CN106231738A

CN106231738A - 一种分段式ac led的驱动照明电路及其驱动方法

Info

Publication number: CN106231738A
Application number: CN201610865242.6A
Authority: CN
Inventors: 李国元; 杨博新; 梁志明; 吴朝晖
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: CN106231738B

Abstract

本发明公开了一种分段式AC LED的驱动照明电路，包括：整流桥电路、恒流单元、模拟加法器、采样电阻和LED灯串。本发明还公开了一种应用于权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路的驱动方法，包括以下步骤：1、通过整流桥电路将市电全波整流，得到的周期性脉动电压VBR直接用于驱动LED灯串；2、随着VBR电压的升高，LED灯串5中的LED单元LED1、LED2、LED3、LED4逐个被点亮；流过LED单元的电流恒定；3、采样电阻将电流信号转化为电压信号，模拟加法将电压信号叠加后负反馈作用于恒流单元，进而控制恒流单元的导通/截至，从而进行分段式控制LED单元。具有提高了***的稳定性等优点。

Description

一种分段式AC LED的驱动照明电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种分段式恒流驱动LED的领域，特别涉及一种分段式AC LED的驱动照明电路及其驱动方法，本发明是一种利用交流市电全波整流后的脉动电压直接驱动LED的技术。

背景技术

LED灯是继白炽灯，荧光灯，节能灯之后兴起的***照明光源，LED作为一种新型的光源器件，它所具有的高效、节能环保、寿命长，体积小等优点使其拥有广泛的市场前景。

早期的LED驱动电源绝大数采用直流驱动，在使用过程中必须使用AC-DC转换器对市电进行降压、滤波、稳压等一系列操作，这个过程存在较大的能量损失，而且AC-DC转换器会增加LED灯具的体积和成本，降低***的可靠性。

随着技术的发展，有的公司开始探索采用交流驱动LED(AC LED)技术，它们大致可以分为两类：桥式AC LED芯片技术和交流驱动HV-LED的驱动芯片技术。桥式ACLED芯片技术是指利用LEDPN结的单向导通特性，在制造中采用类似桥式整流结构的排列方式，将超细的LED晶粒加入到芯片中。这样的芯片具备有整流特性，在交流电源中可以双向导通，从而实现交流发光。由于LED晶粒是交替发光的，它不仅造成了芯片的单位面积利用率低下、还提高制造成本、降低总体的发光效率，存在较大的闪烁效应。交流驱动HV-LED技术中，输入电压只有高于HV-LED的开启电压，HV-LED才会发光，但是由于LED的输出伏安特性曲线呈指数变化，因此LED的输出电流呈现脉冲状，***的功率因素低下。为了提高***的功率因素，需要开发驱动电路来更有效地驱动HV-LED。LED的发光强度和流过LED的电流大小在一定范围内成正比，必须通过驱动电路控制流过LED电流的大小，保证LED发光均匀，保持色温，减少总谐波失真。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种分段式AC LED的驱动照明电路，该驱动照明电路具有效率高，成本低，集成度高等特点。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于分段式ACLED的驱动照明电路的驱动方法，该驱动方法所驱动的照明电路具有总谐波失真小等特点。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种分段式AC LED的驱动照明电路，一种分段式AC LED的驱动照明电路，包括：整流桥电路1、恒流单元2、模拟加法器3、采样电阻4和LED灯串5；所述整流桥电路1的一端接市电，所述整流桥电路1的另一端接LED灯串5的正极；所述LED灯串5的负极连接恒流单元2中NMOS的漏端以及下一串LED灯串的正极；所述恒流单元2包括误差放大器和NMOS管，所述误差放大器的正端接参考电压VREF，所述误差放大器的负端接模拟加法器3的输出，所述误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极；所述采样电阻4的一端接恒流单元2中NMOS的源端，所述采样电阻4的另一端接地；所述模拟加法器3的一个输入端接采样电阻4，所述模拟加法器3的另外一个输入端接下一个通道中模拟加法器的输出端，所述模拟加法器3的输出端连接本通道中恒流单元2中误差放大器的负端，以及上一个LED通道中模拟加法器3的输入端。

市电经过整流桥电路1全波整流后直接驱动灯串5，无须进行降压滤波、稳压等一系列AC-DC转换，提高了驱动照明电路***的整体效率。

恒流单元2包括误差放大器和MOS管；加入到误差放大器正向输入端的参考电压值相等。

模拟加法器3用于采样电压的相加；模拟加法器包含3个单元，所述3个单元为：adder1、adder2、adder3，adder1用于通道1、通道2、通道3、通道4的采样电压V_A、V_B、V_C、V_D的相加，adder2用于通道2、通道3、通道4的采样电压V_B、V_C、V_D的相加，adder3用于通道3、通道4的采样电压V_C、V_D的相加；模拟加法器的输出电压作用于误差放大器的反相输入端，进行电压负反馈。

每个LED通道都加入了采样电阻，采样电阻的一端接MOS管，采样电阻的另一段接地；各个通道中采样电阻的阻值相等。

在通道1中，有VREF＝(I_M1+I_M2+I_M3+I_M4)×R，在通道2中，有VREF＝(I_M2+I_M3+I_M4)×R，在通道3中，有VREF＝(I_M3+I_M4)×R，在通道4中，有VREF＝I_M4×R＝I_LED4×R，其中,I_M1、I_M2、I_M3、I_M4分别是通道1、通道2、通道3、通道4的电流，R是采样电阻的阻值。

I_LED1＝I_LED2+I_M1，I_LED2＝I_LED3+I_M2，I_LED3＝I_LED4+I_M3，I_LED4＝I_M4。

所述LED灯串5中子单元的个数与恒流单元2、采样电阻4的个数是一致的，所述LED灯串5中子单元的个数比模拟加法器3的个数多一个；所述LED灯串5中子单元的个数可以为4个，但不仅限于此数量。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种应用于分段式AC LED的驱动照明电路的驱动方法，包括以下步骤：

步骤1、通过整流桥电路1将市电全波整流，得到的周期性脉动电压VBR直接用于驱动LED灯串5；

步骤2、随着VBR电压的升高，LED灯串5中的LED单元LED 1、LED2、LED3、LED 4逐个被点亮；LED受到恒流单元2的限制，流过LED单元的电流是恒定的；

步骤3、采样电阻4将电流信号转化为电压信号，模拟加法3将电压信号叠加后负反馈作用于恒流单元2，进而控制恒流单元2的导通/截至，从而进行分段式控制LED单元。

本发明将市电全波整流得到的脉动电压直接驱动LED，并利用负反馈实现分段处理和恒流控制。与直流驱动LED相比，本发明无须进行AC-DC转换，不需要大电容和大电感，有效减小电路***的体积，节省成本，并提高***效率和稳定性。与现有分段式AC LED驱动方法相比，本发明采用软开关实现分段处理，避免在分段点产生电流抖动。

本发明的工作原理：本发明的分段式AC LED的驱动照明电路在市电经过全波整流后直接驱动LED，模拟加法器对采样电压叠加后负反馈作用于恒流单元，实现对输入电压进行分段处理，并且保证流过LED单元的电流是恒定的。驱动电路包括整流桥电路1、恒流单元2、模拟加法器3、采样电阻4、LED灯串5。该驱动芯片电路的工作过程如下：

市电经过整流桥电路1全波整流后得到的周期性脉动电压VBR直接驱动LED灯串5。随着VBR电压的上升，LED1单元开始导通，LED2～4单元未达到开启电压，不能导通，因此电流经过LED1单元、MOS管M1后流入接地端。由于在该阶段中，只有通道1中有电流，通道2～4没有电流，因此节点A的采样电压V_A＝I_M1×R,V_B＝V_C＝V_D＝0,模拟加法器adder1输出电压V_(A+B+C+D)＝V_A＝I_M1×R＝I_LED1×R。VBR进一步增加，流过LED1单元的电流迅速增大，当电流达到I_LED1＝I_M1＝VREF/R，LED1单元进入恒流状态，因此LED1单元的端电压差保持恒定。VBR升高，节点E的电压V_E也跟着升高，促使LED 2单元开始导通，但是LED 3、4单元不导通，流过LED 2单元的电流I_LED2迅速增加，流经MOS管M2和采样电阻。对于通道1，由于VREF＝V_A+V_B+V_C+V_D，V_C＝V_D＝0，节点B的电压V_B逐渐升高，迫使节点A电压V_A降低，流过MOS管M1的电流I_M1下降。VREF＝V_A+V_B＝(I_M1+I_M2)×R＝(I_M1+I_LED2)×R＝I_LED1×R，故流过LED1单元的电流I_LED1并不会随着VBR的增加而变化。I_LED1＝I_M1+I_LED2＝VREF/R，随着I_LED2逐渐增加，直到I_LED2＝VREF/R，I_M1＝0，因此MOS管M1不再消耗电能，节点A的电压V_A＝0，LED2单元进入恒流状态I_LED2＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。随着VBR继续升高，节点F的电压V_F开始增加，促使LED3单元开始导通，而LED4单元尚未达到开启电压，不能导通。流过LED 3单元的电流I_LED3迅速增加，流经MOS管M3和采样电阻。对于通道2，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，V_D＝0，节点C的电压V_C逐渐升高，迫使节点B电压V_B降低，流过MOS管M2的电流I_M2下降。

VREF＝V_B+V_C＝(I_M2+I_M3)×R＝(I_M2+I_LED3)×R＝I_LED2×R，故流过LED2单元的电流I_LED2并不会随着VBR的增加而变化。I_LED2＝I_M2+I_LED3＝VREF/R，随着I_LED3逐渐增加，增至VREF/R，I_M2＝0，因此MOS管M2不再消耗电能，节点B的电压V_B＝0，LED3单元进入恒流状态I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。随着VBR继续升高，节点G的电压V_G开始增加，促使LED4单元开始导通，流过LED4单元的电流I_LED4迅速增加，流经MOS管M4和采样电阻。对于通道3，由于VREF＝V_C+V_D，节点D的电压V_D逐渐升高，迫使节点C电压V_C降低，流过MOS管M3的电流I_M3下降。VREF＝V_C+V_D＝(I_M3+I_M4)×R＝(I_M3+I_LED4)×R＝I_LED3×R，故流过LED3单元的电流I_LED3并不会随着VBR的增加而变化。I_LED3＝I_M3+I_LED4＝VREF/R，随着I_LED4逐渐增加，增至VREF/R，I_M3＝0，因此MOS管M3不再消耗电能，节点C的电压V_C＝0，LED4单元进入恒流状态I_LED4＝I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定,VBR增加的电压将全部落下MOS管M4上面。脉动电压VBR的下降过程，刚好是上升过程的逆过程。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明与直流驱动LED电路相比，无须进行AC-DC转换，有效减小***体积，降低***成本，还提高***效率和稳定性。同时还解决了现有分段式交流驱动LED电路在分段点的电流抖动问题。本技术方案中的功率MOS管开关属于软开关(soft-switches)，在分段点能够平稳过渡，不会产生任何电流抖动。

2、本发明对各个波段中的电流进行恒流控制，有效降低了市电波动对电流的影响，提高了***的稳定性。

附图说明

图1为市电经过全波整流后得到的脉动电压VBR。

图2为现有分段式ACLED驱动方法的工作波形图。

图3为本发明基于分段式AC LED驱动方法的电路结构图。

图4为本发明基于分段式AC LED驱动方法的工作波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，市电经过全波整流后，将正弦波电压变成单一方向的脉动电压。如图2所示，现有分段式ACLED驱动方法大多采用硬开关操作，因此在打开瞬间会产生电流抖动，而本发明采用软开关，避免了通道切换所产生的电流抖动。

如图3所示，为本发明基于分段式AC LED驱动方法的电路结构图，电路包括整流桥电路1、恒流单元2、模拟加法器3、采样电阻4、LED灯串5。其中，恒流单元2由误差放大器和功率MOS管组成，加入到每个误差放大器正向输入端的参考电压是相等。每个恒流单元2中MOS管的源端接采样电阻4，接入的采样电阻的阻值是相等的。模拟加法器3将采样电压进行叠加后，输出到恒流单元2中误差放大器的反相输出端，控制所处单元模块中通道电流大小。

如图4所示，为本发明基于分段式AC LED驱动方法的工作波形图，图中包括市电整流后的脉动电压VBR、流过LED灯串5中四个子单元的电流I_LED1、I_LED2、I_LED3、I_LED4，以及流过通道1～4的电流I_M1、I_M2、I_M3、I_M4，波形图中，所有电流信号的峰值都是VBR/R。

在t0时刻，市电全波整流后的脉动电压VBR从0开始增大，达到LED1单元的开启电压后，LED1单元开始导通，LED2～4单元未达到开启电压，不能导通，因此电流经过LED1单元、MOS管M1后流入接地端，有I_M1＝I_LED1。由于只有通道1中有电流，通道2～4没有电流，因此节点A的采样电压V_A＝I_M1×R，V_B＝V_C＝V_D＝0，模拟加法器adder1输出电压V_(A+B+C+D)＝V_A＝I_M1×R＝I_LED1×R。VBR进一步增加，流过LED1单元的电流迅速增大，在时刻t1处，电流达到I_LED1＝I_M1＝VREF/R，LED1单元进入恒流状态，因此LED1单元的端电压差保持恒定，即VBR-V_E保持恒定。

从t1时刻开始，节点E的电压V_E逐渐升高，促使LED 2单元开始导通，但是LED 3、LED 4单元不导通，流过LED 2单元的电流I_LED2迅速增加，流经MOS管M2和采样电阻，有I_M2＝I_LED2。对于通道1，由于VREF＝V_A+V_B+V_C+V_D，V_C＝V_D＝0，节点B的电压V_B逐渐升高，迫使节点A电压V_A降低，流过MOS管M1的电流I_M1下降。

VREF＝V_A+V_B＝(I_M1+I_M2)×R＝(I_M1+I_LED2)×R＝I_LED1×R，故流过LED1单元的电流I_LED1并不会随着VBR的增加而变化。I_LED1＝I_M1+I_LED2＝VREF/R，随着I_LED2迅速增加，I_M1迅速下降。在t2时刻，I_LED2达到峰值VBR/R，I_M1＝0，因此MOS管M1不再消耗电能，V_A＝0，LED2单元进入恒流状态I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。

从t2时刻起，节点F的电压V_F逐渐增加，促使LED3单元开始导通，而LED4单元尚未达到开启电压，不能导通。流过LED 3单元的电流I_LED3迅速增加，流经MOS管M3和采样电阻，有I_M3＝I_LED3。对于通道2，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，V_D＝0，节点C的电压V_C逐渐升高，迫使节点B电压V_B降低，流过MOS管M2的电流I_M2下降。

VREF＝V_B+V_C＝(I_M2+I_M3)×R＝(I_M2+I_LED3)×R＝I_LED2×R，故流过LED2单元的电流I_LED2并不会随着VBR的增加而变化。I_LED2＝I_M2+I_LED3＝VREF/R，随着I_LED3迅速增加，I_M2迅速下降，在t3时刻，I_LED3增至VREF/R，I_M2＝0，因此MOS管M2不再消耗电能，V_B＝0，LED3单元进入恒流状态I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定。

从t3时刻开始，节点G的电压V_G逐渐增加，促使LED4单元开始导通，流过LED4单元的电流I_LED4迅速增加，流经MOS管M4和采样电阻，有I_M4＝I_LED4。对于通道3，由于VREF＝V_C+V_D，节点D的电压V_D升高，迫使节点C电压V_C降低，流过MOS管M3的电流I_M3下降。VREF＝V_C+V_D＝(I_M3+I_M4)×R＝(I_M3+I_LED4)×R＝I_LED3×R，故流过LED3单元的电流I_LED3并不会随着VBR的增加而变化。I_LED3＝I_M3+I_LED4＝VREF/R，随着I_LED4迅速增加，I_M3迅速下降。在t4时刻，I_LED4增至VREF/R，I_M3＝0，因此MOS管M3不再消耗电能，V_C＝0，LED4单元进入恒流状态I_LED4＝I_LED3＝I_LED2＝I_LED1＝VREF/R，其端电压差保持恒定，VBR增加的电压将全部落下MOS管M4上面。

从t4时刻开始，LED灯串5中所有LED子单元进入恒流状态，子单元的端电压差保持不变，因此节点E、F、G、H的电压都跟随脉动电压VBR的变化而变化。VBR逐渐增大至峰值后开始下降，直到t5时刻，节点G下降一定值，无法维持通道4的电流VREF/R，流过LED4单元的电流I_LED4开始下降，采样电压V_D也下降。对于通道3，由于VREF＝V_C+V_D，节点D的电压V_D下降，迫使节点C的电压V_C升高，流过MOS管M3的电流I_M3开始升高。VREF＝V_C+V_D＝(I_M3+I_M4)×R＝(I_M3+I_LED4)×R＝I_LED3×R，故流过LED3单元的电流I_LED3并不会随着VBR的下降而变化。I_LED3＝I_M3+I_LED4＝VREF/R，随着I_LED4迅速下降，I_M3迅速上升。直到t6时刻，VBR下降到0，I_M3＝I_LED3＝VREF/R，节点D的电压V_D＝0。

从t6时刻开始，VBR进一步降低，无法维持通道3电流VREF/R，通道3电流I_M3开始下降，采样电压V_C也下降，I_LED3＝I_M3。对于通道2，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，节点D的电压V_D＝0，节点C电压V_C下降迫使节点B的电压V_B升高，流过MOS管M2的电流I_M2开始增加。VREF＝V_B+V_C＝(I_M2+I_M3)×R＝(I_M2+I_LED3)×R＝I_LED2，故流过LED2单元的电流I_LED2并不会随着VBR的下降而变化。I_LED2＝I_M2+I_LED3＝VREF/R，随着I_LED3迅速下降，I_M2迅速上升。直到t7时刻，I_LED3下降到0，I_M2＝I_LED2＝VREF/R，节点C的电压V_C＝0。

从t7时刻开始，VBR进一步降低，无法维持通道2电流VREF/R，通道2电流I_M2开始下降，采样电压V_B也下降，I_LED2＝I_M2。对于通道1，由于VREF＝V_B+V_C+V_D，V_C＝V_D＝0，节点B电压V_B下降迫使节点A的电压V_A升高，流过MOS管M1的电流I_M1开始增加。VREF＝V_A+V_B＝(I_M1+I_M2)×R＝(I_M1+I_LED2)×R＝I_LED1，故流过LED1单元的电流I_LED1并不会随着VBR的下降而变化。VREF＝I_LED1＝I_M1+I_LED2＝VREF/R，随着I_LED2迅速下降，I_M1迅速上升。直到t8时刻，I_LED2下降到0，I_M1＝I_LED1＝VREF/R，节点B的电压V_B＝0。

从t8时刻开始，VBR进一步降低，无法维持通道1电流VREF/R，通道1电流I_M1开始迅速下降，采样电压V_A也下降，I_LED1＝I_M1。直到t9时刻，VBR小于LED1单元的开启电压，流过LED1单元的电流V_A下降到0。

以上完成了本发明驱动方法在一个脉动电压周期内控制流程的描述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，包括：整流桥电路(1)、恒流单元(2)、模拟加法器(3)、采样电阻(4)和LED灯串(5)；所述整流桥电路(1)的一端接市电，所述整流桥电路(1)的另一端接LED灯串(5)的正极；所述LED灯串(5)的负极连接恒流单元(2)中NMOS的漏端；所述恒流单元(2)包括误差放大器和NMOS管，所述误差放大器的正端接参考电压VREF，所述误差放大器的负端接模拟加法器(3)的输出，所述误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极；所述采样电阻(4)的一端接恒流单元(2)中NMOS的源端，所述采样电阻(4)的另一端接地；所述模拟加法器(3)的一个输入端接采样电阻(4)，所述模拟加法器(3)的输出端连接本通道中恒流单元(2)中误差放大器的负端。

2.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，市电经过整流桥电路(1)全波整流后直接驱动灯串(5)。

3.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，恒流单元(2)包括误差放大器和MOS管。

4.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，模拟加法器(3)用于采样电压的相加；模拟加法器包含3个单元，所述3个单元为：adder1、adder2、adder3，adder1分别用于通道2、通道3、通道4采样电压V_A、V_B、V_C、V_D的相加，adder2分别用于通道2、通道3、通道4的采样电压V_B、V_C、V_D的相加，adder3分别用于通道3、通道4的采样电压V_C、V_D的相加；模拟加法器的输出电压作用于误差放大器的反相输入端，进行电压负反馈。

5.如权利要求4所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，每个LED通道都加入了采样电阻，采样电阻的一端接MOS管，采样电阻的另一段接地；各个通道中采样电阻的阻值相等。

6.如权利要求3、4或5中任意一项所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，在通道1中，有VREF＝(I_M1+I_M2+I_M3+I_M4)×R，在通道2中，有VREF＝(I_M2+I_M3+I_M4)×R，在通道3中，有VREF＝(I_M3+I_M4)×R，在通道4中，有VREF＝I_M4×R＝I_LED4×R，其中，I_M1、I_M2、I_M3、I_M4分别是通道1、通道2、通道3、通道4的电流，R是采样电阻的阻值。

7.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于：I_LED1＝I_LED2+I_M1，I_LED2＝I_LED3+I_M2，I_LED3＝I_LED4+I_M3，I_LED4＝I_M4。

8.如权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路，其特征在于，所述LED灯串(5)中子单元的个数与恒流单元(2)、采样电阻(4)的个数一致，所述LED灯串(5)中子单元的个数比模拟加法器(3)的个数多一个；所述LED灯串(5)中子单元的个数为4。

9.一种应用于权利要求1所述的分段式AC LED的驱动照明电路的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过整流桥电路(1)将市电全波整流，得到的周期性脉动电压VBR直接用于驱动LED灯串(5)；

步骤2、随着VBR电压的升高，LED灯串(5)中的LED单元LED 1、LED2、LED3、LED 4逐个被点亮；LED受到恒流单元(2)的限制，流过LED单元的电流恒定；

步骤3、采样电阻(4)将电流信号转化为电压信号，模拟加法(3)将电压信号叠加后负反馈作用于恒流单元(2)，进而控制恒流单元(2)的导通/截至，从而进行分段式控制LED单元。