CN102523666A

CN102523666A - 一种高效率的led驱动电路及其驱动方法

Info

Publication number: CN102523666A
Application number: CN2012100120983A
Authority: CN
Inventors: 陈伟
Original assignee: Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
Current assignee: Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: US9078323B2; US20130181626A1; CN102523666B; US20140246985A1; US8773041B2

Abstract

依据本发明的一种高效率的LED驱动方法，用以驱动一LED装置，包括：接收一交流输入电压，并进行检测以获得所述交流输入电压的绝对值；一功率开关接收一直流母线电压，并产生一驱动电压和驱动电流，来驱动所述LED装置；所述直流母线电压由所述交流输入电压经过整流获得；根据所述驱动电流调节第一基准电压；采样所述LED装置的驱动电压；比较所述交流输入电压的绝对值和所述驱动电压与所述第一基准电压之和；当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，关断所述功率开关；当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压而小于所述驱动电压与第一基准电压之和时，导通所述功率开关，以产生一输出电流；所述输出电流的平均值与所述LED装置所需的驱动电流相匹配。

Description

一种高效率的LED驱动电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更具体的说，涉及一种应用于LED装置的驱动电路及其驱动方法。

背景技术

随着照明行业的不断创新和迅速发展，加之节能和环保日益重要，LED照明作为一种革命性的节能照明技术，正在飞速发展。然而，由于LED灯的亮度与光输出强度参数相关，其与它的电流及正向压降成正比，并随温度变化而变化。因此，LED的驱动需要恒流电源，以保证LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。可见，选择正确的LED驱动至关重要。没有好的LED驱动电源的匹配，LED照明的优势无法得以体现。

现有技术中，通常采用两种类型的功率调节器来作为LED驱动器，一种是线性调节器，另一种是开关型调节器。参考图1A，所示为现有技术中的一种采用线性调节器的LED驱动器的原理框图，其包括功率开关M1，误差放大器EA1和检测电阻R_sense1。检测电阻R_sense1采样功率开关M1的输出电流，并与一基准值V_REF1通过所述误差放大器EA1进行误差放大运算，以得到一误差信号V_error1。功率开关M1接收直流母线电压V_bus和所述误差信号V_error1，以产生基本恒定的输出电压和输出电流来驱动LED装置。可见，采用线性调节器的LED驱动器，电路结构相对简单，元器件较少，成本也较小；但是，这种LED驱动器的效率很低。例如，输入交流电压的范围为90-265V，经过整流桥获得的直流母线电压的范围约为120V-375V。因此，所述LED装置的驱动电压不能大于最小母线电压(即120V)，显然，对375V的直流母线电压(交流265V)而言，所产生的功率损耗是非常大的，效率将会低于35％。

参考图1B，所示为现有技术中的一种采用开关型调节器的LED驱动器的原理框图；其中，功率开关M2，输出电感L1，输出二极管D1组成一降压型拓扑结构；检测电阻R_sense2采样流过所述LED装置的电流，并与一基准值V_REF2进行误差运算，以得到一误差信号V_error2；控制和驱动电路接收所述误差信号V_error2，以产生相应的驱动信号来驱动功率开关M2，使其周期性的导通或者关断，从而输出一基本恒定的输出电压和输出电流来驱动LED装置。如果不考虑功率开关和磁性元件(电感)上的导通损耗，开关型调节器理论上可以达到接近100％的工作效率。但是，开关型调节器的工作频率很高，因此EMI滤波电路是必不可少的。因此，相比于线性调节器，开关型调节器的元器件数目较多，尺寸较大，成本也相对较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效率的LED驱动电路，其只采用一个功率开关；根据输入电压与驱动电压之间的数值关系，选择性的输出电流；当输入电压较高时，没有输出电流；当输入电压较小时，输出一定电流以驱动LED装置。

依据本发明的一实施例的一种高效率的LED驱动方法，用以驱动一LED装置，包括：

接收一交流输入电压，并进行检测以获得所述交流输入电压的绝对值；

一功率开关接收一直流母线电压，并产生一驱动电压和驱动电流，来驱动所述LED装置；所述直流母线电压由所述交流输入电压经过整流获得；

根据当前驱动电流和所述LED装置的期望驱动电流来产生一可变的第一基准电压；

采样所述LED装置的驱动电压；

比较所述交流输入电压的绝对值和所述驱动电压与所述第一基准电压之和；

当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，关断所述功率开关；

当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压而小于所述驱动电压与第一基准电压之和时，导通所述功率开关，以产生一输出电流；所述输出电流的平均值与所述期望驱动电流相匹配。

进一步的，所述第一基准电压的产生步骤还包括：

采样所述LED装置的当前驱动电流；

计算当前驱动电流和期望驱动电流之间的误差，以获得一误差控制信号；

当当前驱动电流小于所述期望驱动电流时，所述误差控制信号调节所述第一基准电压，以使第一基准电压增加；

当当前驱动电流大于所述期望驱动电流时，所述误差控制信号调节所述第一基准电压，以使第一基准电压减小。

优化的，所述第一基准电压的产生步骤包括：

根据所述误差控制信号控制一可控电流源；

利用所述可控电流源给一电阻充电，从而将所述电阻两端的电压作为所述第一基准电压。

优化的，所述LED驱动方法还包括，对所述功率开关的导通电流进行限流。

优化的，所述LED驱动方法包括，对所述功率开关的导通电流的波形进行整形操作。

依据本发明一实施例的一种高效率的LED驱动电路，包括一功率开关，以接收一交流输入电压，并产生驱动电压和驱动电流来驱动一LED装置，包括，

交流电压检测电路，用以接收所述交流输入电压，并获得所述交流输入电压的绝对值；

反馈控制电路，用以根据接收到的所述驱动电流和所述LED装置的期望驱动电流来产生一可变的第一基准电压；

第一比较电路，分别与所述交流电压检测电路和所述反馈控制电路连接，用以比较接收到的所述交流输入电压的绝对值与所述第一基准电压和所述驱动电压之和；

所述功率开关的第一功率端接收一直流母线电压，所述直流母线电压由所述交流输入电压经过一整流桥整流后获得；第二功率端连接至一输出电容；控制端连接至所述第一比较电路；

当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压和所述第一基准电压之和时，所述第一比较电路控制所述功率开关关断；

当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压而小于所述驱动电压和所述第一基准电压之和时，所述第一比较电路控制所述功率开关导通，从而产生一输出电流，并且保证所述输出电流的平均值与所述期望驱动电流相匹配。

优选的，所述反馈控制电路包括检测电路，误差放大器，第一基准电压发生电路；其中，

所述检测电路串联连接至输出电容和所述LED装置之间，以采样当前驱动电流；

所述误差放大器用以计算接收到的当前驱动电流和所述期望驱动电流之间的误差，以获得一误差控制信号；

所述第一基准电压发生电路根据接收到的所述误差控制信号，以相应的产生变化的所述第一基准电压，并与所述驱动电压叠加后，输入至所述第一比较电路。

优选的，所述第一基准电压发生电路包括一可控电流源和一电阻；

所述误差控制信号输入至所述可控电流源，以控制所述可控电流源的输出电流；所述可控电流源的输出电流在一电阻上的电压作为所述第一基准电压。

优化的，所述LED驱动电路还包括连接在所述功率开关和所述整流桥之间的限流电路，以对所述功率开关的导通电流进行限制。

优化的，所述LED驱动电路还包括连接在所述功率开关和所述整流桥之间的波形整形电路，以对所述功率开关的导通电流的波形进行整形，以减小其谐波分量。

依照本发明所公开的高效率的LED驱动电路和驱动方法，根据输入电压与驱动电压之间的数值关系，选择性的输出电流，以实现最大的工作效率；同时，主电路结构相对简单，不再需要复杂的电磁干扰滤除电路，尺寸和成本相对也得到了较好的优化。

附图说明

图1A所示为采用现有技术的一种线性调节器的LED驱动器的原理框图；

图1B所示为采用现有技术的一种开关型调节器的LED驱动器的原理框图；

图2A所示为依据本发明一实施例的高效率的LED驱动电路的原理框图；

图2B所示为图2A所示的依据本发明的LED驱动电路的工作波形图；

图3所示为依据本发明另一实施例的高效率的LED驱动电路的原理框图；

图4所示为依据本发明的一优选实施例的高效率的LED驱动方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

以下结合具体实施例详细说明依据本发明的LED驱动电路的实现方式。

参考图2A，所示为依据本发明的第一实施例的高效率的LED驱动电路的原理框图。在该实施例中，所述LED驱动电路包括功率开关S_M，输出电容C_out，第一比较电路201、反馈控制电路202和输入交流电压检测电路203；其中，

所述功率开关S_M第一功率端耦合至直流母线电压V_bus(输入电压)的第一端，第二功率端耦合至一LED装置的第一端，所述直流母线电压V_bus由输入交流电压经过整流桥整流获得；

所述输出电容C_out与所述LED装置并联连接，并且其第一端耦合至功率开关S_M的第二功率端，第二端耦合至所述直流母线电压V_bus的第二端；

所述输入交流电压检测电路203用以接收输入交流电压，并获得交流输入电压绝对值V_ab；

所述反馈控制电路202接收表征当前所述LED装置的驱动电流I_LED的第一控制信号I_sense和表征期望驱动电流的第二基准电压V_ref2，以产生所述可调节的第一基准电压V_ref1；

所述第一比较电路201的第一输入端与所述交流输入电压检测电路203连接，以接收所述交流输入电压绝对值V_ab，第二输入端接收所述LED装置的驱动电压V_LED与所述第一基准电压V_ref1的和值；第一比较电路201的输出端耦合至所述功率开关S_M的控制端，以利用驱动信号V_drive控制所述功率开关S_M的状态；

当所述交流输入电压的绝对值V_ab大于所述驱动电压V_LED和所述第一基准电压V_ref1之和时，所述第一比较电路201控制所述功率开关S_M关断；

当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压V_LED而小于所述驱动电压V_LED和所述第一基准电压V_ref1之和时，导通所述功率开关S_M，从而产生一输出电流I_out，并且保证所述输出电流的平均值与所述期望驱动电流相匹配。

以下结合图2B所示的图2A所示的LED驱动电路的工作波形图详细说明依据本发明的图2A所示的LED驱动电路的工作过程。

当所述交流输入电压绝对值V_ab大于所述驱动电压V_LED和所述第一基准电压V_ref1之和时，所述第一比较电路201控制所述功率开关S_M关断，没有输出电流；

当所述交流输入电压绝对值V_ab大于所述驱动电压V_LED而小于所述驱动电压V_LED和所述第一基准电压V_ref1之和时，导通所述功率开关S_M，以产生一定的输出电流I_out；在半个工作周期T/2内，输出电流I_out的持续时间2×t₁；由于可调节的第一基准电压表征当前的LED驱动电流与期望驱动电流之间的差异，所以通过对第一基准电压V_ref1数值的调节，保证功率开关S_M的输出电流I_out的平均值与期望驱动电流相匹配。

当所述直流母线电压V_bus小于所述驱动电压V_LED时，所述LED驱动电路不工作，即此时功率开关S_M的输出电流为零。

采用图2A所示的依据本发明的LED驱动电路，在直流母线电压即输入电压较小时，功率开关S_M在一定的时间区间内输出一定的输出电流；由于该时间区间表征当前的LED驱动电流与期望驱动电流之间的差异，所以可以保证所述输出电流的平均值与所需的驱动电流相匹配，以满足驱动LED装置的要求；而在直流母线电压较大时，关断所述功率开关，因此与现有技术中采用线性调节器的LED驱动器相比，其工作效率大大提升。

例如，假设LED装置的驱动电压V_LED＝120V，直流母线电压的峰值V_pk＝240V，LED装置的驱动电流为I_LED＝100mA；

则对采用线性调节器的LED驱动器而言(如图1A)，其工作效率为：

η_{1} = \frac{V_{LED}}{V_{bus}} = 50 % - - - (1)

而对采用本发明的LED驱动方法的LED驱动电路而言，假设第一基准电压的数值为2.4V，则驱动电流I_LED可以近似表示为：

\frac{I_{out} \times (2 \times t_{1})}{T / 2} \approx I_{LED} --- (2)

即所以驱动电流I_LED可以近似表示为：

\frac{4 \times I_{out} \times t_{1}}{T} \approx I_{LED} - - - (3)

输入功率P_in可以近似表示为：

P_{in} \approx \frac{4 \times I_{out} \times t_{1}}{T} \times (V_{LED} + V_{ref 1} / 2) \approx I_{LED} \times (V_{LED} + V_{ref 1} / 2) - - - (4)

所以采用本发明的LED驱动方法的LED驱动电路，其工作效率为：

η₂＝V_LED×I_LED/P_in＝V_LED/(V_LED+V_ref1/2)≈99％ (5)

由于第一基准电压V_ref1的数值相对于驱动电压V_LED的数值很小，因此可以忽略，所以工作效率近似可以达到100％，获得了远远高于现有技术的LED驱动方法的效率。

优化的，为了防止功率开关的导通电流过大，可以在所述功率开关S_M和所述整流桥之间串联连接一限流电路，以对所述功率开关的导通电流进行限制。

优化的，为了减小功率开关的导通电流中的谐波分量，可以在所述功率开关S_M和所述整流桥之间串联连接一波形整形电路，以对所述功率开关的导通电流的波形进行整形。

本领域技术人员可以得知，所述限流电路和波形整形电路可以为任意合适形式的电路结构。

采用图2A所示的依据本发明一实施例的LED驱动电路，功率开关S_M可以为MOSFET晶体管或者其他合适的开关管；反馈控制电路303可以为任何合适形式的控制电路结构。

参考图3，所示为依据本发明的第二实施例的LED驱动电路的原理框图。在图2A所示的LED驱动电路的基础上，在该实施例中，所述LED驱动电路包括功率开关S_M，输出电容C_out，第一比较电路201、反馈控制电路302和输入交流电压检测电路203；其中，反馈控制电路302包括检测电路305、误差放大器301以及由可控电流源303和电阻304组成的第一基准电压发生电路306。

所述检测电路305串联连接至输出电容C_out和所述LED装置之间，以获得一表征当前驱动电流信息的电流采样信号V_sense；

所述误差放大器301的第一输入端与所述检测电路305连接，第二输入端接收第二基准电压V_ref2和所述驱动电压V_LED之和，所述第二基准电压V_ref2表征所述LED装置的期望输出电流；所述误差放大器301用以计算所述电流采样信号与第二基准电压V_ref2和驱动电压V_LED和值之间的误差，以获得一表征当前驱动电流和期望驱动电流之间的差异的一误差控制信号V_error；

所述误差控制信号V_error输入至所述可控电流源303，以控制所述可控电流源303的输出电流；所述可控电流源303的输出电流在电阻304上的电压作为所述第一基准电压V_ref1，并与所述驱动电压V_LED叠加后(图3)，输入至所述第一比较电路201。

其工作过程如下：

当交流输入电压的绝对值V_ab大于所述驱动电压V_LED和所述第一基准电压V_ref1之和时，所述第一比较电路201控制所述功率开关S_M关断，没有输出电流；即当输入电压较大时，由于没有输出电流，也就不会产生功率损耗；

当所述交流输入电压的绝对值V_ab大于所述驱动电压V_LED而小于所述驱动电压V_LED和所述第一基准电压V_ref1之和时，计算检测电路A端的电压V_A与B端电压V_B和驱动电压V_LED的和值之间的误差；

当V_A＞V_B+V_ref2时，即当前驱动电流大于期望驱动电流时，误差放大器301输出的误差控制信号V_error减小，可控电流源303的输出电流相应减小，从而电阻304上的压降减小，即第一基准电压V_ref1减小；功率开关可产生输出电流的时间区间即t₁减小，从而减小输出电流的平均值即降低驱动电流；

当V_A＜V_B+V_ref2时，即当前驱动电流小于期望驱动电流时，误差放大器301输出的误差控制信号V_error增大，可控电流源303的输出电流相应增大，从而电阻304上的压降增大，即第一基准电压V_ref1增大；功率开关可产生输出电流的时间区间即t₁增大，从而增大输出电流的平均值即增加驱动电流；由于可调节的第一基准电压表征当前的LED驱动电流与期望驱动电流之间的差异，所以通过对第一基准电压V_ref1数值的调节，保证功率开关的输出电流I_out的平均值与期望驱动电流相匹配。

采用图3所示的依据本发明的LED驱动电路，检测电路305可以为电阻或者其他可以具有类似功能的元器件或者电路模块；功率开关S_M可以为MOSFET晶体管或者其他合适的开关管；第一基准电压发生电路306也可以替换为其他任何合适形式的可调节电压发生电路。

以下结合实施例详细说明依据本发明的高效率的LED驱动方法。

参考图4，所示为依据本发明一优选实施例的高效率的LED驱动方法的流程图。在该实施例中，依据本发明的LED驱动方法包括以下步骤：

S401：接收一交流输入电压，并进行检测以获得所述交流输入电压的绝对值；

S402：一功率开关接收一直流母线电压，并产生一驱动电压和驱动电流，来驱动一LED装置；

所述直流母线电压由所述交流输入电压经过整流获得；

S403：根据当前所述驱动电流和所述LED装置的期望驱动电流来产生第一基准电压；

S404：采样所述LED装置的驱动电压；

S405：比较所述交流输入电压的绝对值和所述驱动电压与所述第一基准电压之和；

S406：当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，关断所述功率开关；

S407：当所述交流输入电压的绝对值大于所述驱动电压而小于所述驱动电压与第一基准电压之和时，导通所述功率开关，以产生一输出电流；

所述输出电流的平均值与所述期望驱动电流相匹配。

其中，所述第一基准电压的调节步骤包括：

采样所述LED装置的当前驱动电流；

优化的，当前驱动电流的检测步骤包括：

利用一检测电路采样当前驱动电流，以获得一电流采样信号；

计算所述电流采样信号与表征期望驱动电流的第二基准电压和当前驱动电压的和值之间的误差，以获得所述误差控制信号。

优化的，第一基准电压的调节步骤包括：

根据所述误差控制信号控制一可控电流源；

优化的，为了防止功率开关的导通电流过大，可以对所述功率开关的导通电流进行限流。

优化的，为了降低功率开关的导通电流中的谐波分量，可以对所述功率开关的导通电流的波形进行整形操作。

通过上述LED驱动方法，在直流母线电压即输入电压较小时，功率开关在一定的时间区间内输出一定的输出电流；通过对所述时间区间的长度的调整，保证所述输出电流的平均值与所需的驱动电流相匹配，以满足驱动LED装置的要求；而在直流母线电压较大时，关断所述功率开关，因此与现有技术中采用线性调节器的LED驱动器相比，其工作效率大大提升。

综上所述，依照本发明所公开的高效率的LED驱动电路和驱动方法，根据输入电压与驱动电压之间的数值关系，选择性的输出相应的输出电流，在获得最大的工作效率的同时，主电路结构相对简单，尺寸和成本相对也得到了较好的优化。

以上对依据本发明的优选实施例的高效率的LED驱动电路和驱动方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种高效率的LED驱动方法，用以驱动一LED装置，其特征在于，包括：

采样所述LED装置的驱动电压；

2.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，还包括：

采样所述LED装置的当前驱动电流；

3.根据权利要求2所述的LED驱动方法，其特征在于，还包括：

根据所述误差控制信号控制一可控电流源；

4.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，还包括，对所述功率开关的导通电流进行限流。

5.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，还包括，对所述功率开关的导通电流的波形进行整形操作。

6.一种高效率的LED驱动电路，包括一功率开关，以接收一交流输入电压，并产生驱动电压和驱动电流来驱动一LED装置，其特征在于，包括，

7.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括检测电路，误差放大器，第一基准电压发生电路；其中，

8.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一基准电压发生电路包括一可控电流源和一电阻；

9.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，还包括连接在所述功率开关和所述整流桥之间的限流电路，以对所述功率开关的导通电流进行限制。

10.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，还包括连接在所述功率开关和所述整流桥之间的波形整形电路，以对所述功率开关的导通电流的波形进行整形，以减小其谐波分量。