CN103763825A - Led恒流pwm驱动电路及三基色led混光驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路。该LED恒流PWM驱动电路包括：三端双向开关电路，与交流电源相连接，用于将交流电源提供的正弦交流信号转换成正弦斩波波形信号；PWM波形信号产生电路，与所述三端双向开关电路相连接，用于利用所述正弦斩波波形信号产生PWM波形信号；LED恒流驱动电路，与所述PWM波形信号产生电路相连接，用于利用所述PWM波形信号控制LED光源的导通和关断，从而实现LED的恒流PWM驱动。本发明中，三端双向开关电路直接驱动负载为阻性负载，不是容性负载，因而该技术方案能保证高功率因子，不会影响整个电网的质量。

Description

LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路

技术领域

本发明涉及LED技术领域，尤其涉及一种LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)由于具有体积小、节能、环保、使用寿命长等优点，成为传统光源最有潜力的替代品之一。

LED白光光源产生有多种方法，一种是利用蓝光LED激发黄色荧光粉来产生白光，但此种方法制造的白光LED的出光存在较大的随机性，并且由于荧光粉老化，LED的效率将会降低。而三基色混光则是一种较好的白光产生方法。三基色混光是利用红光LED、蓝光LED以及绿光LED进行混光，根据CIE(国际照明委员会)色度图，光的色温与三基色的比例量r(λ)、g(λ)及b(λ)有关，并且满足条件r(λ)+g(λ)+b(λ)=1，因此，三基色混光不仅可以改变LED电流的脉宽实现亮度调节，而且可以根据用户的喜好改变三基色流明的比例获得LED的色温调节。目前LED的常用调光技术有PWM调光和模拟调光，前者的调光原理是控制流经LED电流的导通时间，后者的调光原理是直接控制流经LED电流的大小。

三端双向开关(TRIAC，双向晶闸管)是电力电子领域的常用的整流器件，通过门极的控制信号可以实现其在两个方向上的导通。当TRIAC导通后，门极控制信号便失去控制作用，当通过TRIAC的电流低于维持电流，TRIAC由导通变为截止。基于TRIAC的调光器目前广泛应用于对白炽灯和卤素灯等纯阻性负载的调光应用中，其基本原理是通过控制TRIAC的触发时刻来控制TRIAC的导通时间，进而实现对光源(负载)电压的调节，从而达到调光的目的。

对于容性负载的LED照明灯具来说，TRIAC调光器会带来五大不利影响，因此严格来说这不是一种优质的调光技术。第一大不利影响是TRIAC调光不可避免地会破坏功率因子，因为它采用截波方式进行调光，特别是深度调光时，功率因子会变得很低，并进而影响整个电网的质量；第二大不利影响是TRIAC调光会产生严重EMI干扰，因为当负载是容性时，可控硅导通截止会在输出电流波形上产生强烈突波，而这一突波电流会带来严重EMI干扰；第三大不利影响是TRIAC调光会造成整个灯具的电源转换效率低下，当进行深度调光时，效率会低于20％；第四大不利影响是TRIAC调光器与LED照明灯具是不匹配的，而这容易造成输出光闪烁问题，影响消费者使用体验，甚至会带来健康问题；第五大不利影响是TRIAC调光器会带来严重的THD(总谐波失真)问题，而国际能源标准如电流谐波标准的兼容性测试EN61000-3-2开始要求严格的THD规范。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路，以改进现有LED的TRIAC调光方案，克服以上五大问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种LED恒流PWM驱动电路。该LED恒流PWM驱动电路包括：三端双向开关电路，与交流电源相连接，用于将交流电源提供的正弦交流信号转换成正弦斩波波形信号；PWM波形信号产生电路，与三端双向开关电路相连接，用于利用正弦斩波波形信号产生PWM波形信号；LED恒流驱动电路，与PWM波形信号产生电路相连接，用于利用PWM波形信号控制LED光源的导通和关断，从而实现LED的恒流PWM驱动。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种三基色LED混光驱动电路。该三基色LED混光驱动电路包括：第一LED恒流PWM驱动电路、第二LED恒流PWM驱动电路和第三LED恒流PWM驱动电路；其中，该三个LED恒流PWM驱动电路均为上述的LED恒流PWM驱动电路，分别驱动红光LED光源、蓝光LED光源和绿光LED光源。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路具有以下有益效果：

(1)三端双向开关(TRIAC)电路直接驱动负载为阻性负载，不是容性负载，因而该技术方案能保证高功率因子，不会影响整个电网的质量；

(2)三端双向开关(TRIAC)电路直接驱动负载为电阻，因而该技术方案不会在输出波形上产生强烈突波，继而不会带来严重的EMI干扰；

(3)三端双向开关(TRIAC)电路直接驱动负载为电阻，电源转换效率主要由LED恒流PWM驱动电路的效率决定，显然，该技术方案中的LED恒流PWM驱动电路的效率比传统TRIAC调光高；

(4)采用恒流驱动及PWM调控，与LED灯具兼容性高；

(5)由于该技术方案中的三端双向开关(TRIAC)电路是线性的，用PWM调节，没有谐波产生，也就不会出现THD的问题。

附图说明

图1为根据本发明实施例LED恒流PWM驱动电路的结构示意图；

图2为图1所示LED恒流PWM驱动电路中三端双向开关电路的结构示意图；

图3为图1所示LED恒流PWM驱动电路中PWM波形信号产生电路的结构示意图；

图4为图1所示LED恒流PWM驱动电路中LED恒流驱动电路的结构示意图；

图5是图1所示LED恒流PWM驱动电路中部分节点波形信号图；

图6为根据本发明实施例三基色LED混光驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种LED恒流PWM驱动电路以及基于该LED恒流PWM驱动电路的三基色LED混光驱动电路。该LED恒流驱动电路中包含温度负反馈电路，使LED在过高温度下会自动降低工作电流，防止温度进一步上升，确保了LED的高效率及长的寿命。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种LED恒流PWM驱动电路。图1为本发明第一实施例LED恒流PWM驱动电路的结构示意图。请参照图1，本实施例LED恒流PWM驱动电路包括：

三端双向开关(TRIAC)电路，与交流电源相连接，用于将交流电源提供的正弦交流信号转换成正弦斩波波形信号；

PWM波形信号产生电路，与三端双向开关电路相连接，用于利用所述正弦斩波波形信号产生PWM波形信号；

LED恒流驱动电路，与所述PWM波形信号产生电路相连接，用于利用所述PWM波形信号控制LED光源的导通和关断，从而实现LED的恒流PWM驱动。

以下分别对本实施例LED恒流驱动电路中的各个组成部分进行详细说明。

三端双向开关电路

图2为图1所示LED恒流驱动电路中三端双向开关电路的结构示意图。请参照图2，该三端双向开关电路包括：

双RC延迟回路，其输入端连接至交流电源V_ac的第一端，用于对交流电源V_ac输出信号进行延迟，包括：

第一电容C1，其第一端连接至交流电源V_ac的第一端；

第二电容C2，其第一端连接至交流电源V_ac的第一端；

第四电阻R4，其第一端连接至第一电容C1的第二端，其第二端连接至第二电容C2的第二端；

第三电阻R3，其第一端连接至第一电容C1的第二端；

三端双向开关(TRIAC)，其第二阳极端连接至交流电源V_ac的第一端，其控制极端通过双向触发二极管(DIAC)连接至双RC延迟回路中第二电容C2的第二端，其第一阳极端连接至第三电阻R3的第二端；

相互串联的第一负载电阻R1和第二负载电阻R2，其中，第一负载电阻R1的第一端连接至交流电源V_ac的第二端，第二负载电阻R2的第二端连接至第三电阻R3的第二端。

其中，第一负载电阻R1的第一端作为该三端双向开关电路的第一输出端，其第二端作为该三端双向开关电路的第二输出端。

本实施例中，交流电源V_ac为220V的交流电压。

双RC延迟回路可以令三端双向开关延迟启动，直至到达双向触发二极管DIAC的触发点电压。且双RC延迟回路中第三电阻R3和第四电阻R4均可以进行调整，从而改变导通时间。

此外，第一负载电阻R1和第二负载电阻R2的阻值也可以进行调整。通过调整两者的阻值，从而可以改变该三端双向开关电路输出信号的幅度。

PWM波形信号产生电路

图3为图1所示LED恒流驱动电路中PWM波形信号产生电路的结构示意图。请参照图3，该PWM波形信号产生电路包括：

由四个二极管组成的桥式整流电路Z，其第一端连接至三端双向开关电路的第一输出端，其第二端连接至三端双向开关电路的第二输出端，其第三端连接至地；

过零比较器EA1，其负相输入端连接至地，其正相输入端连接至桥式整流电路Z的第四端，其输出端为PWM波形信号产生电路的输出端。

桥式整流电路Z用于将三端双向开关电路输出的正弦斩波信号整流得到正弦斩波波形的整流波形信号，而过零比较器EA1用于将正弦斩波波形的整流波形信号转化成PWM波形信号。

LED恒流驱动电路

图4为图1所示LED恒流驱动电路中的LED恒流驱动电路的结构示意图。请参照图4，该LED恒流驱动电路包括：

电压比较器EA2，其正相输入端连接至基准电压-约1.43V(与流经LED的电流和R6、R7的阻值有关)；

三极管Q，其基极连接至PWM波形信号产生电路的输出端，其集电极连接至LED光源的负极，并通过正温度系数的反馈电阻RT连接至地；

放大器Av，其正相输入端通过第七电阻R7连接至地，其负向输入端连接至三极管Q的发射极；其输出端通过第六电阻R6连接至其正向输出端，并连接至电压比较器EA2的负向输入端；

调整管PMOS，其栅极连接至电压比较器EA2的输出端，其漏极连接至LED光源的正极，其源极连接至电路电源V_IN。

电路电源V_IN上电，输入电压变化范围是6.5V～30V，基准电压产生基准电压，并输入到电压比较器EA2的正相输入端。利用正温度系数的反馈电阻RT来设定流经LED的电流。Av放大器将正温度系数的反馈电阻RT的检测电压比例放大后输入到电压比较器EA2的负相输入端。放大器Av、电压比较器EA2和调整管PMOS组成负反馈网络，用于调节输出电流。输出电流变化时，正温度系数的反馈电阻RT两端的电压经放大后和基准电压比较，两者的差值被放大后用于控制调整管的栅极，从而稳定输出电流。通过PWM波形信号产生电路输出的PWM信号就可以控制三极管Q的导通和关断从而实现对LED光源的调光控制。正温度系数的电阻具有正温度系数，随着环境温度升高，其阻值变大，从而使流经LED光源的电流变小，继而减小电路的功耗，降低温度。正温度系数的电阻可以起到温度负反馈的作用，有利于地防止LED光源的温升而导致效率下降及寿命减少等问题。

本发明中，调整管可以为一PMOS或NMOS管。其中，LED光源为单个LED管或多个串联和/或并联的LED管组成的LED阵列。

图5是图1所示LED恒流PWM驱动电路中部分节点波形信号图。请参照图5，虚线(浅色线)对应输入正弦信号，实线(深色线)代表由本实施例LED恒流PWM驱动电路中部分节点提取的信号P0、P1及P2。P0是由三端双向开关电路输出的正弦斩波波形信号，由P0的信号波形可知，该三端双向开关电路准确的将交流电源V_ac输出的220V的交流信号转换为其正弦斩波波形信号。P1是经桥式整流电路Z整流得到的正弦斩波波形的整流波形信号，P2为PWM波形信号产生电路输出的PWM波形信号。

至此，本实施例LED恒流PWM驱动电路介绍完毕。

在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了一种基于上述LED恒流PWM驱动电路的三基色LED混光驱动电路。

图6为根据本发明实施例三基色LED混光驱动电路的结构示意图。请参照图6，本实施例三基色LED混光驱动电路包括：第一LED恒流PWM驱动电路、第二LED恒流PWM驱动电路和第三LED恒流PWM驱动电路。该三个LED恒流PWM驱动电路均为上述的LED恒流PWM驱动电路，其输入端连接至交流电源V_AC，分别驱动红光LED光源、蓝光LED光源和绿光LED光源。

通过LED恒流PWM驱动电路中的第三电阻R3和第四电阻R4可以改变三端双向开关电路的导通时间，从而改变其输出的正弦斩波波形的占空比，从而调节PWM波形信号的占空比，继而实现了对LED光源的调光。其中，第三电阻R3和第四电阻R4的可调范围为300kΩ～600kΩ，视交流电频率、第一电容C1和第二电容C2的电容值决定。通过对三个LED恒流PWM驱动电路中三个LED光源进行调光，即可改变RGB三色光的比例，从而调节RGB三色光混光后的色温。

至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替。

综上所述，本发明提供一种LED恒流PWM驱动电路及三基色LED混光驱动电路。该LED恒流PWM驱动电路将LED光源的容性负载改变为阻性负载，从而保证了高功率因子，不会影响整个电网的质量，具有极高的应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，包括：

三端双向开关电路，与交流电源相连接，用于将交流电源提供的正弦交流信号转换成正弦斩波波形信号；

PWM波形信号产生电路，与所述三端双向开关电路相连接，用于利用所述正弦斩波波形信号产生PWM波形信号；

LED恒流驱动电路，与所述PWM波形信号产生电路相连接，用于利用所述PWM波形信号控制LED光源的导通和关断，从而实现LED的恒流PWM驱动。

2.根据权利要求1所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述LED恒流驱动电路包括：

电压比较器(EA2)，其正相输入端连接至基准电压；

三极管(Q)，其基极连接至所述PWM波形信号产生电路的输出端，其集电极连接至LED光源的负极，并通过正温度系数的反馈电阻(RT)连接至地；

放大器(Av)，其正相输入端通过第七电阻(R7)连接至地，其负向输入端连接至三极管(Q)的发射极；其输出端通过第六电阻(R6)连接至其正向输出端，并连接至电压比较器(EA2)的负向输入端；

调整管，其栅极连接至电压比较器(EA2)的输出端，其漏极连接至LED光源的正极，其源极连接至电路电源(V_IN)。

3.根据权利要求2所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述调整管为PMOS管或NMOS管。

4.根据权利要求2所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述电路电源V_IN输入电压变化范围是6.5V～30V。

5.根据权利要求2所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述LED光源为单个LED管或多个串联和/或并联的LED管组成的LED阵列。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述三端双向开关电路输出的正弦斩波波形信号由其第一输出端和第二输出端输出，所述PWM波形信号产生电路包括：

桥式整流电路(Z)，由四个二极管组成，其第一端连接至所述三端双向开关电路的第一输出端，其第二端连接至所述三端双向开关电路的第二输出端，其第三端连接至地，该桥式整流电路(Z)将三端双向开关电路输出的正弦斩波信号整流得到正弦斩波波形的整流波形信号；

过零比较器(EA1)，其负相输入端连接至地，其正相输入端连接至所述桥式整流电路(Z)的第四端，其输出端为PWM波形信号产生电路的输出端，该过零比较器(EA1)将所述桥式整流电路(Z)输出正弦斩波波形的整流波形信号转化成PWM波形信号。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述三端双向开关电路包括：

双RC延迟回路，其输入端连接至交流电源V_ac的第一端，用于对交流电源V_ac输出信号进行延迟，包括：

第一电容(C1)，其第一端连接至交流电源V_ac的第一端；

第二电容(C2)，其第一端连接至交流电源V_ac的第一端；

第四电阻(R4)，其第一端连接至第一电容(C1)的第二端，其第二端连接至第二电容(C2)的第二端；

第三电阻(R3)，其第一端连接至第一电容(C1)的第二端；

三端双向开关(TRIAC)，其第二阳极端连接至交流电源V_ac的第一端，其控制极端通过双向触发二极管(DIAC)连接至所述双RC延迟回路中第二电容(C2)的第二端，其第一阳极端连接至第三电阻(R3)的第二端；

相互串联的第一负载电阻(R1)和第二负载电阻(R2)，其中，第一负载电阻(R1)的第一端连接至交流电源V_ac的第二端，第二负载电阻(R2)的第二端连接至第三电阻(R3)的第二端。

其中，第一负载电阻(R1)的第一端作为该三端双向开关电路的第一输出端，其第二端作为该三端双向开关电路的第二输出端。

8.根据权利要求7所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述交流电源V_ac输出220V的交流电压。

9.根据权利要求7所述的LED恒流PWM驱动电路，其特征在于，所述第三电阻(R3)和第四电阻(R4)为可调电阻，其中，第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的可调范围为300kΩ～600kΩ之间；

通过调节第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的阻值，来改变所述三端双向开关电路的导通时间，从而改变其输出正弦斩波波形的占空比，进而调节PWM波形信号产生电路输出PWM波形信号的占空比，最终调节LED光源的亮度。

10.一种三基色LED混光驱动电路，其特征在于，包括：第一LED恒流PWM驱动电路、第二LED恒流PWM驱动电路和第三LED恒流PWM驱动电路；

其中，该三个LED恒流PWM驱动电路均为权利要求1至9中任一项所述的LED恒流PWM驱动电路，分别驱动红光LED光源、蓝光LED光源和绿光LED光源。

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