阻值為IK歐姆，R3的阻值可選為40歐姆，DlO的參考電壓為1.2V，運算放大器UlA采用TLC27L2CP芯片，晶體管Ql采用M0SFET-N型晶體管。
[0005]參見圖3，單級PFC恒流LED照明燈的V-1曲線圖，圖中線條31、33為LED的輸出電流范圍，線條32為LED的平均電流；由圖可以看出3%左右的電流誤差，可能產生30%以上的電壓誤差，這個電壓差如果完全加在圖2所示的次級側恒流源上，將大大降低效率，并產生大量的熱。而圖2所示的固定基準恒流源LED驅動電路，由于1C、MOSFET和變壓器等的誤差，把初級側的控制作用折算到次級側一般精度在5%左右，固定基準恒流源一般精度在2%左右，綜合以上，使用固定基準恒流源接在次級側用來恒流，最大匹配誤差可能高達7% ;增加了 LED照明燈組件的功耗及熱耗，不利于轉化效率的提高。
[0006]進一步地，在實際使用過程中，由于溫度，輸入電壓等因素的變化，由AC-DC恒流源驅動電路產生的恒流可能發生漂移，一般也在2?5%之間，正漂移會在固定基準恒流源上產生更大的壓降，造成幾乎無法承受的熱耗散，負漂移會部分抵消固定基準恒流源的作用，嚴重的會讓固定基準恒流源完全失去作用。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在于，提供一種自適應基準恒流源LED驅動裝置，采用動態自適應基準恒流源來消除紋波電路，充分規避AC-DC恒流源的正常誤差，大幅降低恒流源的紋波電流，消除LED燈光的閃爍，解決常見的次級側恒流源效率低和發熱問題，為傳統單級功率因數校正LED照明燈組提供精準的恒流源。
[0008]為了實現上述目的，本實用新型提供了一種自適應基準恒流源LED驅動裝置，包括采樣單元、濾波運算單元以及運算放大器；所述采樣單元與串接在LED照明燈組端的采樣電阻相接，用于獲取一預設采樣時間段內LED照明燈組端的采樣電流集；所述濾波運算單元與所述采樣單元相接，用于接收所述采樣電流集并進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取基準電流并鎖定輸出至所述運算放大器的同相端；所述運算放大器的反相端接所述采樣電阻，通過反相端實時獲取LED照明燈組端的采樣電流；所述運算放大器比較所述采樣電流以及基準電流，獲取電流差并輸出至一功率驅動單元以動態調節恒定輸出電流。
[0009]可選的，當所述LED驅動裝置工作于交流電供電體系中時，所述預設采樣時間段為所述交流電供電體系半周期的整數倍。可選的，所述預設采樣時間段大于所述交流電供電體系半周期的5倍。
[0010]可選的，所述預設采樣時間段為所述采樣電流集中采樣電流周期值的整數倍。
[0011]進一步，所述基準電流為所述預設采樣時間段內采樣電流集的平均值。
[0012]可選的，所述濾波運算單元進一步獲取所述預設采樣時間段內的紋波系數，若所述紋波系數超過預設閾值，則重新獲取基準電流并鎖定輸出至所述運算放大器的同相端。
[0013]本實用新型的優點在于，本實用新型采用動態自適應基準恒流源來消除紋波電路，自適應恒流源以預設采樣時間段內實際輸出電流的平均值為基準，實現了真正恒流，避免了單極功率因數校正和LED驅動電路帶來的輸出大紋波，極大地改善了 LED的固有閃爍問題；和常見的次級側恒流源相比解決了效率低和發熱問題，為傳統單極功率因數校正LED照明驅動燈組提供精準的恒流源，且不需要生產過程的調試，方便大規模生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1，現有自帶有源功率因素校正的LED驅動電路示意圖；
[0015]圖2,固定基準恒流源LED驅動電路不意圖；
[0016]圖3，單級PFC恒流LED照明燈的V-1曲線圖；
[0017]圖4，本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置示意圖；
[0018]圖5，本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動方法流程圖；
[0019]圖6，本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置一實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本實用新型提供的自適應基準恒流源LED驅動裝置的【具體實施方式】做詳細說明。[0021 ] 參考附圖4，本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置示意圖，所述自適應基準恒流源LED驅動裝置10包括運算放大器11、采樣單元12以及濾波運算單元13。本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置10應用在脈動直流下的LED照明恒流系統中。
[0022]所述采樣單元12與串接在LED照明燈組20端的采樣電阻Rl相接，用于獲取一預設采樣時間段At內LED照明燈組20端的采樣電流集。
[0023]一功率驅動單元14串接在采樣電阻Rl上，在所述預設采樣時間段At內，功率驅動單元14處于不變的導通狀態，也即恒流系統不工作，功率驅動單元14直通，從而采樣單元12對LED照明燈組20端的電流可以自由采樣At時間，得到原始電流，以在后續處理后作為基準值鎖定輸入到運算放大器11，與之后恒流系統正常工作實時采集的電流進行比較。
[0024]當所述LED驅動裝置10工作于交流電供電體系中時，所述預設采樣時間段At為所述交流電供電體系半周期的整數倍。如,在50Hz交流電供電體系中，At可以為IOms或IOms的整數倍；在60Hz交流電供電體系中，At可以為8.3ms或其整數倍。作為優選的實施方式，所述預設采樣時間段At大于所述交流電供電體系半周期的5倍，以兼顧精度要求和成本控制。
[0025]當所述LED驅動裝置10工作于人工調控狀態的LED照明恒流系統中或供電體系的工作頻率無法預先獲取時，所述預設采樣時間段At為所述采樣電流集中采樣電流周期值的整數倍。所述濾波運算單元13根據采樣單元12所采集的電流計算獲取采樣電流的周期，進而確定采樣時間段At，采樣單元12根據所確定的采樣時間段At進行采樣，獲取采樣電流集。采樣時間段At可以設置為采樣電流周期的整數倍；優選的，可以將采樣時間段At設定為大于采樣電流周期的5倍。
[0026]所述濾波運算單元13與所述采樣單元12相接，用于接收所述采樣電流集并進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取基準電流并鎖定輸出至所述運算放大器11的同相端113。運算放大器11后續獲取的LED照明燈組20端的實時電流均與該鎖定的基準電流進行比較，以實現恒流。
[0027]所述濾波運算單元13可以將采樣電流集中的電流轉換成相應頻率后，進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取采樣電流集的平均值作為基準電流。如果基準電流是數字量，將基準電流進行模擬化轉換后輸出；如果基準電流是模擬量，直接緩沖輸出。所述濾波運算單元13可以將采樣電流集中的電流進行模數轉換，將模擬量數字化后，進行數字濾波、計算以及歸一化處理，獲取采樣電流集的數字化平均值作為基準電流，再將數字量的基準電流進行模數轉換后輸出。所述濾波運算單元13可以根據采樣電流集中的電流對應出相應的電壓，將電壓轉換成相應占空比后，進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取基準電壓，再轉換成相應基準電流鎖定輸出。
[0028]當基準電流確定后，采樣電阻R1，運算放大器11和功率驅動單元14構成了一個典型的恒流源發生器，電流I=運算放大器11同相端113的基準電壓/采樣電阻Rl阻值。采樣單元12和濾波運算單元13進入鎖定基準電流的監控模式，即當電流不超過設定閾值時，輸出為前述恒定的基準電流鎖定值，功率驅動單元14輸出恒流值，受到環路增益、帶寬的影響，輸出的電流中還有一些交流成分。這時，濾波運算單元13繼續從采樣單元12中得到采樣數據，從這些數據中可以得到平均值和變動的值，在預設采樣時間段內必然有最大值最小值，這個最大值或最小值和平均值的比稱為紋波系數。[0029]在LED照明恒流系統出現較大變化，所述濾波運算單元13獲取到紋波系數較大超過預設閾值時，本實用新型所述裝置的采樣單元12重新進行采樣電流集的獲取，濾波運算單元13對實時獲取的采樣電流集進行預設時間段濾波、計算處理，重新獲取新的基準電流并鎖定輸出至所述運算放大器11的同相端113。在其它實施情況中，LED照明恒流系統工作時，芯片內部的溫度超過預設溫度閾值時，也可以重新進行采樣電流集的獲取，進而重新確定基準電流并鎖定輸出；或者在驅動裝置運行一預設時間段后，重新進行采樣電流集的獲取，進而重新確定基準電流并鎖定輸出。
[0030]所述運算放大器11的反相端112接所述采樣電阻R1，通過反相端112以及采樣電阻Rl實時獲取LED照明燈組20端的采樣電流。所述運算放大器11比較所述采樣電流以及基準電流獲取電流差，通過輸出端111輸出至與所述采樣電阻Rl串聯的功率驅動單元14以動態調節恒定輸出電流。
[0031]所述功率驅動單元14可以為一晶體管或一 MOS管。根據輸入的電流差控制晶體管或MOS管的導通時間進而動態調節恒定輸出電流。其中，所述功率驅動單元14可以與運算放大器11、采樣單元12以及濾波運算單元13集成在同一塊芯片上，實現自適應恒流驅動；所述功率驅動單元14也可以單獨設置在本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置的外部，并與采樣電阻Rl以及運算放大器11相連，實現自適應恒流驅動。
[0032]本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置采用動態自適應基準恒流源來消除紋波電路，自適應恒流源以預先采樣獲取的基準電流為基準，充分避免了恒流源的誤差，解決了效率低和發熱問題，為LED照明燈組提供精準的恒流源。
[0033]參考附圖5，本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動方法的流程圖，所述方法采用本實用新型所述的自適應基準恒流源LED驅動裝置。以下結合圖4、圖5，對所述方法進行詳細說明。
[0034]S51:獲取一預設采樣時間段內LED照明燈組端的采樣電流集。在所述預設采樣時間段At內，恒流系統不工作，采樣單元12對LED照明燈組20端的電流可以自由采樣At時間，得到原始電流，以在后續處理后作為基準值鎖定輸入到運算放大器11的同相端113，與之后恒流系統正常工作實時采集的電流進行比較。
[0035]當所述LED驅動裝置10工作于交流電供電體系中時，所述預設采樣時間段At為所述交流電供電體系半周期的整數倍。作為優選的實施方式，所述預設采樣時間段At大于所述交流電供電體系半周期的5倍，以兼顧精度要求和成本控制。當所述LED驅動裝置10工作于人工調控狀態的LED照明恒流系統中或供電體系的工作頻率無法預先獲取時，所述預設采樣時間段At為所述采樣電流集中采樣電流周期值的整數倍。所述濾波運算單元13根據采樣單元12所采集的電流計算獲取采樣電流的周期，進而確定采樣時間段At，采樣單元12根據所確定的采樣時間段At進行采樣，獲取采樣電流集。采樣時間段At可以設置為采樣電流周期的整數倍；優選的，可以將采樣時間段At設定為大于采樣電流周期的5倍。
[0036]S52:對所述采樣電流集進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取基準電流并鎖定輸出。可以通過濾波運算單元13將采樣電流集中的電流轉換成相應頻率后，進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取采樣電流集的平均值作為基準電流。如果基準電流是數字量，將基準電流進行模擬化轉換后輸出至運算放大器11 ;如果基準電流是模擬量，直接緩沖輸出至運算放大器11。也可以通過濾波運算單元13將采樣電流集中的電流進行模數轉換，將模擬量數字化后，進行數字濾波、計算以及歸一化處理，獲取采樣電流集的數字化平均值作為基準電流，再將數字量的基準電流進行模數轉換后輸出至運算放大器11。
[0037]當基準電流確定后，運算放大器11、功率驅動單元14、采樣電阻Rl構成了一個典型的恒流源發生器，采樣單元12和濾波運算單元13進入鎖定基準電流的監控模式，即當電流不超過設定閾值時，輸出為前述恒定的基準電流鎖定值。作為優選的實施方式，所述方法進一步包括:獲取所述預設采樣時間段內的紋波系數，若所述紋波系數超過預設閾值，則重新獲取基準電流并鎖定輸出，以確保恒流的精準度。在LED照明恒流系統輸出電流變化較大，或芯片內部的溫度超過預設溫度閾值時，或者在驅動裝置運行一預設時間段后，也可以重新進行采樣電流集的獲取，進而重新確定基準電流并鎖定輸出。
[0038]S53:實時獲取LED照明燈組端的采樣電流。通過所述運算放大器11的反相端112接采樣電阻Rl，從而通過反相端112實時獲取LED照明燈組端的采樣電流。
[0039]S54:比較所述采樣電流以及基準電流獲取電流差，并根據所述電流差動態調節恒定輸出電流。所述運算放大器11將接收到的采樣電流與基準電流進行比較，獲取電流差；通過輸出端111輸出至功率驅動單元14以動態調節恒定輸出電流。也即，自適應恒流源以預先采樣獲取的基準電流為基準，充分避免了恒流源的誤差，解決了效率低和發熱問題，為LED照明燈組提供精準的恒流源。
[0040]以下結合圖6，給出本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置的一實施例。
[0041]參考附圖6，本實用新型所述自適應基準恒流源LED驅動裝置應用在脈動直流下的LED照明系統中。所述LED驅動裝置工作于50Hz交流電供電體系中。LED照明系統中串聯了 D1-D8共8個LED照明燈；電容C2用作旁路電容器，采用瓷片電容(Cap Ceramic)其容值為10 uF ;電容Cl用作濾波電容器，采用極性電容(Cap Pol3)其容值為1000 uF。
[0042]功率驅動單元采用MOSFET-N型晶體管Ql，晶體管Ql的漏極接入LED照明燈組的最后一個LED照明燈D8的陽極，晶體管Ql的源極通過采樣電阻Rl (其阻值為10歐姆)接地，晶體管Ql的柵極接入運算放大器11的輸出端111。
[0043]所述采樣單元12與所述采樣電阻Rl相接，用于獲取一預設采樣時間段At內LED照明燈組20端的采樣電流集。本實施例中，所述LED驅動裝置工作于50Hz交流電供電體系中，故所述預設采樣時間段At可以為IOms或IOms的整數倍。
[0044]在所述預設采樣時間段At內，晶體管Ql處于不變的直通狀態，從而采樣單元12對LED照明燈組20端的電流可以自由采樣At時間，得到原始電流，以在后續處理后作為基準值鎖定輸入到運算放大器11，與之后恒流系統正常工作實時采集的電流進行比較。
[0045]本實施例中，所述濾波運算單元13包括依次相接的模數轉換單元131、數字變換單元132以及數模轉換單元133。
[0046]所述模數轉換單元131 —端與所述采樣單元12相接，另一端與所述數字變換單元132相接，所述模數轉換單元131用于將At內獲取的采樣電流集進行數字化轉換。由于采樣單元12通過采樣電阻Rl獲取的采樣電流集為模擬量，還需要通過模數轉換單元131對這些模擬量進行數字化轉換，轉化成數字變換單元132可以處理的數據格式。
[0047]所述數字變換單元132與所述數模轉換單元133相接，用于對所接收的數字化的采樣電流集進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取基準電流并輸入至所述數模轉換單元133。本實施方式中所述數字變換單元132對所述預設采樣時間段At內數字化的采樣電流集取平均值，從而獲取所述基準電流。
[0048]所述數模轉換單元133與所述運算放大器11的同相端113相接，用于將基準電流進行模擬化轉換并輸出至所述運算放大器11的同相端113。
[0049]所述運算放大器11的輸出端111接晶體管Ql的柵極、反相端112接采樣電阻R1、同相端113接所述數模轉換單元133、所述運算放大器11的一端口 114接地保護，另一端口 118接通過一電容C3 (容值為2.2 uF)接地保護。所述運算放大器11的反相端112通過采樣電阻Rl實時獲取LED照明燈組20端的采樣電流。
[0050]所述運算放大器11將接收到的采樣電流與基準電流進行比較，獲取電流差并輸出至晶體管Ql的柵極，以控制晶體管Ql的導通時間，從而實現動態調節恒定輸出電流。
[0051]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種自適應基準恒流源LED驅動裝置，其特征在于，包括采樣單元、濾波運算單元以及運算放大器； 所述采樣單元與串接在LED照明燈組端的采樣電阻相接，用于獲取一預設采樣時間段內LED照明燈組端的采樣電流集； 所述濾波運算單元與所述采樣單元相接，用于接收所述采樣電流集并進行濾波、計算以及歸一化處理，獲取基準電流并鎖定輸出至所述運算放大器的同相端； 所述運算放大器的反相端接所述采樣電阻，通過反相端實時獲取LED照明燈組端的采樣電流； 所述運算放大器比較所述采樣電流以及基準電流，獲取電流差并輸出至一功率驅動單元以動態調節恒定輸出電流。
2.根據權利要求1所述的自適應基準恒流源LED驅動裝置，其特征在于，當所述LED驅動裝置工作于交流電供電體系中時，所述預設采樣時間段為所述交流電供電體系半周期的整數倍。
3.根據權利要求2所述的自適應基準恒流源LED驅動裝置，其特征在于，所述預設采樣時間段大于所述交流電供電體系半周期的5倍。
4.根據權利要求1所述的自適應基準恒流源LED驅動裝置，其特征在于，所述預設采樣時間段為所述采樣電流集中采樣電流周期值的整數倍。
5.根據權利要求1所述的自適應基準恒流源LED驅動裝置，其特征在于，所述基準電流為所述預設采樣時間段內采樣電流集的平均值。
6.根據權利要求1所述的自適應基準恒流源LED驅動裝置，其特征在于，所述濾波運算單元進一步獲取所述預設采樣時間段內的紋波系數，若所述紋波系數超過預設閾值，則重新獲取基準電流并鎖定輸出至所述運算放大器的同相端。
【文檔編號】H05B37/02GK203761641SQ201420001129
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】張洪為 申請人:張洪為