CN104427714A - Led 负载驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种LED负载驱动电路，此驱动电路包括整流电路、LED驱动集成电路，以及升降压LED驱动电路，整流电路将交流电源整流成为直流电源。LED驱动集成电路内含稳压电路、电压检测电路、信号产生器以及公共接地端。稳压电路对直流电源进行稳压来产生稳压后电压。电压检测电路检测稳压后电压是否符合电压标准，当稳压后电压符合电压标准，输出稳压后电压；信号产生器电性连接电压检测电路并产生脉冲宽度调制信号。公共接地端上的电压电平与LED负载的负载接地端的电压电平相同。升降压LED驱动电路依据LED负载的负端点上的剩余电压，将经过检测的稳压后电压转换为输出驱动电压。

Description

LED 负载驱动电路
技术领域
本发明是有关于一种驱动电路，且特别是有关于一种用来驱动发光二极管的驱动电路。 
背景技术
近年来，随着光电技术发展，业界开发了许多种新颖的照明设备，其中，发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)灯管受到广泛的关注。发光二极管灯管的发光效率和使用寿命均优于传统的白炽灯管，且在制造上无环保问题，符合节能环保的趋势。 
发光二极管灯管所组成的照明***最常被人提到的优点即为高效率和较长的使用寿命。在高效率的部分可分成转换效率和功率因子(Power Factor,PF)二个特性。转换效率所指的是交流电输入到发光二极管工作输出，这个过程中有多少输入功率实际传递至发光二极管。若输入功率传达至输出功率的比例愈高，则转换效率愈高。 
功率因子则与电力信号的实功率和虚功率有关，电力公司提供市电电压为110V～220V、频率为50～60Hz的三相交流电源。一般电阻性负载的瞬时消耗功率为电压与电流的乘积(P=VI)。然而，纯电感性负载或纯电容性负载则会造成电流与电压之间具有90°的相位差，进而造成实功率损失，瞬时消耗功率的计算如下： 
P=VIcosθ，其中I代表电流，V代表电压，θ为电流与电压之间的相位差角度。此外，功率因子的计算如下： 
其中PF代表功率因子，I代表电流，V代表电压，θ为电流与电压之间的相位差角度。 
如上述算式所示，当电流与电压之间具有90°的相位差时(例如当负载为纯电感性负载或纯电容性负载)，将使得功率因子大幅下降至0。 
由于发光二极管不是纯电阻性负载，且用以驱动发光二极管的驱动电路 具有电感与电容的特性，因此，输入电压和输入电流之间存在相位差，使得功率因子下降，这将使得电力公司需要输出更多的功率，才能让发光二极管达到预设输出功率。而相位差所产生的虚功率将转化为不必要的热能消耗。因此功率因子的提升，将能有效帮助电力公司降低需要输出的功率，实质地节省电力，因此，驱动电路需要采用功率因子校正器(Power Factor Corrector)来提升功率因子。然而，采用功率因子校正器的驱动电路，通常会存在电流纹波问题(Current Ripple Problem)与闪烁问题(Flicker Problem)，这些问题将造成LED电流不稳定，导致发光质量降低。 
发明内容
因此，本发明的一方面提供一种LED负载驱动电路，在采用功率因子校正器来提升功率因子的同时，也能够减少电流纹波(Ripple)与电压纹波。 
依据本发明的一实施例，LED负载驱动电路包括一整流电路(Rectifier circuit)、一LED驱动集成电路(Single LED driver Integrated Circuit)，以及一升降压LED驱动电路。整流电路将一交流电源整流成为一直流电源。LED驱动集成电路包括一稳压电路(Regulator Circuit)、一电压检测电路、一信号产生器，以及一公共接地端。稳压电路对直流电源进行稳压来产生一稳压后电压；电压检测电路检测稳压后电压是否符合一电压标准，当稳压后电压符合电压标准，输出稳压后电压。信号产生器电性连接电压检测电路并产生一脉冲宽度调制信号(Pulse width modulation signal)。公共接地端上的电压电平与一LED负载的一负载接地端的电压电平相同。升降压LED驱动电路依据LED负载的一负端点上的一剩余电压，将经过检测的稳压后电压转换为一输出驱动电压。 
通过以上实施例的LED负载驱动电路，LED负载上的电流以及电压可以稳定而减少纹波，闪烁的现象就可以被减轻，照明质量得以被提升。此外，由于采用了功率因子校正器来改善功率因子(Power Factor)，因此可以减少不必要的功率消耗。 
附图说明
图1是绘示本发明一实施例LED负载驱动电路的方块图。 
图2是绘示本发明一实施例LED负载驱动电路的部分电路图。 
图3是绘示本发明一实施例LED负载驱动电路的电路图。 
图4是绘示本发明一实施例LED驱动集成电路的电路图。 
图5是绘示本发明一实施例与传统的LED电压与LED电流的波形比较示意图。 
[标号说明] 
100：LED负载驱动电路                103：交流电源 
105：整流电路                       107：直流电源电路 
109：稳压电路                       111：电压检测电路 
113：信号产生器                     115：LED负载 
117：电流控制电路                   119：错误检测电路 
121：LED驱动集成电路                200：驱动电路 
201：公共接地端                     205：信号产生器 
207：功率晶体管                     209：第一电感器 
211：第一二极管                     213：第二电容器 
221：LED驱动集成电路                300：LED负载驱动电路 
305：整流电路                       307：LED驱动集成电路 
309：升降压LED驱动电路              311：第三电容器 
313：LED负载                        315：LED负载负端 
319：第五电阻                       321：第四电阻 
323：第二电阻                       325：第三电阻 
327：公共接地端                     400：LED驱动集成电路 
401：并联稳压电路                   405：逻辑控制电路 
407：栅极驱动电路                   409：积分器 
411：比较器 
具体实施方式
以下实施例的LED负载驱动电路，采用整流电路(Rectifier Circuit)以及单颗LED驱动集成电路(Single LED Driver Integrated Circuit)，先将交流(AC)电源转换为直流(DC)电源，这个直流电源接着会被继续转换为定电流源(Constant Current)来驱动LED负载。如此一来，LED负载上的电流以及电压可以稳定而少纹波，闪烁的现象就可以被减轻，照明质量得以被提升。此外， 由于采用了功率因子校正器来改善功率因子(Power Factor)，因此可以减少不必要的功率消耗。 
图1是绘示本发明一实施例LED负载驱动电路的方块图。LED负载驱动电路100包括整流电路(Rectifier circuit)105、LED驱动集成电路(Single LED driver Integrated Circuit)121，以及升降压LED驱动电路(Buck-Boost LED Driver)(图2当中的元件标号203)。 
整流电路105，例如桥式整流电路(Bridge Rectifier)，将交流电源(AC Power Source)103整流成为直流电源(DC Power Source)。一般而言，交流电源103可为110V或是220V的电压信号，其频率则介于50HZ至60HZ之间。 
LED驱动集成电路121包括稳压电路(Regulator Circuit)109、电压检测电路111、信号产生器113，以及公共接地端(图2当中的元件标号201)。稳压电路109对直流电源进行稳压来产生稳压后电压，其中，直流电源可来自于整流电路105，或是直接来自于直流电源电路107。通过此稳压电路109，LED驱动集成电路121就不会被过高的电压损害，例如被超过电压值上限的高电压所损害。 
电压检测电路111检测稳压后电压是否符合电压标准，当稳压后电压符合电压标准，则输出稳压后电压。例如，电压检测电路111会检测稳压后电压是否稳定且其电压值是否固定而少变化，例如固定为10V。若稳压后电压为稳定的10V信号，此一稳压后电压会被传递给信号产生器113来进行进一步运作。另一方面，若稳压后电压不稳定，则电压检测电路111会使稳压电路109重复地产生稳压后电压，直至稳压后电压符合电压标准为止。 
信号产生器113电性连接电压检测电路111，来产生脉冲宽度调制信号(Pulse Width Modulation Signal)。脉冲宽度调制信号的工作周期(Duty Cycle)，会与导通LED负载115所需要的驱动电压的大小成比例。具体来说，如果LED串由数个LED串接组成且需要30V的电压降才能使其上的LED都导通，则脉冲宽度调制信号的工作周期就需要够长，才能产生30V电压降来导通LED负载115。 
当LED负载115可以被驱动电压导通时，电流控制电路117会控制流经LED负载115的负载电流的电流量，LED负载115的负端(图3当中的元件标号315)上则存在一剩余电压。如果剩余电压过高，代表信号产生器113产生过多的能量，超过导通LED负载115所需要的，电流控制电路117会促使 信号产生器113缩短脉冲宽度调制信号的工作周期，使驱动电压下降，这样就可以减少不必要的功率消耗，因此整体功率消耗就可以被降低。当LED负载115可以被导通且剩余电压不超过预定值，电流控制电路117会锁定负载电流的电流量。 
错误检测电路119监测LED负载115以及电流控制电路117的状态，并依据监测结果，来决定是否使信号产生器113停止运作。当LED负载115、电流控制电路117开路或是短路时，错误检测电路119会使信号产生器113停止运作。 
通过此种两阶段式电路结构(交流转换至直流，直流再转换为固定电流)，电流纹波的数量以及能量都会被减少，因此照明质量就可以被提升。 
图2是绘示本发明一实施例LED负载驱动电路的部分电路图。此一实施例仅绘示出驱动电路200的LED驱动集成电路221以及升降压LED驱动电路203。信号产生器205被采用来产生脉冲宽度调制信号。 
升降压LED驱动电路203，例如靴带式反向升降压电路(Boostrap Inverting Buck-Boost Circuit)，会将经过检测的稳压后电压转换为输出驱动电压VOUT。 
升降压LED驱动电路203包括开关元件，第一电感器209、第二电容器213，以及第一二极管211。开关元件，例如功率晶体管207，受到脉冲宽度调制信号的控制来传递充电电压VCC，此功率晶体管207具有栅极电性连接信号产生器205，其源极则电性连接公共接地端201。第一电感器209具有第一端电性连接公共接地端201，当功率晶体管207导通，第一电感器209被充电电压VCC充电来产生电感电流IL。具体来说，公共接地端201的作用如同LED驱动集成电路221的接地端，这样的连接形式形成靴带式架构，可以增加电路的输入阻抗。通过在驱动电路的电源供应处形成靴带式架构，高电压制程，例如40V制程就可以被实现，高压电源输入，例如110V或是220V的交流电输入也就可以被实现，驱动电路的制造成本就可以被降低。 
第二电容器213具有一端电性连接公共接地端201，此第二电容器213由电感电流IL所充电，第二电容器213的两端(+-)上提供输出驱动电压。事实上，脉冲宽度调制信号的工作周期越长，第二电容器213上所储存的输出驱动电压就越高。第一二极管211的正端(阳极)电性连接第一电感器209，第一二极管211的负端(阴极)电性连接第二电容器213。 
图3是绘示本发明一实施例LED负载驱动电路的电路图。LED负载驱动电路300主要含有整流电路305、LED驱动集成电路307，以及升降压LED驱动电路309。 
除了功率晶体管207、第一电感器209、第二电容器213、第一二极管211以外，此一实施例的升降压LED驱动电路309还进一步含有第三电容器311、第二电阻323，以及第三电阻325。第三电容器311的第一端电性连接公共接地端327，其另一端电性连接第一二极管211的负端，其中LED负载313电性连接第三电容器311的另一端。第二电阻323电性连接于功率晶体管207以及第一电感器209之间。第三电阻325电性连接于LED驱动集成电路307的信号产生器以及功率晶体管207之间。 
在此一实施例当中，LED驱动集成电路307至少具有信号产生器(输出接脚为「Gate」)、电流控制电路(输出接脚为「LED」)，以及错误检测电路(输出接脚为「OVP」)。 
电流控制电路控制流经LED负载313的负载电流IL的电流量，并将LED负载313的负端点315上的剩余电压，提供给LED驱动集成电路307内的信号产生器。如此一来，信号产生器就可以依据LED负载313的状态来调制脉冲宽度调制信号的工作周期长度。举例来说，如果负端点315上的剩余电压过高，信号产生器会缩短工作周期的长度，来减少不必要的功率消耗。当LED负载可以导通且剩余电压已经被减到最小时，电流控制电路会锁定负载电流IL的电流量，也就是使负载电流IL的电流量保持为常数。 
错误检测电路监测LED负载313以及电流控制电路的状态，并依据监测结果来决定是否使升降压LED驱动电路停止运作。具体而言，当LED负载313或是电流控制电路开路或是短路时，错误检测电路使升降压LED驱动电路停止运作。错误检测电路由第四电阻321、第五电阻319，以及一部分的LED驱动集成电路307所组成，此一部分电路的输入接脚为「OVP」，以接收输入信号。 
图4是绘示本发明一实施例LED驱动集成电路的电路图。LED驱动集成电路400通常含有并联稳压电路(Shunt Regulator)401。逻辑控制电路405以与门极驱动电路407构成信号产生器，比较器411以及逻辑控制电路405则构成错误检测电路。此外，积分器(Integrator)409则用来产生积分电压(Integral Voltage)。积分电压会被加入ISNS电压当中，相加之后的电压则与 来自输入输出端口「COMP」的信号进行比较，促使栅极驱动电路407对整流电路输出的直流电源的电压变化作出反应，藉此提升功率因子。 
图5是绘示本发明一实施例与传统的LED电压与LED电流的比较示意图。如同图5所绘示，传统的电压信号VLED与传统的电流信号ILED上都有波纹(Ripple)存在，不能保持为一个固定常数，另一方面，本发明一实施例的电压信号VLED与电流信号ILED上的波纹已被大量减少，电压信号VLED与电流信号ILED可保持为一个固定常数。 
以上实施例的LED负载驱动电路，采用一整流电路以及单颗LED驱动集成电路，先将交流电源转换为直流电源，这个直流电源接着会被继续转换为定电流源来驱动LED负载。如此一来，LED负载上的电流以及电压可以稳定而少纹波，闪烁(Flicker)的现象就可以被减轻，照明质量得以被提升。此外，由于采用了功率因子校正器来改善功率因子(Power Factor)，因此可以减少不必要的功率消耗。 
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何在本发明所属技术领域当中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。 

Claims (14)

1.一种LED负载驱动电路，该驱动电路包含：
一整流电路，以将一交流电源整流成为一直流电源；以及
一LED驱动集成电路，包含：
一稳压电路，以对该直流电源进行稳压来产生一稳压后电压；
一电压检测电路，以检测该稳压后电压是否符合一电压标准，当该稳压后电压符合该电压标准，输出该稳压后电压；
一信号产生器，电性连接该电压检测电路，该信号产生器用以产生一脉冲宽度调制信号；以及
一公共接地端，其中该公共接地端上的电压电平与一LED负载的一负载接地端的电压电平相同；以及
一升降压LED驱动电路，以依据该LED负载的一负端点上的一剩余电压，将经过检测的该稳压后电压转换为一输出驱动电压。
2.根据权利要求1所述的LED负载驱动电路，其中该LED驱动集成电路还包含：
一电流控制电路，以控制一负载电流的电流量，并将该LED负载的该负端点上的该剩余电压，提供给该信号产生器，其中该负载电流是流经该LED负载。
3.根据权利要求2所述的LED负载驱动电路，其中当该LED负载可以导通时，该电流控制电路锁定该负载电流的电流量。
4.根据权利要求1所述的LED负载驱动电路，其中该升降压LED驱动电路为一靴带式反向升降压电路。
5.根据权利要求1所述的LED负载驱动电路，其中该升降压LED驱动电路包含：
一开关元件，受到该脉冲宽度调制信号的控制来传递一充电电压，该开关元件具有：
一第一端，电性连接该信号产生器；以及
一第二端，电性连接该公共接地端，
一第一电感器，具有一第一端电性连接该公共接地端，其中该第一电感器被该充电电压充电来产生一电感电流；
一第二电容器，具有一端电性连接该公共接地端；以及
一第一二极管，具有：
一正端，电性连接该第一电感器；以及
一负端，电性连接该第二电容器。
6.根据权利要求5所述的LED负载驱动电路，其中该第二电容器由该电感电流所充电，该第二电容器在其两端上提供一驱动电压。
7.根据权利要求5所述的LED负载驱动电路，其中该升降压LED驱动电路还包含：
一第三电容器，其一端电性连接该公共接地端，其另一端电性连接该第一二极管的该负端，该LED负载电性连接该第三电容器的另一端。
8.根据权利要求5所述的LED负载驱动电路，其中该升降压LED驱动电路还包含：
一第二电阻，电性连接于该开关元件以及该第一电感器之间。
9.根据权利要求8所述的LED负载驱动电路，其中该升降压LED驱动电路还包含：
一第三电阻，电性连接于该信号产生电路以及该开关元件之间。
10.根据权利要求5所述的LED负载驱动电路，其中该开关元件为一功率晶体管。
11.根据权利要求5所述的LED负载驱动电路，其中该LED驱动集成电路还包含：
一错误检测电路，以监测该LED负载的状态，并依据监测结果，来决定是否使该升降压LED驱动电路停止运作。
12.根据权利要求11所述的LED负载驱动电路，其中当该LED负载开路或是短路时，该错误检测电路使该升降压LED驱动电路停止运作。
13.根据权利要求11所述的LED负载驱动电路，其中该错误检测电路包含：
一第四电阻，具有一端电性连接该第一二极管的该负端；
一第五电阻，具有一端电性连接该第四电阻未与该第一二极管电性连接的一另一端，该第五电阻的一另一端电性连接该公共接地端；以及
一导电金属线，具有一端电性连接该第四电阻未与该第一二极管电性连接的该另一端，该导电金属线的另一端电性连接该LED驱动集成电路的一过电压保护接脚。
14.根据权利要求1所述的LED负载驱动电路，其中该整流电路为一桥式整流器。
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