CN208094847U - 一种高效低纹波调光led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效低纹波调光LED驱动电路，包括EMI滤波电路、整流滤波电路、BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路和高压BUCK辅助供电电路。本实用新型的一种高效低纹波调光LED驱动电路，AC90‑264V的交流电经EMI滤波电路，后经桥式整流为脉动的直流电压，BOOST APFC电路对输入电流进行功率因数校正并输出恒定的高压直流电，经BUCK降压恒流电路输出恒定的电流给LED负载，其输出平均电流与PWM调光信号占空比有关。PWM信号控制电路对PWM调光信号进行调制，使PWM调光信号占空比与LED负载电流变化符合调光变化曲线的要求并处理调光过程和开关机反时序的一系列问题。

Description

一种高效低纹波调光LED驱动电路

技术领域

本实用新型涉及LED驱动电源领域，尤其涉及具有调光功能的LED驱动电源，具体地说是一种高效低纹波调光LED驱动电路。

背景技术

LED以其光效高、可靠性高、寿命长和绿色无污染成为新一代照明光源，现已得到广泛应用。目前，新调光功能LED驱动要求启动速度快、高频率、高PF、定置化设光曲线、开关机无闪烁、无线或WIFI多台控制等特性。根据LED特有的伏安特性，LED驱动大多采用恒流驱动方式，LED的发光强度由其驱动电流决定，如图1所示。只要改变驱动电流就可以改变LED的亮度，实现调光功能。通常LED驱动的调光方式有三种，TRAIC调光、模拟调光、和PWM调光，可以满足一般性的调光需求。但人们对调光控制方式和调光精度提出了更高的要求，调光电流的变化曲线各有不同，电流的变化率直接关系到LED灯光通量的变化。而通常调光方式的固有缺点陷无法达到其要求。

常用的LED驱动调光方式有TRAIC调光、模拟调光和PWM调光等。

一、TRAIC调光

TRAIC调光是在传统白炽灯和卤素灯中被普遍采用的一种调光方式。它的工作原理是将输入电压的波形通过导通角切波之后，产生一个切相的输出电压波形。应用切相的原理，可减少输出电压的有效值，以此来降低普通负载(电阻负载)的功率，通常分为前切与后切二种方式。

TRIAC调光器应用在 LED驱动电路中，目前最大的问题在于调光器的兼容性。针对TRIAC调光器的特点，在LED驱动电路中必须增加有源泄放或无源泄放电路，以提供擎住电流和维持电流，采用兼容TRIAC调光的LED驱动控制芯片，合理调整控制芯片的参数。如果设计不当，由大功率开关器件构成的TRIAC调光器和 LED 驱动电路相互影响不稳定，会出现可见闪烁。

TRIAC破坏了正弦波形，降低了功率因数，而且加大了谐波系数，很多兼容现有TRIAC调光器的芯片和方案自称有PFC，并没有包括TRIAC在内的整个***的功率因数。所有兼容TRIAC的LED调光***整流效率都很低，在调光角度小时易闪烁，完全破坏了LED的高效能。实际上所有兼容TRIAC调光的LED驱动控制芯片不可能兼容所有的TRIAC调光器，而只能兼容其中的一部分。

TRIAC调光虽然有许多缺点，却有一定的优势，因为它前期已经占据了很大的调光市场，只要换上带有兼容TRAIC调光功能的 LED灯具即可，不需要改变原照明线路，也不需要重新安装调光器。

TRIAC调光是具有半个多世纪的陈旧技术，是一种早期技术，其应用于LED调光照明只是过渡性的，是不值得推荐的。

二、模拟调光

模拟调光的原理很简单，就是通过改变LED驱动的输出电流来控制LED灯的亮度。通常是通过调整恒流控制芯片调光端口的电压来实现，因为恒流驱动控制芯片都提供一个调光电压控制端口，只要改变输入控制电压就可以改变电源的输出恒流值，也就是改变了比较器的基准源。

图1是0-10V调光隔离反激LED驱动电路，通过0-10V电压变化，改变芯片电流基准端口(IREF)的电压来改变输出电流。优点是简单、方便、实用，动态速度快。但是电路复杂，效率低下，在调光信号低时电路会不稳定。

图2是非隔离的BUCK降压型有线性调光功能LED驱动电路，在芯片的线性调光输入端口（LD）施加电压或调节外置SW，就可以方便的控制流过LED的电流。此方式控制简单，成本低，非隔离的BUCK基本工作在DCM模式，通过监测CS上的Ipk得到平均电流。缺点为基准电压很低时，很难检验到信号，易出错，精准度低。

模拟调光方案优点是简单，方便，实用。但是由于摸拟调光是直接调整LED的正向电流改变正向电压值，调亮度的同时也会改变它的光谱和色温，虽然在实际照明中可能不算是大问题，也无法得到精确调光，不能适应复杂调光曲线的要求。

三、PWM调光

PWM调光是基于LED是一个二极管，它可以实现快速开关，它的开关速度可以高达微秒以上，是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。

如图5所示，PWM调光时，PWM信号输入控制芯片的PWMDIM端口，控制芯片检测PWM信号占空比变化来调制和改变功率场效应管的栅极信号，控制与LED串联的功率场效应管快速开通与关断，从而达到调节LED电流大小的目的。

PWM调光不会产生色谱偏移，调光范围宽、精度高，调制频率高时不会发生闪烁现象，可以和数字控制技术相结合来进行控制；但使用PWM调光时要注意合理选择PWM信号频率及消除调光引的啸叫。

PWM调光技术目前被认为是最有前景的LED调光技术。

由于有功率因数指标的要求， 单极高PF反激拓扑和单极BUCKBOOST加低纹波控制电路二种方式的调光功能需由前级电路实现，并且输入调光部份没有电解电容，雷击实验或是PWM调光抗干扰较难实现，低纹波控制的MOSFET工作在线性区域，损耗较大通常会影响2%的效率，须采用更合理简洁的方案实现调光要求。

发明内容

本实用新型要解决的是现有技术存在的问题，旨在提供一种高效低纹波、无闪烁的调光LED驱动电路。

为解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：一种高效低纹波调光LED驱动电路，包括EMI滤波电路、整流滤波电路、BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路和高压BUCK辅助供电电路，其特征在于：

所述的EMI滤波电路，其输入端接交流电，输出端接整流滤波电路；

所述的整流滤波电路，其输入端接EMI滤波电路的输出端，输出端接BOOST APFC电路；

所述的BOOST APFC电路，其输入端接整流滤波电路的输出端，输出端接BUCK降压恒流电路；

所述的BUCK降压恒流电路的输入端接BOOST APFC电路的输出端和PWM信号控制电路的信号输出端，其输出端接LED负载；

所述的PWM信号控制电路，其输入端接PWM调光信号以及BOOST APFC电路输出的反馈信号，其输出端接BUCK降压恒流电路；

所述的高压BUCK辅助供电电路，其输入端接BUCK降压恒流电路的输出端，其输出端接BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路的电源端。

本实用新型的一种高效低纹波调光LED驱动电路，AC90-264V的交流电经EMI滤波电路，后经桥式整流为脉动的直流电压，BOOST APFC 电路对输入电流进行功率因数校正并输出恒定的高压直流电，经BUCK降压恒流电路输出恒定的电流给LED负载，其输出平均电流与PWM调光信号占空比有关。 PWM信号控制电路对PWM调光信号进行调制，使PWM调光信号占空比与LED负载电流变化符合调光变化曲线的要求并处理调光过程和开关机反时序的一系列问题。

高压BUCK辅助供电电路，为各控制电路提供工作电源。

根据本实用新型，所述的BOOST APFC电路控制芯片采用临界电流工作模式的功率因数校正芯片MP44014。该电路具有结构简单、体积小、工作稳定可靠、PF值高、THD值低。桥式整流后的脉动直流电经BOOST APFC电路输出恒定的直流400V，基本消除了低频纹波，保证后级电路输出的LED电流中的低频纹波电流份量在5%以内，同时输入电路的功率因数达到0.9以上。

根据本实用新型，所述的高压BUCK辅助供电电路控制芯片采用MP150或MP170。高压BUCK辅助供电电路将高压直流400V转换为低压直流15V，快速的为各控制电路提供电源，使LED驱动的起机时间小于0.5秒。

根据本实用新型，所述的BUCK降压恒流电路采用支持PWM调光的高精度降压型LED恒流驱动芯片MP4700。

根据本实用新型，所述的PWM信号控制电路包括单片机和光电耦合器，所述单片机的输入端接光电耦合器的输出端，所述单片机的输出端接BUCK降压恒流电路的控制输入端；所述光电耦合器的输入端接PWM调光信号，输出端接单片机。所述的PWM信号控制电路采用单片机将输入的信号转成所需的变频信号，再控制BUCK电路。该单片机主要功能特点是高性价比、低管脚小封装、工作电压范围宽、支持低功耗模式、内部复位、内部晶振频率最高25MHz、内部低温漂系数、1T指令执行速度、高速采样AD、10BIT精度、I/O口多种工作模式可选。单片机电源由辅助电源经LDO输出3.3V供电。

PWM调光器的信号经光电耦合器隔离，三极管放大整形，输入单片机的PWM3脚，通过AD转换写入的程序进行控制：当芯片内置程序检测到有调光动作即PWM信号占空比变化时，输出的PWM信号变频，调光时降低到100Hz，用于增加在PWM占空比很小时的导通时间，导通时间变大后，可调制的主开关的开关个数增多，变化率变小，不调光或是休眠状态下时升高到2KHz用于减少低频纹波；根据调光曲线的要求对输入的占空比进行实时的侦测和计算，输出合适的占空比信号，输入到BUCK降压芯片的PWM脚；同时芯片内部程序对母线电压进行检测，保证开关机时序正确，防止开关机时出现LED闪烁。

采用本实用新型的LED驱动电路，在设计程序时可采用变频技术，所以调光时电流曲线很平滑，目测不到段调光现象；不调光时是2KHz，所以只需小容量的电解电容就可以获得理想的LED纹波电流。

附图说明

图1是隔离反激0-10V调光LED驱动电路图。

图2是非隔离BUCK降压型线性调光LED驱动电路图。

图3是PWM信号驱动MOS管开通关断LED电路图。

图4是本实用新型一种高效低纹波调光LED驱动电路的电路框图。

图5是本实用新型BOOST APFC及高压BUCK辅助供电电路图。

图6是本实用新型的BUCK降压恒流电路。

图7是本实用新型PWM信号控制电路图。

图8改进后调光电流波形图。

图9是100Hz LED纹波电流图。

图10是1 2KHz LED纹波电流图。

图11是实测调光曲线。

具体实施方式

参照图4，实用新型的一种高效低纹波调光LED驱动电路，包括EMI滤波电路、整流滤波电路、BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路和高压BUCK辅助供电电路，其特征在于：

所述的EMI滤波电路，其输入端接交流电，输出端接整流滤波电路；

所述的整流滤波电路，其输入端接EMI滤波电路的输出端，输出端接BOOST APFC电路；

所述的BOOST APFC电路，其输入端接整流滤波电路的输出端，输出端接BUCK降压恒流电路；

所述的BUCK降压恒流电路的输入端接BOOST APFC电路的输出端和PWM信号控制电路的信号输出端，其输出端接LED负载；

所述的PWM信号控制电路，其输入端接PWM调光信号以及BOOST APFC电路输出的反馈信号，其输出端接BUCK降压恒流电路；

所述的高压BUCK辅助供电电路，其输入端接BUCK降压恒流电路的输出端，其输出端接BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路的电源端。

本实用新型的一种高效低纹波调光LED驱动电路，AC90-264V的交流电经EMI滤波电路，后经桥式整流为脉动的直流电压，BOOST APFC 电路对输入电流进行功率因数校正并输出恒定的高压直流电，经BUCK降压恒流电路输出恒定的电流给LED负载，其输出平均电流与PWM调光信号占空比有关。 PWM信号控制电路对PWM调光信号进行调制，使PWM调光信号占空比与LED负载电流变化符合调光变化曲线的要求并处理调光过程和开关机反时序的一系列问题。

高压BUCK辅助供电电路，为各控制电路提供工作电源。

参照图5，所述的BOOST APFC电路控制芯片采用临界电流工作模式的功率因数校正芯片MP44014，其主要功能是：

临界模式PFC控制；

精确可调输出过电压保护，FB开路保护；

超低(15μA)启动电流；

-750 / + 800mA门驱动电流。

该电路具有结构简单、体积小、工作稳定可靠、PF值高、THD值低。桥式整流后的脉动直流电经BOOST APFC电路输出恒定的直流400V，基本消除了低频纹波，保证后级电路输出的LED电流中的低频纹波电流份量在5%以内，同时输入电路的功率因数达到0.9以上。

所述的高压BUCK辅助供电电路控制芯片采用MP150或MP170，其主要功能是：

恒压控制，支持buck，buck-boost和flyback拓扑；

内置700V MOSFET；

内部高压电流源；

低待机功耗，输出功率可达2W；

输出电流可达200mA；

SOT23-5和SOIC8封装。

高压BUCK辅助供电电路将高压直流400V转换为低压直流15V，快速的为各控制电路提供电源，使LED驱动的起机时间小于0.5秒。

参照图6，所述的BUCK降压恒流电路采用支持PWM调光的高精度降压型LED恒流驱动芯片MP4700。其主要功能是：

工作电压8-18V，VCC欠压保护；

PWM调光控制，调光频率100Hz-2KHz；

最高工作频率可达160KHz；

输入母线电压欠压保护；

输出短路保护，过热保护；

外置功率MOS，门极驱动电流可达1.2A。

基本工作原理为：+15V电压接入VIN脚，经内部的LDO转换为8.5V的VCC电压，当直流母线电压达到芯片INUV脚的设定电压时，MOS管Q8导通时，输入电流经负载LED、电感L5、MOS管Q8、检测电阻R53流入到地。此时电感电流线性上升，储存能量，当检测电阻上的电压达到芯片CS脚的检测电压，MOS管关闭，电感电流通过二极管D7与电容EC3一起为负载LED供电，此时电感电流从峰值线性下降，电感电流的平均值为输出电流，即：ILED=1/2IL_PEAK。

BUCK芯片PWM调光工作原理与前文介绍一样， 主电路工作频率100K，PWM信号为1K，当PWM信号为高电压时，主电路工作，当PWM信号为低电平时，主电路关闭，因此PWM 1K信号对芯片DRIVE脚驱动100K信号进行调制，通过调整PWM的占空比大小来改变相同IPK电流下的输出波形个数，也就是改变了平均电流大小，从而实现调光。

参照图7，所述的PWM信号控制电路采用单片机U3将输入的信号转成所需的变频信号，再控制BUCK电路。该单片机主要功能特点是高性价比、低管脚小封装、工作电压范围宽、支持低功耗模式、内部复位、内部晶振频率最高25MHz、内部低温漂系数、1T指令执行速度、高速采样AD、10BIT精度、I/O口多种工作模式可选。单片机电源由辅助电源经LDO输出3.3V供电。

PWM调光器的信号经光电耦合器OP1隔离，三极管Q3放大整形，输入单片机的PWM3脚，通过AD转换写入的程序进行控制：当芯片内置程序检测到有调光动作即PWM信号占空比变化时，输出的PWM信号变频，调光时降低到100Hz，用于增加在PWM占空比很小时的导通时间，导通时间变大后，可调制的主开关的开关个数增多，变化率变小，不调光或是休眠状态下时升高到2KHz用于减少低频纹波；根据调光曲线的要求对输入的占空比进行实时的侦测和计算，输出合适的占空比信号，输入到BUCK降压芯片的PWM脚；同时芯片内部程序对母线电压进行检测，保证开关机时序正确，防止开关机时出现LED闪烁。

从高压BUCK辅助供电电路输出的15V电压经模拟电压调压芯片U2转换成3V电压给单片机U3和光电耦合器OP1供电。所述的模拟电压调压芯片U2采用AZ1117-3.0型芯片。

采用本实用新型的LED驱动电路，在设计程序时可采用变频技术，所以调光时电流曲线很平滑，目测不到段调光现象；不调光时是2KHz，所以只需小容量的电解电容就可以获得理想的LED纹波电流。

实测改进后调光电流波形如图8所示。

实测调光频率100Hz和2KHz时LED纹波电流如图9和图10所示。

电路中采用光电耦合器使调光器的信号与电源隔离，是由于本实用新型的电源是非隔离电源，而调光器信号是低压信号PWM信号传输线较长，容易受到干扰；同时支持单只调光器同时控制几只或几十只LED调光灯具。

实际测试结果：

（1）PF:0.98/100VAC，0.93/240VAC。（2）效率：93.2% 230VAC。（3）起机时间0.38秒，230V输入。（4）输出纹波电流4.1%。（5）调光曲线如图11所示。

实用新型的一种高效低纹波调光LED驱动电路，主电路采用BOOST+BUCK方案，将输入的宽电压升为固定高压，再经BUCK降压实现，调光功能由BUCK和MCU电路实现。由于两级方案实现快速启动与时序控制相矛盾，所以设计采用对母线电压实时采样，通过合理的时序控制提高可靠性，让BOOST将电压升至一定高压后，再让后级BUCK工作，解决了一般BUCK降压恒流电路PWM调光所固有缺陷。且根据调光曲线的要求和调光器信号可采用不同的控制程序对调光器的PWM信号进行调制，使调光过程中使LED灯亮度变化均匀柔和，减小了正常点灯时LED的纹波电流。

应该理解到的是：上述实施例只是对本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神范围内的发明创造，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效低纹波调光LED驱动电路，包括EMI滤波电路、整流滤波电路、BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路和高压BUCK辅助供电电路，其特征在于：

所述的EMI滤波电路，其输入端接交流电，输出端接整流滤波电路；

所述的整流滤波电路，其输入端接EMI滤波电路的输出端，输出端接BOOST APFC电路；

所述的BOOST APFC电路，其输入端接整流滤波电路的输出端，输出端接BUCK降压恒流电路；

所述的BUCK降压恒流电路的输入端接BOOST APFC电路的输出端和PWM信号控制电路的信号输出端，其输出端接LED负载；

所述的PWM信号控制电路，其输入端接PWM调光信号以及BOOST APFC电路输出的反馈信号，其输出端接BUCK降压恒流电路；

所述的高压BUCK辅助供电电路，其输入端接BUCK降压恒流电路的输出端，其输出端接BOOST APFC电路、BUCK降压恒流电路、PWM信号控制电路的电源端。

2.如权利要求1所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述BOOST APFC电路的控制芯片采用临界电流工作模式的功率因数校正芯片。

3.如权利要求2所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述的功率因数校正芯片采用MP44014型芯片。

4.如权利要求1所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述高压BUCK辅助供电电路的控制芯片采用MP150或MP170型芯片。

5.如权利要求1所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述BUCK降压恒流电路采用支持PWM调光的降压型LED恒流驱动芯片。

6.如权利要求5所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述降压型LED恒流驱动芯片为MP4700型芯片。

7.如权利要求1所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述的PWM信号控制电路包括单片机和光电耦合器，所述单片机的输入端接光电耦合器的输出端，所述单片机的输出端接BUCK降压恒流电路的控制输入端；所述光电耦合器的输入端接PWM调光信号，输出端接单片机。

8.如权利要求7所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述的PWM信号控制电路还包括模拟电压调压芯片。

9.如权利要求8所述的一种高效低纹波调光LED驱动电路，其特征在于所述的模拟电压调压芯片采用AZ1117-3.0型芯片。