CN113260116B - 自适应电流纹波滤除电路、市电固态led照明***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自适应电流纹波滤除电路、市电固态LED照明***及方法，所述自适应电流纹波滤除电路包括：连接于负载LED灯串负极端的电压检测单元，漏极连接于所述负载LED灯串负极端的功率管，连接于所述功率管源极的电流采样单元，连接于所述电压检测单元和所述电流采样单元的误差检测单元，连接于所述误差检测单元的环路补偿单元，连接于所述环路补偿单元的电压缩减单元，连接于所述电压缩减单元、所述电流采样单元及所述功率管栅极的驱动信号产生单元。通过本发明解决了现有市电固态LED照明***中输入负载LED灯串的电流因存在两倍市电工频及以上频率成分纹波而导致的频闪问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种自适应电流纹波滤除电路、市电固态LED照明***及方法。
背景技术
以LED为发光源，由恒流LED驱动电路驱动，接于交流市电网络中的市电固态LED照明***已经得到广泛应用。在市电固态LED照明***中，恒流LED驱动电路在为负载LED灯串提供恒定驱动电流的同时，通常还需要保证交流输入具有较高的功率因数，以减少照明***对市电网络的谐波干扰和污染。为简化结构、降低成本，这类恒流LED驱动电路一般都是采用既能保持输出电流平均值恒定，又具有功率因数校正(PFC)功能的单级开关电源架构。
现有市电固态LED照明***的电路如图1所示，市电交流经全波整流桥整流后产生带有两倍工频纹波的脉冲直流电，此脉冲直流电作为恒流LED驱动电路的输入，恒流LED驱动电路输出的电流经输出电容COUT后流过负载LED灯串。虽然恒流LED驱动电路输出的电流经过输出电容COUT时能够滤除一部分高频开关纹波，但输出电容COUT对两倍工频纹波的滤除效果有限，这也就使得输入负载LED灯串的电流虽然具有恒定的平稳直流值，但其中却叠加有较大的两倍市电工频及以上频率成分纹波，从而导致LED光源发出的照明光包含两倍工频的频闪，进而对人眼有较大的伤害。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自适应电流纹波滤除电路、市电固态LED照明***及方法，用于解决现有市电固态LED照明***中输入负载LED灯串的电流因存在两倍市电工频及以上频率成分纹波而导致的频闪问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自适应电流纹波滤除电路，所述自适应电流纹波滤除电路包括：
电压检测单元、功率管、电流采样单元、误差检测单元、环路补偿单元、电压缩减单元及驱动信号产生单元；其中，
所述电压检测单元连接于负载LED灯串的负极端及所述误差检测单元，用于获取输入至所述负载LED灯串的电流在其负极端产生的纹波电压；
所述功率管的漏极连接于所述负载LED灯串的负极端，其源极连接于所述电流采样单元，其栅极连接于所述驱动信号产生单元；
所述电流采样单元连接于所述功率管的源极、所述驱动信号产生单元及所述误差检测单元，用于根据一电流采样电阻和所述功率管在所述负载LED灯串的负极端和地之间形成一功率通路，通过所述电流采样电阻对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压，并通过对所述电流采样电压进行放大以获取倍增的电流采样电压；
所述误差检测单元连接于所述电压检测单元、所述电流采样单元及所述环路补偿单元，用于对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流；
所述环路补偿单元连接于所述误差检测单元及所述电压缩减单元，用于根据所述补偿电流产生相应的补偿电压；
所述电压缩减单元连接于所述环路补偿单元及所述驱动信号产生单元，用于按预设缩减比例对所述补偿电压进行缩减以产生缩减电压；
所述驱动信号产生单元连接于所述电压缩减单元、所述电流采样单元及所述功率管的栅极，用于对所述缩减电压和所述电流采样电压进行运放处理以产生驱动所述功率管的驱动信号。
可选地，所述电压检测单元包括：一检测电阻，所述检测电阻的一端连接于所述负载LED灯串的负极端，所述检测电阻的另一端作为所述电压检测单元的输出端连接于所述误差检测单元的正相输入端。
可选地，所述电流采样单元包括：电流采样电阻、跨导器及倍增电阻，所述电流采样电阻的一端连接于所述功率管的源极及所述跨导器的正相输入端，同时作为所述电流采样单元的电流采样端连接于所述驱动信号产生单元的反相输入端，所述电流采样电阻的另一端接地，所述跨导器的反相输入端接地，所述跨导器的输出端连接于所述倍增电阻的一端，同时作为所述电流采样单元的倍增输出端连接于所述误差检测单元的反相输入端，所述倍增电阻的另一端接地。
可选地，所述误差检测单元包括：第一单向输出跨导器和第二单向输出跨导器，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器的正相输入端相连以作为所述误差检测单元的正相输入端，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器的反相输入端相连以作为所述误差检测单元的反相输入端，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器的输出端相连以作为所述误差检测单元的输出端；其中，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器为一对非对称跨导且其输出电流方向相反。
可选地，所述环路补偿单元包括：一环路补偿电容，所述环路补偿电容的一端连接于所述误差检测单元的输出端及所述电压缩减单元的输入端，所述环路补偿电容的另一端接地。
可选地，所述自适应电流纹波滤除电路还包括：过温保护单元，连接于所述环路补偿单元和所述驱动信号产生单元，用于对所述自适应电流纹波滤除电路进行过温保护，以根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，并在所述检测温度大于过温保护阈值时，关断所述功率管。
可选地，所述过温保护单元包括：
温度检测器，用于检测所述自适应电流纹波滤除电路所处工作环境的温度；
保护电流产生器，连接于所述温度检测器及所述环路补偿单元，用于在检测温度大于降功率起始温度值时，产生随所述检测温度升高而增大的输出电流至所述环路补偿单元，从而控制所述驱动信号产生单元产生相应驱动信号以控制所述功率管的导通程度，实现根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，从而降低所述功率管的功率损耗，同时电流纹波滤除功能缓慢消失；并在所述检测温度大于等于降功率最终温度值时，产生相应的输出电流至所述环路补偿单元，从而控制所述驱动信号产生单元产生相应驱动信号以控制所述功率管完全导通，从而使其功率损耗降至最低，同时电流纹波滤除功能完全消失；
保护逻辑产生器，连接于所述温度检测器及所述驱动信号产生单元的控制端，用于在所述检测温度大于过温保护阈值时，产生关断信号至所述驱动信号产生单元，以控制所述功率管关断；其中，所述过温保护阈值大于所述降功率最终温度值。
本发明还提供了一种市电固态LED照明***，所述市电固态LED照明***包括：
整流电路，用于对交流市电进行整流处理以产生整流电压；
恒流LED驱动电路，连接于所述整流电路，用于对所述整流电压进行处理以产生恒定电流；
负载LED灯串，连接于所述恒流LED驱动电路，用于在恒流驱动下对所述负载LED灯串进行点亮以发出照明光；
如权利要求1至7任一项所述的自适应电流纹波滤除电路，连接于所述负载LED灯串的负极端，用于对输入至所述负载LED灯串的恒定电流进行电流纹波滤除，以消除所述恒定电流中存在的两倍及以上频率成分纹波。
可选地，所述市电固态LED照明***还包括：高频纹波滤除电容，并联于所述恒流LED驱动电路的输出端。
本发明还提供了一种电流纹波滤除方法，所述电流纹波滤除方法包括：
获取输入至所述负载LED灯串的电流在其负极端产生的纹波电压；
基于功率管和电流采样电阻在负载LED灯串的负极端和地之间形成功率通路，通过所述电流采样电阻对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压，并通过对所述电流采样电压进行放大以获取倍增的电流采样电压；
对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流，并根据所述补偿电流对环路补偿电容进行充放电以产生相应的补偿电压；
按预设缩减比例对所述补偿电压进行缩减以产生缩减电压，并对所述缩减电压和所述电流采样电压进行运放处理以产生驱动所述功率管的驱动信号，从而消除流经所述负载LED灯串的电流中存在的两倍及以上频率成分纹波。
可选地，对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流的方法包括：通过一对具有输出电流方向相反的非对称单向输出跨导器对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测，并在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于第一跨导电压且小于0时，产生负向的补偿电流Igm＝(VDET-VCSF)*Gm1；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差小于第一跨导电压时，产生负向的补偿电流Igm＝-IT1；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于0且小于第二跨导电压时，产生正向的补偿电流Igm＝(VDET-VCSF)*Gm2；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于第二跨导电压时，产生正向的补偿电流Igm＝IT2；其中VDET为纹波电压，VCSF为倍增的电流采样电压，Gm1为第一单向输出跨导器的负向输出跨导，IT1为第一单向输出跨导器负向输出电流的最大值，Gm2为第二单向输出跨导器的正向输出跨导，IT2为第二单向输出跨导器正向输出电流的最大值。
可选地，所述电流纹波滤除方法还包括：
对所述功率管所处工作环境的温度进行检测以获取检测温度；
对所述检测温度和降功率起始温度值进行比较，并在所述检测温度大于所述降功率起始温度时，产生随所述检测温度升高而增大的输出电流，从而控制所述功率管的导通程度，实现根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，从而降低所述功率管的功率损耗，同时电流纹波滤除功能缓慢消失；并在所述检测温度大于等于降功率最终温度值时，产生相应的输出电流，从而控制所述功率管完全导通，使其功率损耗降至最低，同时电流纹波滤除功能完全消失；
对所述检测温度和过温保护阈值进行比较，并在所述检测温度大于所述过温保护阈值时，产生关断信号以控制所述功率管关断；其中，所述过温保护阈值大于所述降功率最终温度值。
如上所述，本发明的一种自适应电流纹波滤除电路、市电固态LED照明***及方法，通过所述自适应电流纹波滤除电路的设计，实现了滤除前级恒流LED驱动电路输出电流所带两倍工频及以上频率纹波，保证流过所述负载LED灯串的电流仅包含平稳直流成分；同时还实现了功率通路中功率管的漏极电压纹波谷底值跟随其源极电压变化，保证了功率管的漏源压降在合理的范围内波动；更实现了包含带有随温度升高而缓慢降低功率管功率损耗和过温关断功能在内的完备过温保护功能。
附图说明
图1显示为现有市电固态LED照明***的电路图。
图2显示为本发明带有自适应电流纹波滤除电路的市电固态LED照明***的电路图。
图3显示为本发明所述自适应电流纹波滤除电路中误差检测单元的电路图。
图4显示为本发明所述误差检测单元中第一单向输出跨导器的输入-输出转移特性。
图5显示为本发明所述误差检测单元中第二单向输出跨导器的输入-输出转移特性。
图6显示为本发明所述误差检测单元的输入-输出转移特性。
图7显示为本发明所述自适应电流纹波滤除电路在稳态工作条件下VDET、VCSF、ICOMP、VCOMP的波形图。
图8显示为本发明所述过热保护单元的输出电流随温度变化的特性曲线。
元件标号说明
10 整流电路
20 恒流LED驱动电路
30 负载LED灯串
40 自适应电流纹波滤除电路
41 电压检测单元
42 电流采样单元
43 误差检测单元
44 环路补偿单元
45 电压缩减单元
46 驱动信号产生单元
47 过温保护单元
50 高频纹波滤除电容
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图2所示，本实施例提供一种自适应电流纹波滤除电路，所述自适应电流纹波滤除电路40包括：
电压检测单元41、功率管M1、电流采样单元42、误差检测单元43、环路补偿单元44、电压缩减单元45及驱动信号产生单元46；其中，
所述电压检测单元41连接于负载LED灯串30的负极端LED-及所述误差检测单元41，用于获取输入至所述负载LED灯串30的电流ILED在其负极端LED-产生的纹波电压VDET；
所述功率管M1的漏极连接于所述负载LED灯串30的负极端LED-，其源极连接于所述电流采样单元42，其栅极连接于所述驱动信号产生单元46；
所述电流采样单元42连接于所述功率管M1的源极、所述驱动信号产生单元46及所述误差检测单元43，用于根据一电流采样电阻RCS和所述功率管M1在所述负载LED灯串30的负极端LED-和地之间形成一功率通路，通过所述电流采样电阻RCS对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压VCS，并通过对所述电流采样电压VCS进行放大以获取倍增的电流采样电压VCSF；
所述误差检测单元43连接于所述电压检测单元41、所述电流采样单元42及所述环路补偿单元44，用于对所述纹波电压VDET和所述倍增的采样电压VCSF进行误差检测以产生补偿电流ICOMP；
所述环路补偿单元44连接于所述误差检测单元43及所述电压缩减单元45，用于根据所述补偿电流ICOMP产生相应的补偿电压VCOMP；
所述电压缩减单元45连接于所述环路补偿单元44及所述驱动信号产生单元46，用于按预设缩减比例1/K对所述补偿电压VCOMP进行缩减以产生缩减电压VCOMP/K；
所述驱动信号产生单元46连接于所述电压缩减单元45、所述电流采样单元42及所述功率管的栅极，用于对所述缩减电压VCOMP/K和所述电流采样电压VCS进行运放处理以产生驱动所述功率管M1的驱动信号。
作为示例，如图2所示，所述电压检测单元41包括：一检测电阻RDET，所述检测电阻RDET的一端连接于所述负载LED灯串30的负极端LED-，所述检测电阻RDET的另一端作为所述电压检测单元41的输出端连接于所述误差检测单元43的正相输入端。
如图2所示，本示例通过所述检测电阻RDET对流经所述负载LED灯串30的电流ILED进行采样以获取采样电压，但由于所述误差检测单元43的正相输入端为高阻输入端，故其输入电流为零，即检测电阻RDET上的电压降为零，此时负载LED灯串30的负极端电压与所述误差检测单元43的正相输入端电压波形完全相同，从而得到带有交流纹波成分的纹波电压。需要注意的是，前级恒流LED驱动电路的输出电流ILED包含平稳直流成分和叠加在其上的交流纹波成分，故通过采样所述负载LED灯串的负极端电压即可得到带有交流纹波成分的纹波电压。
作为示例，如图2所示，所述电流采样单元42包括：电流采样电阻RCS、跨导器Gm及倍增电阻RCSF，所述电流采样电阻RCS的一端连接于所述功率管M1的源极及所述跨导器Gm的正相输入端，同时作为所述电流采样单元42的电流采样端连接于所述驱动信号产生单元46的反相输入端，用以向所述驱动信号产生单元46的反相输入端输出电流采样电压VCS，所述电流采样电阻RCS的另一端接地，所述跨导器Gm的反相输入端接地，所述跨导器Gm的输出端连接于所述倍增电阻RCSF的一端，同时作为所述电流采样单元42的倍增输出端连接于所述误差检测单元43的反相输入端，用以向所述误差检测单元43的反相输入端输出倍增的电流采样电压VCSF，所述倍增电阻RCSF的另一端接地。
如图2所示，所述功率管M1和所述电流采样电阻RCS在所述负载LED灯串30的负极端LED-和地之间形成一功率通路，此时通过所述电流采样电阻RCS对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压VCS，之后通过所述跨导器Gm对所述电流采样电压VCS进行电压电流转换产生跨导电流，并经过所述倍增电阻RCSF对该跨导电流进行运算以获取倍增的电流采样电压VCSF；但由于所述误差检测单元43的反相输入端为高阻输入端，故所述误差检测单元43的反相输入端电压由跨导器Gm输出的跨导电流和倍增电阻RCSF决定，即VCSF＝VCS*Gm*RCSF＝(ILED*RCS)*Gm*RCSF，其中Gm是跨导器的跨导。本示例中，通过对具体电路在实际仿真中进行迭代以得到Gm*RCSF的最优值为4，此时所述误差检测单元43的正相输入端电压(即所述功率管M1的漏极电压)波形的谷底始终是接近所述功率管M1源极电压的4倍，从而保证所述功率管M1在流过不同电流时的可靠工作。
作为示例，如图3所示，所述误差检测单元43包括：第一单向输出跨导器Gm1和第二单向输出跨导器Gm2，所述第一单向输出跨导器Gm1和所述第二单向输出跨导器Gm2的正相输入端相连以作为所述误差检测单元43的正相输入端，所述第一单向输出跨导器Gm1和所述第二单向输出跨导器Gm2的反相输入端相连以作为所述误差检测单元43的反相输入端，所述第一单向输出跨导器Gm1和所述第二单向输出跨导器Gm2的输出端相连以作为所述误差检测单元43的输出端；其中，所述第一单向输出跨导器Gm1和所述第二单向输出跨导器Gm2为一对非对称跨导且其输出电流方向相反。
具体的，所述第一单向输出跨导器Gm1的输入-输出转移特性如图4所示：当所述第一单向输出跨导器Gm1的差分输入为正信号，即VDET-VCSF>0时，其输出电流为零；当所述第一单向输出跨导器Gm1的差分输入为负信号，即VDET-VCSF<0时，其输出电流由COMP节点流入至所述第一单向输出跨导器Gm1；具体为当所述第一单向输出跨导器Gm1的负向差分输入信号在线性范围内，即-Vdm1<VDET-VCSF<0时，其输出电流由COMP节点流入至所述第一单向输出跨导器Gm1，大小为Igm1＝(VDET-VCSF)*Gm1，其中Gm1为第一单向输出跨导器的跨导；当所述第一单向输出跨导器Gm1的负向差分输入信号超出线性范围，即VDET-VCSF<-Vdm1时，则其输出电流由COMP节点流入至所述第一单向输出跨导器Gm1，并保持-IT1不变。所述第二单向输出跨导器Gm2的输入-输出转移特性如图5所示：当所述第二单向输出跨导器Gm2的差分输入为负信号，即VDET-VCSF<0时，其输出电流为零；当所述第二单向输出跨导器Gm2的差分输入为正信号，即VDET-VCSF>0时，其输出电流从所述第二单向输出跨导器Gm2流出至COMP节点；具体为当所述第二单向输出跨导器Gm2的正向差分输入信号在线性范围内，即0<VDET-VCSF<Vdm2时，其输出电流从所述第二单向输出跨导器Gm2流出至COMP节点，大小为Igm2＝(VDET-VCSF)*Gm2，其中Gm2为第二单向输出跨导器的跨导；当所述第二单向输出跨导器Gm2的正向差分输入信号超出线性范围，即VDET-VCSF>Vdm2时，则其输出电流从所述第二单向输出跨导器Gm2流出至COMP节点，并保持IT2不变。故由所述第一单向输出跨导器Gm1和所述第二单向输出跨导器Gm2构成的所述误差检测单元43的输入-输出转移特性如图6所示：当所述误差检测单元43的差分输入信号在负向线性范围内，即-Vdm1<VDET-VCSF<0时，则其输出电流由COMP节点流入，大小为Igm＝(VDET-VCSF)*Gm1；当所述误差检测单元43的差分输入信号超出负向线性范围，即VDET-VCSF<-Vdm1时，则其输出电流由COMP节点流入并保持-IT1不变；当所述误差检测单元43的差分输入信号在正向线性范围内，即0<VDET-VCSF<Vdm2时，则其输出电流流出至COMP节点，大小为Igm＝(VDET-VCSF)*Gm2；当所述误差检测单元43的差分输入信号超出正向线性范围，即VDET-VCSF>Vdm2时，则其输出电流流出至COMP节点并保持IT2不变。其中，所述误差检测单元43的输出端流入电流最大值IT1是其流出电流最大值IT2的数倍，同时所述误差检测单元43的负向输出跨导Gm1也是其正向输出跨导Gm2的数倍，以使所述误差检测单元43的正相输入端电压波形的谷底接近其反相输入端电压值；本示例中，通过对具体电路在实际仿真中进行迭代以得到该倍数的最优值为7，即所述误差检测单元43的输出端流入电流最大值IT1是其流出电流最大值IT2的7倍，同时所述误差检测单元43的负向输出跨导Gm1也是其正向输出跨导Gm2的7倍。
作为示例，如图2所示，所述环路补偿单元44包括：一环路补偿电容C1，所述环路补偿电容C1的一端连接于所述误差检测单元43的输出端及所述电压缩减单元45的输入端，所述环路补偿电容C1的另一端接地。
如图2所示，本示例通过所述误差检测单元43产生的补偿电流Igm对所述环路补偿电容C1进行充放电以产生相应的补偿电压VCOMP；具体为在所述误差检测单元43的输出电流由COMP节点流入时，所述环路补偿电容C1进行放电操作；在所述误差检测单元43的输出电流流出至COMP节点时，所述环路补偿电容C1进行充电操作。
作为示例，如图2所示，所述电压缩减单元45可按预设缩减比例1/K对输入的所述补偿电压VCOMP进行缩减以产生缩减电压VCOMP/K。本示例通过所述电压缩减单元45的设计，使最终输入至所述驱动信号产生单元46正相输入端的电压缩减为原来的1/K倍，从而使输入至所述驱动信号产生单元46正相输入端的电压波动幅度同比例减小1/K倍，通过合理设计K的值，可使得缩减后的电压波动幅度完全忽略不计，即输入至所述驱动信号产生单元46正相输入端的电压为一平稳直流电压；而由于电流采样电阻RCS上电压降的波动幅度与所述驱动信号产生单元46的正相输入端电压波动幅度相同，故可认为电流采样电阻RCS上的电压降VCS为一平稳直流电压，此时可认为流过所述功率管M1的电流为一平稳直流，即流过负载LED灯串的电流为一平稳电流，从而滤除前级恒流LED驱动电路输出电流中存在的交流纹波成分。本示例中，通过对具体电路在实际仿真中进行迭代以得到预设缩减比例1/K的最优值为1/10。
作为示例，如图2所示，所述驱动信号产生单元46包括一运算放大器OP，所述运算放大器OP的正相输入端连接于所述电压缩减单元的输出端，所述运算放大器OP的反相输入端连接于所述电流采样单元42的电流采样端，所述运算放大器OP的输出端连接于所述功率管M1的栅极。
如图2所示，本示例中所述运算放大器OP、所述功率管M1和所述电流采样电阻RCS构成电流串联负反馈，以使所述功率管M1的漏源电流IDS由所述运算放大器OP的正相输入端电压VCOMPL决定，即IDS＝VCOMPL/RCS。
下面请结合图2，参阅图7对本示例所述自适应电流纹波滤除电路的工作原理进行详细说明。
通过所述检测电阻RDET对输入至所述负载LED灯串的电流进行采样以获取带有交流纹波成分的纹波电压VDET，此时所述误差检测单元43的正相输入端电压波形与所述负载LED灯串的负极端电压波形相同，均含有两倍工频电压纹波；同时通过所述电流采样单元42对流经功率通路的电流进行采样以获取仅带有平稳直流成分的电流采样电压VCS和倍增的电流采样电压VCSF；带有交流纹波成分的波纹电压VDET和仅带有平稳直流成分的倍增的电流采样电压VCSF分别输入至所述误差检测单元43后，所述误差检测单元43由此产生输出电流Igm以对所述环路补偿电容C1进行充放电，此时补偿电流ICOMP＝Igm。
在环路稳态工作条件下，补偿电流ICOMP在每个两倍工频周期中的积分等于零，此时环路补偿电容C1上的电压VCOMP的平均值保持不变，补偿电流ICOMP造成的VCOMP的电压波动幅度VPP在十几毫伏数量级。补偿电压VCOMP经过电压缩减单元45后，运算放大器OP的正相输入端电压VCOMPL的电压波动幅度仅在一点几毫伏数量级，而这一电压波动幅度完全可以忽略不计。由于电流采样电阻RCS上电压降VCS的电压波动幅度与运算放大器OP的正相输入端电压VCOMPL的电压波动幅度相同，故可认为电流采样电阻RCS上电压降VCS为一平稳直流，因而流过所述负载LED灯串的电流，即流过所述功率管M1的电流为一平稳直流，从而实现滤除前级恒流LED驱动电路输出电流中存在的交流纹波成分。
而且由于所述误差检测单元43的反相输入端电压不是固定的参考电压，而是经由所述电流采样单元42对所述功率管M1的源极采样产生的倍增的电流采样电压VCSF，故当前级恒流LED驱动电路输出电流的平稳直流成分不同时，流过所述负载LED灯串的平稳直流成分也不同，从而导致所述功率管M1的源极电压不同；此时通过所述误差检测单元的非对称跨导和环路补偿电容C1的调节作用，所述负载LED灯串的负极端电压，即所述功率管M1的漏极电压将跟随所述功率管M1的源极电压变化，也即所述功率管M1的漏极电压的谷底将始终与所述功率管M1的源极电压相接近，保证所述功率管M1的漏源压降VDS在合理的范围内波动。
同时当输入差分信号VDET-VCSF在(-Vdm1，Vdm2)线性范围内时，所述误差检测单元43具有线性跨导特性，此时其输出电流随输入差分信号线性变化；当输入差分信号接近为零时，所述误差检测单元43的输出电流也接近为零；故所述误差检测单元43可以很好地把负载LED灯串的负极端电压纹波波动幅度较小的部分反映到COMP节点处的电压上，从而减小了补偿电压的微弱波动，特别是当前级恒流LED驱动电路输出电流中包含的纹波电流很小时，本示例所述自适应电流纹波滤除电路不会引入额外的电流纹波。
本实施例还提供了一种电流纹波滤除方法，所述电流纹波滤除方法包括：
获取输入至负载LED灯串的电流在其负极端产生的纹波电压；
基于功率管和电流采样电阻在负载LED灯串的负极端和地之间形成功率通路，通过所述电流采样电阻对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压，并通过对所述电流采样电压进行放大以获取倍增的电流采样电压；
对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流，并根据所述补偿电流对环路补偿电容进行充放电以产生相应的补偿电压；
按预设缩减比例对所述补偿电压进行缩减以产生缩减电压，并对所述缩减电压和所述电流采样电压进行运放处理以产生驱动所述功率管的驱动信号，从而消除流经所述负载LED灯串的电流中存在的两倍及以上频率成分纹波。
作为示例，对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流的方法包括：通过一对具有输出电流方向相反的非对称单向输出跨导器对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测，并在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于第一跨导电压且小于0时，产生负向的补偿电流Igm＝(VDET-VCSF)*Gm1；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差小于第一跨导电压时，产生负向的补偿电流Igm＝-IT1；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于0且小于第二跨导电压时，产生正向的补偿电流Igm＝(VDET-VCSF)*Gm2；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于第二跨导电压时，产生正向的补偿电流Igm＝IT2；其中VDET为纹波电压，VCSF为倍增的电流采样电压，Gm1为第一单向输出跨导器的负向输出跨导，IT1为第一单向输出跨导器负向输出电流的最大值，Gm2为第二单向输出跨导器的正向输出跨导，IT2为第二单向输出跨导器正向输出电流的最大值。
如图2所示，本实施例还提供了一种市电固态LED照明***，所述市电固态LED照明***包括：
整流电路10，用于对交流市电进行整流处理以产生整流电压；
恒流LED驱动电路20，连接于所述整流电路10，用于对所述整流电压进行处理以产生恒定电流；
负载LED灯串30，连接于所述恒流LED驱动电路20，用于在恒流驱动下对所述负载LED灯串进行点亮以发出照明光；
如上所述的自适应电流纹波滤除电路40，连接于所述负载LED灯串30的负极端，用于对输入至所述负载LED灯串的恒定电流进行电流纹波滤除，以消除所述恒定电流中存在的两倍及以上频率成分纹波。
作为示例，如图2所示，所述市电固态LED照明***还包括：高频纹波滤除电容50，并联于所述恒流LED驱动电路20的输出端。
实施例二
如图2所示，相较于实施例一，本实施例所述自适应电流纹波滤除电路40的区别在于：所述自适应电流纹波滤除电路还包括：过温保护单元47，连接于所述环路补偿单元44和所述驱动信号产生单元46，用于对所述自适应电流纹波滤除电路40进行过温保护，以根据不断升高的检测温度来增大所述功率管M1的导通程度，并在所述检测温度大于过温保护阈值时，关断所述功率管M1。需要注意的是，在本示例所述自适应电流纹波滤除电路40除环路补偿电容C1和电流采样电阻RCS之外都集成于同一芯片封装中时，可增设本示例所述过温保护单元47对芯片进行过温保护。
作为示例，所述过温保护单元包括：
温度检测器，用于检测所述自适应电流纹波滤除电路所处工作环境的温度；
保护电流产生器，连接于所述温度检测器及所述环路补偿单元44，用于在检测温度大于降功率起始温度值时，产生随所述检测温度升高而增大的输出电流至所述环路补偿单元44，从而控制所述驱动信号产生单元46产生相应驱动信号以控制所述功率管M1的导通程度，实现根据不断升高的检测温度来增大所述功率管M1的导通程度，从而降低所述功率管M1的功率损耗，同时电流纹波滤除功能缓慢消失；并在所述检测温度大于等于降功率最终温度值时，产生相应的输出电流至所述环路补偿单元44，从而控制所述驱动信号产生单元46产生相应驱动信号以控制所述功率管M1完全导通，从而使其功率损耗降至最低，同时电流纹波滤除功能完全消失；
保护逻辑产生器，连接于所述温度检测器及所述驱动信号产生单元46的控制端，用于在所述检测温度大于过温保护阈值时，产生关断信号至所述驱动信号产生单元46，以控制所述功率管M1关断；其中，所述过温保护阈值大于所述降功率最终温度值。
其中，所述过温保护单元47的输出电流随温度变化的特性曲线如图8所示：当检测温度小于降功率起始温度Th1时，所述过温保护单元47的输出电流ITP为零，此时对所述环路补偿单元44没有影响；当所述检测温度大于降功率起始温度Th1后，所述过温保护单元47输出端流到COMP节点的电流ITP>0，此时输入至所述环路补偿单元44的补偿电流ICOMP＝Igm+ITP(具体为当所述检测温度大于降功率起始温度Th1且小于降功率最终温度Th2时，所述过温保护单元47的输出电流ITP>0且随温度升高而逐渐增加；当所述检测温度升高至降功率最终温度Th2时，所述过温保护单元47的输出电流ITP等于所述误差检测单元43负向输出电流的最大值IT1；随着所述检测温度的继续升高，所述过温保护单元47的输出电流IT1将停在高于IT1的点上)。由于在稳态工作条件下，仍要保持补偿电流ICOMP在每个两倍工频周期中的积分等于零，故此时所述误差检测单元43的同相输入端电压VDET相对于其反相输入端电压VCSF的位置将下降。
随着检测温度的升高，过温保护单元47的输出电流ITP增加，此时在每个两倍工频周期中，当所述误差检测单元43的正相输入端电压VDET，即所述功率管M1的漏极电压波形谷底接近所述功率管M1的源极电压时，所述运算放大器OP将不得不提高所述功率管M1的栅极电压以保证所述功率管M1能够导通，此时间段内所述功率管M1仅仅是一个导通电阻较小的开关。但这也将导致所述功率管M1的漏源电压波动减小，从而使得前级恒流LED驱动电路输出电流中的交流纹波成分将流过负载LED灯串，此时电流采样电阻RCS的电压降VCS上也将出现明显的电压波动；而且随着检测温度的不断升高，流过负载LED灯串的电流纹波将越来越大，而负载LED灯串的负极端电压波动也将逐渐减小。由于所述功率管M1的漏源压降平均值降低，故所述功率管M1上的功率损耗将降低，从而有助于降低芯片温度。
如果检测温度继续升高并达到Th2，此时过温保护单元47的输出电流ITP等于所述误差检测单元43的负向输出电流的最大值IT1，那么COMP节点电压将上升，使得运算放大器OP的正相输入端电压VCOMPL完全高于其反相输入端电压VCS波动的峰值，此时运算放大器输出为高电平，驱动所述功率管M1完全导通，此时整个***的电流纹波滤除功能完全消失了，而且此时所述功率管M1是一个完全导通的开关，其功率损耗降到最低。之后如果检测温度继续升高，过温保护单元的输出电流ITP将停在高于IT2的点上。
如果检测温度继续升高并超过所述过温保护阈值TSD，则所述过温保护单元47将产生关断信号输入至所述运算放大器OP的控制端，以使所述运算放大器OP输出低电平，即所述功率管M1的栅极为低电平，从而关断所述功率管M1以保护功率通路不被烧毁。
相应地，相较于实施例一，本实施例所述电流纹波滤除方法还包括：对所述功率管所处工作环境的温度进行检测以获取检测温度；对所述检测温度和降功率起始温度值进行比较，并在所述检测温度大于所述降功率起始温度时，产生随所述检测温度升高而增大的输出电流，从而控制所述功率管的导通程度，实现根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，从而降低所述功率管的功率损耗，同时电流纹波滤除功能缓慢消失；并在所述检测温度大于等于降功率最终温度值时，产生相应的输出电流，从而控制所述功率管完全导通，使其功率损耗降至最低，同时电流纹波滤除功能完全消失；对所述检测温度和过温保护阈值进行比较，并在所述检测温度大于所述过温保护阈值时，产生关断信号以控制所述功率管关断；其中，所述过温保护阈值大于所述降功率最终温度值。
综上所述，本发明的一种自适应电流纹波滤除电路、市电固态LED照明***及方法，通过所述自适应电流纹波滤除电路的设计，实现了滤除前级恒流LED驱动电路输出电流所带两倍工频及以上频率纹波，保证流过所述负载LED灯串的电流仅包含平稳直流成分；同时还实现了功率通路中所述功率管的漏极电压纹波谷底值跟随其源极电压变化，保证了所述功率管的漏源压降在合理的范围内波动；更实现了包含带有随温度升高而缓慢降低功率管的功率损耗和过温关断功能在内的完备过温保护功能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述自适应电流纹波滤除电路包括：
电压检测单元、功率管、电流采样单元、误差检测单元、环路补偿单元、电压缩减单元及驱动信号产生单元；其中，
所述电压检测单元连接于负载LED灯串的负极端及所述误差检测单元，用于获取输入至所述负载LED灯串的电流在其负极端产生的纹波电压；
所述功率管的漏极连接于所述负载LED灯串的负极端，其源极连接于所述电流采样单元，其栅极连接于所述驱动信号产生单元；
所述电流采样单元连接于所述功率管的源极、所述驱动信号产生单元及所述误差检测单元，用于根据一电流采样电阻和所述功率管在所述负载LED灯串的负极端和地之间形成一功率通路，通过所述电流采样电阻对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压，并通过对所述电流采样电压进行放大以获取倍增的电流采样电压；
所述误差检测单元连接于所述电压检测单元、所述电流采样单元及所述环路补偿单元，用于对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流；
所述环路补偿单元连接于所述误差检测单元及所述电压缩减单元，用于根据所述补偿电流产生相应的补偿电压；
所述电压缩减单元连接于所述环路补偿单元及所述驱动信号产生单元，用于按预设缩减比例对所述补偿电压进行缩减以产生缩减电压；
所述驱动信号产生单元连接于所述电压缩减单元、所述电流采样单元及所述功率管的栅极，用于对所述缩减电压和所述电流采样电压进行运放处理以产生驱动所述功率管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述电压检测单元包括：一检测电阻，所述检测电阻的一端连接于所述负载LED灯串的负极端，所述检测电阻的另一端作为所述电压检测单元的输出端连接于所述误差检测单元的正相输入端。
3.根据权利要求1所述的自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述电流采样单元包括：电流采样电阻、跨导器及倍增电阻，所述电流采样电阻的一端连接于所述功率管的源极及所述跨导器的正相输入端，同时作为所述电流采样单元的电流采样端连接于所述驱动信号产生单元的反相输入端，所述电流采样电阻的另一端接地，所述跨导器的反相输入端接地，所述跨导器的输出端连接于所述倍增电阻的一端，同时作为所述电流采样单元的倍增输出端连接于所述误差检测单元的反相输入端，所述倍增电阻的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述误差检测单元包括：第一单向输出跨导器和第二单向输出跨导器，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器的正相输入端相连以作为所述误差检测单元的正相输入端，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器的反相输入端相连以作为所述误差检测单元的反相输入端，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器的输出端相连以作为所述误差检测单元的输出端；其中，所述第一单向输出跨导器和所述第二单向输出跨导器为一对非对称跨导且其输出电流方向相反。
5.根据权利要求1所述的自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述环路补偿单元包括：一环路补偿电容，所述环路补偿电容的一端连接于所述误差检测单元的输出端及所述电压缩减单元的输入端，所述环路补偿电容的另一端接地。
6.根据权利要求1至5任一项所述的自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述自适应电流纹波滤除电路还包括：过温保护单元，连接于所述环路补偿单元和所述驱动信号产生单元，用于对所述自适应电流纹波滤除电路进行过温保护，以根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，并在所述检测温度大于过温保护阈值时，关断所述功率管。
7.根据权利要求6所述的自适应电流纹波滤除电路，其特征在于，所述过温保护单元包括：
温度检测器，用于检测所述自适应电流纹波滤除电路所处工作环境的温度；
保护电流产生器，连接于所述温度检测器及所述环路补偿单元，用于在检测温度大于降功率起始温度值时，产生随所述检测温度升高而增大的输出电流至所述环路补偿单元，从而控制所述驱动信号产生单元产生相应驱动信号以控制所述功率管的导通程度，实现根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，从而降低所述功率管的功率损耗，同时电流纹波滤除功能缓慢消失；并在所述检测温度大于等于降功率最终温度值时，产生相应的输出电流至所述环路补偿单元，从而控制所述驱动信号产生单元产生相应驱动信号以控制所述功率管完全导通，从而使其功率损耗降至最低，同时电流纹波滤除功能完全消失；
保护逻辑产生器，连接于所述温度检测器及所述驱动信号产生单元的控制端，用于在所述检测温度大于过温保护阈值时，产生关断信号至所述驱动信号产生单元，以控制所述功率管关断；其中，所述过温保护阈值大于所述降功率最终温度值。
8.一种市电固态LED照明***，其特征在于，所述市电固态LED照明***包括：
整流电路，用于对交流市电进行整流处理以产生整流电压；
恒流LED驱动电路，连接于所述整流电路，用于对所述整流电压进行处理以产生恒定电流；
负载LED灯串，连接于所述恒流LED驱动电路，用于在恒流驱动下对所述负载LED灯串进行点亮以发出照明光；
如权利要求1至7任一项所述的自适应电流纹波滤除电路，连接于所述负载LED灯串的负极端，用于对输入至所述负载LED灯串的恒定电流进行电流纹波滤除，以消除所述恒定电流中存在的两倍及以上频率成分纹波。
9.根据权利要求8所述的市电固态LED照明***，其特征在于，所述市电固态LED照明***还包括：高频纹波滤除电容，并联于所述恒流LED驱动电路的输出端。
10.一种电流纹波滤除方法，其特征在于，所述电流纹波滤除方法包括：
获取输入至负载LED灯串的电流在其负极端产生的纹波电压；
基于功率管和电流采样电阻在负载LED灯串的负极端和地之间形成功率通路，通过所述电流采样电阻对流经所述功率通路的电流进行采样以获取电流采样电压，并通过对所述电流采样电压进行放大以获取倍增的电流采样电压；
对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流，并根据所述补偿电流对环路补偿电容进行充放电以产生相应的补偿电压；
按预设缩减比例对所述补偿电压进行缩减以产生缩减电压，并对所述缩减电压和所述电流采样电压进行运放处理以产生驱动所述功率管的驱动信号，从而消除流经所述负载LED灯串的电流中存在的两倍及以上频率成分纹波。
11.根据权利要求10所述的电流纹波滤除方法，其特征在于，对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测以产生补偿电流的方法包括：通过一对具有输出电流方向相反的非对称单向输出跨导器对所述纹波电压和所述倍增的电流采样电压进行误差检测，并在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于第一跨导电压且小于0时，产生负向的补偿电流Igm＝(VDET-VCSF)*Gm1；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差小于第一跨导电压时，产生负向的补偿电流Igm＝-IT1；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于0且小于第二跨导电压时，产生正向的补偿电流Igm＝(VDET-VCSF)*Gm2；在所述纹波电压与所述倍增的电流采样电压之差大于第二跨导电压时，产生正向的补偿电流Igm＝IT2；其中VDET为纹波电压，VCSF为倍增的电流采样电压，Gm1为第一单向输出跨导器的负向输出跨导，IT1为第一单向输出跨导器负向输出电流的最大值，Gm2为第二单向输出跨导器的正向输出跨导，IT2为第二单向输出跨导器正向输出电流的最大值。
12.根据权利要求10所述的电流纹波滤除方法，其特征在于，所述电流纹波滤除方法还包括：
对所述功率管所处工作环境的温度进行检测以获取检测温度；
对所述检测温度和降功率起始温度值进行比较，并在所述检测温度大于所述降功率起始温度时，产生随所述检测温度升高而增大的输出电流，从而控制所述功率管的导通程度，实现根据不断升高的检测温度来增大所述功率管的导通程度，从而降低所述功率管的功率损耗，同时电流纹波滤除功能缓慢消失；并在所述检测温度大于等于降功率最终温度值时，产生相应的输出电流，从而控制所述功率管完全导通，使其功率损耗降至最低，同时电流纹波滤除功能完全消失；
对所述检测温度和过温保护阈值进行比较，并在所述检测温度大于所述过温保护阈值时，产生关断信号以控制所述功率管关断；其中，所述过温保护阈值大于所述降功率最终温度值。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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