CN102333405B

CN102333405B - 线性恒流控制器

Info

Publication number: CN102333405B
Application number: CN201110330671.0A
Authority: CN
Inventors: 许瑞清; 金红涛; 李嶷; 刘立国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN102333405A

Abstract

本发明公开了一种线性恒流控制器，包含该控制器的芯片、驱动装置以及照明灯具。所述控制器经恒流源负载连接至输入电压源，其特征在于，所述输入电压源提供对交流电网电压整流的单向脉动电网电压，所述控制器包括：电网电流控制电路，基于一来自所述输入电压源的分压信号和一经放大的误差信号，控制在所述单向脉动电网电压的取电流窗口内获取电网电流；以及误差放大电路，基于经所述电网电流控制电路流出的电网电流的检测信号，确定所述电网电流的平均电流，以及产生所述经放大的误差信号。按照本发明，能够明显提高线性恒流控制器的效率，并且成本较低，同时也能够获得较好的线调整率和负载调整率。

Description

线性恒流控制器

技术领域

本发明涉及线性恒流控制器电路，具体而言，涉及一种用于驱动恒流源负载的高效率线性恒流控制器，包含该控制器的芯片与驱动装置，以及包含所述驱动装置的照明灯具。

背景技术

由于具有光效高、寿命长、无辐射与低功耗等特点，发光二极管(LED)在照明工业中的应用日益广泛。作为一种恒流源负载，LED需要与恒压源负载不同的控制器。目前，工业界主要有两大类驱动LED的控制器。一类是开关恒流控制器，主要特点在于需要电感和变压器，在各种条件下效率一般都实现得较高，但同时成本也高。另一类是线性恒流控制器，它不需要电感和变压器，虽然在某些条件下效率很难实现得高，但是成本很低。

参照图1，图1示出了现有技术的线性恒流方案。其中，经整流桥180整流，再经电容105滤波之后，由全球照明电网提供的交流110V或交流220V电压转换为近似直流电压VIN。LED负载190和功率场效应管101以及恒流控制器100串接在一起。恒流控制器100用于实现恒流控制，功率场效应管101承担多余的电压和功率耗散，也就是散热。电阻103、稳压二极管104用以实现电压钳位，向功率场效应管101的栅极提供合适的直流电压。

由于控制器100实现了恒流控制，控制器100和功率场效应管101消耗的功率为

P_LOSE＝I*(VIN-VLED)

其中，I表示由控制器100决定的LED电流。因交流电网电压基本不变，所以VIN基本不变。那么，决定P_LOSE高低的唯一参数就是VLED。VLED越小，P_LOSE就越大，控制器的效率就越低，产生的热量也就越多。显然，产生的热量越多，电路散热成本就要相应增加，同时控制电路的寿命也受到影响。正是由于上述缺陷的存在，使得线性恒流控制器目前只能在VIN与VLED的差较小的情况下适用。

例如，交流电网电压为220V，负载190由40颗20mA LED串联而成，每颗LED的正向导通电压为3.3V，那么

P_LOSE～0.02*(1.414*220-40*3.3)＝3.6W

效率为

η＝P_LED/P_IN＝2.64/6.22＝42％

控制器的效率比较低，无用热功率P_LOSE高达3.6W。这样不仅造成能源的白白浪费，而且必然需要更高的散热成本来散发如此高的热量，比如需要加装大的散热器。

又如，交流电网电压仍为220V，负载190由80颗20mA LED串联而成，每颗LED的正向导通电压3.3V不变，那么

P_LOSE～0.02*(1.414*220-80*3.3)＝0.9W

效率为

η＝P_LED/P_IN＝5.28/6.22＝85％

可见，VLED增大，控制器的效率明显高于上例，无用热功率P_LOSE也要低得多。

实际上，效率低下的缺陷是限制线性恒流控制器应用的最主要原因。可以预见的是，如果能够实现高效率并且继续维持低成本，线性恒流控制器的应用范围将会相应扩大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种以低成本实现高效率线性恒流控制器的解决机制。

本发明的上述目的通过提供线性恒流控制器、芯片、驱动恒流源负载的装置以及照明灯具而实现。

根据第一方面，提供一种线性恒流控制器，所述控制器经恒流源负载连接至输入电压源，其特征在于，所述输入电压源提供对交流电网电压整流的单向脉动电网电压，所述控制器包括：电网电流控制电路，基于一来自所述输入电压源的分压信号和一经放大的误差信号，控制在所述单向脉动电网电压的取电流窗口内获取电网电流；以及误差放大电路，基于经所述电网电流控制电路流出的电网电流的检测信号，确定所述电网电流的平均电流，以及产生所述经放大的误差信号。

在第一方面中，优选的是，在所述恒流源负载的两端并联一电容，用以对所述电网电流进行平滑滤波。

优选的是，所述电网电流控制电路包括：减法器，其一输入端接收来自所述输入电压源的分压信号，另一输入端接收所述经放大的误差信号，产生第一输出信号，所述第一输出信号的电压为所述两个输入信号的电压差与系数K的乘积，其中K大于等于1；加法器，其一输入端接收所述第一输出信号，另一输入端接收所述电网电流的检测信号，产生第二输出信号；快速放大器，其一输入端接收所述第二输出信号，另一输入端接收第一参考信号；以及功率场效应管，其栅极连接所述快速放大器的输出端，其漏极经所述恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地。

优选的是，所述误差放大电路包括误差放大器以及由电阻和电容组成的环路补偿网络，其中，所述误差放大器第一输入端经环路补偿电阻接收所述电网电流的检测信号，第二输入端接收第二参考信号，其输出端产生所述经放大的误差信号；环路补偿电容，连接在所述误差放大器第一输入端与环路补偿电阻之间的节点和所述误差放大器输出端之间。

优选的是，所述恒流源负载为LED负载。

根据第二方面，提供一种芯片，其特征在于，包括上述第一方面中所述的控制器。

根据第三方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，包括线性恒流控制器和第一电容，所述控制器经恒流源负载连接至输入电压源，其特征在于，所述输入电压源提供对交流电网电压整流的单向脉动电网电压，所述第一电容并联在所述恒流源负载的两端，用以对电网电流进行平滑滤波，所述控制器包括：电网电流控制电路，基于一来自所述输入电压源的分压信号和一经放大的误差信号，控制在所述单向脉动电网电压的取电流窗口内获取电网电流；以及误差放大电路，基于经所述电网电流控制电路流出的电网电流的检测信号，确定所述电网电流的平均电流，以及产生所述经放大的误差信号。

在第三方面中，优选的是，所述装置还包括：与所述输入电压源连接的第一电阻；以及与所述第一电阻串联连接的第二电阻，所述第二电阻连接到参考地，其中，所述第一电阻、第二电阻之间的节点与所述电网电流控制电路连接，用以提供所述分压信号。

优选的是，所述装置还包括：与所述输入电压源连接的第三电阻；以及与所述第三电阻串联连接的第二电容，所述第二电容连接到参考地，用于为所述控制器供电。

根据第四方面，提供一种照明灯具，其特征在于，包括上述第三方面中的驱动装置以及LED负载。

按照本发明，能够明显提高线性恒流控制器的效率，并且成本较低，同时也能够获得较好的线调整率和负载调整率。

附图说明

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中：

图1为现有技术的线性恒流方案示意图；

图2示出了本发明的线性恒流控制器获取电网电流的信号波形；

图3为本发明一实施例的线性恒流控制器的电路结构示意图；

图4示出了图3电路的一种具体实现方式；

图5、图6示出了对图4所示电路仿真的信号波形。

具体实施方式

本发明的基本思想是，先去掉图1中的电容105，这样，使得交流110V或220V电压仅经过整流，VIN不再是近似直流电压，而是100/120Hz的单向脉动信号，如图2所示。此时，VIN电压从最低的0V到最高的311V(220V交流电整流后的结果)连续变化。在VIN电压比LED负载190的正向导通电压VLED低时，LED没有电流。当VIN电压升到比负载190的正向导通电压VLED高时，LED电流开始增加直至达到最大电流限制。若此后VIN电压继续增加，多余的电压(VIN-VLED)则被恒流控制器承担，而控制器承担的功率为P_LOSE＝(VIN-VLED)*ILED，如果ILED不变，(VIN-VLED)越大，P_LOSE越大；但是随着(VIN-VLED)变大反而将ILED降低，则会明显减小P_LOSE，从而能够提高效率，减小控制器的发热量。

简而言之，就是当VIN电压在VLED附近时，控制器才从电网取电流(VIN低于VLED时LED无法开启，所以电网没有电流；VIN大于VLED时，控制器慢慢减小甚至关闭电网电流)，即，VIN存在一个取电流窗口(VLED，VLED+ΔV)，在该窗口外电流很小或者没有，如图2所示。图2清楚地显示出了这个窗口：当电网电压上升到大于VLED时，电网电流很快从零上升到峰值；当电网电压上升到VLED+ΔV时，电网电流开始以一定斜率下降；当电网电压从最高点开始下降时，电网电流波形就是电网电压上升期的波形镜像。

从图2可以看出，除VLED以外，还有四个参数需要控制器确定：一是电流峰值；二是取电窗口的上限值VLED+ΔV；三是电网电压窗口上限处的电网电流下降/上升的斜率；四是电网电流的平均值，该平均值就是LED负载的平均值电流。

由于此时的电网电流是脉动的，不再是直流，因此，最好还配合平滑滤波电路以及平均恒流电路，以保证LED负载电流近似为直流，并且其平均值不随输入电压或者负载电压的变化而变化。

参照图3，图3为本发明一实施例的线性恒流控制器的电路结构示意图。其中，整流桥180、LED负载190以及电阻103与图1类似，不存在图1中的滤波电容105，输入电压源VIN提供对110V或220V交流电网电压整流后的单向脉动电网电压。电容204替换了图1中的稳压二极管104。输出电流通过检测电阻202可编程。当然，检测电阻202也可置于线性恒流控制器200的内部，只不过实现不了输出电流的可编程。

电阻103与输入电压源VIN连接，电容204与电阻103串联连接，电容204的另一端连接到参考地。电容204为控制器200供电。位于控制器200内部的VCC钳位电路210，作用与稳压二极管相同，即，限制VCC的最高电压，从而避免控制器200遭受过高电压的损害。

如图3所示，控制器200主要包括电网电流控制电路220和误差放大电路230，它们构成的控制环路实现对电网电流的精确控制。控制器200可集成于一个芯片上。

电网电流控制电路220基于VSD节点电压信号和经放大的误差信号EAO，控制在单向脉动电网电压的取电流窗口内获取电网电流。这里，VSD节点电压起前馈作用，使得控制环路对电网电压的波动能够很快响应。例如，VSD节点电压可来自电阻205和电阻206对输入电压源VIN的分压。其中，电阻205与VIN连接，电阻206与电阻205串联，电阻206的另一端连接到参考地。则

V(VSD)＝VIN*R206/(R205+R206) (1)

可替换地，VSD节点电压也可这样产生，即，它来自电阻205、电阻206对输入电压源VIN与负载190电压VLED之差(VIN-VLED)的分压。具体连接方法是，电阻205不与VIN连接，而与负载190的负端连接，电阻206仍与电阻205串联，电阻206的另一端连接到参考地。以上两种VSD节点电压产生方式的效果几乎一样。不过，后一种方式的好处在于，电阻205和电阻206可以集成在控制器200内部。

电网电流控制电路220决定了前文提及的几个电网电流的参数，一是电流峰值；二是取电流的电网电压窗口下限值VLED；三是电网电压窗口上限处的电网电流下降/上升的斜率。

基于经电网电流控制电路220流出的电网电流的检测信号CS，误差放大电路230决定电网电流的平均电流，也就是LED负载190的平均电流，同时输出经放大的误差信号EAO。信号EAO送到电网电流控制电路220，以与VSD电压一起决定电压窗口上限值VLED+ΔV。

优选地，电容185并联在LED负载190的两端，用于对电网电流的平滑滤波处理，为负载190提供近似直流的工作电流(如图5和图6中LED电流波形所示)，以达到良好的光效和避免频闪。

图3中，电网电流通过的路径为，先通过整流桥180到达VIN节点，再通过并联的电容185和负载190进入控制器200；控制器200中的电网电流控制电路220就像一个受控制的闸门，它可以决定电流什么时候开始流，流多大，流多久；经过闸门后电流从控制器200的CS端流出，再经过检测电阻202流到参考地，最后回到整流桥180。

参照图4，图4示出了图3电路的一种具体实现方式。其中，电网电流控制电路220包括减法器211、加法器212、快速放大器213以及功率场效应管201。其中，减法器211的一个输入端接收来自VIN的分压信号，另一输入端接收经放大的误差信号EAO，产生输出信号SUBO；加法器212的一个输入端接收信号SUBO，另一输入端接收电网电流的检测信号CS，产生输出信号ADDO；快速放大器213的一个输入端接收信号ADDO，另一输入端接收参考电压REFP，其输出端连接功率场效应管201的栅极；功率场效应管201的漏极经LED负载190连接至VIN，其源极经检测电阻202连接到参考地。

误差放大电路230包括误差放大器(EA)214以及由电容215、电阻216组成的环路补偿网络。

误差放大器214的第一输入端经环路补偿电阻216接收电网电流的检测信号CS，第二输入端接收参考电压REFA。误差放大器214和参考电压REFA决定了LED负载190的平均电流值I_AVG，REFA是一个稳定的直流参考电压。

I_AVG＝V(CS)/R₂₀₂＝V(REFA)/R₂₀₂ (2)

需要注意的是，I_AVG是一个平均值，尽管真实的电网电流(与CS电压对应)是随时间变化的。

环路补偿电容215，连接在误差放大器第一输入端与环路补偿电阻216之间的节点和误差放大器输出端之间，该补偿电容和上述补偿电阻216的作用是保持环路的稳定性，同时使得环路频率带宽远小于VIN的频率100Hz，以实现平均恒流。误差放大器214也叫低频放大器。误差放大器214的输出端产生信号EAO，连接到电网电流控制电路220中的减法器211，由于减法器211的另一个输入端接到节点VSD，减法器211的输出信号SUBO电压为，VSD和EAO两个节点的电压差乘以系数K，即

V(SUBO)＝K*(V(VSD)-V(EAO)) (3)

其中，K＞＝1，K的大小决定了取电流窗口上限处的电网电流下降/上升的斜率。K越大，斜率越大，也就是电流下降/上升得越快。如果K大于20，则减法器211可以视为比较器，此时，电流斜率接近90度垂直。由于VSD是一个随VIN不断变化的电压，而EAO基本是一个直流电压，所以SUBO也是一个随VIN变化的信号。在实际的电路实现中，节点电压不可能是负值，因此当VSD电压比EAO电压低时，SUBO电压实际上为零，如图5中SUBO波形所示。

电网电流控制电路220中加法器212的两个输入信号来自节点SUBO和节点CS，其输出信号ADDO电压等于两个输入信号电压之和，即

V(ADDO)＝V(SUBO)+V(CS) (4)

加法器212的输出信号ADDO接到快速放大器213的一个输入端，直流参考电压REFP接到其另一个输入端。快速放大器213直接控制电网电流的大小，因为其频率带宽远比误差放大器214的带宽大(通常大5000倍以上)。这样，电网电流的峰值就由参考电压REFP和检测电阻202决定，即

I_PEAK＝V(REFP)/R₂₀₂ (5)

由此使得CS最大电压不会超过参考电压REFP，也就是

V(CS)＜＝V(REFP)-V(SUBO) (6)

当V(SUBO)为零，CS电压的最大值就是REFP。若V(SUBO)比V(REFP)大，CS电压当然不会变成负值，而是变为零。

电网电流

I_电网＝V(CS)/R202 (7)

可见，减法器211的输出V(SUBO)大于零就会导致电网电流减小，也就是说，V(SUBO)等于零(此时VSD＝EAO)时所对应的VIN就是取电流窗口的上限值。图5中CS电压波形的凹槽就是这样形成的。

通常，参考电压REFP要比参考电压REFA大，二者比值越大，从电网取电流的电压窗口越窄，效率也会越高。可以从图5和图6中看出该比值对电网电流波形的影响。

图5、图6示出了专业软件对图4所示电路仿真的信号波形。图5与图6外部条件均为，电源AC 50Hz 220V，负载为50颗20mA LED串联。不同之处有两点，一是图5中系数K＝1，图6中系数K＝2；二是图5中REFP/REFA＝2.5，图6中REFP/REFA＝6。最终的LED电流都是近似为直流，均值也都为20mA。在一个VIN周期中，与图5所示电网电流连成一体有所不同，图6所示电网电流(也就是CS电压波形)分成两部分，而这正好体现了本发明的核心思想，即，控制器在VIN电压经过LED负载190的开启电压VLED附近时才吸取电网电流，而其他时候电网电流为零。这一VIN窗口的低点为VLED，高点就是VLED+ΔV。REFP/REFA比值越大，该窗口越窄，ΔV越小，效率越高。因为实际上，CS对X轴积分平均的结果就是负载190电流的平均值(等于REFA/R202)；REFP越高(也就是REFP/REFA比值越大)，电网电流对应的峰值就越大，但是其平均值不能变，因此自然就导致上文提及的电压窗口ΔV越小。

从以下两例中，可看出本发明的线性恒流控制器对于效率的提高。在电网电压均为交流50Hz 220V，REFP比REFA大6倍，K＝2的情况下，例一中，负载190由40颗20mA LED串联而成，每颗LED的正向导通电压3.3V，由专业仿真软件计算仿真得出，采用本发明控制器得到的***转换效率为76％，比背景技术部分中所述现有线性方案的效率(42％)高34个百分点。这样，本发明控制器浪费掉的功率仅为0.8W，远比现有线性方案的3.6W无用功耗低得多，相应地，本发明控制器的散热成本也就低得多；例二中，负载190由80颗20mA LED串联而成，每颗LED的正向导通电压仍为3.3V，同样，由专业仿真软件计算仿真得出，采用本发明控制器得到的***转换效率为90％，比背景技术部分所述现有方案的效率(85％)高5个百分点。

显然，与现有线性恒流控制器相比，本发明的控制器在效率、成本上都有优势，同时也得到了较好的线调整率和负载调整率。

在前文的描述中，图4所示具体电路结构分别只是图3中电网电流控制电路、误差放大电路的一个示例，所述电网电流控制电路、误差放大电路的功能也能够以其他器件实现。而且，本发明并不局限于驱动LED负载，而是可用于驱动任何一种恒流源负载。这对于本领域技术人员而言是易于理解的。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims

1.一种线性恒流控制器，所述控制器经恒流源负载连接至输入电压源，其特征在于，所述输入电压源提供对交流电网电压仅经整流桥整流的单向脉动电网电压，所述控制器包括：

电网电流控制电路，基于一来自所述输入电压源的分压信号和一经放大的误差信号，控制在所述单向脉动电网电压的取电流窗口内获取电网电流；而在所述取电流窗口以外，所述电网电流为零；以及

误差放大电路，基于经所述电网电流控制电路流出的电网电流的检测信号，确定所述电网电流的平均电流，以及产生所述经放大的误差信号。

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，在所述恒流源负载的两端并联一电容，用以对所述电网电流进行平滑滤波。

3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电网电流控制电路包括：

减法器，其一输入端接收来自所述输入电压源的分压信号，另一输入端接收所述经放大的误差信号，产生第一输出信号，所述第一输出信号的电压为所述输入电压源的分压信号和所述经放大的误差信号的电压差与系数K的乘积,其中K大于等于1；

加法器，其一输入端接收所述第一输出信号，另一输入端接收所述电网电流的检测信号，产生第二输出信号；

快速放大器，其一输入端接收所述第二输出信号，另一输入端接收第一参考信号；以及

功率场效应管，其栅极连接所述快速放大器的输出端，其漏极经所述恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地。

4.如权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述误差放大电路包括误差放大器以及由电阻和电容组成的环路补偿网络，其中，

所述误差放大器第一输入端经环路补偿电阻接收所述电网电流的检测信号，第二输入端接收第二参考信号，其输出端产生所述经放大的误差信号；

环路补偿电容，连接在所述误差放大器第一输入端与环路补偿电阻之间的节点和所述误差放大器输出端之间。

5.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述恒流源负载为LED负载。

6.一种芯片，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的控制器。

7.一种驱动恒流源负载的装置，包括线性恒流控制器和第一电容，所述控制器经恒流源负载连接至输入电压源，其特征在于，所述输入电压源提供对交流电网电压仅经整流桥整流的单向脉动电网电压，所述第一电容并联在所述恒流源负载的两端，用以对电网电流进行平滑滤波，所述控制器包括：

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

与所述输入电压源连接的第一电阻；以及

与所述第一电阻串联连接的第二电阻，所述第二电阻连接到参考地，

其中，所述第一电阻、第二电阻之间的节点与所述电网电流控制电路连接，用以提供所述分压信号。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

与所述输入电压源连接的第三电阻；以及

与所述第三电阻串联连接的第二电容，所述第二电容连接到参考地，用于为所述控制器供电。

10.如权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述电网电流控制电路包括：

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述误差放大电路包括误差放大器以及由电阻和电容组成的环路补偿网络，其中，

12.一种照明灯具，其特征在于，包括权利要求7至11中任一项所述的装置以及LED负载。