用於大功率led驅動的通用溫度補償電路的製作方法
2023-10-08 09:33:09
專利名稱：用於大功率led驅動的通用溫度補償電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED照明領域，特別涉及大功率LED的溫度補償 技術。
背景技術：
LED (Light Emitting Diode，發光二極體)是個光電器件，其 工作過程中只有15% 25%的電能轉換成光能，其餘的電能幾乎都 轉換成熱能，使LED的溫度升高，在大功率LED中，熱管理是個大問 題，若不對熱量加以控制，則大功率LED的器芯溫度Tj會急速上升， Tj對LED的出光率及壽命有較大影響;T』越高會使LED的出光率越低， 壽命越短。減小LED電流可以降低LED溫度，延長LED壽命，但是一 味地減小電流又造成LED沒有工作在額定電流狀態，亮度下降。為了 兼顧亮度和壽命，就要使溫度在合理的範圍內，並保持驅動LED電流 不變；當LED溫度過高時，驅動LED的電流必須適當下降來降低LED 本身溫度，即溫度補償，這是LED應用領域需要解決的一個重點問題， 特別是對於大功率LED來說，其功率高，發熱量高，溫度補償對其而 言顯得更為重要。
如圖1所示，是現有一種溫度補償的技術方案，其包括控制單元 10、驅動單元20、 LED光源30、光學傳感器40和反饋電路50;控制 單元10根據電源電壓Vcx與反饋電壓Vfd進行操作控制；驅動單元20 響應控制單元10的控制，並為LED光源30提供電壓VDD; LED光源 30包括藉助驅動單元20提供的電源電壓而發光的多個LED;光學傳 感器40用於檢測從LED發出的光，並傳送到反饋電路50;反饋電路 50響應光學傳感器40的檢測信號，將反饋電壓Vfd提供給控制單元 10。
此結構工作時，反饋電路50將光學傳感器40的檢測信號與參考 信號進行比較，並將對應於比較結果的誤差信號的反饋電壓Vfd提供 給控制單元10，控制單元10響應反饋電壓Vfd而改變電源電壓，控制 LED光源30的工作，縮短因溫度變化而引起的亮度和色度的穩定時 間。
然而，此種溫度補償電路具有以下缺陷 (l)控制單元10隻是根據溫度反饋來調節LED發光時的亮度和 色度，而沒有解決LED在過熱情況下工作引起的壽命縮短的問題；(2)採用光學傳感器40作為檢測器件，體積大，安裝佔用空間 大，且光學傳感器40的成本高，從而提高了整體製造成本。
為了克服以上缺陷，如圖2所示，是一種對於上述溫度補償電路 的改進，其包括基準電壓發生器100、非反相放大單元200、驅動單 元300、 LED光源400和正向電壓檢測器500;基準電壓發生器100 用於產生第一基準電壓Lfl;非反相放大單元200用於使用預定的增 益Av來對第一基準電壓V 和正向電壓Vf之間的差電壓執行非反相放 大；驅動單元300用於響應於來自非反相放大單元200的電壓來調節 電源電壓，以將經過調節的電源電壓提供給LED光源400;正向電壓 檢測器500用於檢測LED光源400的LED的陽極處的正向電壓Vf，以 將正向電壓Vf提供給非反相放大單元200。此種電路是通過檢測LED 光源400的正向電壓Vf,根據溫度改變來補償亮度變化，與環境溫度 的目標電流值相結合來控制LED光源400的正向電壓，從而無須使用 光學傳感器40或溫度傳感器或存儲器或諸如CPU的判斷裝置，從而 減小安裝空間、節約製造成本並提高設計的靈活性。然而，這種電路 結構也有其局限所在
(1) 通過反饋來恆定LED光源400的正向電壓Vf，保證環境溫 度變化時LED發光亮度基本保持恆定，當環境溫度上升時驅動LED電 流上升，促使LED溫度繼續上升，因此也沒有解決LED在過熱情況下 工作引起的壽命縮短的問題；
(2) 需要設置溫度補償參數時，需要調節的電阻數目多，不方 便直接進行設置。
鑑於前述電路結構的不足，本發明人對溫度補償電路進行潛心研 究，終有本案產生。
實用新型內容
本實用新型的主要目的，在於提供一種用於大功率LED驅動的通 用溫度補償電路，其可以根據溫度變化而調節流經LED光源的電流， 實現溫度補償，延長LED光源的使用壽命。
本實用新型的次要目的，在於提供一種用於大功率LED驅動的通 用溫度補償電路，進行溫度補償的起始溫度點可調。
本實用新型的再一 目的，在於提供一種用於大功率LED驅動的通 用溫度補償電路，其實現溫度補償時，流過LED光源的電流隨溫度升 高而下降的斜率可調。
為了達成上述目的，本實用新型的解決方案是
一種用於大功率LED驅動的通用溫度補償電路，包括電壓發生 器、負反饋模塊、1: 1電流鏡、參考電阻、熱敏電阻、比較器、開關控制模塊、驅動模塊和LED光源；電壓發生器提供基準電壓至負反
饋模塊的電壓正向輸入端，負反饋模塊的電流輸出端與參考電阻的輸 入端連接，參考電阻的輸入端還連接至負反饋模塊的電壓負向輸入 端，參考電阻的接地端接地，負反饋模塊通過負反饋的形成使得電壓 正向輸入端電壓值與電壓負向輸入端電壓值近乎相等，即參考電阻的
端電壓約等於基準電壓；負反饋模塊的電流輸出端還與1: 1電流鏡 的輸出端A相連，而l: 1電流鏡的輸出端B連接到熱敏電阻的輸入
端；熱敏電阻的接地端接地；參考電阻和熱敏電阻的輸入端還分別連 接至比較器的兩個輸入端，比較器的輸出端與開關控制模塊的輸入端 相連，根據參考電阻與熱敏電阻的電壓比較結果向開關控制模塊發出 控制信號；開關控制模塊的輸出端經由驅動模塊為LED光源提供驅動 電流。
上述電壓發生器為自行產生電壓的基準電壓發生器。
上述電壓發生器也可以由外部電源取得電源。
上述參考電阻與負反饋模塊的連接處具有插接頭，參考電阻與負 反饋模塊之間通過插接連接。
上述熱敏電阻與1: 1電流鏡的連接處具有插接頭，熱敏電阻與 1: 1電流鏡之間通過插接連接。
採用上述方案後，本實用新型通過在LED光源附近設置一個熱敏 電阻，比較熱敏電阻的端電壓與參考電阻的端電壓的高低，選擇其中 較低的電壓輸入驅動模塊，驅動模塊根據輸入電壓的大小按線性正比
地輸出驅動LED的電流。由於熱敏電阻的負溫效應，當LED環境溫度 比較低時，熱敏電阻阻值大於參考電阻阻值，由於l:l電流鏡控制流 經兩電阻的電流始終相等，因此根據歐姆定律，熱敏電阻的端電壓高 於參考電阻端電壓，參考電阻端電壓(也等於電壓發生器提供的基準 電壓)作為驅動模塊的輸入電壓，輸出驅動LED電流保持恆定；反之， 當LED環境溫度過高時，熱敏電阻的端電壓降低到參考電阻的端電壓 以下，導致輸出驅動LED電流隨溫度上升而下降，實現溫度補償，使 得LED光源不致在高溫狀態持續工作在額定電流，從而延長LED光源 的使用壽命。
另外，參考電阻與負反饋模塊之間通過插接連接，可以方便更換 參考電阻，當熱敏電阻的阻值隨溫度升高而下降到與參考電阻的阻值 相同時，溫度補償功能啟動，因此可根據需要選取不同阻值的參考電 阻，從而調節溫度補償的溫度起始點。
再者，熱敏電阻與1: 1電流鏡之間也通過插接連接，可通過更 換不同負溫度係數的熱敏電阻，而設定溫度補償時流經LED光源的電 流隨溫度升高而下降的斜率。
圖1是一種現有溫度補償電路的示意圖； 圖2是另一種現有溫度補償電路的示意圖； 圖3是本實用新型的結構框圖； 圖4是本實用新型一個較佳實施例的電路示意圖； 圖5是本實用新型一個較佳實施例中的插接頭的示意圖； 圖6是本實用新型一個較佳實施例中根據LED的溫度-電流曲線 所作的溫度補償的溫度-電流特性曲線示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作詳細說明。
如圖3所示，是本實用新型用於大功率LED驅動的通用溫度補償 電路的一個較佳實施例的結構框圖，包括電壓發生器l、負反饋模塊 2、參考電阻3、 1: l電流鏡4、熱敏電阻5、比較器6、開關控制模 塊7、驅動模塊8和LED (Light Emitting Diode，發光二極體)光 源9。
電壓發生器1的作用是直接或間接地為驅動模塊8提供基準電 壓，此處可以是基準電壓發生器，本身產生的恆定基準電壓，也可以 將輸入端與外部電源相連，從外部獲得電源電壓，通過改變外部電壓 進而改變輸入驅動模塊8的電壓。
電壓發生器1的輸出端與負反饋模塊2的電壓正向輸入端相連， 此處負反饋模塊2的作用是實現負反饋，使負反饋模塊2的電壓正向 輸入端與電壓負向輸入端(也稱反饋電壓輸入端)"虛短"，因電壓 負向輸入端與參考電阻3的輸入端連接，從而為參考電阻3提供與基 準電壓幾乎相近的電壓值。負反饋模塊2的電流輸出端也與其反饋電 壓輸入端相連，並連接到參考電阻3的輸入端，且負反饋模塊2的電 流輸出端還與l: 1電流鏡4的輸出端A連接。在本實施例中，如圖 4所示，負反饋模塊2由一運算放大器21與一 麗0S管(N溝道金屬-氧化物半導體場效應管)22組成，其中，運算放大器21的正向輸入 端與電壓發生器1連接，輸出端連接至NM0S管22的柵極，麗0S管 22的漏極與1: 1電流鏡4的電流輸出端A連接，而NM0S管22的源 極與運算放大器21的電壓負向輸入端短接，且源極還與參考電阻3 的輸入端連接。
參考電阻3的輸入端與負反饋模塊2的電流輸出端相連，而另一 端的接地端接地，這樣就使得其輸入端的電壓即為參考電阻3兩端的 端電壓，約等於電壓發生器l提供的基準電壓；此處參考電阻3可以與負反饋模塊2集成在一起，也可以與負反饋模塊2分開組裝。
1: 1電流鏡4的輸出端A與參考電阻3的輸入端連接，而l: 1 電流鏡4的輸出端B連接到熱敏電阻5的輸入端，用於保證流經參考 電阻3與熱敏電阻5的電流值相等，因此將對二電阻阻值的比較，轉 化為對其兩端電壓值的比較。
熱敏電阻5設置在LED光源9的附近，用於檢測大功率LED光源 9附近的溫度，在本實施例中，熱敏電阻5可採用NTC (Negative Temperature Coefficient,負溫度係數)的熱敏電阻。熱敏電阻5 的輸入端與l: 1電流鏡4的輸出端B連接，而其另一端的接地端接 地，同參考電阻3的接法。這樣設置則只需要測量熱敏電阻5輸入端 的電壓值，即可得到其兩端的電壓，減少電路中的接線，且測量方便。
參考電阻3和熱敏電阻5的輸入端還分別連接到比較器6的兩個 輸入端，由比較器6將二者電壓值比較後，根據比較結果向連接的開 關控制模塊7發出開關控制信號。
開關控制模塊7的輸入端與比較器6的輸出端連接，根據比較器 6發出的控制信號，將參考電阻3與熱敏電阻5中具有較高端電壓的 電路與後續電路斷開，而將較低的端電壓加載到驅動模塊8。在本實 施例中，如圖4所示，可採用一單刀雙擲開關71與一反相器72組成， 此單刀雙擲開關71為高電平觸發導通，則比較器6可通過輸出的電 平信號及反相器72控制單刀雙擲開關71的Sl或S2端閉合，假設當 參考電阻3的端電壓高於熱敏電阻5的端電壓時，比較器6輸出低電 平，經反相器72後使得單刀雙擲開關71的S2端導通，將熱敏電阻 5的端電壓加載到驅動模塊8。
驅動模塊8的輸入端為高阻抗，輸出端與LED光源9連接，用於 輸出驅動電流驅動LED光源9發光，驅動電流與此模塊的輸入電壓呈 線性正比關係。驅動方法可以是線性恆流驅動、DC-DC恆流驅動等， 在本實施例中，採用線性恆流驅動，此為公知技術，在此不再贅述。
如圖4所示，本實用新型工作時，設電壓發生器l輸出的基準電 壓為VAWI，參考電阻3的阻值為Rth，熱敏電阻5的阻值為Rnt。， V則。 為驅動模塊8的輸入電壓，驅動模塊8輸出的LED驅動電流乙t與VADJ。 呈線性正比關係
L,=G/n*F， (6fe〉0) (1)
由於運算放大器21的正向輸入端與反饋電壓輸入端虛短，可知 參考電阻3的端電壓即為基準電壓fW,，從而流經參考電阻3的電流 值為
& (2) 又由於流經參考電阻3與熱敏電阻5的電流通過1: 1電流鏡4複製，因此流經熱敏電阻5的電流值也為
& (3) 則熱敏電阻5的端電壓為
formula see original document page 8 (4)
參考電阻3與熱^電阻5的端電壓fW,及fWp分別輸入比較器6 的兩個輸入比較端，由比較器6對二者進行比較，此處由於流經參考 電阻3與熱敏電阻5的電流值相同，則只要比較二者的端電壓，即是 比較二者的電阻值，從而為溫度補償作基礎。
當LED光源9工作時的溫度較低時，此時熱敏電阻5的阻值會高 於參考電阻3的阻值，也即
formula see original document page 8
此時比較器6輸出高電平，單刀雙擲開關71的S1端閉合，直接 將電壓發生器1的輸出端與驅動模塊8的輸入端連接，使formula see original document page 8 (6)
此時LED光源9的電流值僅由基準電壓Kw控制，溫度補償功能 未啟動，LED光源9工作在與K肌電壓對應電流值的恆流狀態。
當LED光源9的工作溫度較高時，熱敏電阻5的阻值由於負溫度 效應下降，使得熱敏電阻5的端電壓K,低於參考電阻3的端電壓 K,則比較器6輸出低電平，單刀雙擲開關71的Sl端斷開，而此 低電平信號經過反相器72後轉換為高電平，觸發S2端導通，將熱敏 電阻5的端電壓連接到驅動模塊8，也即
formula see original document page 8 (7)
由上述公式(7)可以看出，當溫度補償功能啟動時，流經LED 光源9的電流由電壓發生器1提供的基準電壓和參考電阻3與熱敏電 阻5共同決定。
在本實施例中所使用的負溫度係數的熱敏電阻的電阻表達式為
formula see original document page 8 (8)
其中，B為B常數(NTC熱敏電阻的材料常數，又叫熱敏指數)； 厄5是指NTC熱敏電阻5在25'C (298K)時候的電阻值； T為熱敏電阻的溫度值的絕對溫度值表示(單位K)。 因此熱敏電阻5的阻值可以表示為
formula see original document page 8(9)
從而用於設定溫度補償起始點的溫度值Tth的參考電阻3的阻值 ^可以等同於把Tth代入NTC熱敏電阻的電阻表達式(7)中，艮卩W^pS(丄-丄)
mi <25 298 聯立公式(7) (9)
(10)，可得:
(10)
(11)
由式(l) (6)(11)得出 當y Z兄"時，溫度補償未開始工作:
C = GffJ * 、叫o = G/n * ^朋 當l〉&J寸，溫度補償開始工作
'鄉風
(12)
(13)
K) , T為熱敏電阻5的本
^屍G附嚇廁。-G附V屈
其中，Tth為溫度補償起始點溫度(單位 身溫度(單位K)。
參考圖6所示，是根據本實施例中所選用的LED溫度-電流曲線 (圖中實線表示)所作的溫度補償的溫度-電流特性曲線圖(圖中虛 線表示)，使用實線表示的溫度-電流曲線表明，在70'C以下LED光 源9工作在額定電流350mA，當超過70'C時，為了保證LED光源9的 使用壽命，電流必須開始下降，當上升到IOO'C時電流達到130mA。 為了保證溫度補償後的溫度-電流特性曲線範圍在溫度-電流曲線(虛 線表示)以內，並且儘可能趨近溫度-電流曲線，圖4中熱敏電阻5 的各參數如下
B=4485， R25=100KQ，
根據公式(9)計算可得熱敏電阻5在7(TC時的阻值約為13. 7K， 設基準電壓V,-1.2V，對應的輸出電流I。^350mA， 1: 1電流鏡4兩 支路的電流總和約為200uA，在合理範圍之內，因此最終Rth=13. 7K， ICc的兩個參數為B=4485， R25=100KQ。圖6中虛線表示溫度補償後 的溫度-電流特性曲線範圍在溫度-電流曲線(實線表示)以內，說明 不論環境溫度高低或是散熱裝置好壞，溫度補償功能都將保證LED光 源9一直處於安全使用區域，壽命得到保證。
可以看出，採用本實用新型後，將熱敏電阻5設置在LED光源9 附近，當LED光源9的工作溫度較低時，熱敏電阻5的阻值會高於參 考電阻3的阻值，即&〈y ^，此時溫度補償不啟動，LED光源9在電 壓發生器1產生的基準電壓對應的電流值下恆流工作；而當LED光源 9的工作溫度升高時，熱敏電阻5的阻值會因為負溫度效應而低於參 考電阻3的阻值，即仏〉L，此時由於1: 1電流鏡4的作用使得流 經熱敏電阻5與參考電阻3的電流值相同，因此熱敏電阻5兩端的電 壓值低於參考電阻3的端電壓，溫度補償開始工作，將熱敏電阻5的 電壓(兩電壓值中較低的一個)加載至驅動模塊8，從而降低流經LED光源9的電流，使LED光源9的功率減小，發熱量減小，進而降低 LED光源9的工作溫度，保護其元器件不致持續工作在高溫狀態下， 延長其使用壽命。
由式(10)可知，在選定熱敏電阻5在室溫(25°C)下的阻值 AW(流經熱敏電阻5的電流在溫度補償起始溫度點附近，不致太大或 太小)後，通過査熱敏電阻阻值表或是根據式(10)計算精確得到熱 敏電阻5在溫度補償的起始溫度點(Tth)所對應的阻值，即參考電阻 3的阻值&;因此，選用不同阻值的參考電阻3，可以設定不同的溫 度補償起始溫度點，為了使本實用新型方便更換參考電阻3，以便適 應不同的LED溫度-電流特性，本實施例還在參考電阻3與負反饋模 塊2的連接處具有插接頭31，如圖5所示，使參考電阻3和負反饋 模塊2通過插接連接，則需要調節溫度點時，只需要從插接頭31處 拔下連接的參考電阻3進行更換即可。
另外，由式(11)還可以知道，通過選定不同NTC熱敏電阻5的 B常數，可以確定溫度補償時流經LED光源9的電流隨溫度升高而下 降的斜率，B常數越大斜率也就越大。為了方便調節，也可以如前所 述，在熱敏電阻5與1:1電流鏡4的連接處設置插接頭52，如圖5 所示，使熱敏電阻5與1:1電流鏡4之間通過插接連接，方便更換。
當熱敏電阻5有時需要設置在距離比較遠的LED光源9附近時， 為了進一步提高本實用新型的工作效果，還可以在電路中增加一電容 51,此電容51的一端接地，另一端連接在熱敏電阻5的輸入端，則 在工作時，可有效濾除電路及外界環境中的噪聲，達到濾波的目的， 使熱敏電阻5的測量結果更準確。
當要大幅度降低溫度補償的斜率時，可再選用一恆定電阻53與 熱敏電阻5串聯作為一個整體，這樣相當於弱化了熱敏電阻5的B常 數。當恆定電阻53的阻值與熱敏電阻5的阻值之和等於參考電阻3 的阻值時，溫度補償啟動，增加恆定電阻53後的具體溫度補償公式 可參考上述推導，在此不再贅述。
綜上所述，本實用新型用於大功率LED驅動的通用溫度補償電 路，重點在於在LED光源9的附近設置一個熱敏電阻5，通過比較熱 敏電阻5隨溫度變化的阻值與另一參考電阻3阻值的大小，而調節為 驅動模塊提供的電壓值，進而控制LED光源9的驅動電流，實現溫度 補償，使得LED光源9不致持續工作在高溫狀態下，從而延長LED光 源9的使用壽命。以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能 以此限定本實用新型的保護範圍，凡是按照本實用新型提出的技術思 想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護範圍 之內。
權利要求1、一種用於大功率LED驅動的通用溫度補償電路，其特徵在於包括電壓發生器、負反饋模塊、1∶1電流鏡、參考電阻、熱敏電阻、比較器、開關控制模塊、驅動模塊和LED光源；電壓發生器提供基準電壓至負反饋模塊的電壓正向輸入端，負反饋模塊的電流輸出端與參考電阻的輸入端連接，參考電阻的輸入端還連接至負反饋模塊的電壓負向輸入端，參考電阻的接地端接地，使得該參考電阻的端電壓約等於基準電壓；負反饋模塊的電流輸出端還與1∶1電流鏡的輸出端A相連，而1∶1電流鏡的輸出端B連接到熱敏電阻的輸入端；熱敏電阻的接地端接地；參考電阻和熱敏電阻的輸入端還分別連接至比較器的兩個輸入端，比較器的輸出端與開關控制模塊的輸入端相連，根據參考電阻與熱敏電阻的電壓比較結果向開關控制模塊發出控制信號；開關控制模塊的輸出端經由驅動模塊為LED光源提供驅動電流。
2、 如權利要求1所述的用於大功率LED驅動的通用溫度補償電 路，其特徵在於所述電壓發生器為自行產生電壓的基準電壓發生器。
3、 如權利要求1所述的用於大功率LED驅動的通用溫度補償電 路，其特徵在於所述電壓發生器也可以由外部電源取得電源。
4、 如權利要求1所述的用於大功率LED驅動的通用溫度補償電 路，其特徵在於所述參考電阻與負反饋模塊的連接處具有插接頭，參考電阻與負反饋模塊之間通過插接連接。
5、 如權利要求1所述的用於大功率LED驅動的通用溫度補償電 路，其特徵在於所述熱敏電阻與l: 1電流鏡的連接處具有插接頭， 熱敏電阻與1: 1電流鏡之間通過插接連接。
專利摘要本實用新型公開一種用於大功率LED驅動的通用溫度補償電路，包括電壓發生器、負反饋模塊、1∶1電流鏡、參考電阻、熱敏電阻、比較器、開關控制模塊、驅動模塊和LED光源；電壓發生器提供基準電壓至負反饋模塊的電壓正向輸入端，負反饋模塊的電流輸出端與參考電阻的輸入端連接，參考電阻的輸入端連接至負反饋模塊的電壓負向輸入端；負反饋模塊的電流輸出端與1∶1電流鏡的輸出端A相連，1∶1電流鏡的輸出端B連接熱敏電阻的輸入端；參考電阻和熱敏電阻分別連接比較器的兩個輸入端，比較器的輸出端與開關控制模塊的輸入端相連；開關控制模塊的輸出端經由驅動模塊與LED光源連接。此結構可實現溫度補償，延長LED光源的使用壽命。
文檔編號H05B37/02GK201294659SQ20082014583
公開日2009年8月19日 申請日期2008年10月7日 優先權日2008年10月7日
發明者丁西倫, 胡思靜, 希 謝 申請人:矽恩微電子(廈門)有限公司