CN110784953A - 一种无频闪发光二极管驱动装置及线性稳压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无频闪发光二极管驱动装置及线性稳压方法，它涉及发光二极管驱动器技术领域；电源转换电路包括交流对直流转换器，对交流电力进行转换而产生输入电压；变压器，具有相互隔离且彼此电磁耦合之初级线圈及次级线圈，初级线圈电连接于交流对直流转换器；切换开关，电连接于初级线圈；控制器，电连接于切换开关并用以调变切换开关的工作周期；以及输出级整流器，电连接于次级线圈并提供带有涟波之输出电压予发光二极管灯串；回授电路电连接于输出级整流器，回授电路依据发光二极管灯串的状态产生回授信号以作为控制器调变切换开关的根据；本发明便于实现快速调节节点电压来避免发生屏闪的现象，同时控制简便，能提高了效率。
Description
技术领域：
本发明属于发光二极管驱动器技术领域，具体涉及一种无频闪发光二极管驱动装置及线性稳压方法。
背景技术：
尽管发光二极管在成本与可靠度上不断地改进，使其能够更加适用于室内和室外照明领域，但提供适合于发光二极管灯串的驱动电流的驱动器仍是存在的挑战。众所皆知地，提供给发光二极管灯串的驱动电流的变动将影响其性能。
特别是，从电源供应器接收驱动电流的发光二极管(其中前述的电源供应器从一主要或类似的电源供应者获得一单相交流输入)，会对残留的电压涟波的存在敏感，其中前述的电压涟波起源于设置或靠近电源供应器的输入的整流电路的交流元件所发出的波形的不完全抑制，以及具有前述的主要或类似电源供应者的交流电压的两倍频率的正弦曲线电压的形式的交流元件。
发光二极管是二极管，且在其工作区域具有低的差分阻抗(差分阻抗的定义是电压(VLED)与电流(ILED)的改变的比例)。低的差分阻抗会导致在发光二极管内以电压涟波形式存在的涟波电流的显著产生，如图1所示。
由于发光二极管灯串两端上的压差必须大于其接面电压值才能够发光，若驱动器输出的脉动直流电源的瞬间电压小于其接面电压值时发光二极管灯串便会熄灭，进而导致发光二极管灯有频闪(Flicker)的现象，以频率为120Hz的脉动直流电源为例，其频闪的频率亦同为120Hz。
虽然人眼对于频率为120赫兹的光源不易感受闪烁现象，但对于以周期性扫描进行感应的图像撷取装置来说，频率为120赫兹的光源下拍摄而得的图像会因扫描频率及光源频率差造成频闪现象，使得图像上形成有复数个平行条纹，导致该照片失真。
发明内容：
为解决现有发光二极管在频率为120赫兹的光源下拍摄而得的图像会因扫描频率及光源频率差造成频闪现象，使得图像上形成有复数个平行条纹，导致该照片失真的问题；本发明提供一种无频闪发光二极管驱动装置及线性稳压方法。
本发明的一种无频闪发光二极管驱动装置，它包括电源转换电路、回授电路、线性稳压电路；
所述电源转换电路包括交流对直流转换器，对交流电力进行转换而产生输入电压；变压器，具有相互隔离且彼此电磁耦合之初级线圈及次级线圈，初级线圈电连接于交流对直流转换器；切换开关，电连接于初级线圈；控制器，电连接于切换开关并用以调变切换开关的工作周期；以及输出级整流器，电连接于次级线圈并提供带有涟波之输出电压予发光二极管灯串；
所述回授电路电连接于输出级整流器，回授电路依据发光二极管灯串的状态产生回授信号以作为控制器调变切换开关的根据；
所述线性稳压电路电连接于输出级整流器、回授电路及发光二极管灯串，线性稳压电路依据输出电压与发光二极管灯串的跨压的电压差调整该输出电压。
作为优选，所述线性稳压电路包括电晶体、电容器、第一电阻器、第二电阻器、取样单元；第一电阻器，跨接于电容器及该晶体管的电流输出端之间；第二电阻器，电连接于电容器及回授电路；电流源，电连接于发光二极管灯串；取样单元，电连接于发光二极管灯串及电流源，并对通过发光二极管灯串的电压进行取样以产生取样信号；以及运算放大器，对取样信号和参考电压进行比较，并于取样信号小于参考电压时提供信号以降低晶体管的导通电阻值来改变回授信号。
作为优选，所述运算放大器于取样信号等于该参考电压时提供另一信号以维持该晶体管的导通电阻值。
作为优选，所述回授电路包括光耦合器、限流电阻器、稳压器、第一稳压电阻器、第二稳压电阻器；所述光耦合器包括发光件以及收光件，依据发光件的亮度作为提供该回授信号的根据；限流电阻器，跨接于输出级整流器及发光件之间；稳压器，电连接于发光件及接地端之间；第一稳压电阻器，跨接于输出级整流器及稳压器之一控制端之间；以及第二稳压电阻器，与第一稳压电阻器串联连接，其中，当取样信号小于参考电压时，发光件的亮度提升以改变回授信号来让切换开关的提升切换开关的工作周期。
作为优选，所述电源转换电路还包括缓振单元，缓振单元电连接于交流对直流转换器、初级线圈及切换开关，换振单元藉由吸收源自于变压器的漏感的电压突波来抑制在切换开关上的电压应力。
作为优选，所述缓振单元包括二极体、电阻器、电容器；二极体电连接于交流对直流转换器；电阻器与二极管串联连接；以及电容器与电阻器并联连接。
作为优选，所述电源转换电路还包括电磁干扰滤波器、输入级电容器、输出级电容器；电磁干扰滤波器电连接于交流对直流转换器，以滤除交流电力中的电磁噪声；输入级电容器电连接于交流对直流转换器及初级线圈之间；以及输出级电容器电连接于输出级整流器及回授电路之间。
一种无频闪发光二极管驱动装置的线性稳压方法，包括带有一涟波之一输出电压予一负载；通过该负载后之一低谷电压小于参考电压时提供回授信号；以及依据回授信号线性地调整该输出电压的准位。
一种无频闪发光二极管驱动装置的线性稳压方法，还包括通过该负载后之低谷电压等于该参考电压时提供回授信号以维持输出电压的准位。
一种无频闪发光二极管驱动装置的线性稳压方法，线性稳压电路还包括接受交流电力并将该交流电力转换为该输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：便于实现快速调节节点电压来避免发生屏闪的现象，同时控制简便，能提高了效率。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为现有发光二极管驱动器产生的驱动电压及驱动电流的波形图；
图2为本发明的电路方框图；
图3为本发明中节点一A在不同状态下的电压波形图。
图4为本发明中节点二B在不同状态下的电压波形图。
图5为本发明中节点三C在不同状态下的电压波形图。
图6为本发明中节点四D在不同状态下的电压波形图。
图7为本发明中节点五E在不同状态下的电压波形图。
图8为本发明中节点六F在不同状态下的电压波形图。
1-电源转换电路；10-交流对直流转换器；12-输入级电容器；14-变压器；140-初级线圈；142-次级线圈；16-输出级整流器；18-输出级电容器；20-切换开关；22-控制器；26-缓振单元；28-电流感测电阻器；3-回授电路；30-第一分压电阻器；32-第二分压电阻器；34-限流电阻器；36-稳压器；38-光耦合器；380-发光件；382-收光线；5-线性稳压电路；50-电流源；52-运算放大器；54-取样单元；56-晶体管；58-第一电阻器；60-第二电阻器；62-电容器；7-发光二极管灯串；70-发光二极管；A、B、C、D、E、F-节点一、节点二、节点三、节点四、节点五、节点六；AC_In-交流电源；Vin-输入电压；Vout-输出电压；Vref-参考电压。
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了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图2所示，本具体实施方式采用以下技术方案：包括电源转换电路1、回授电路3及线性稳压电路5，并用以对发光二极管灯串7供电；发光二极管灯串7包括串联连接的复数发光二极管70。
所述电源转换电路1包括交流对直流整流器10、输入级电容器12、变压器14、输出级整流器16、输出级电容器18、切换开关20、控制器22及一电力调整单元24。
所述交流对直流整流器10电连接于交流电源AC_In，输入级电容器12电连接于交流对直流整流器10及变压器14之间；交流对直流整流单元10与输入级电容器12配合用以将交流电源AC_In提供的交流电力转换成直流输入电压Vin。交流电源AC_In可为市电交流电；交流对直流整流器10可例如是全桥整流器中的桥式整流器，并用以将交流电源AC_In提供的交流电力转换为全波整流电力。输入级电容器12可提供滤波以平滑化由交流对直流整流器10产生之全波整流电力。
所述变压器14包括初级线圈140及次级线圈142，其等彼此隔离并可相互电磁耦合。初级线圈140位于电源转换电路1与交流电源AC_In相连接的一侧(即输入级)并接收输入电压Vin，次级线圈142位于电源转换电路1与发光二极管灯串7相连接的一侧(即输出级)；电源转换电路1通过初级线圈140及次级线圈142将输入级的输入电压Vin传输至输出级。
所述输出级整流器16电连接于次级线圈142，用以整流传输至输出级的电压而生成(直流)输出电压Vout；如图2所示，输出级整流器16可以二极管实现之。输出级电容器18电连接于输出级整流器16，提供滤波以平滑化输出电压Vout。
所述切换开关20电连接于初级线圈140非连接至交流对直流转换器10及输入级电容器12以接收输入电压Vin的一端，并接受控制器22提供的一控制信号而调变工作周期。在图2中所展示的例示性实施方式中，切换开关20被绘示成一n通金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；缩写为MOSFET)。
所述电源转换电路1还可包括缓振单元26，其藉由吸收源自于变压器14的漏感的电压突波来抑制在切换开关20上的电压应力。更具体言之，缓振单元26包括二极体260、电阻器262及电容器264；切换开关20的汲极经过二极管260及电阻器262而连接返回至交流对直流整流器10以防止切换开关20具有过量电压并可于切换开关20未导通时提供一电流循环路径，电容器264与电阻器262并联连接。切换开关20的源极通过电流感测电阻器28电连接至接地端GND1，在电流感测电阻器28上的电压作为感测电压以提供给控制器22。
电源转换电路1更可包括电磁干扰滤波器29，其电连接于市电交流电AC_In及交流对值流整流器10之间，用以滤除市电交流电AC_In输出的交流电力中的电磁噪声。
所述回授电路3用以取得关联于发光二极管灯串7状态的回授信号，控制器22可依据回授信号调变切换开关20的工作周期。在图2中，回授电路3包括第一分压电阻器30、第二分压电阻器32、限流电阻器34、稳压器36及光耦合器38。第一分压电阻器30的一端电连接于实现输出级整流器16的二极管的阴极及发光二极管灯串7，第二分压电阻器32的一端电连接于第一分压电阻器30的另一端；第二分压电阻器32的另一端连接至地端GND2。限流电阻器34的一端电连接于实现输出级整流器16的二极管的阴极，另一端电连接于节点六F。稳压器36跨接于光耦合器38的一发光件380及接地端GND2之间，稳压器36的控制端连接于第一分压电阻器30及第二分压电阻器32之间的节点五E，并可反应于节点五E上的电压进行稳压操作。发光件380可为发光二极管，其阳极电连接于节点六F，阴极电连接于稳压器36。
光耦合器38中的发光件380会协同于稳压器36的运作而依据输出电压Vout于收光件382上产生关联于发光二极管灯串7之负载状态的回授信号给控制器22，以令控制器22根据回授信号控制切换开关20。在图2中所展示的例示性实施方式中，收光件382被绘示成一光电晶体。
线性稳压电路5电连接于电源转换电路1、回授电路3及发光二极管灯串7，并可根据通过发光二极管灯串7的电压(即节点二B的电压)(线性地)调整进入发光二极管灯串7的电压(即节点一A的电压)。
在图2中，线性稳压电路5包括电流源50、运算放大器52、取样单元54、电晶体56、第一电阻器58、第二电阻器60及电容器62。电流源50跨接于发光二极管灯串7的负端(其连接于节点二B)与接地端GND2之间，运算放大器54的反向输入端(-；连接于节点三C)通过取样单元54电连接于电流源50与发光二极管灯串7相连接的节点二B；运算放大器54的非反向输入端(+)电连接于一参考电压Vref，输出端(连接于节点四D)电连接于电晶体56的控制端(即基极)。晶体管56的电流输入端(即集极)通过第一电阻器60电连接至节点五E，晶体管56的电流输出端(即射极)电连接至接地端GND2。第二电阻器60与电容器62串联连接，电容器62非与第二电阻器60相连的一端电连接至节点五E，第二电阻器60非与电容器相连的一端电连接至实现发光件380的发光二极管的阴极。
一般来说，在发光二极管驱动装置处于正常运作下，控制器22会反应于发光二极管灯串7的电源需求而产生相对应的控制信号以调变电源转换电路1的运作。在此条件下，当切换开关20反应于控制器22所产生的(脉宽调变)控制信号而导通(turned on)时，输入电压Vin会跨接于变压器14的初级线圈140，以至于变压器14的初级线圈140的电感电流会线性增加而进行储能。在此同时，在输出级，由于受到实现输出级整流器16的二极管的逆向偏压阻隔，所以变压器14的次级线圈142无电流通过。
另一方面，当切换开关20反应于控制器22所产生的(脉宽调变)信号而截止(turned off)时，基于楞次定律(Lenz's law)，变压器14的初级线圈140所储存的能量会转移至变压器14的次级线圈142。在此同时，由于实现输出级整流器16的二极管处于顺向偏压导通，所以转移至变压器14的次级线圈142的能量会对输出级电容器18进行充电，并且供应输出电压Vout。
归因于电源转换电路1提供的输出电压Vout为具涟波的电压，故节点一A的电压亦为具涟波的电压，如图3所示。其次，因发光二极管灯串7两端上的压差必须大于其接面电压值才能够发光，故若节点一A的电压的瞬间电压小于发光二极管灯串的接面电压值时变会让发光二极管灯串7便会熄灭，进而产生频闪的现象。因此，稳定节点一A的电压为可有效避免发光二极管灯串7发生频闪的方法。
在本创作中，第一分压电阻器30、第二分压电阻器32及第一电阻器58对输出电压Vout进行分压而在节点一A产生给发光二极管灯串7的电压；其中当节点一A的电压为VA，第一分压电阻器30的电阻值为Rup，第二分压电阻器32得电阻值为Rdn1，第一电阻器58的电阻值为Rdn2时，满足下式条件：
由图4可知，节点二B的电压(在图4中标示以VB)的波形类似于节点一A的电压(即图3中的VA)的波形；两者的差异在于其等具有不同的电压准位。详细言知，当节点一A的电压为VA，节点二B的电压为VB，发光二极管灯串7的导通电压为VLED时，满足下列条件：
VA-VLED＝VB；
承前所述，当节点一A的电压下降时，节点二B的电压会相应地下降；因此，透过监测节点二B的电压时便能够获知节点一A的电压。线性稳压电路5便是利用监测节点二B的电压作为调整节点一A的电压的依据。
取样单元54可对节点二B的低谷电压进行取样并将取样结果传递至运算放大器52的反向输入端(-)；图4所示线段VC便是节点二B的低谷电压。
运算放大器52会将前述的取样结果所得到的节点二B的低谷电压与参考电压Vref进行比较，并于节点二B的低谷电压小于参考电压Vref时输出高准位信号来提高节点四D的电压(即图5所示VD)，进而使得节点五E的电压(即图5所示VE)降低。当节点五E的电压降低时，节点六F的电压即图5所示VF升高；当节点六F的电压升高时，会让发光件380的亮度改变而致使控制器22调变提供给切换开关22的工作周期，以逐步地提高节点一A的电压。
当节电一A的电压逐步提高时，节点二B的电压及节点三C的电压亦逐步提高，如图6所示；线性稳压电压5中的运算放大器52接着会于节点二B的低谷电压不小于参考电压Vref时(如图7所示)输出低准位电压来降低节点四D保持于一定值，进而让节点六F的电压同样成为一定值，如图8所示。如此一来，可让发光件380稳定亮度的发光而让切换开关22以固定的工作周期在导通和截止之间切换来稳定节点一A的电压，同时保持节点二B的低谷电压不小于参考电压Vref，如图8所示，进而达到防止发光二极管灯串7发生频闪的效果。
Claims (10)
1.一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：它包括电源转换电路、回授电路、线性稳压电路；
所述电源转换电路包括交流对直流转换器，对交流电力进行转换而产生输入电压；变压器，具有相互隔离且彼此电磁耦合之初级线圈及次级线圈，初级线圈电连接于交流对直流转换器；切换开关，电连接于初级线圈；控制器，电连接于切换开关并用以调变切换开关的工作周期；以及输出级整流器，电连接于次级线圈并提供带有涟波之输出电压予发光二极管灯串；
所述回授电路电连接于输出级整流器，回授电路依据发光二极管灯串的状态产生回授信号以作为控制器调变切换开关的根据；
所述线性稳压电路电连接于输出级整流器、回授电路及发光二极管灯串，线性稳压电路依据输出电压与发光二极管灯串的跨压的电压差调整该输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：所述线性稳压电路包括电晶体、电容器、第一电阻器、第二电阻器、取样单元；第一电阻器，跨接于电容器及该晶体管的电流输出端之间；第二电阻器，电连接于电容器及回授电路；电流源，电连接于发光二极管灯串；取样单元，电连接于发光二极管灯串及电流源，并对通过发光二极管灯串的电压进行取样以产生取样信号；以及运算放大器，对取样信号和参考电压进行比较，并于取样信号小于参考电压时提供信号以降低晶体管的导通电阻值来改变回授信号。
3.根据权利要求2所述的一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：所述运算放大器于取样信号等于该参考电压时提供另一信号以维持该晶体管的导通电阻值。
4.根据权利要求2所述的一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：所述回授电路包括光耦合器、限流电阻器、稳压器、第一稳压电阻器、第二稳压电阻器；所述光耦合器包括发光件以及收光件，依据发光件的亮度作为提供该回授信号的根据；限流电阻器，跨接于输出级整流器及发光件之间；稳压器，电连接于发光件及接地端之间；第一稳压电阻器，跨接于输出级整流器及稳压器之一控制端之间；以及第二稳压电阻器，与第一稳压电阻器串联连接，其中，当取样信号小于参考电压时，发光件的亮度提升以改变回授信号来让切换开关的提升切换开关的工作周期。
5.根据权利要求1所述的一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：所述电源转换电路还包括缓振单元，缓振单元电连接于交流对直流转换器、初级线圈及切换开关，换振单元藉由吸收源自于变压器的漏感的电压突波来抑制在切换开关上的电压应力。
6.根据权利要求5所述的一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：所述缓振单元包括二极体、电阻器、电容器；二极体电连接于交流对直流转换器；电阻器与二极管串联连接；以及电容器与电阻器并联连接。
7.根据权利要求1所述的一种无频闪发光二极管驱动装置，其特征在于：所述电源转换电路还包括电磁干扰滤波器、输入级电容器、输出级电容器；电磁干扰滤波器电连接于交流对直流转换器，以滤除交流电力中的电磁噪声；输入级电容器电连接于交流对直流转换器及初级线圈之间；以及输出级电容器电连接于输出级整流器及回授电路之间。
8.一种无频闪发光二极管驱动装置的线性稳压方法，其特征在于：包括提供带有一涟波之一输出电压予一负载；通过负载后之一低谷电压小于参考电压时提供回授信号；以及依据回授信号线性地调整该输出电压的准位。
9.根据权利要求8所述的一种无频闪发光二极管驱动装置的线性稳压方法，其特征在于：还包括通过该负载后之低谷电压等于该参考电压时提供回授信号以维持输出电压的准位。
10.根据权利要求8所述的一种无频闪发光二极管驱动装置的线性稳压方法，其特征在于：还包括接受交流电力并将该交流电力转换为该输出电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200211 |