TWI649006B - 一種消除ｌｅｄ頻閃的方法和系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種消除LED頻閃的方法和系統。提供了一種消除LED頻閃的系統：包括：LED驅動電路，LED驅動電路一端通過整流濾波元件與交流電源連接，一端連接到LED負載；以及頻閃消除電路，頻閃消除電路包括三個埠，第一埠與LED負載連接；第二埠通過濾波電容器接地；第三埠接地，其中頻閃消除電路包括：功率電晶體、閘極驅動單元、以及汲極感測單元；其中閘極驅動單元連接到功率電晶體的閘極和閘極驅動單元的輸入並且輸入第一信號到閘極驅動單元，並且閘極驅動單元被配置為輸出驅動信號來驅動功率電晶體，其中驅動信號是由閘極驅動單元至少部分地基於第一信號生成的。

Description

一種消除LED頻閃的方法和系統
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了一種消除LED頻閃的方法和系統。
發光二極體(Lighting Emitting Diode，LED)作為新型節能光源，憑藉其高效、環保和安全等特點，被廣泛應用於景觀、路燈、家用照明和商用照明等各種照明場合。
根據LED的負載特性，LED驅動電路一般都採用恒流驅動方式。傳統的LED驅動器包括LED驅動器和輸出電容。第1圖示出了傳統LED線性恒流控制系統。如第1圖所示。LED驅動器將交流市電整流後，轉換成直流電流提供給LED負載。但是這樣轉換出來的直流電流含有兩倍於市電頻率的交流電流紋波；對於高PF(Power Factor，功率因數)的LED驅動器，交流電流的紋波比重甚至更大。這樣的紋波會造成人眼能夠感知的，或者攝像器材能夠捕捉的頻閃現象。因此，LED驅動系統中需要能夠消除LED頻閃的電路。
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了一種消除LED頻閃的方法和系統。僅作為示例，本發明的一些實施例被應用到LED領域。但是，將認識到，本發明有更廣泛的適用範圍。
本申請發明一種消除LED頻率閃爍(頻閃)的方法和電路，所述消除LED頻閃的電路，應用於LED驅動電路中。當LED驅動器所連接負載具有恆流特性時候，流過負載的電流是不含交流分量的直流電 流，但是其輸出電壓含有少量交流紋波分量。因此，本發明通過可控電路給LED驅動器的負載提供不含交流分量的恒定直流電流，並利用濾波控制電路濾除輸出電壓的交流紋波分量，以消除LED頻閃。同時，頻閃消除電路提供自我調整的電壓調節功能，以提高系統工作效率；並且設置有限流功能，以保證電路應用的可靠性。
根據一個實施例，提供了一種消除LED頻閃的系統：包括：LED驅動電路，LED驅動電路一端通過整流濾波元件與交流電源連接，一端連接到LED負載；以及頻閃消除電路，頻閃消除電路包括三個埠，第一埠與LED負載連接；第二埠通過濾波電容器接地；第三埠接地，其中頻閃消除電路包括：功率電晶體、閘極驅動單元、以及汲極感測單元和其它可選模組；其中閘極驅動單元連接到功率電晶體的閘極和閘極驅動單元的輸入並且輸入第一信號到閘極驅動單元，並且閘極驅動單元被配置為輸出驅動信號來驅動功率電晶體，其中驅動信號是由閘極驅動單元至少部分地基於第一信號生成的。
根據又另一實施例，提供了一種如本發明的實施例所述的消除LED頻閃的系統的LED燈具。
根據實施例，可以獲得一項或多項益處。參考隨後的詳細的說明和附圖，這些好處和本發明的各種附加的目的、特徵和優勢可得以透徹地理解。
M1‧‧‧功率電晶體
Vd‧‧‧汲極電壓
Vg‧‧‧閘極電壓
Vth‧‧‧閾值電壓
Rs‧‧‧感測電阻
M2、M3‧‧‧開關管
D1‧‧‧二極體
Gm‧‧‧跨導放大器
M4‧‧‧感測管
M5、M6‧‧‧調製管
Vout‧‧‧電壓
Vref‧‧‧內部基準電壓
Vc‧‧‧濾波電容電壓
第1圖示出了傳統LED線性恒流控制系統。
第2圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的系統的示意性圖示。
第3圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的示意性圖示。
第4A圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極感測 單元的一種示意性實現方式。
第4B圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極感測單元的另一示意性實現方式。
第5A圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極電壓自我調整調節單元的一種示意性實現方式。
第5B圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極電壓自我調整調節單元的另一示意性實現方式。
第6圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的電流感測和限流單元的一種示意性實現方式。
第7圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的閘極驅動單元的一種示意性實現方式。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
優選的，本發明的控制方法可以適用於高PF或交流三極管(TRIodes AC switch,TRAIC)調光的線性恒流控制方式的LED照明領域。
本申請提出一種消除LED頻閃的方法和電路，以抑制或去除LED驅動器輸出電流紋波；通過自我調整調節功能，提高系統工作效率；並且通過限流功能，保證電路應用的可靠性。
第2圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的系統的 示意性圖示。其中，頻閃消除電路有三個埠。第一埠與LED負載連接；第二埠與地之間連接濾波電容；第三埠連接至地。
第3圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的示意性圖示。頻閃消除電路內部包含五個功能模組，如第3圖所示，為整流功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，此後簡稱功率電晶體；汲極感測為功率電晶體M1的汲極電壓感測電路；最小汲極限制為功率電晶體M1的汲極電壓自我調整調節單元；過流保護(Over Current Protection,OCP)為電流感測和限流單元；閘極驅動功率電晶體M1的閘極驅動單元。外部的電容用於濾波功率電晶體M1的閘極電壓。
頻閃消除電路設置功率電晶體M1工作在飽和區，以實現LED負載的恒流需求。並且，通過汲極感測，感測功率電晶體M1的汲極電壓，調節功率電晶體M1的閘極電壓，最終達到調整通過LED負載的電流，消除其中的交流電流分量，從而實現消除LED的頻閃。當LED驅動器具有高PF特性時，輸出電壓紋波通常比較大。這時功率電晶體M1的汲極電壓波動較大，其平均值也較高。在額定LED負載電流情況下，功率電晶體M1的汲極電壓平均值越高，意味著頻閃消除電路產生的功率損耗和熱損耗越大。汲極感測還具有將功率電晶體M1的汲極電壓波動的最低值拉至其飽和區與線性區的邊界的功能。
在功率電晶體M1的汲極電壓波動的過程中，為了保證功率電晶體M1始終能工作在飽和區，而不至於因汲極電壓過低進入線性區，最小汲極限制電路始終對功率電晶體M1的汲極電壓進行感測。當功率電晶體M1的汲極電壓滿足Vd<Vg-Vth(其中Vd、Vg和Vth分別為功率電晶體M1的汲極電壓、閘極電壓和閾值電壓)，最小汲極限制電路將降低閘極電壓，以滿足功率電晶體M1工作在飽和區的條件Vd>Vg-Vth。
為提高消除頻閃電路的可靠性，避免電路工作在高壓大電流狀態，OCP提供電流感測功能，並根據檢測結果調整功率電晶體M1 的閘極電壓，限制功率電晶體M1的最大導通電流。
閘極驅動將其它電路模組收集並處理其它模組電路的控制信號，完成對功率電晶體M1的閘極驅動。
第4A圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極感測單元的一種示意性實現方式。連接功率電晶體M1的汲極和閘極之間的正向二極體提供啟動通路；功率電晶體M1的汲極和閘極之間直接連接的調整電阻器用於調整汲極電壓波動的最低值。電路始終感測功率電晶體M1的汲極電壓，調整其閘極電壓。
第4B圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極感測單元的另一示意性實現方式。在啟動的初始階段，開關管M2導通，與二極體D1構成低阻抗通路，對功率電晶體M1的閘極端電容進行快速充電；當其電位上升到開關管M3的閾值後，開關管M3導通，關斷開關管M2的快速啟動通路，避免發生電流過沖。為進一步提高消除頻閃電路的回應能力，提供啟動速度。
第5A圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極電壓自我調整調節單元的一種示意性實現方式。電路感測功率電晶體M1的汲極電壓，它與內部基準電壓Vref的差值通過跨導放大器Gm輸出單方向調節功率電晶體M1的閘極電壓的信號。當功率電晶體M1的汲極電壓大於內部基準電壓Vref時，跨導放大器Gm不輸出調節信號；反之，當功率電晶體M1的汲極電壓小於內部基準電壓Vref時，跨導放大器Gm輸出調節信號，降低功率電晶體M1的閘極電壓，減弱功率電晶體M1的電流能力，使得其汲極電壓被迫抬高，從而避免汲極電壓過低，功率電晶體M1進入線性區。
第5B圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的汲極電壓自我調整調節單元的另一示意性實現方式。當功率電晶體M1的汲極電壓分壓低於感測管M4的閾值電壓時，感測管M4關斷；調製管M5開始工作，抽取功率電晶體M1的閘極端電容的電荷，降低其閘極電 壓，同樣可以實現減弱功率電晶體M1的電流能力的功能，使得功率電晶體M1始終工作於飽和區。
第6圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的電流感測和限流單元的一種示意性實現方式。所述單元包含串聯於功率電晶體M1的源極與地之間的感測電阻Rs及第二功率電晶體M6，所述第二功率電晶體M6的閘極端接收感測電阻Rs上的電壓信號。當功率電晶體M1的導通電流過大使得感測電阻Rs上的電壓信號超過第二功率電晶體M6的閾值電壓，第二功率電晶體M6開始工作，抽取功率電晶體M1的閘極端電容(未圖式)的電荷，通過降低其閘極電壓，限制其電流能力。
第7圖是根據本發明的實施例的消除LED頻閃的電路的閘極驅動單元的一種示意性實現方式。電阻並聯電路構成加法器，調整輸出阻抗以及對功率電晶體M1的控制電壓。
根據本發明的實施例，提供了一種消除LED頻閃的系統：可以包括：LED驅動電路，LED驅動電路一端通過整流濾波元件與交流電源連接，一端連接到LED負載；以及頻閃消除電路，頻閃消除電路包括三個埠，第一埠與LED負載連接；第二埠通過濾波電容器接地；第三埠接地，其中頻閃消除電路包括：功率電晶體、閘極驅動單元、以及汲極感測單元和其它可選的模組；其中閘極驅動單元連接到功率電晶體的閘極，並且閘極驅動單元被配置為接收自所述汲極感測單元輸出的第一信號並輸出驅動信號來驅動功率電晶體，其中驅動信號是由閘極驅動單元至少部分地基於第一信號生成的。
根據本發明的實施例，頻閃消除電路還可以包括：電流感測和限流單元；電流感測和限流單元被配置感測流過功率電晶體的電流，並且基於檢測結果輸出第二信號到閘極驅動單元，其中驅動信號是由閘極驅動單元至少部分地基於第一信號和第二信號生成的。
根據本發明的實施例，頻閃消除電路還包括：汲極電壓自我調整調節單元，汲極電壓自我調整調節單元被配置為感測功率電晶體 的汲極電壓、閘極電壓、和閾值電壓，並且輸出第三信號到閘極驅動單元，其中當汲極電壓自我調整調節單元感測到汲極電壓小於閘極電壓與閾值電壓之差時，生成指示降低功率電晶體的閘極電壓的第三信號，其中驅動信號是由閘極驅動單元至少部分地基於第一信號、第二信號和第三信號生成的。
根據本發明的實施例，汲極感測單元可以包括：正向二極體，正向二極體的正極與功率電晶體的汲極連接，負極與功率電晶體的閘極連接；調整電阻器，調整電阻器與正向二極體並聯連接在功率電晶體的汲極和閘極之間。
根據本發明的實施例，汲極感測單元還可以包括第一開關管和第二開關管，其中第一開關管的汲極與二極體的負極連接，源極與第二開關管的閘極連接，閘極與調整電阻器連接；並且第二開關管的閘極與第二開關管的源極連接，汲極與調整電阻器連接，源極接地。
根據本發明的實施例，電流感測和限流單元包含串聯於所述功率電晶體的源極和地之間的感測電阻及第二功率電晶體，第二功率電晶體接收感測電阻上的電壓信號，當電壓信號大於第二功率電晶體的閾值電壓時，第二功率電晶體抽取與功率電晶體的閘極相連接的電容器的電荷。
根據本發明的實施例，汲極電壓自我調整調節單元是跨導放大器，並且被配置為當檢測到的汲極電壓大於內部基準電壓時不輸出第三信號，否則輸出第三信號指示降低功率電晶體的閘極電壓。
根據本發明的實施例，閘極驅動單元包括串聯二極體構成平移電路；以及電阻並聯電路構成加法器。
根據一個示例，提供了根據本公開的實施例的消除LED頻閃的系統的LED燈具。
例如，使用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件、和/或軟體和硬體元件的一個或多個組合，本發明的各種實施例的一些或全 部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施。在另一示例中，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施在諸如一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路之類的一個或多個電路中。在另一示例中，本發明的各種實施例和/或示例可以被結合。
雖然已經描述了本發明的特定實施例，但本領域的技術人員應該理解，存在等同於所描述的實施例的其它實施例。因此，應該理解，本發明並不限於所示出的具體實施例，而僅由所附權利要求的範圍所限定。

Claims (7)

  1. 一種消除LED頻閃的系統：包括：LED驅動電路，所述LED驅動電路一端通過整流濾波元件與交流電源連接，一端連接到LED負載；以及頻閃消除電路，所述頻閃消除電路包括三個埠，第一埠與所述LED負載連接；第二埠通過濾波電容器接地；第三埠接地，其中所述頻閃消除電路包括：功率電晶體、閘極驅動單元、汲極感測單元、以及汲極電壓自我調整調節單元；其中所述閘極驅動單元連接到所述功率電晶體的閘極，並且所述閘極驅動單元被配置為接收自所述汲極感測單元輸出的第一信號並輸出驅動信號來驅動所述功率電晶體，其中所述驅動信號是由所述閘極驅動單元至少部分地基於所述第一信號生成的，所述汲極電壓自我調整調節單元被配置為檢測所述功率電晶體的汲極電壓，並且輸出第三信號到所述閘極驅動單元，其中當所述汲極電壓自我調整調節單元感測到所述汲極電壓小於所述功率電晶體的閘極電壓與所述功率電晶體的閾值電壓之差時，生成指示降低所述功率電晶體的所述閘極電壓的第三信號，其中所述驅動信號是由所述閘極驅動單元至少部分地基於所述第一信號和所述第三信號生成的。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述頻閃消除電路還包括：電流感測和限流單元；所述電流感測和限流單元被配置感測流過所述功率電晶體的電流，並且基於檢測結果輸出第二信號到所述閘極驅動單元，其中所述驅動信號是由所述閘極驅動單元至少部分地基於所述第一信號、所述第二信號和所述第三信號生成的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述汲極感測單元包括：正向二極體，所述正向二極體的正極與所述功率電晶體的汲極連接，負極與所述功率電晶體的閘極連接；以及調整電阻器，所述調整電阻器與所述正向二極體並聯連接在所述功率電晶體的汲極和閘極之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的系統，其中所述汲極感測單元還包括第一開關管和第二開關管，其中所述第一開關管的汲極與所述正向二極體的負極連接，源極與所述第二開關管的閘極連接，閘極與所述調整電阻器連接；並且所述第二開關管的閘極與所述第二開關管的源極連接，汲極與所述調整電阻器連接，源極接地。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中所述電流感測和限流單元包含串聯於所述功率電晶體的源極和地之間的感測電阻及第二功率電晶體，所述第二功率電晶體的閘極端接收所述感測電阻上的電壓信號，當所述電壓信號大於所述第二功率電晶體的閾值電壓時，所述第二功率電晶體抽取與所述功率電晶體的閘極相連接的電容器的電荷。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述汲極電壓自我調整調節單元包括跨導放大器，並且被配置為當感測到的所述汲極電壓大於內部基準電壓時不輸出所述第三信號，否則輸出所述第三信號指示降低所述功率電晶體的閘極電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述閘極驅動單元包括電阻並聯電路構成加法器。
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