一種LED線性恆流控制電路以及LED發光裝置的製作方法

2023-09-20 14:54:41 2

本發明涉及LED顯示領域，尤其涉及一種LED線性恆流控制電路以及LED發光裝置。

背景技術：

目前，LED作為一種新型光源，因其具備亮度強、能耗低且壽命長的優點而被廣泛應用於各個領域。由於LED具有固定的正嚮導通電壓，只有達到整個LED燈串的總的正嚮導通電壓時，LED燈串才能發光。為了保證LED燈串能夠正常穩定地工作，需要對其進行恆流控制，而傳統的LED燈串的線性恆流控制方法就是通過將一個線性恆流控制電路連接於輸入整流電路的輸出端與LED燈串的輸入端之間(如圖1所示)，或者連接於LED燈串的輸出端與地之間(如圖2所示)。而在市電供電條件下，採用上述恆流源對LED燈串進行恆流控制時，LED燈串只能在輸入電壓達到其總的正嚮導通電壓時才會發光，這樣會使LED的利用率低且功率因數低，總諧波失真嚴重，且輸出電流會跟隨輸入電壓峰值變化而變化。

為了解決上述傳統的LED燈串的恆流控制方法所存在的問題，現有技術提出了兩種解決方法。第一種是通過在輸入整流電路的輸出端增加一個濾波大電容，通過該濾波大電容將輸入正弦波電壓濾波成高於LED燈串的正嚮導通電壓的直流電壓，從而使LED燈串中的LED能夠在整個時鐘周期持續發光，雖然這樣可以提高LED的利用率，但卻降低了功率因數，加大了系統總諧波失真(THD)且同時增加了系統成本，也不能解決輸入不恆流的問題；第二種則是通過減少LED燈串中的LED數量，從而通過減小LED燈串總的正嚮導通電壓進而使LED在每個時鐘周期的發光時間增加，提高了LED的利用率。但這種解決方法會使LED線性恆流控制電路承受更大的電壓，加大了驅動電路的功耗，降低了系統效率，也無法解決輸入不恆流的問題。

綜上所述，現有技術存在功率因數低、系統總諧波失真嚴重且系統效率低和輸入不恆流的問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種LED線性恆流控制電路以及LED發光裝置。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種LED線性恆流控制電路，用於連接LED燈串，所述LED燈串由N個LED燈組串接在一起，所述LED線性恆流控制電路包括：

基準電壓產生模塊，用於採樣LED燈串的輸入電壓，將採樣到的輸入電壓轉變為具有不同固定峰值且與輸入電壓同相的N個基準電壓；

N個輸出電流控制模塊，所述N個輸出電流控制模塊的控制端分別連接至基準電壓產生模塊以一一對應的接收相應的一個參考電壓、輸入端分別連接至對應的LED燈組的輸出端、輸出端並聯在一起後通過第一電阻接地，當LED燈串的輸入電壓達到M個LED燈組的正嚮導通電壓時前面M個LED燈組導通，且經由第M個輸出電流控制模塊在第一電阻上產生與第M個基準電壓對應的電流，其中，M、N為正整數，且M小於等於N。

在本發明所述的LED線性恆流控制電路中，所述基準電壓產生模塊包括：

輸入電壓採樣模塊，輸入端連接LED燈串的輸入端，用於採樣得到峰值變化的正弦波信號；

乘法器模塊，用於將採樣得到峰值變化的正弦波信號轉變為峰值固定且與輸入電壓同相的正弦波信號；

分壓輸出電路，用於將所述峰值固定且與輸入電壓同相的正弦波信號分壓形成所述N個基準電壓。

在本發明所述的LED線性恆流控制電路中，所述乘法器模塊包括峰值電壓採樣保持電路和乘法器電路；所述乘法器電路的一個輸入端與輸入電壓採樣模塊的輸出端連接、另一個輸入端經由所述峰值電壓採樣保持電路與輸入電壓採樣模塊的輸出端連接，乘法器電路的輸出端連接至所述分壓輸出電路。

在本發明所述的LED線性恆流控制電路中，所述分壓輸出電路包括一個第一運算放大器、一個N溝道的第一MOS管以及具有N個分壓係數的分壓電路，所述第一運算放大器的同相輸入端連接所述乘法器電路的輸出端、異相輸入端經由所述分壓電路接地，所述第一運算放大器的異相輸入端還經由一電阻連接至第一MOS管的源極，第一MOS管的柵極連接至第一運算放大器的輸出端，第一MOS管的漏極連接內置電源。

在本發明所述的LED線性恆流控制電路中，每個所述輸出電流控制模塊均包括：一個第二運算放大器和一個N溝道的第二MOS管；第二運算放大器的同相輸入端作為輸出電流控制模塊的控制端、異相輸入端連接第二MOS管的源極、輸出端連接第二MOS管的柵極，第二MOS管的源極作為輸出電流控制模塊的輸出端，第二MOS管的漏接作為輸出電流控制模塊的輸入端。

在本發明所述的LED線性恆流控制電路中，相鄰的兩個輸出電流控制模塊的輸出端之間還包括一個電流調節電阻。

本發明還公開了一種LED發光裝置，包括：用於給LED燈串提供輸入電壓的整流輸入模塊、LED燈串以及所述的LED線性恆流控制電路。

在本發明所述的LED發光裝置中，各LED燈組由不同數量的LED燈串聯或者並聯或者串並聯結合方式組合得到。

實施本發明的LED線性恆流控制電路以及LED發光裝置，具有以下有益效果：本發明能夠使LED燈串的輸入電壓相應地逐級驅動其中的LED燈組恆流發光，實現了在不增加高成本元件的前提下，提高LED的利用率，極大地提升整個LED線性恆流控制電路的功率因數和系統效率，有效地降低了系統總諧波失真，同時基準電壓產生模塊將採樣到的輸入電壓轉變為具有不同固定峰值且與輸入電壓同相的N個基準電壓，當LED燈串的輸入電壓達到M個LED燈組的正嚮導通電壓時前面M個LED燈組導通，且經由第M個輸出電流控制模塊在第一電阻上產生與第M個基準電壓對應的電流，由於每個基準電壓都是峰值固定的，與輸入電壓的峰值無關，所以能保持流過LED燈的電流不隨輸入電壓峰值變化而變化，實現真正的輸入恆流。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是一種傳統LED線性恆流控制電路的結構示意圖；

圖2是另一種傳統LED線性恆流控制電路的結構示意圖；

圖3是本發明的LED線性恆流控制電路的第一實施例的模塊框圖；

圖4是圖3中的輸出電流控制模塊的電路結構示意圖；

圖5是圖3中的基準電壓產生模塊的電路結構示意圖；

圖6是圖5中的峰值電壓採樣保持電路的電路結構示意圖；

圖7是傳統LED驅動電源的輸入電路結構示意圖；

圖8是圖7所示電路的交流輸入電壓、燈串輸入電壓、交流輸入電流的波形圖；

圖9是本發明在N取4時交流輸入電壓、燈串輸入電壓、交流輸入電流的波形圖；

圖10是本發明的LED線性恆流控制電路的第二實施例的電路結構示意圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

參考圖3是本發明的LED線性恆流控制電路的第一實施例的模塊框圖。

本發明的LED發光裝置包括：用於給LED燈串200提供輸入電壓的整流輸入模塊100、LED燈串200以及LED線性恆流控制電路300。所述LED燈串200由N個LED燈組串接在一起，各個LED燈組中的LED燈的數量可以相等也可以不等，各LED燈組的連接方式也可不同，例如一個LED燈組中的所有LED燈可以是串聯或者並聯或者串並聯結合。如圖中，N個LED燈組分別為：LED1、LED2、…、LEDn-1、LEDn。

其中，所述LED線性恆流控制電路300包括：基準電壓產生模塊310、N個輸出電流控制模塊以及一個第一電阻Re。如圖中，N個輸出電流控制模塊分別為：CTR1、CTR2、…、CTRn-1、CTRn。

基準電壓產生模塊310，用於採樣LED燈串200的輸入電壓，將採樣到的輸入電壓轉變為具有不同固定峰值且與輸入電壓同相的N個基準電壓，如圖中，N個基準電壓分別表示為:V1、V2、…、Vn-1、Vn。

N個輸出電流控制模塊，所述N個輸出電流控制模塊的控制端分別連接至基準電壓產生模塊310以一一對應的接收相應的一個參考電壓、輸入端分別連接至對應的LED燈組的輸出端、輸出端並聯在一起後通過第一電阻Re接地，當LED燈串200的輸入電壓達到M個LED燈組的正嚮導通電壓時前面M個LED燈組導通，且經由第M個輸出電流控制模塊在第一電阻Re上產生與第M個基準電壓對應的電流，其中，M、N為正整數，且M小於等於N。

參考圖4是圖3中的輸出電流控制模塊的電路結構示意圖。

每個所述輸出電流控制模塊均包括：一個運算放大器和一個N溝道的MOS管；如圖中，第一個輸出電流控制模塊CTR1包括運算放大器OP1、MOS管M1，第二個輸出電流控制模塊CTR2包括運算放大器OP2、MOS管M2，以此類推。每個所述輸出電流控制模塊中，運算放大器的同相輸入端作為輸出電流控制模塊的控制端、異相輸入端連接MOS管的源極、輸出端連接MOS管的柵極，MOS管的源極作為輸出電流控制模塊的輸出端，MOS管的漏接作為輸出電流控制模塊的輸入端。

繼續參考圖3，所述基準電壓產生模塊310包括：輸入電壓採樣模塊311、乘法器模塊312、分壓輸出電路313。其中：

輸入電壓採樣模塊311，輸入端連接LED燈串200的輸入端，用於採樣得到峰值變化的正弦波信號，具體實施例中，輸入電壓採樣模塊311包括串接於整流輸入模塊100的輸出端(即LED燈串200的輸入端)和地之間的兩個分壓電阻，兩個分壓電阻的連接節點作為輸入電壓採樣模塊311的輸出端。

乘法器模塊312，用於將採樣得到峰值變化的正弦波信號轉變為峰值固定且與輸入電壓同相的正弦波信號。參考圖5是圖3中的基準電壓產生模塊的電路結構示意圖。參考圖6是圖5中的峰值電壓採樣保持電路的電路結構示意圖。

具體的，所述乘法器模塊312包括峰值電壓採樣保持電路和乘法器電路；所述乘法器電路的一個輸入端與輸入電壓採樣模塊311的輸出端連接、另一個輸入端經由所述峰值電壓採樣保持電路與輸入電壓採樣模塊311的輸出端連接，乘法器電路的輸出端連接至所述分壓輸出電路313。

峰值電壓採樣保持電路包括：二極體D1、運算放大器Amp1、N溝道MOS管M0、電容C0，二極體D1的正極連接輸入電壓採樣模塊311的輸出端、負極連接運算放大器Amp1的同相輸入端，運算放大器Amp1的異相輸入端連接MOS管M0的源極以及經由電容C0接地、運算放大器Amp1的輸出端連接MOS管M0的柵極，MOS管M0的漏極連接內置電源，MOS管M0的源極作為峰值電壓採樣保持電路的輸出端連接至乘法器電路的一個輸入端。

可以理解的是，峰值電壓採樣保持電路並不限於本實施例中的電路結構，只要能實現峰值採樣和保持都能實現本發明的技術效果，都在本發明的保護範圍之內。乘法器電路可以採用圖4中的電路結構，也可以採用電子領域常見的乘法器，對此不做限制。

分壓輸出電路313，用於將所述峰值固定且與輸入電壓同相的正弦波信號分壓形成所述N個基準電壓。繼續參考圖5，所述分壓輸出電路313包括一個第一運算放大器Amp4、一個N溝道的第一MOS管以及具有N個分壓係數(k1，k2，…，kn-1，kn)的分壓電路，所述第一運算放大器Amp4的同相輸入端連接所述乘法器電路的輸出端、異相輸入端經由所述分壓電路接地，所述第一運算放大器Amp4的異相輸入端還經由一電阻連接至第一MOS管的源極，第一MOS管的柵極連接至第一運算放大器Amp4的輸出端，第一MOS管的漏極連接內置電源。

下面結合第一實施例，詳細闡述本發明的工作原理。

結合圖3和圖5，輸入交流電壓經過整流輸入模塊100的整流橋整流後，得到周期為π的直流電壓，其瞬時電壓表達式為：Vpp*sin(ωt)，其中Vpp為輸入峰值電壓。該電壓經過輸入電壓採樣模塊311分壓後輸出作為乘法器模塊312的輸入電壓。乘法器模塊312中的峰值電壓採樣保持電路輸出該輸入電壓的峰值：

假設圖中的電路中的NPN管嚴格匹配，具有相同的增益β且足夠大，以至於可以忽略基極電流的影響，根據乘法器的特性(乘法器的具體工作原理不再敘述)，有以下公式成立：

I1*I2＝I3*I4 (1)

其中I1為偏置電流，固定不變；

現為了計算方便，假設所有的電流鏡鏡像比例為1:1，可以得到各電流表達式：

將公式(2)、(3)代入上式(1)，得到輸出電流：

將該電流I4加在電阻Rp4上，得到乘法器模塊312的輸出電壓為：該電壓輸入分壓輸出電路313，得到N個基準電壓如下：

其中，k1，k2，…，kn-1，kn為分壓係數，為不相等的常數，這裡可以假設V1＜V2＜...＜Vn-1＜Vn。

可以看到，N個基準電壓均與線網輸入電壓峰值無關，與線網輸入電壓同樣呈現為正弦波特性且無相位差。現在，得到了與線網電壓峰值無關的、與線網正弦波電壓無相位差的正弦波電壓。

下面首先對系統總諧波失真進行說明。

市面上很多的LED驅動電源，其輸入電路採用簡單的橋式整流器和電解電容濾波電路，如圖7所示，該電路只有在輸入交流電壓的峰值附近，整流二極體才會導通，因此其導通角θ比較小(大約為60°)，導致輸入電流波形為尖狀脈衝(脈寬約為3ms)，交流輸入電壓、燈串輸入電壓及交流輸入電流波形如圖8所示。由此可見，造成LED電源交流輸入電流畸變的根本原因是使用了直流濾波電解電容器的容性負載所致。

根據傅立葉(Fourier)變換原理，瞬時輸入電流可以表示為：

式中，n是諧波次數，傅立葉係數an和bn分別表示為：

每一個電流諧波，通常會有一個正弦或者餘弦周期，n次諧波電流有效值In,rms可用下式計算得到：

輸入總電流有效值為：

上式中，I1,rms為基波電流有效值，總諧波失真為：

根據功率因素PF的定義，功率因數PF是指交流輸入的有功功率P和輸出視在功率S的比值，即：

其中，U為輸入電源電壓，cosθ1為相移因數，θ1為基波相移角。

結合上式(11)、(12)以得到：

由此可知，在相移因素cosθ1不變時，降低總諧波失真可以提高功率因素PF。

以下結合上述原理對本發明的工作原理以及如何實現高PF值和低總諧波失真作進一步說明。

在整流輸入模塊100的整流橋接入交流電時，LED燈串200輸入電壓從0V開始上升，當燈串輸入電壓達到第一個LED燈組LED1的正嚮導通電壓時，由於運算放大器OP1的同相輸入端所輸入基準電壓V1大於其異相輸入端的電壓，所以運算放大器OP1的輸出端輸出高電平驅動M1導通，此時M1的源極電壓與基準電壓V1相等，則第一電阻Re的第一端的電壓也為V1，因此，流過LED燈組LED1的電流ILED1如下式所示：

隨著LED燈串200的輸入電壓繼續上升，當該輸入電壓達到兩個LED燈組的正嚮導通電壓時LED1、LED2導通，由於運算放大器OP2的同相輸入端所輸入的參考電壓V2大於其異相輸入端的電壓V1(運算放大器OP2的異相輸入端與M1的源極連接，此處電壓為V1)，所以運算放大器OP2的輸出端輸出高電平驅動M2導通，LED燈組LED1與LED2中的所有LED發光，且NMOS管M2的源極電壓也為V2，即運算放大器OP1的異相輸入端的電壓由V1變為V2，於是運算放大器OP1的異相輸入端的電壓V2大於其同相輸入端的電壓V1，所以運算放大器OP1輸出低電平使NMOS管M1截止，LED燈組LED1與LED2由輸出電流控制模塊CTR2控制，因此實現了從輸出電流控制模塊CTR1切換過渡至由輸出電流控制模塊CTR2對LED燈組LED1與LED2進行發光控制，與此同時，第一電阻Re的第一端的電壓也上升為V2，因此，流過LED燈組LED1與LED2的電流ILED2如下式所示：

依此類推，隨著輸入電壓的持續上升，輸出控制模塊CTR3至CTRn會根據上述工作進程繼續推進，從而達到在輸入電壓繼續上升的過程中逐級往後驅動更多LED燈組發光，直至LED燈串200中所有LED燈組都發光為止，即LED燈組LED1至LEDn均發光，此時，流過所有LED燈組的電流ILEDn如下式所示：

根據以上公式，以N取4為例，其交流輸入電壓、燈串輸入電壓、交流輸入電流的波形圖如圖9。圖中，VAC、VDC、IAC分別表示交流輸入電壓、燈串輸入電壓、交流輸入電流。流過LED的電流為交流輸入電流的絕對值。

對LED電流在整個線網周期內進行積分計算，可以得到整個線網周期內的流過LED電流平均值為：

上式中所有的參數均與輸入電壓峰值無關，流過LED的電流由基準電壓和Re電阻決定。

由以上推到可知，由於V1＜V2＜...＜Vn-1＜Vn，故ILED1＜ILED2＜...＜ILEDn-1＜ILEDn，這使得流過正在發光的LED燈組的電流(即輸出電流)能夠跟隨輸入電壓進行同步變化，大大擴展了整流二極體的導通角，因此提高了系統功率因數和效率。同時，在線網輸入電壓逐漸變化過程中，輸入電流(也就是流過LED燈串200的電流)能夠很好的跟隨輸入電壓進行同步變化，基本維持輸入電流在整個線網周期內的連續性以及正弦波特性且無相位差，因此能夠極大的降低系統總諧波失真，進一步提高系統PF值和效率。而且，流過LED燈組的電流等於某個基準電壓在第一電阻Re上產生的電流，由於本發明包含的乘法器模塊312能夠使得N個基準電壓的峰值固定且與輸入電壓同相，因此流過LED的電流(即輸出電流)的峰值也不隨線網峰值電壓的變化而變化，輸出電流也不會跟隨線網峰值電壓變化而變化，實現優異的恆流特性。

下面介紹本發明的第二個實施例。

參考圖10是本發明的LED線性恆流控制電路的第二實施例的電路結構示意圖。

在本發明第二實施例中，與第一實施例唯一不同的是：相鄰的兩個輸出電流控制模塊的輸出端之間還包括一個電流調節電阻。如圖電阻R1至Rn-1，電阻R1連接於輸出電流控制模塊CTR1與輸出電流控制模塊CTR2之間，電阻R2連接於輸出電流控制模塊CTR2與輸出電流控制模塊CTR3之間，依次類推，電阻Rn-1連接於輸出電流控制模塊CTRn-1與輸出電流控制模塊CTRn之間。

本實施例中加入多個電阻R1至Rn-1的目的是在第一實施例的基礎上，對流過LED燈串200中被驅動發光的一個或多個LED燈組的電流實現更加靈活的調整，從而優化對恆流控制效果。由於是對流過LED燈組電流的調整，因此，多個電阻R1至Rn-1的阻值相對較小。

下面主要是結合工作原理對圖10所示的LED線性恆流控制電路300作進一步說明：

同理，在整流橋接入交流電時，LED燈串200輸入電壓從0V開始上升，當輸入電壓達到LED燈組LED1的正嚮導通電壓時，M1導通，第一電阻Re的第一端的電壓為V1，因此，流過LED燈組LED1的電流ILED1如下式所示：

同理，隨著輸入電壓繼續上升，當該輸入電壓達到兩個LED燈組的正嚮導通電壓時，從輸出電流控制模塊CTR1切換過渡至由輸出電流控制模塊CTR2對LED燈組LED1與LED2進行發光控制，與此同時，第一電阻Re的第一端的電壓也上升為V2，流過LED燈組LED1與LED2的電流ILED2如下式所示：

依此類推，隨著輸入電壓的持續上升，輸出控制模塊CTR3至CTRn會根據上述工作進程繼續推進，從而達到在輸入電壓繼續上升的過程中逐級往後驅動更多LED燈組發光，直至LED燈串200中所有LED燈組都發光為止，即LED燈組LED1至LEDn均發光，此時，流過所有LED燈組的電流ILEDn如下式所示：

同理，由於V1＜V2＜...＜Vn-1＜Vn，故ILED1＜ILED2＜...＜ILEDn-1＜ILEDn，這使得流過正在發光的LED燈組的電流能夠跟隨輸入電壓進行同步變化，大大擴展了整流二極體的導通角，因此提高了系統功率因數和效率。同時，在線網輸入電壓逐漸變化過程中，輸入電流(也就是流過LED燈串200的電流)能夠很好的跟隨輸入電壓進行同步變化，基本維持輸入電流在整個線網周期內的連續性以及正弦波特性且無相位差，因此能夠極大的降低系統總諧波失真，進一步提高系統PF值和效率。而且，流過LED燈組的電流等於某個基準電壓在第一電阻Re上產生的電流，由於本發明包含的乘法器模塊312能夠使得N個基準電壓的峰值固定且與輸入電壓同相，因此流過LED的電流(即輸出電流)的峰值也不隨線網峰值電壓的變化而變化，輸出電流也不會跟隨線網峰值電壓變化而變化，實現優異的恆流特性。

本發明的另一目的還在於提供一種LED發光裝置，裝置包括：用於給LED燈串200提供輸入電壓的整流輸入模塊100、LED燈串200以及所述的LED線性恆流控制電路300。

綜上所述，本發明能夠使LED燈串的輸入電壓相應地逐級驅動其中的LED燈組恆流發光，實現了在不增加高成本元件的前提下，提高LED的利用率，極大地提升整個LED線性恆流控制電路的功率因數和系統效率，有效地降低了系統總諧波失真，同時基準電壓產生模塊將採樣到的輸入電壓轉變為具有不同固定峰值且與輸入電壓同相的N個基準電壓，當LED燈串的輸入電壓達到M個LED燈組的正嚮導通電壓時前面M個LED燈組導通，且經由第M個輸出電流控制模塊在第一電阻上產生與第M個基準電壓對應的電流，由於每個基準電壓都是峰值固定的，與輸入電壓的峰值無關，所以能保持流過LED燈的電流不隨輸入電壓峰值變化而變化，實現真正的輸入恆流。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。