CN102724797B - 一种led驱动电路及led照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于LED驱动领域，提供了一种LED驱动电路及LED照明装置。在本发明中，采用包括功率因数控制模块和恒流控制模块的LED驱动电路，由功率因数控制模块对整流桥电路输出的正弦半波电信号进行采样并产生控制信号输出到恒流控制模块，然后通过恒流控制模块在保证高功率因数的同时对LED负载实现恒流控制，且不需要采用感性元件和包括脉冲调制器的功率因数校正电路，进而降低了电路成本，从而解决了现有技术所存在的电路结构复杂且成本高的问题。

Description

一种LED驱动电路及LED照明装置

技术领域

本发明属于LED驱动领域，尤其涉及一种LED驱动电路及LED照明装置。

背景技术

目前，LED作为一种新型光源，由于其具有能耗低、亮度强且寿命长的优点，已经被广泛应用于各个领域。现有技术所提供的用于驱动LED工作的LED驱动电路主要采用AC-DC隔离驱动方式或DC-DC非隔离驱动方式。

然而，上述两种驱动方式所采用的电路结构中都需要使用如变压器、电感等感性元件，且为了提高功率因数，还需要在现有的恒流控制电路的基础上增加包括脉冲调制器的功率因数校正电路，使得整个电路结构更加复杂，不利于LED灯具的小型化，且增加了电路成本。因此，现有技术存在电路结构复杂且成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED驱动电路，旨在保证实现高功率因数与恒流输出的前提下，解决现有技术所存在的电路结构复杂且成本高的问题。

本发明是这样实现的，一种LED驱动电路，与整流桥电路及LED负载相连接，所述整流桥电路将市电交流信号转换成正弦半波电信号，所述LED负载的输入端连接所述整流桥电路的输出端，所述LED驱动电路包括：

功率因数控制模块，与所述整流桥电路的输出端连接，用于对所述正弦半波电信号进行采样，并相应地生成与所述正弦半波电信号同相位的第一同相电信号，或同时生成与所述正弦半波电信号同相位的第二同相电信号及控制电平信号；

恒流控制模块，与所述功率因数控制模块及所述LED负载相连接，用于根据所述第一同相电信号或所述第二同相电信号及所述控制电平信号对所述LED负载的工作电流进行调整。

本发明的另一目的还在于提供一种包括所述LED驱动电路的LED照明装置。

在本发明中，采用包括所述功率因数控制模块和所述恒流控制模块的LED驱动电路，由所述功率因数控制模块对所述整流桥电路输出的正弦半波电信号进行采样并产生控制信号输出到恒流控制模块，然后通过所述恒流控制模块在保证高功率因数的同时对LED负载实现恒流控制，且不需要采用感性元件和包括脉冲调制器的功率因数校正电路，进而降低了电路成本，从而解决了现有技术所存在的电路结构复杂且成本高的问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例所提供的LED驱动电路的模块结构图；

图2是本发明第二实施例所提供的LED驱动电路的示例电路结构图；

图3是本发明第三实施例所提供的LED驱动电路的示例电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，采用包括功率因数控制模块和恒流控制模块的LED驱动电路，由功率因数控制模块对整流桥电路输出的正弦半波电信号进行采样并产生控制信号输出到恒流控制模块，然后通过恒流控制模块在保证高功率因数的同时对LED负载实现恒流控制，且不需要采用感性元件和包括脉冲调制器的功率因数校正电路，进而降低了电路成本。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明第一实施例所提供的LED驱动电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

LED驱动电路100与整流桥电路200及LED负载300相连接，整流桥电路200将市电交流信号V_ac转换成正弦半波电信号V_I，LED负载300的输入端连接整流桥电路200的输出端，LED驱动电路100包括：

功率因数控制模块101，与整流桥电路200的输出端连接，用于对整流桥电路200输出的正弦半波电信号V_I进行采样，并相应地生成与正弦半波电信号V_I同相位的第一同相电信号，或同时生成与正弦半波电信号V_I同相位的第二同相电信号及控制电平信号；

恒流控制模块102，与功率因数控制模块101及LED负载300的相连接，用于根据功率因数控制模块101所生成的第一同相电信号或第二同相电信号及控制电平信号对LED负载300的工作电流进行调整。

LED驱动电路100还包括：

电源模块103，与整流桥电路200的输出端连接，用于生成具有固定电压值的直流电。

实施例二：

图2示出了本发明第二实施例所提供的LED驱动电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

在本实施例中，LED负载300内部的LED连接方式可以为串联、并联或串并联组合。

作为本发明一实施例，电源模块103包括：

N沟道J型场效应管J1、二极管D1、电阻R4及二极管D2；

N沟道J型场效应管J1的栅极与漏极共接于整流桥电路200的输出端，二极管D1的阳极和阴极分别与N沟道J型场效应管J1的源极和电阻R4的第一端连接，电阻R4的第二端与二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地。其中，N沟道J型场效应管J1可替换为耗尽型NMOS管；在电源模块103中，整流桥200输出的正弦半波电信号V_I经过N沟道J型场效应管J1、二极管D1、电阻R4进入二极管D2的阴极，然后通过二极管D2的钳位作用得到具有固定电压值（如5V）的直流电。

作为本发明一实施例，功率因数控制模块101包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的第一端接整流桥电路200的输出端，电阻R2连接于电阻R1的第二端与地之间。

作为本发明一实施例，恒流控制模块102包括：

运算放大器U1、NMOS管M1、NMOS管M2及电阻R3；

运算放大器U1的同相输入端和正电源端分别接电阻R1的第二端和电阻R4的第二端，运算放大器U1的负电源端接地，NMOS管M1的栅极和漏极分别接电阻R4的第二端和LED负载300的输出端，NMOS管M2的漏极和栅极分别与NMOS管M1的源极和运算放大器U1的输出端连接，NMOS管M2的源极和电阻R3的第一端共接于运算放大器U1的反相输入端，电阻R3的第二端接地。其中，NMOS管M1相当于一可变电阻，能够随着LED负载300的输入电压的变化而在其上产生相应的电压降，防止输入电压过高时导致LED烧坏。

以下结合工作原理对本实施例所提供的LED驱动电路作进一步说明：

LED驱动电路100所接入的市电交流信号V_ac是频率为50Hz的正弦波，表达式如下：

V_ac=V_in max·sinωt                          （1）

V_in max是市电交流信号V_ac的最大峰值，sinωt是频率为50Hz的正弦波，众所周知，经过整流桥电路200整流后所输出的正弦半波电信号V_I的频率为100Hz，即V_I表示为：

V_I=V_in max|sinωt|                           （2）

然后由电阻R1和电阻R2对V_I进行分压后得到电压V_S（即为本发明第一实施例所述的第一同相电信号的电压值），则V_S为：

$V_S=\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|\·R2}{R1+R2}---\left(3\right)$

运算放大器U1的同相输入端接收到电压V_S，从其输出端输出高电平驱动NMOS管M2导通，根据运算放大器的功能特性，可知运算放大器U1的反相输入端与电阻R3的共接点处的电压V_CS为：

V_CS=V_S                                      （4）

则流过NMOS管M2的电流I₀为：

$I_0=\frac{V_{\mathrm{CS}}}{R3}---\left(5\right)$

将等式（3）和等式（4）代入等式（5）可得：

$I_0=\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|\·R2}{(R1+R2)\·R3}---\left(6\right)$

其中，I₀即为流过LED负载300的电流，也就是LED负载300的工作电流。由于从整流桥电路200的输出端分流至电阻R1的电流为微安级电流，相对于LED负载300的工作电流而言可以忽略不计，所以从整流桥电路200输出的电流就等于I₀，由等式（6）可知，整流桥电路200输出的电流（即等于I₀）与正弦半波电信号V_I的相位完全相同，因此LED驱动电路100的功率因数高。

由于I₀的相位与正弦半波电信号V_I的相位完全相同，所以I₀是以100Hz的频率进行周期变化，而因人眼具有视觉暂留效应，无法分别如此低频率的电流变化，所以人眼所看到的是平均电流作用于LED负载300所形成的视觉效果，那么，通过对等式（6）中的I₀进行如下积分运算：

${\stackrel{\‾}{I}}_0=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|\·R2}{(R1+R2)\·R3}\mathrm{d\ωt}---\left(7\right)$

最后得到平均电流如下式所示：

${\stackrel{\‾}{I}}_0=\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·R2}{(R1+R2)\·R3}\·\frac{2}{\mathrm{\π}}---\left(8\right)$

由于V_in max是不变的，电阻R1、电阻R2及电阻R3的阻值均为设定好的固定值，且为常数，显然，从等式（8）可知平均电流是恒定的，因此，LED驱动电路能向LED负载300实现恒定电流输出。

实施例三：

图3示出了本发明第三实施例所提供的LED驱动电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

在本实施例中，LED负载300中的LED为串联连接关系，其中LED灯组301的输出端为LED负载300的内部电路节点P1；电源模块103的电路结构与本发明第二实施例所提供的一致，因此不再赘述。

作为本发明一实施例，功率因数控制模块101包括：

电阻R5、电阻R6、比较器U2、电阻R7、比较器U3、电阻R8、电阻R9及带隙基准电压源1011；

电阻R5的第一端接整流桥电路200的输出端，电阻R5的第二端与电阻R6的第一端共接于比较器U2的同相输入端，比较器U2的负电源端接地，电阻R6的第二端与电阻R7的第一端共接于比较器U3的同相输入端，比较器U3的负电源端接地，电阻R8连接于电阻R7的第二端与地之间，比较器U2的正电源端、比较器U3的正电源端及带隙基准电压源1011的输入端共接于电阻R4的第二端，比较器U2的反相输入端和比较器U3的反相输入端共接于带隙基准电压源1011的输出端。其中，带隙基准电压源1011为常用的基准电压产生电路，用于为比较器U2的反相输入端和比较器U3的反相输入端提供基准电压V_r。

作为本发明一实施例，恒流控制模块102包括：

NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5、运算放大器U4、NMOS管M6及电阻R9；

NMOS管M3的漏极与栅极分别接NMOS管M4的栅极与NMOS管M5的栅极，NMOS管M3的源极接地，且NMOS管M4的栅极和NMOS管M5的栅极分别与比较器U2的输出端和比较器U3的输出端连接，NMOS管M4的漏极和NMOS管M5的漏极分别连接LED负载300的内部电路节点P1和输出端，NMOS管M4的源极和NMOS管M5的源极共接于NMOS管M6的漏极，NMOS管M6的栅极接运算放大器U4的输出端，运算放大器U4的同相输入端接电阻R7的第二端，运算放大器U4的正电源端和负电源端分别与电阻R4的第二端和地相连接，NMOS管M6的源极与运算放大器U4的反相输入端共接于电阻R9的第一端，电阻R9的第二端接地。

以下结合工作原理对本实施例所提供的LED驱动电路作进一步说明：

本实施例中的电阻R7、电阻R8、运算放大器U4、NMOS管M6及电阻R9的工作原理与本发明第二实施例中的电阻R1、电阻R2、运算放大器U1、NMOS管M2及电阻R3的工作原理相同，其中，电阻R7的第二端的电压V_S1（即为本发明第一实施例所述的第二同相电信号的电压值）为：

$V_{S1}=\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|\·R8}{R5+R6+R7+R8}---\left(9\right)$

运算放大器U4的反相输入端与电阻R9的共接点处的电压V_CS1为：

V_CS1=V_S1    （10）

则流过NMOS管M6的电流I₁为：

$I_1=\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|\·R8}{(R5+R6+R7+R8)\·R9}---\left(11\right)$

那么，通过对等式（11）中的I₁进行积分运算并求平均值后，可得流过LED负载300的平均电流为：

${\stackrel{\‾}{I}}_1=\frac{V_{\mathrm{in}\max }\·R8}{(R5+R6+R7+R8)\·R9}\·\frac{2}{\mathrm{\π}}---\left(12\right)$

从等式（11）和等式（12）同样可知，LED驱动电路能够在保证高功率因数的同时实现恒流输出。

当整流桥电路200所输出的正弦半波电信号V_I从低到高变化时，比较器U2的同相输入端的电压V_U2为：

$V_{U2}=V_I\·\frac{R6+R7+R8}{R5+R6+R7+R8}---\left(13\right)$

比较器U3的同相输入端的电压V_U3为:

$V_{U3}=V_I\·\frac{R7+R8}{R5+R6+R7+R8}---\left(14\right)$

从等式（13）和等式（14）可知：

V_U2>V_U3    （15）

当V_U2<V_r（则V_U3亦小于V_r）时，比较器U2和比较器U3均会输出低电平（即为本发明第一实施例所述的控制电平信号）使NMOS管M4和NMOS管M5截止，则此时LED负载300无电流通过。

当V_U3<V_r<V_U2时，比较器U2会输出高电平驱动NMOS管M4导通，此时LED负载300中的LED灯组301有电流I₁流过并正常工作。

当V_r≤V_U3时，比较器U3会输出高电平驱动NMOS管M5导通，比较器U2则会输出低电平使NMOS管M4截止，于是LED负载中的所有LED均有电流I₁通过，并进入恒定电流工作状态。

在本实施例中，采用比较器U2和比较器U3分别对NMOS管M4和NMOS管M5的通断进行控制，能在正弦半波电信号V_I较低时只开启LED负载中的部分LED，而在正弦半波电信号V_I升高时开启更多的LED，从而实现能够根据输入电压的变化相应开启适当数量的LED，既达到保持LED负载300在恒流状态下工作，又能为用户提供持续照明。此外，LED负载300中的LED虽然采用串联方式连接，但这并不用于限定本实施例所提供的LED驱动电路的应用范围，LED负载300中的LED亦可采用并联或串并联组合连接方式，而对于作为LED负载300的部分电路，LED灯组301中的LED同样可采用串联、并联或串并联组合连接方式。

本发明实施例的另一目的还在于提供一种包括上述LED驱动电路的LED照明装置。

在本发明实施例中，采用包括功率因数控制模块和恒流控制模块的LED驱动电路，由功率因数控制模块对整流桥电路输出的正弦半波电信号进行采样并产生控制信号输出到恒流控制模块，然后通过恒流控制模块在保证高功率因数的同时对LED负载实现恒流控制，且不需要采用感性元件和包括脉冲调制器的功率因数校正电路，进而降低了电路成本，从而解决了现有技术所存在的电路结构复杂且成本高的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种LED驱动电路，与整流桥电路及LED负载相连接，所述整流桥电路将市电交流信号转换成正弦半波电信号，所述LED负载的输入端连接所述整流桥电路的输出端，其特征在于，所述LED驱动电路包括：

功率因数控制模块，与所述整流桥电路的输出端连接，用于对所述正弦半波电信号进行采样，并相应地生成与所述正弦半波电信号同相位的第一同相电信号，或同时生成与所述正弦半波电信号同相位的第二同相电信号及控制电平信号；

恒流控制模块，与所述功率因数控制模块及所述LED负载相连接，用于根据所述第一同相电信号或所述第二同相电信号及所述控制电平信号对所述LED负载的工作电流进行调整；

所述LED驱动电路还包括：

电源模块，与所述整流桥电路的输出端连接，用于生成具有固定电压值的直流电。

2.如权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述电源模块包括：

N沟道J型场效应管J1、二极管D1、电阻R4及二极管D2；

所述N沟道J型场效应管J1的栅极与漏极共接于所述整流桥电路的输出端，所述二极管D1的阳极和阴极分别与所述N沟道J型场效应管J1的源极和所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述二极管D2的阴极连接，所述二极管D2的阳极接地。

3.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述功率因数控制模块包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的第一端接所述整流桥电路的输出端，所述电阻R2连接于所述电阻R1的第二端与地之间。

4.如权利要求3所述的LED驱动电路，其特征在于，所述恒流控制模块包括：

运算放大器U1、NMOS管M1、NMOS管M2及电阻R3；

所述运算放大器U1的同相输入端和正电源端分别接所述电阻R1的第二端和所述电阻R4的第二端，所述运算放大器U1的负电源端接地，所述NMOS管M1的栅极和漏极分别接电阻R4的第二端和LED负载的输出端，所述NMOS管M2的漏极和栅极分别与所述NMOS管M1的源极和所述运算放大器U1的输出端连接，所述NMOS管M2的源极和所述电阻R3的第一端共接于所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R3的第二端接地。

5.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述功率因数控制模块包括：

电阻R5、电阻R6、比较器U2、电阻R7、比较器U3、电阻R8、电阻R9及带隙基准电压源；

所述电阻R5的第一端接所述整流桥电路的输出端，所述电阻R5的第二端与所述电阻R6的第一端共接于所述比较器U2的同相输入端，所述比较器U2的负电源端接地，所述电阻R6的第二端与所述电阻R7的第一端共接于所述比较器U3的同相输入端，所述比较器U3的负电源端接地，所述电阻R8连接于所述电阻R7的第二端与地之间，所述比较器U2的正电源端、所述比较器U3的正电源端及所述带隙基准电压源的输入端共接于所述电阻R4的第二端，所述比较器U2的反相输入端和所述比较器U3的反相输入端共接于所述带隙基准电压源的输出端。

6.如权利要求5所述的LED驱动电路，其特征在于，所述恒流控制模块包括：

NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5、运算放大器U4、NMOS管M6及电阻R9；

所述NMOS管M3的漏极与栅极分别接所述NMOS管M4的栅极与所述NMOS管M5的栅极，所述NMOS管M3的源极接地，且所述NMOS管M4的栅极和所述NMOS管M5的栅极分别与所述比较器U2的输出端和所述比较器U3的输出端连接，所述NMOS管M4的漏极和所述NMOS管M5的漏极分别连接LED负载的内部电路节点和输出端，所述NMOS管M4的源极和所述NMOS管M5的源极共接于所述NMOS管M6的漏极，所述NMOS管M6的栅极接所述运算放大器U4的输出端，所述运算放大器U4的同相输入端接所述电阻R7的第二端，所述运算放大器U4的正电源端和负电源端分别与所述电阻R4的第二端和地相连接，所述NMOS管M6的源极与所述运算放大器U4的反相输入端共接于所述电阻R9的第一端，所述电阻R9的第二端接地。

7.一种LED照明装置，其特征在于，所述LED照明装置包括如权利要求1至6任一项所述的LED驱动电路。