CN104333940B - 一种高效率过压供电led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率过压供电LED驱动器。解决现有技术中LED驱动器为了提高效率而导致体积大、成本高、功率因数低的问题。驱动器包括电压比较器、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、储能电容和逻辑控制单元，电压比较器连接在供电电源输出端，电压比较器控制连接第二控制开关，第一控制开关连接在供电电源和负载之间，负载通过连接第二控制开关后接地，储能电容通过第三控制开关连接在负载，第四控制开关连接在负载和储能电容之间，控制逻辑单元分别控制连接第一控制开关、第三控制开关和第四控制开关。本发明采用储能电容与负载串联充电、并联放电结构，体积更小，成本更低，功率因数更高，灯珠利用率也更高。

Description

一种高效率过压供电LED驱动器

技术领域

本发明涉及LED控制技术领域，尤其是涉及一种体积小、效率高、成本低、功率因数高的高效率过压供电LED驱动器。

背景技术

目前简单的交流LED模拟恒流驱动器采用电容降压，效率低、寿命短，且降压电容作用单一，仅起到分压降压的作用，降低闪烁还需要另外一个电解电容器储能，增加了电路体积和复杂度，进一步降低了效率。此外需要LED数量多达90个，成本高、体积大，且功率因数小于0.5，取消电解电容采用分段驱动，提高了功率因数，但是会产生频闪，尽管多数人认为频闪并不影响视力，但是灯珠是间歇点亮，多数方案的灯珠利用率下降到70%以下。

另外还有流行的开关恒流的LED驱动器，采用开关恒流效率高，但是包含电感元件，体积大，成本高，恒流电路供电电压波动大，无法保证精度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中LED驱动器为了提高效率而导致体积大、成本高、功率因数低的问题，提供了一种体积小、效率高、成本低、功率因数高的高效率过压供电LED驱动器。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种高效率过压供电LED驱动器，与供电电源、负载相连，包括电压比较器、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、储能电容和逻辑控制单元，所述电压比较器输入端通过分压电路连接在供电电源输出端，电压比较器输出端控制连接第二控制开关，第一控制开关连接在供电电源输出端和负载输入端之间，负载输出端通过连接第二控制开关后接地，储能电容正极通过第三控制开关连接在负载输出端，储能电容负极接地，第四控制开关连接在负载输入端和储能电容正极之间，控制逻辑单元分别控制连接第一控制开关、第三控制开关和第四控制开关。本发明采用了储能电容与负载串联充电，并联放电的控制结构，将输入电压进行分段控制，当储能电容没有能量存在、输入电压低于输出电压时，电能只通过带恒流源的负载。当输入电压超过负载电压时，电能在驱动带恒流源的负载的同时，并能给串联的储能电容充电，储能电容起到了分压、储能作用，储能电容有效利用了电网能量，降低了储能电容的容量，从而也减小了电容的耐压、体积和成本。当储能电容充满电荷，输入电压低于负载需要的电压时，储能电容自动对负载放电，保持对负载的稳定供电。电压比较器输出控制第二控制开关开闭，控制逻辑单元控制第一控制开关、第三控制开关和第四控制开关的开闭。

作为一种优选方案，所述负载为连接有恒流源的LED串联灯组，电压比较器包括比较器COM1，第一控制开关包括二极管D1，第二控制开关包括MOS管Q1，第三控制开关包括二极管D2，第四控制开关包括二极管D3，储能电容包括电容C1，比较器COM1的正相输入端连接参考电源的正极，参考电源负极接地，比较器COM1的负相输入端连接在分压电路上，分压电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1一端连接供电电源输出端，电阻R1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端接地，比较器COM1的负相输入端连接在电阻R1与电阻R2相连接交点上，比较器COM1的输出端连接MOS管Q1的栅极，二极管D1正极连接供电电源输出端，二极管D1负极连接负载输入端，MOS管Q1漏极连接负载输出端，MOS管Q1源极接地，二极管D2正极连接在负载输出端，二极管D2负极连接在电容C1的正极上，电容C1的负极接地，二极管D3的正极连接在电容C1的正极，二极管D3的负极连接在负载输入端上。本方案中第一、三、四控制开关采用二极管，通过二极管本身特性实现电路通断，则就无需使用控制逻辑单元进行控制，省去了控制逻辑单元。负载带有恒流源，LED串联灯组由多个LED串联而成，恒流源连接在LED串联灯组输入端上。任何监测输入电压，在设定输入电压值以下，Q1将输出负端对地短路，而当超过设定输入电压值，Q1将输出负端对地开路的行为逻辑。使得储能电容与负载串联，当输入电压超过负载所能承受的电压时，超出的输入电压对储能电容C1充电，而当输入电压低于负载要求电压时，储能电容对负载放电。方案中二极管D1为供电电源供电时提供通路，而当供电电源电压低于电容C1时，电容C1给负载供电，二极管D1起到隔离作用，防止电容C1放电的能量回馈电网。二极管D1的导通电压大于或等于电容C1的电压。比较器COM1通过分压电路分压后，检测输入电压的变化，当比较器COM1输入电压超过参考电源的参考电压Vref时，比较器COM1输出信号控制MOS管Q1关闭，此时电流通过二极管D1、D2给电容C1充电。当供电电源电压低于电容C1电压时，且MOS管Q1导通，此时由电容C1通过二极管D3给负载供电。由此实现降低了负载供电电压，减少了LED数量，电容C1充当储能、降压、调整功率因数三重作用。

作为一种优选方案，还包括有电容层级电路，电容层级电路包括有比较器COM21、MOS管Q21、电阻R31、二极管D41、二极管D51、电容C2，电阻R31串联在电阻R2与地端之间，比较器COM21的负相输入端连接在电阻R2与电阻R31的相连交点上，比较器COM21的正相输入端连接在参考电源正极上，比较器COM21的输出端连接MOS管Q21的栅极，MOS管Q21的漏极连接电容C1的负极，MOS管Q21的源极接地，二极管D41和电容C2串联在电容C1与地端之间，二极管D41正极连接电容C1的负极，二极管D41负极连接电容C2正极，电容C2负极接地，二极管D51正极连接电容C2的正极，二极管D51负极连接在负载输入端上。本方案为了进一步降低负载LED数量的电压，在原电路基础上增加电容层数，增加了一级的电容层数电路，电容层数电路可以增加多级，根据本方案的连接原理再根据输出电压的需要增加多级电容层数电路。本方案中当比较器COM1、COM2的输入电压都大于参考电压Vref时，MOS管Q1、Q2截止，此时电流分别给电容C1、C2进行充电，当供电电源输入电压低于电容C1、C2电压，且比较器COM1、COM2的检测输入电压都小于参考电压Vref，MOS管Q1、Q2导通，则电容C1和C2分别为负载进行供电。

作为一种优选方案，还包括有负载层电路，所述负载层电路包括第二负载、比较器COM22、MOS管Q22、电阻R32、二极管D42、二极管D52、恒流源CS1，电阻R32连接在电阻R2与地端之间线路上，比较器COM22的负相输入端连接在电阻R2与电阻R32的相连交点上，比较器COM22的正相输入端连接在参考电源正极上，比较器COM21的输出端连接MOS管Q22的栅极，第二负载、二极管D42串联在二极管D2和电容C1正极之间线路上，第二负载的输入端连接二极管D2负极，第二负载的输出端连接二极管D42正极，二极管D42负极连接电容C1正极，MOS管Q22的漏极连接在第二负载输出端与二极管D4正极相交的点上，MOS管Q22的源极接地，二极管D52正极连接恒流源CS1的输出端，恒流源CS1的输入端连接在电容C1的正极上，二极管D52负极连接在第二负载输入端上。本方案用于负载LED串联灯组电压时电容C1电压整数倍的情况，也可以根据需要根据本方案的连接原理增加多层二级电路。第二负载也为LED串联灯组。本方案电路工作状态为：1.当电路的初始状态，电容C1没有储存电能，比较器COM1的检测输入电压低于参考电压时，此时MOS管Q1、Q2导通的，电流经过二极管D1、负载、MOS管Q1形成回路，点亮负载中的LED串联灯组。2.当供电电源输入电压升高，COM1的检测输入电压超过参考电压、但COM2的检测输入电压低于参考电压时，MOS管Q1截止，此时供电电源电流经过D1、负载、D2、第二负载、MOS管Q2形成回路，负载和第二负载的LED串联灯组都点亮。3.当COM2的检测输入电压超过参考电压时，MOS管Q1、Q2都截止，电流经过负载和第二负载的同时，还通过二极管D4给电容C1充电。4.当供电电源电压回落，COM2的检测输入电压低于参考电压，且COM1的检测输入电压高于参考电压时，MOS管Q1截止，MOS管Q2导通，电容C1停止充电，电路恢复到2的状态。5.供电电源电压持续下降，供电电源电压小于第二负载输入端电压，COM1的检测输入电压低于参考电压时，MOS管Q1、Q2都导通，负载通过二极管D1、MOS管Q1形成回路持续点亮，第二负载依靠电容C1放电通过二极管D5，与MOS管Q2形成回路点亮。6.供电电源电压下降直到小于电容C1电压时，负载依靠电容C1放电，通过二极管D3和MOS管Q1形成回路点亮，第二负载依靠电容C1放电，通过二极管D5和MOS管Q2形成回路点亮。

因此，本发明的优点是：保证LED效率高的同时，使得体积更小，成本更低，功率因数更高，灯珠利用率也更高。

附图说明

附图1是本发明一种框架结构示意图；

附图2是本发明一种电路结构示意图；

附图3是本发明第二种电路结构示意图；

附图4是本发明第三种电路结构示意图。

1-供电电源 2-电压比较器 3-负载 4-控制逻辑单元 6-储能电容 7-第一控制开关 8-第二控制开关 9-第三控制开关 10-第四控制开关

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种高效率过压供电LED驱动器，设计策略为：将最高输入电压分段控制，当储能电容没有能量存在，输入电压低于输出电压的时候，电能只通过一个带有恒流源的负载。当输入电压超过负载电压的时候，电能在驱动带恒流源的负载的同时，给串联的电解电容充电，这个电解电容起到了分压、储能的作用。当储能电容充满电荷，输入电压低于负载需要的电压的时候，储能电容自动对负载放电，保持对负载的稳定供电。

其原理结构如图1所示，包括电压比较器2、第一控制开关7、第二控制开关8、第三控制开关9、第四控制开关10、储能电容6和逻辑控制单元4，电压比较器输入端通过分压电路连接在供电电源1输出端，电压比较器输出端控制连接第二控制开关，第一控制开关连接在供电电源输出端和负载3输入端之间，负载输出端通过连接第二控制开关后接地，储能电容正极通过第三控制开关连接在负载输出端，储能电容负极接地，第四控制开关连接在负载输入端和储能电容正极之间，控制逻辑单元分别控制连接第一控制开关、第三控制开关和第四控制开关。负载3为连接有恒流源的LED串联灯组，LED串联灯组由多个LED串联而成。

本实施例具体的电路结构如图2所示，电压比较器包括比较器COM1，第一控制开关包括二极管D1，第二控制开关包括MOS管Q1，第三控制开关包括二极管D2，第三控制开关包括二极管D3，储能电容包括电容C1。由于第一、三、四控制开关采用二极管，通过二极管本身特性实现电路通断，无需使用控制逻辑单元进行控制，省去了控制逻辑单元。

比较器COM1的正相输入端连接参考电源的正极，参考电源负极接地，比较器COM1的负相输入端连接在分压电路上，分压电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1一端连接供电电源输出端，电阻R1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端接地，比较器COM1的负相输入端连接在电阻R1与电阻R2相连接交点上，比较器COM1的输出端连接MOS管Q1的栅极，二极管D1正极连接供电电源输出端，二极管D1负极连接负载输入端，MOS管Q1漏极连接负载输出端，MOS管Q1源极接地，二极管D2正极连接在负载输出端，二极管D2负极连接在电容C1的正极上，电容C1的负极接地，二极管D3的正极连接在电容C1的正极，二极管D3的负极连接在负载输入端上。

电路中二极管D1为供电电源供电时提供通路，而当供电电源电压低于电容C1时，电容C1给负载供电，二极管D1起到隔离作用，防止电容C1放电的能量回馈电网。二极管D1的导通电压大于或等于电容C1的电压。比较器COM1通过分压电路分压后，检测输入电压的变化，当比较器COM1输入电压超过参考电源的参考电压Vref时，比较器COM1输出信号控制MOS管Q1关闭，此时电流通过二极管D1、D2给电容C1充电。当供电电源电压低于电容C1电压时，且MOS管Q1导通，此时由电容C1通过二极管D3给负载供电。由此实现降低了负载供电电压，减少了LED数量，电容C1充当储能、降压、调整功率因数三重作用。

实施例2：

如图3所示，给出了第二种LED驱动器的电路结构，本实施例中为了进一步降低负载LED数量的电压，在原电路基础上增加电容层数，电容层数电路可以增加多级，本实施例以增加一层电容层级电路为例，增加多层时根据本方案中的连接原理便可实现。

在实施例1的电路结构基础上增加了一层电容层级电路，电容层级电路包括有比较器COM21、MOS管Q21、电阻R31、二极管D41、二极管D51、电容C2，电阻R31串联在电阻R2与地端之间，比较器COM21的负相输入端连接在电阻R2与电阻R31的相连交点上，比较器COM21的正相输入端连接在参考电源正极上，比较器COM21的输出端连接MOS管Q21的栅极，MOS管Q21的漏极连接电容C1的负极，MOS管Q21的源极接地，二极管D41和电容C2串联在电容C1与地端之间，二极管D41正极连接电容C1的负极，二极管D41负极连接电容C2正极，电容C2负极接地，二极管D51正极连接电容C2的正极，二极管D51负极连接在负载输入端上。本方案中当供电电源输入电压低于电容C1、C2电压，且比较器COM1、COM2的检测输入电压都小于参考电压Vref，MOS管Q1、Q2导通，则电容C1和C2分别为负载进行供电。

实施例3：

如图4所示，给出了第三种LED驱动器的电路结构，为了用于在负载LED串联灯组电压为电容C1电压整数倍的情况，通过增加负载层电路，本实施例中以增加一层负载层电路为例，该负载层电路也可增加多层，其连接原理根据本方案中的连接原理便可实现。

在实施例1的电路结构基础上，还包括有负载层电路，负载层电路包括第二负载、比较器COM22、MOS管Q22、电阻R32、二极管D42、二极管D52、恒流源CS1，电阻R32连接在电阻R2与地端之间线路上，比较器COM22的负相输入端连接在电阻R2与电阻R32的相连交点上，比较器COM22的正相输入端连接在参考电源正极上，比较器COM21的输出端连接MOS管Q22的栅极，第二负载、二极管D42串联在二极管D2和电容C1正极之间线路上，第二负载的输入端连接二极管D2负极，第二负载的输出端连接二极管D42正极，二极管D42负极连接电容C1正极，MOS管Q22的漏极连接在第二负载输出端与二极管D4正极相交的点上，MOS管Q22的源极接地，二极管D52正极连接恒流源CS1的输出端，恒流源CS1的输入端连接在电容C1的正极上，二极管D52负极连接在第二负载输入端上。

本实施例电路有6种工作状态：

1.当电路的初始状态，电容C1没有储存电能，比较器COM1的检测输入电压低于参考电压时，此时MOS管Q1、Q2导通的，电流经过二极管D1、负载、MOS管Q1形成回路，点亮负载中的LED串联灯组。

2.当供电电源输入电压升高，COM1的检测输入电压超过参考电压、但COM2的检测输入电压低于参考电压时，MOS管Q1截止，此时供电电源电流经过D1、负载、D2、第二负载、MOS管Q2形成回路，负载和第二负载的LED串联灯组都点亮。

3.当COM2的检测输入电压超过参考电压时，MOS管Q1、Q2都截止，电流经过负载和第二负载的同时，还通过二极管D4给电容C1充电。

4.当供电电源电压回落，COM2的检测输入电压低于参考电压，且COM1的检测输入电压高于参考电压时，MOS管Q1截止，MOS管Q2导通，电容C1停止充电，电路恢复到2的状态。

5.供电电源电压持续下降，供电电源电压小于第二负载输入端电压，COM1的检测输入电压低于参考电压时，MOS管Q1、Q2都导通，负载通过二极管D1、MOS管Q1形成回路持续点亮，第二负载依靠电容C1放电通过二极管D5，与MOS管Q2形成回路点亮。

6.供电电源电压下降直到小于电容C1电压时，负载依靠电容C1放电，通过二极管D3和MOS管Q1形成回路点亮，第二负载依靠电容C1放电，通过二极管D5和MOS管Q2形成回路点亮。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了供电电源、电压比较器、负载、控制逻辑单元、分流器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (3)

1.一种高效率过压供电LED驱动器，与供电电源、负载相连，其特征在于：包括电压比较器（2）、第一控制开关（7）、第二控制开关（8）、第三控制开关（9）、第四控制开关（10）、储能电容（6）和逻辑控制单元（4），所述电压比较器输入端通过分压电路连接在供电电源输出端，电压比较器输出端控制连接第二控制开关，第一控制开关连接在供电电源输出端和负载输入端之间，负载输出端通过连接第二控制开关后接地，储能电容正极通过第三控制开关连接在负载输出端，储能电容负极接地，第四控制开关连接在负载输入端和储能电容正极之间，控制逻辑单元分别控制连接第一控制开关、第三控制开关和第四控制开关，所述负载为连接有恒流源的LED串联灯组，电压比较器包括比较器COM1，第一控制开关包括二极管D1，第二控制开关包括MOS管Q1，第三控制开关包括二极管D2，第四控制开关包括二极管D3，储能电容包括电容C1，比较器COM1的正相输入端连接参考电源的正极，参考电源负极接地，比较器COM1的负相输入端连接在分压电路上，分压电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1一端连接供电电源输出端，电阻R1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端接地，比较器COM1的负相输入端连接在电阻R1与电阻R2相连接交点上，比较器COM1的输出端连接MOS管Q1的栅极，二极管D1正极连接供电电源输出端，二极管D1负极连接负载输入端，MOS管Q1漏极连接负载输出端，MOS管Q1源极接地，二极管D2正极连接在负载输出端，二极管D2负极连接在电容C1的正极上，电容C1的负极接地，二极管D3的正极连接在电容C1的正极，二极管D3的负极连接在负载输入端上。

2.根据权利要求1所述的一种高效率过压供电LED驱动器，其特征是还包括有电容层级电路，电容层级电路包括有比较器COM21、MOS管Q21、电阻R31、二极管D41、二极管D51、电容C2，电阻R31串联在电阻R2与地端之间，比较器COM21的负相输入端连接在电阻R2与电阻R31的相连交点上，比较器COM21的正相输入端连接在参考电源正极上，比较器COM21的输出端连接MOS管Q21的栅极，MOS管Q21的漏极连接电容C1的负极，MOS管Q21的源极接地，二极管D41和电容C2串联在电容C1与地端之间，二极管D41正极连接电容C1的负极，二极管D41负极连接电容C2正极，电容C2负极接地，二极管D51正极连接电容C2的正极，二极管D51负极连接在负载输入端上。

3.根据权利要求1所述的一种高效率过压供电LED驱动器，其特征是还包括有负载层电路，所述负载层电路包括第二负载、比较器COM22、MOS管Q22、电阻R32、二极管D42、二极管D52、恒流源CS1，电阻R32连接在电阻R2与地端之间线路上，比较器COM22的负相输入端连接在电阻R2与电阻R32的相连交点上，比较器COM22的正相输入端连接在参考电源正极上，比较器COM21的输出端连接MOS管Q22的栅极，第二负载、二极管D42串联在二极管D2和电容C1正极之间线路上，第二负载的输入端连接二极管D2负极，第二负载的输出端连接二极管D42正极，二极管D42负极连接电容C1正极，MOS管Q22的漏极连接在第二负载输出端与二极管D4正极相交的点上，MOS管Q22的源极接地，二极管D52正极连接恒流源CS1的输出端，恒流源CS1的输入端连接在电容C1的正极上，二极管D52负极连接在第二负载输入端上。