電流控制電路的製作方法

2023-09-19 17:30:00

本發明涉及電子電路領域，尤其涉及一種用於發光二極體(led)組件的驅動電路系統中的電流控制電路。

背景技術：

led驅動電路系統將來自電網的交流供電電壓vac進行整流後，對led組件進行驅動。其面臨的一大問題是：電路中存在較高的總諧波失真(thd)。

圖1示出了一種現有的3段led驅動電路系統的電路結構圖，其中整流器對交流供電電壓vac進行全波整流生成電壓vo，以驅動各段(即各級)led組件，其中電壓vo的電壓波形為全波整流的正弦波形。隨著電壓vo的升高，發光二極體組件led1首先導通，同時電晶體m1導通，公共輸出端cs處的電壓vcs跟隨參考電壓vref1；當電壓vo進一步升高時，發光二極體組件led2導通，同時電晶體m2導通，公共輸出端cs處的電壓vcs跟隨參考電壓vref2，電晶體m1關斷；當電壓vo進一步升高時，發光二極體組件led3導通，同時電晶體m3導通，公共輸出端cs處的電壓vcs跟隨參考電壓vref3，電晶體m1和電晶體m2關斷。隨著電壓vo的下降，以上過程正好相反。

該電路中，流過發光二極體組件的電流ivo與流過公共電阻器rcs的電流ics相同，可用如下公式(1)來表示：

ics＝ivo＝vcs/rcs(1)

其中，vcs為公共輸出端cs處的電壓，rcs為電阻器rcs的阻值，電壓vcs在電晶體m1、m2、m3分別導通時，分別跟隨vref1、vref2、vref3。vref1、vref2、vref3為3個基準電壓，其電壓關係為vref1<vref2<vref3。因此可以得到公式(2)。

ics＝ivo＝vref/rcs(2)

其中vref隨著各級led組件依次導通變化為電壓vref1、vref2、vref3等基準電壓。

因此隨著電壓vo的升高，流過公共電阻器rcs的電流ics波形呈階躍式變化，電流分別為vref1/rcs、vref2/rcs、vref3/rcs。

圖2示出了圖1所示的現有的3段led驅動電路系統的電壓電流示意圖。圖2中電流ics(ivo)存在較大的階躍變化，電路系統的線性度低且thd高。現有技術為了提高電路系統的線性度並降低thd，使電流ics的波形的包絡擬合更近似於全波整流的正弦波形(即類似電壓vo的波形)，需要進一步增加發光二極體組件led的段數及運放放大器和電晶體的個數，從而使電流ics的階躍次數增加，階躍幅度變小，然而，這就大大增加了驅動電路的規模，顯著地提高了驅動電路的成本。

技術實現要素：

發明要解決的問題

有鑑於此，本發明提出了一種電流控制電路，其用於發光二極體led組件的驅動電路系統中，能夠在不顯著增加電路規模的情況下，有效降低電路中總諧波失真。

用於解決問題的方案

一方面，提出了一種電流控制電路，用於串聯連接的多級發光二極體led組件的驅動電路系統中，所述驅動電路系統包括整流器301和電流模塊303，其中整流器301對輸入交流電壓進行整流並以整流得到的輸出電壓為所述多級led組件供電，各電流模塊303的輸入端與相應的led組件的負極連接以設定流經各led組件的電流，各電流模塊的輸出端連接在一起以形成公共輸出端cs；所述電流控制電路包括：第一分壓電路，對整流器的輸出電壓 進行分壓，得到第一電壓vmult，第一運算放大器op1，所述第一運算放大器的同相輸入端接收參考電壓vref，反相輸入端連接上述公共輸出端cs，第一運算放大器的輸出端與電容器ccomp的一端連接，並與乘法器302的第一輸入端連接；乘法器302，所述乘法器的第一輸入端接收第一運算放大器的輸出電壓vcomp，第二輸入端接收上述第一電壓vmult，乘法器的輸出端為各所述電流模塊提供基準電壓，電容器ccomp，所述電容器的一端連接第一運算放大器的輸出端，另一端接地；以及電阻器rcs，所述電阻器的一端連接所述公共輸出端，另一端接地。

在一個示例中，所述第一分壓電路包括電阻rmult1(第一電阻)和電阻rmult2(第二電阻)，電阻rmult1與電阻rmult2串聯連接以對整流器301的輸出電壓進行分壓，電阻rmult1與電阻rmult2連接節點處的電壓為電壓vmult(第一電壓)。

在一個示例中，本實施例的電流控制電路還包括第二分壓電路，第二分壓電路包括：緩衝器，對乘法器的輸出端電壓進行緩衝；分壓電阻網絡，所述分壓電阻網絡由串聯連接的多個電阻器(r1，r2，r3)構成，對經緩衝器緩衝後的電壓進行分壓，從而為相應的電流模塊提供基準電壓；恆流源，為所述分壓電阻網絡提供恆定電流。

在一個示例中，所述緩衝器包括：第二運算放大器op2，所述第二運算放大器的反相輸入端與所述乘法器的輸出端連接，同相輸入端與第一電晶體m1的漏極連接，第二運算放大器的輸出端與所述第一電晶體的柵極連接；第一電晶體m1，所述第一電晶體的源極接地。

在一個示例中，所述乘法器的輸出端電壓正比於整流器的輸出電壓。

在一個示例中，流經所述led組件的電流ics的波形近似為全波整流的正弦波形。

在一個示例中，流經所述led組件的平均電流iavg為：

iavg＝vref/rcs

其中，vref為第一運算放大器同相輸入端電壓，rcs為所述電阻器的電阻。

在一個示例中，所述電流模塊包括：

第三運算放大器，所述第三運算放大器的同相輸入端接收由所述第二分壓電路提供的基準電壓，反相輸入端連接電流模塊的輸出端，第三運算放大器的輸出端連接第二電晶體的柵極；以及第二電晶體，所述第二電晶體的漏極連接電流模塊的輸入端，源極連接電流模塊的輸出端。

在一個示例中，所述第二分壓電路提供的基準電壓中的相鄰基準電壓之差大於接收所述相鄰基準電壓的各電流模塊中的運算放大器的最大失調電壓之和。

發明的效果

本發明提出的電流控制電路能夠調整流過led組件的電流波形近似為全波整流的正弦波形，有效的解決電流階躍問題，在不顯著增加電路規模的情況下，有效降低電路中總諧波失真。

附圖說明

包含在說明書中並且構成說明書的一部分的附圖與說明書一起示出了本發明的示例性實施例、特徵和方面，並且用於解釋本發明的原理。

圖1示出了一種現有的3段led驅動電路系統的電路結構圖；

圖2示出了圖1所示的現有的3段led驅動電路系統的電壓電流示意圖；

圖3示出根據本發明一實施例的電流控制電路的結構圖；

圖4示出了圖3所示的電流控制電路的電壓電流示意圖。

具體實施方式

以下將參考附圖詳細說明本發明的各種示例性實施例、特徵和方面。附圖中相同的附圖標記表示功能相同或相似的元件。儘管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪製附圖。

在這裡專用的詞「示例性」意為「用作例子、實施例或說明性」。這裡作為「示例性」所說明的任何實施例不必解釋為優於或好於其它實施例。

另外，為了更好的說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以實施。在一些實例中，對於本領域技術人員熟知的方法、手段、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。

圖3示出根據本發明一實施例的電流控制電路的結構圖，該電流控制電路用於led組件的驅動電路系統中。圖3示例了4級led組件的情況，本領域技術人員應理解，本發明實施例的電流控制電路也同樣適用於其他級數led組件的驅動電路。

如圖3所示，驅動電路系統可包括整流器301和電流模塊303，其中整流器301對輸入交流電壓進行整流並以整流得到的輸出電壓vo為所述多級led組件供電，各電流模塊303的輸入端in1，in2，in3，in4與相應的led組件的負極連接以設定流經各led組件的電流，各電流模塊的輸出端連接在一起以形成公共輸出端cs；

在一個示例中，電流模塊303可具有類似於圖3所示的結構，其可由運算放大器(例如第三運算放大器op3)和電晶體(例如電晶體m2)構成，運算放大器的同相輸入端接收由所述第二分壓電路提供的基準電壓，反相輸入端連接公共輸出端cs，運算放大器的輸出端連接電晶體m2的柵極；電晶體m2的漏極連接電流模塊的輸入端，即連接相應的led組件的負極，源極連接公共輸出端cs。電晶體m2例如為mos開關管，在圖3中示例了電晶體m2為n型mos開關管，本領域技術人員應理解，也可以用其他類型的電晶體作 為替代，起到同樣的開關作用。電流模塊303的具體結構根據實際需要可有不同的變形設計，本發明對此不作限制。

如圖3所示，本實施例的電流控制電路主要包括：第一分壓電路、運算放大器op1(第一運算放大器)、乘法器302、電容器ccomp、電阻器rcs。其中，第一分壓電路對整流器的輸出電壓vo進行分壓，得到第一電壓vmult。運算放大器op1的同相輸入端接收參考電壓vref，運算放大器op1的反相輸入端連接上述公共輸出端cs，運算放大器op1的輸出端與電容器ccomp的一端連接，並與乘法器302的第一輸入端連接。乘法器302的第一輸入端接收運算放大器op1的輸出電壓vcomp，乘法器302的第二輸入端接收電壓vmult，乘法器的輸出端為各電流模塊提供基準電壓。電容器ccomp的一端連接運算放大器op1的輸出端，另一端接地。電阻器rcs的一端連接公共輸出端cs，另一端接地。

在一個示例中，第一分壓電路可具有類似於圖3所示的結構，其包括電阻rmult1(第一電阻)和電阻rmult2(第二電阻)，電阻rmult1與電阻rmult2串聯連接以對整流器301的輸出電壓進行分壓，電阻rmult1與電阻rmult2連接節點處的電壓為電壓vmult(第一電壓)。本領域技術人員應理解，第一分壓電路的具體結構根據實際需要可有不同的變形設計，本發明對此不作限制。

在一個示例中，乘法器的輸出端為各電流模塊提供基準電壓可採用多種實現方式，例如，可採用類似於圖3所示的第二分壓電路為各電流模塊提供基準電壓。如圖3所示，第二分壓電路可包括：緩衝器、分壓電阻網絡、恆流源。緩衝器可包括運算放大器op2(第二運算放大器)、電晶體m1(第一電晶體)，其中，運算放大器op2的反相輸入端與乘法器302的輸出端連接，運算放大器op2的同相輸入端與電晶體m1的漏極連接，運算放大器op2的輸出端與電晶體m1的柵極連接，電晶體m1的源極接地。分壓電阻網絡由串聯 連接的電阻器r1，電阻器r2，電阻器r3構成，電阻器r1與電晶體m1的漏極連接，電阻器r3與恆流源iref連接，分壓電阻網絡的各分壓點的分壓電壓vref1、vref2、vref3、vref4為各電流模塊提供基準電壓；恆流源iref為分壓電阻網絡提供恆定電流。本領域技術人員應理解，第二分壓電路的具體結構根據實際需要可有不同的變形設計，本發明對此不作限制。

需要說明的是，圖3電路結構圖中的點劃虛線是電路封裝方式的一種示例，點劃虛線內部代表集成在單個晶片上的電路元件，沿點劃虛線的框或圓圈mult、gnd、comp、cs等代表晶片管腳。本領域技術人員應理解，圖3以及其他附圖中示出的封裝方式僅為示例，實踐中可根據需要來進行封裝，例如電容器ccomp和電阻器rcs也可與運算放大器op1等封裝在同一晶片內，本發明對此不作限制。

圖4示出圖3所示的電流控制電路的電壓電流示意圖。現以圖3所示實施例為例，結合圖4來說明本發明實施例的電流控制電路的工作原理。

如圖3所示，整流器301對來自電網的交流供電電壓vac進行全波整流，並產生輸出電壓vo，經過led組件為其內部電路供電。電阻rmult1、電阻rmult2對電壓vo進行分壓，輸出電壓vmult,乘法器302的一個輸入端接收電壓vmult，電阻器rcs將流經電阻器led組件的電流轉換成電壓vcs，將公共輸出端cs處的電壓vcs反饋至運算放大器op1的反相輸入端，電壓vcs與基準電壓vref通過運算放大器op1進行比較積分，運算放大器op1的輸出端與電容器ccomp連接，得到電壓vcomp，作為乘法器302的另一個輸入端的輸入電壓；乘法器302的輸出電壓vmult_out經過第二分壓電路，獲得4個電流模塊所需的4個基準電壓vref1、vref2、vref3、vref4，上述電路中的元器件構成一個電流控制環。

如圖3所示，在交流供電電壓vac的每個周期中，通過第一分壓電路得到mult管腳的電壓vmult，該電壓vmult正比於電壓vo。乘法器302將電壓 vmult與電容器ccomp的電壓vcomp相乘後，得到的輸出電壓vmult_out正比與電壓vo。第二分壓電路中的運算放大器op2、電晶體m1、電阻器r1，電阻器r2，電阻器r3、恆流源iref對乘法器302的輸出電壓vmult_out進行緩衝和分壓，使vref1＝vmult_out，vref2＝vref1+iref*r1、vref3＝vref2+iref*r2、vref4＝vref3+iref*r3，其中r1＝r2＝r3＝r，電流iref為恆流源電流，其為常數。因此電壓vref1、vref2、vref3、vref4的關係為vref1<vref2<vref3vref1，所以電晶體m2關斷；當電壓vo進一步升高，使第三led組件導通時，電晶體m4與第一、第二、第三led組件形成電流通路，電壓vcs跟隨vref3，因為vref3>vref2，所以電晶體m3關斷；當電壓vo進一步升高，使第四led組件導通時，電晶體m5與第一、第二、第三、第四led組件形成電流通路，電壓vcs跟隨vref4，因為vref4>vref3，所以電晶體m4此時關斷。當電壓vo下降時，以上過程正好相反。

圖4示出了電壓vo、vref1、vref2、vref3、vref4、vmult_out的波形 圖及電流ics、ivo的波形圖，由圖4可知，由於vcs跟隨電壓vref1、vref2、vref3、vref4，而vref1、vref2、vref3、vref4正比於電壓vo，ics即ivo波形近似為全波整流的正弦波形，即明顯跟隨電壓vo，基本消除了圖2中的電流階躍，因此本實施例的電流控制電路極大地降低了電路系統的thd。在一個示例中，根據本實施例的電流控制電路可以使整個電路系統40次諧波均能滿足thd低於10％。

在長周期(例如超過1000個交流電周期)的時間維度上看，本實施例的電流控制電路可使led組件平均電流iledavg穩定在公式(3)所示的恆定值：

iledavg＝vref/rcs(3)

在一個示例中，在考慮到運放失調電壓的存在的情況下，第二分壓電路提供的基準電壓中相鄰基準電壓之差(例如vref2與vref1之間的電壓差)應大於接收所述相鄰基準電壓的各電流模塊中的運算放大器(例如運算放大器op3與運算放大器op4)的最大失調電壓之和。

如圖4所示，在各級led組件導通關斷瞬間，電流ics的波形會有一個輕微的電流突變，突變電流為iref*r/rcs，理論上這個突變電流階躍越小，電路系統的thd就會越小，但是在考慮到運放失調電壓的存在的情況下，iref*r不能無限小，必須保證電壓iref*r大於任意相鄰電流模塊中兩個運算放器的最大失調電壓之和，例如，電壓iref*r大於運算放大器op3與運算放大器op4的最大失調電壓之和，才能確保當電晶體m3導通時，電壓vcs跟隨vref2，電晶體m2正常關斷，確保電晶體能夠順利的切換。

基於以上，本發明各實施例的電流控制電路能夠調整流過led組件的電流波形近似為全波整流的正弦波形，有效的解決電流階躍問題，在不顯著增加電路規模的情況下，有效降低電路中總諧波失真。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限 於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。