LED驱动器及驱动方法与流程

本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种LED(发光二极管)驱动器及驱动方法。

背景技术：

随着科技的不断发展，LED由于其体积小、驱动简单且节能环保，正逐渐取代荧光灯在液晶显示背光和普通照明中的应用。在智能LED照明应用中，LED需要驱动电路来为其提供受控的驱动电流，同时系统中还有微控制器MCU、无线模块R/F等智能模块需要诸如3.3V、5V之类的供电电压。此外，在LED关闭时，智能LED应用要求非常小的待机损耗。

因此，如何提供两种不同类型的供电以及如何降低待机损耗等都是智能LED照明中面临的问题。

技术实现要素：

因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的LED驱动器及驱动方法。

根据本发明的实施例，提出了一种LED驱动器，包括：功率变换器，接收输入电压，提供驱动电流给负载，其中该开关变换器包括：第一绕组以及耦接至第一绕组的主功率开关，所述第一绕组在主功率开关导通时存储能量、在主功率开关断开时将能量提供至负载；第二绕组，与第一绕组正激磁耦合，提供第一供电电压；第三绕组，与第一绕组反激磁耦合，提供第二供电电压；阈值比较器，接收无线控制模块提供的调光信号和阈值信号，所述阈值比较器比较调光信号和阈值信号的大小，产生检测信号；输出电流计算器，接收表征流过主功率开关电流的电流采样信号，计算流过负载的电流，产生等效输出电流；第一误差放大器，接收受调光信号调节的第一参考信号和等效输出电流，所述第一误差放大器将第一参考信号和等效输出电流的误差放大并进行积分，产生第一补偿信号；第二误差放大器，接收第二参考信号和第二供电电压，所述第二误差放大器将第二参考信号和第二供电电压的误差放大并进行积分，产生第二补偿信号；逻辑控制及驱动电路，接收第一补偿信号或第二补偿信号，产生驱动控制信号用以控制主功率开关；其中当调光信号小于阈值信号时，第一供电电压和第一补偿信号被屏蔽、无线控制模块的供电电压由第二供电电压提供，逻辑控制及驱动电路根据第二补偿信号产生驱动控制信号；当调光信号大于阈值信号时，第二供电电压和第二补偿信号被屏蔽、无线控制模块的供电电压由第一供电电压提供，逻辑控制及驱动电路根据第一补偿信号产生驱动控制信号。

根据本发明的实施例，还提出了一种LED驱动方法，所述方法包括：接收输入电压，产生驱动电流，用以驱动LED；接收调光信号；比较调光信号和阈值信号的大小，若调光信号大于阈值信号，则进入恒流模式：通过功率级给LED提供恒定电流、给无线控制模块提供第一供电电压；若调光信号小于阈值信号，则进入恒压模式：通过功率级给无线控制模块提供第二供电电压。

根据本发明各方面的上述LED驱动器及驱动方法，只需一个功率级，对LED提供恒流驱动、对无线控制器(RF/MCU)等智能模块提供供电电压，且在系统进入待机模式时，减小了待机损耗。

附图说明

图1为根据本发明实施例的LED驱动器100的电路结构示意图；

图2为根据本发明实施例的LED驱动器200的电路结构示意图；

图3为根据本发明实施例的输出电流计算电路108的电路原理示意图；

图4示意性的示出了根据本发明实施例的LED驱动器400的逻辑控制及驱动电路112的电路结构示意图；

图5为根据本发明实施例的LED驱动器500的电路结构示意图；

图6为根据本发明实施例的LED驱动器600的电路结构示意图；

图7示意性示出了根据本发明实施例的LED驱动方法流程图700。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1为根据本发明实施例的LED驱动器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述LED驱动器100包括：输入端口101，接收交流输入电压(如市电)V_in；整流桥102，接收交流输入电压V_in，提供整流信号V_DC；功率变换器，为负载(LED 1001)提供驱动电流，其中该开关变换器包括第一绕组31以及耦接至第一绕组31的主功率开关32，所述第一绕组31在主功率开关32导通时存储能量、在主功率开关32断开时将能量提供至负载；第二绕组104，与第一绕组31正激磁耦合，提供第一供电电压V_CC；第三绕组105，与第一绕组31反激磁耦合，提供第二供电电压V_CV；阈值比较器107，接收无线控制模块(RF/MCU)106提供的调光信号DIM和阈值信号V_TH，所述阈值比较器107比较调光信号DIM和阈值信号V_TH的大小，产生检测信号DET；输出电流计算器108，接收表征流过主功率开关32电流的电流采样信号I_SEN，计算流过负载(LED 1001)的电流，产生等效输出电流I_EQ；参考信号产生电路109，接收源参考电压V_R0和调光信号DIM，产生受调光信号DIM调节的第一参考信号V_RCC；第一误差放大器(EA)110，接收第一参考信号V_RCC和等效输出电流I_EQ，所述第一误差放大器110将第一参考信号V_RCC和等效输出电流I_EQ的误差放大并进行积分，产生第一补偿信号CMP1；第二误差放大器(EA)111，接收第二参考信号V_RCV和第二供电电压V_CV，所述第二误差放大器111将第二参考信号V_RCV和第二供电电压V_CV的误差放大并进行积分，产生第二补偿信号CMP2；逻辑控制及驱动电路112，接收补偿信号CMP(第一补偿信号CMP1或第二补偿信号CMP2)，产生驱动控制信号Dr用以控制主功率开关32；其中当调光信号DIM小于阈值信号V_TH时，检测信号DET指示系统为恒压模式，第一供电电压V_CC和第一补偿信号CMP1被屏蔽(被无效)、无线控制模块(RF/MCU)106的供电电压V_PS由第二供电电压V_CV提供，逻辑控制及驱动电路112根据第二补偿信号CMP2产生驱动控制信号Dr；当调光信号DIM大于阈值信号V_TH时，检测信号DET指示系统为恒流模式，第二供电电压V_CV和第二补偿信号CMP2被屏蔽(被无效)、无线控制模块(RF/MCU)106的供电电压V_PS由第一供电电压V_CC提供，逻辑控制及驱动电路112根据第一补偿信号CMP1产生驱动控制信号Dr。

在一个实施例中，阈值比较器107为滞环比较器，具有迟滞系数。

当调光信号DIM小于阈值信号V_TH，检测信号DET指示系统为恒压模式时，第一电压调节电路(如低压差线性稳压器LDO)42和第一误差放大器110均被去使能，使得第一供电电压V_CC和第一补偿信号CMP1被屏蔽，此时第二供电电压V_CV经由LDO 52后给无线控制模块(RF/MCU)106供电；第二误差放大器111对第二参考信号V_RCV和第二供电电压V_CV的误差进行放大并积分，产生的第二补偿信号CMP2被输送至逻辑控制及驱动电路112，从而给无线控制模块106提供恒定的供电电压。

当调光信号DIM大于阈值信号V_TH，检测信号DET指示系统为恒流模式时，第二电压调节电路(如低压差线性稳压器LDO)LDO 52和第二误差放大器111均被去使能，使得第二供电电压V_CV和第二补偿信号CMP2被屏蔽，此时第一供电电压V_CC经由LDO 42后给无线控制模块(RF/MCU)106供电，第一误差放大器110对第一参考信号V_RCC和等效输出电流I_EQ的误差进行放大并积分，产生的第一补偿信号CMP1被输送至逻辑控制及驱动电路112，从而控制恒定的负载电流(即控制LED的亮度)并给无线控制模块106提供恒定的供电电压。

所谓第二绕组104与第一绕组31的正激磁耦合，即当主功率开关32导通、第一绕组31存储能量时，第二绕组104的感应电压经由二极管41后提供第一供电电压V_CC；而当主功率开关32断开、第一绕组31释放能量时，第二绕组104的感应电压被二极管41阻断。所谓第三绕组105与第一绕组31的反激磁耦合，即当主功率开关32导通，第一绕组31存储能量时，第三绕组105的感应电压被二极管51阻断；而当主功率开光32断开，第一绕组31释放能量时，第三绕组105的感应电压经由二极管51后提供第二供电电压V_CV。

在一个实施例中，所述调光信号DIM为用户输入的信号，该信号为PWM(脉冲宽度调节)信号。如图1所示，所述LED驱动器100还包括滤波器113，接收调光信号DIM，所述滤波器113将PWM形式的调光信号DIM转化为模拟信号，使阈值比较器107对该模拟信号和阈值电压V_TH做比较，产生检测信号DET。

在图1所示实施例中，所述LED驱动器100的功率变换器包括反激变换器，所述功率变换器还包括：副边绕组33，与第一绕组31反激磁耦合；从功率开关34，耦接在副边绕组33与负载(LED)1001之间。

在一个实施例中，所述参考信号产生电路112将调光信号DIM的占空比和源参考电压V_R0相乘，得到第一参考信号V_RCC，即第一参考信号V_RCC与调光信号DIM的占空比和源参考电压V_R的关系为：

V_RCC＝V_R0×D_DIM

其中D_DIM表示调光信号DIM的占空比。

第一参考电压V_RCC被输送至第一误差放大器(EA)110。当调光信号DIM大于阈值信号V_TH(即系统为恒流模式)时，通过第一误差放大器(EA)110对等效输出电流I_EQ进行调节，使得等效输出电流I_EQ的平均值被调节至用户希望的第一参考电压V_RCC。而当调光信号DIM小于阈值信号V_TH(即用户要关掉LED，系统为待机的恒压模式)时，给无线控制模块(RF/MCU)106供电的第二供电电压V_CV通过第二误差放大器(EA)111被调节至第二参考信号V_RCV。

因此，上述LED驱动器100在LED点亮的过程中，对LED的驱动电流实现了准确调节；而当系统为恒压模式时，无线控制模块(RF/MCU)106的供电电压也得到了保证。设定V_RCV和第一绕组31、第三绕组105的匝比关系，可以确保LED在恒压模式被关掉；此外，减小V_RCV的电压与无线控制模块的供电电压，也可以降低损耗。

图2为根据本发明实施例的LED驱动器200的电路结构示意图。图2所示LED驱动器200与图1所示LED驱动器100相似，与图1所示LED驱动器100不同的是，图2所示LED驱动器200具体示出了电流采样信号I_SEN的获得。具体来说，图2所示LED驱动器200还包括：第一电阻器114和第二电阻器115，串联耦接在主功率开关32和原边参考地之间，其中第一电阻器114和第二电阻器115两端的电压为所述电流采样信号I_SEN，第二绕组104和第三绕组105经由第二电阻器115耦接至参考地/原边参考地。第一电阻器114和第二电阻器115两端的电压(I_SEN)经由输出电流计算器108后，被转化为反映负载(LED)电流的等效输出电流I_EQ。

在系统的恒流模式运行过程中，当主功率开关32断开时，流过其上的电流为零；当主功率开关32导通时，流过其上的电流I₃₂可以表示为

$I_{32}=I_{Lm}+\frac{N2}{N1}\×I_{104}---\left(1\right)$

其中I_Lm表示流过第一绕组31的励磁电感的电流，I₁₀₄表示流过第二绕组104的电流，N2/N1表示第二绕组104与第一绕组31的匝数比。

则第一电阻器114和第二电阻器115两端的电压(即电流采样信号I_SEN)为：

I_SEN＝I₃₂×(R₁₁₄+R₁₁₅)-I₁₀₄×R₁₁₅ (2)

其中R₁₁₄表示第一电阻器114的电阻值，R₁₁₅表示第二电阻器115的电阻值。

由等式(1)和等式(2)，可以得到

$I_{SEN}=I_{Lm}\×(R_{114}+R_{115})+I_{104}\×\[\frac{N2}{N1}\×R_{114}-(1-\frac{N2}{N1})\×R_{115}\]---\left(3\right)$

将第二绕组104与第一绕组31的匝数比、第一电阻器114和第二电阻器115的电阻值做如下设定：

$\frac{N2}{N1}\×R_{114}=(1-\frac{N2}{N1})\×R_{115}---\left(3\right)$

则可以得到

I_SEN＝I_Lm×(R₁₁₄+R₁₁₅) (4)

从等式(4)可以看到，当将第二绕组104与第一绕组31的匝数比、第一电阻器114和第二电阻器115的电阻值关系做特定设定后，电流采样信号I_SEN仅与流过第一绕组31励磁电感的电流相关，而不受流过第二绕组104的电流的影响。该电流采样信号I_SEN经过输出电流计算器108被转化为等效输出电流I_EQ后，可以准确反映流过LED 1001的电流。

因此，LED驱动器通过第一电阻器114、第二电阻器115与第二绕组104之间的图示连接，实现供电电压环路与LED电流环路之间的去耦合，消除了LED的闪烁。

图2所示LED驱动器200的其他电路结构及运行原理与图1所示LED驱动器100相似，为叙述简明，这里不再详述。

图3为根据本发明实施例的输出电流计算电路108的电路原理示意图。在图3所示实施例中，所述输出电流计算电路108包括：受驱动控制信号Dr控制的开关管81～83和电容器84。当主功率开关32导通时，开关管81和83导通，开关管82断开，此时等效输出电流I_EQ等于零。当主功率开关32断开时，开关管81和83断开，开关管83导通，此时等效输出电流I_EQ等于电容器84两端的电压，该电压等于电流采样信号I_SEN的峰值。

图4示意性的示出了根据本发明实施例的LED驱动器400的逻辑控制及驱动电路112的电路结构示意图。在图4所示实施例中，所述逻辑控制及驱动电路112包括：比较器21，接收补偿信号CMP和锯齿波信号V_SAW，其中所述锯齿波信号V_SAW在主功率开关32导通时线性上升，在主功率开关32断开时被复位，所述比较器21对所述补偿信号CMP和锯齿波信号V_SAW进行比较，产生比较信号；RS触发器22，接收表征从功率开关34的电流是否过零的电流过零信号ZCD(如通过第三绕组105检测)和比较信号，产生逻辑信号，其中所述逻辑信号响应电流过零信号ZCD被置位、响应比较信号被复位；驱动单元23，接收逻辑信号，产生所述驱动控制信号Dr，用以控制主功率开关32的运行。

图4所示LED驱动器400的其他电路结构及运行原理与图1所示LED驱动器100相似，为叙述简明，这里不再详述。

图5为根据本发明实施例的LED驱动器500的电路结构示意图。图5所示LED驱动器500与图1所示LED驱动器100相似，与图1所示LED驱动器100不同的是，图5所示LED驱动器500还包括：乘法器116，接收表征交流输入电压V_in(或者整流信号M_DC)的输入采样信号V_SEN和补偿信号CMP，所述乘法器116将输入采样信号V_SEN与补偿信号CMP相乘，产生乘积信号PDT，用以保证补偿信号CMP与交流输入电压V_in同步，也就是对补偿信号CMP进行功率因素校正。

图5所示实施例还示出了逻辑控制及驱动电路112的电路结构示意图。如图5所示，所述逻辑控制及驱动电路112包括：比较器21，接收乘积信号PDT和电流采样信号I_SEN，所述比较器21对所述乘积信号PDT和电流采样信号I_SEN进行比较，产生比较信号；RS触发器22，接收表征从功率开关34的电流是否过零的电流过零信号ZCD(如通过第三绕组105检测)和比较信号，产生逻辑信号，其中所述逻辑信号响应电流过零信号ZCD被置位、响应比较信号被复位；驱动单元23，接收逻辑信号，产生所述驱动控制信号Dr，用以控制主功率开关32的运行。

前述LED驱动器100、200、400和500的功率变换器均采用隔离式变换器，然而本领域技术人员应该知道，LED驱动器的功率变换器也可采用非隔离变换器，如图6所示。

图6为根据本发明实施例的LED驱动器600的电路结构示意图。在图6所示实施例中，所述LED驱动器600的功率变换器包括升-降压型(buck-boost)变换器。所述buck-boost变换器包括：第一绕组31；耦接至第一绕组31的主功率开关32；所述第一绕组31在主功率开关32导通时存储能量，在主功率开关32断开时将能量提供至负载(LED)1001；第一从功率开关34，耦接至第一绕组31和主功率开关32。

图6所示LED驱动器600的其他电路结构及运行原理与图1所示LED驱动器100相似，为叙述简明，这里不再详述。

前述图1至图6的实施例中，第一和第二供电电压V_CC、V_CV均通过LDO被转化为无线控制模块(RF/MCU)的供电电压，但本领域技术人员应当意识到，电压调节电路不局限于LDO，也可以采用其他合适的电路，甚至可以被省略。

本发明还提出了一种LED驱动方法。图7示意性示出了根据本发明实施例的LED驱动方法流程图700，所述方法包括：

步骤701，接收输入电压，产生驱动电流，用以驱动LED；

步骤702，接收(用户提供的)调光信号；

步骤703，比较调光信号和阈值信号的大小，判断用户需求：若调光信号大于阈值信号，则进入步骤704；若调光信号小于阈值信号，则进入步骤705；

步骤704，进入恒流模式：通过功率级给LED提供恒定电流、给无线控制模块提供第一供电电压；

步骤705，进入恒压模式：通过功率级给无线控制模块提供第二供电电压。

在一个实施例中，所述功率级包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，当系统进入恒流模式时，通过第一绕组和第二绕组的正激耦合提供第一供电电压；当系统进入恒压模式时，通过第一绕组和第三绕组的反激耦合提供第二供电电压。

前述根据本发明多个实施例的LED驱动器和驱动方法，只采用一个功率级，该功率级对LED提供恒流驱动，同时对无线控制模块(RF/MCU)等智能模块提供供电电压，并且该功率级在LED关闭、系统进入待机模式时，其待机损耗非常小。因此，本发明的LED驱动器及驱动方法大大提高了性能。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。