一种LED线性恒流控制电路以及LED发光装置的制作方法

本发明涉及LED显示领域，尤其涉及一种LED线性恒流控制电路以及LED发光装置。

背景技术：

目前，LED作为一种新型光源，因其具备亮度强、能耗低且寿命长的优点而被广泛应用于各个领域。由于LED具有固定的正向导通电压，只有达到整个LED灯串的总的正向导通电压时，LED灯串才能发光。为了保证LED灯串能够正常稳定地工作，需要对其进行恒流控制，而传统的LED灯串的线性恒流控制方法就是通过将一个线性恒流控制电路连接于输入整流电路的输出端与LED灯串的输入端之间(如图1所示)，或者连接于LED灯串的输出端与地之间(如图2所示)。而在市电供电条件下，采用上述恒流源对LED灯串进行恒流控制时，LED灯串只能在输入电压达到其总的正向导通电压时才会发光，这样会使LED的利用率低且功率因数低，总谐波失真严重，且输出电流会跟随输入电压峰值变化而变化。

为了解决上述传统的LED灯串的恒流控制方法所存在的问题，现有技术提出了两种解决方法。第一种是通过在输入整流电路的输出端增加一个滤波大电容，通过该滤波大电容将输入正弦波电压滤波成高于LED灯串的正向导通电压的直流电压，从而使LED灯串中的LED能够在整个时钟周期持续发光，虽然这样可以提高LED的利用率，但却降低了功率因数，加大了系统总谐波失真(THD)且同时增加了系统成本，也不能解决输入不恒流的问题；第二种则是通过减少LED灯串中的LED数量，从而通过减小LED灯串总的正向导通电压进而使LED在每个时钟周期的发光时间增加，提高了LED的利用率。但这种解决方法会使LED线性恒流控制电路承受更大的电压，加大了驱动电路的功耗，降低了系统效率，也无法解决输入不恒流的问题。

综上所述，现有技术存在功率因数低、系统总谐波失真严重且系统效率低和输入不恒流的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种LED线性恒流控制电路以及LED发光装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种LED线性恒流控制电路，用于连接LED灯串，所述LED灯串由N个LED灯组串接在一起，所述LED线性恒流控制电路包括：

基准电压产生模块，用于采样LED灯串的输入电压，将采样到的输入电压转变为具有不同固定峰值且与输入电压同相的N个基准电压；

N个输出电流控制模块，所述N个输出电流控制模块的控制端分别连接至基准电压产生模块以一一对应的接收相应的一个参考电压、输入端分别连接至对应的LED灯组的输出端、输出端并联在一起后通过第一电阻接地，当LED灯串的输入电压达到M个LED灯组的正向导通电压时前面M个LED灯组导通，且经由第M个输出电流控制模块在第一电阻上产生与第M个基准电压对应的电流，其中，M、N为正整数，且M小于等于N。

在本发明所述的LED线性恒流控制电路中，所述基准电压产生模块包括：

输入电压采样模块，输入端连接LED灯串的输入端，用于采样得到峰值变化的正弦波信号；

乘法器模块，用于将采样得到峰值变化的正弦波信号转变为峰值固定且与输入电压同相的正弦波信号；

分压输出电路，用于将所述峰值固定且与输入电压同相的正弦波信号分压形成所述N个基准电压。

在本发明所述的LED线性恒流控制电路中，所述乘法器模块包括峰值电压采样保持电路和乘法器电路；所述乘法器电路的一个输入端与输入电压采样模块的输出端连接、另一个输入端经由所述峰值电压采样保持电路与输入电压采样模块的输出端连接，乘法器电路的输出端连接至所述分压输出电路。

在本发明所述的LED线性恒流控制电路中，所述分压输出电路包括一个第一运算放大器、一个N沟道的第一MOS管以及具有N个分压系数的分压电路，所述第一运算放大器的同相输入端连接所述乘法器电路的输出端、异相输入端经由所述分压电路接地，所述第一运算放大器的异相输入端还经由一电阻连接至第一MOS管的源极，第一MOS管的栅极连接至第一运算放大器的输出端，第一MOS管的漏极连接内置电源。

在本发明所述的LED线性恒流控制电路中，每个所述输出电流控制模块均包括：一个第二运算放大器和一个N沟道的第二MOS管；第二运算放大器的同相输入端作为输出电流控制模块的控制端、异相输入端连接第二MOS管的源极、输出端连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的源极作为输出电流控制模块的输出端，第二MOS管的漏接作为输出电流控制模块的输入端。

在本发明所述的LED线性恒流控制电路中，相邻的两个输出电流控制模块的输出端之间还包括一个电流调节电阻。

本发明还公开了一种LED发光装置，包括：用于给LED灯串提供输入电压的整流输入模块、LED灯串以及所述的LED线性恒流控制电路。

在本发明所述的LED发光装置中，各LED灯组由不同数量的LED灯串联或者并联或者串并联结合方式组合得到。

实施本发明的LED线性恒流控制电路以及LED发光装置，具有以下有益效果：本发明能够使LED灯串的输入电压相应地逐级驱动其中的LED灯组恒流发光，实现了在不增加高成本元件的前提下，提高LED的利用率，极大地提升整个LED线性恒流控制电路的功率因数和系统效率，有效地降低了系统总谐波失真，同时基准电压产生模块将采样到的输入电压转变为具有不同固定峰值且与输入电压同相的N个基准电压，当LED灯串的输入电压达到M个LED灯组的正向导通电压时前面M个LED灯组导通，且经由第M个输出电流控制模块在第一电阻上产生与第M个基准电压对应的电流，由于每个基准电压都是峰值固定的，与输入电压的峰值无关，所以能保持流过LED灯的电流不随输入电压峰值变化而变化，实现真正的输入恒流。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是一种传统LED线性恒流控制电路的结构示意图；

图2是另一种传统LED线性恒流控制电路的结构示意图；

图3是本发明的LED线性恒流控制电路的第一实施例的模块框图；

图4是图3中的输出电流控制模块的电路结构示意图；

图5是图3中的基准电压产生模块的电路结构示意图；

图6是图5中的峰值电压采样保持电路的电路结构示意图；

图7是传统LED驱动电源的输入电路结构示意图；

图8是图7所示电路的交流输入电压、灯串输入电压、交流输入电流的波形图；

图9是本发明在N取4时交流输入电压、灯串输入电压、交流输入电流的波形图；

图10是本发明的LED线性恒流控制电路的第二实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图3是本发明的LED线性恒流控制电路的第一实施例的模块框图。

本发明的LED发光装置包括：用于给LED灯串200提供输入电压的整流输入模块100、LED灯串200以及LED线性恒流控制电路300。所述LED灯串200由N个LED灯组串接在一起，各个LED灯组中的LED灯的数量可以相等也可以不等，各LED灯组的连接方式也可不同，例如一个LED灯组中的所有LED灯可以是串联或者并联或者串并联结合。如图中，N个LED灯组分别为：LED₁、LED₂、…、LED_n-1、LED_n。

其中，所述LED线性恒流控制电路300包括：基准电压产生模块310、N个输出电流控制模块以及一个第一电阻Re。如图中，N个输出电流控制模块分别为：CTR₁、CTR₂、…、CTR_n-1、CTR_n。

基准电压产生模块310，用于采样LED灯串200的输入电压，将采样到的输入电压转变为具有不同固定峰值且与输入电压同相的N个基准电压，如图中，N个基准电压分别表示为:V₁、V₂、…、V_n-1、V_n。

N个输出电流控制模块，所述N个输出电流控制模块的控制端分别连接至基准电压产生模块310以一一对应的接收相应的一个参考电压、输入端分别连接至对应的LED灯组的输出端、输出端并联在一起后通过第一电阻Re接地，当LED灯串200的输入电压达到M个LED灯组的正向导通电压时前面M个LED灯组导通，且经由第M个输出电流控制模块在第一电阻Re上产生与第M个基准电压对应的电流，其中，M、N为正整数，且M小于等于N。

参考图4是图3中的输出电流控制模块的电路结构示意图。

每个所述输出电流控制模块均包括：一个运算放大器和一个N沟道的MOS管；如图中，第一个输出电流控制模块CTR₁包括运算放大器OP₁、MOS管M₁，第二个输出电流控制模块CTR₂包括运算放大器OP₂、MOS管M₂，以此类推。每个所述输出电流控制模块中，运算放大器的同相输入端作为输出电流控制模块的控制端、异相输入端连接MOS管的源极、输出端连接MOS管的栅极，MOS管的源极作为输出电流控制模块的输出端，MOS管的漏接作为输出电流控制模块的输入端。

继续参考图3，所述基准电压产生模块310包括：输入电压采样模块311、乘法器模块312、分压输出电路313。其中：

输入电压采样模块311，输入端连接LED灯串200的输入端，用于采样得到峰值变化的正弦波信号，具体实施例中，输入电压采样模块311包括串接于整流输入模块100的输出端(即LED灯串200的输入端)和地之间的两个分压电阻，两个分压电阻的连接节点作为输入电压采样模块311的输出端。

乘法器模块312，用于将采样得到峰值变化的正弦波信号转变为峰值固定且与输入电压同相的正弦波信号。参考图5是图3中的基准电压产生模块的电路结构示意图。参考图6是图5中的峰值电压采样保持电路的电路结构示意图。

具体的，所述乘法器模块312包括峰值电压采样保持电路和乘法器电路；所述乘法器电路的一个输入端与输入电压采样模块311的输出端连接、另一个输入端经由所述峰值电压采样保持电路与输入电压采样模块311的输出端连接，乘法器电路的输出端连接至所述分压输出电路313。

峰值电压采样保持电路包括：二极管D1、运算放大器Amp1、N沟道MOS管M0、电容C0，二极管D1的正极连接输入电压采样模块311的输出端、负极连接运算放大器Amp1的同相输入端，运算放大器Amp1的异相输入端连接MOS管M0的源极以及经由电容C0接地、运算放大器Amp1的输出端连接MOS管M0的栅极，MOS管M0的漏极连接内置电源，MOS管M0的源极作为峰值电压采样保持电路的输出端连接至乘法器电路的一个输入端。

可以理解的是，峰值电压采样保持电路并不限于本实施例中的电路结构，只要能实现峰值采样和保持都能实现本发明的技术效果，都在本发明的保护范围之内。乘法器电路可以采用图4中的电路结构，也可以采用电子领域常见的乘法器，对此不做限制。

分压输出电路313，用于将所述峰值固定且与输入电压同相的正弦波信号分压形成所述N个基准电压。继续参考图5，所述分压输出电路313包括一个第一运算放大器Amp4、一个N沟道的第一MOS管以及具有N个分压系数(k₁，k₂，…，k_n-1，k_n)的分压电路，所述第一运算放大器Amp4的同相输入端连接所述乘法器电路的输出端、异相输入端经由所述分压电路接地，所述第一运算放大器Amp4的异相输入端还经由一电阻连接至第一MOS管的源极，第一MOS管的栅极连接至第一运算放大器Amp4的输出端，第一MOS管的漏极连接内置电源。

下面结合第一实施例，详细阐述本发明的工作原理。

结合图3和图5，输入交流电压经过整流输入模块100的整流桥整流后，得到周期为π的直流电压，其瞬时电压表达式为：V_pp*sin(ωt)，其中V_pp为输入峰值电压。该电压经过输入电压采样模块311分压后输出作为乘法器模块312的输入电压。乘法器模块312中的峰值电压采样保持电路输出该输入电压的峰值：

假设图中的电路中的NPN管严格匹配，具有相同的增益β且足够大，以至于可以忽略基极电流的影响，根据乘法器的特性(乘法器的具体工作原理不再叙述)，有以下公式成立：

I₁*I₂＝I₃*I₄ (1)

其中I₁为偏置电流，固定不变；

现为了计算方便，假设所有的电流镜镜像比例为1:1，可以得到各电流表达式：

将公式(2)、(3)代入上式(1)，得到输出电流：

将该电流I₄加在电阻R_p4上，得到乘法器模块312的输出电压为：该电压输入分压输出电路313，得到N个基准电压如下：

其中，k₁，k₂，…，k_n-1，k_n为分压系数，为不相等的常数，这里可以假设V₁＜V₂＜...＜V_n-1＜V_n。

可以看到，N个基准电压均与线网输入电压峰值无关，与线网输入电压同样呈现为正弦波特性且无相位差。现在，得到了与线网电压峰值无关的、与线网正弦波电压无相位差的正弦波电压。

下面首先对系统总谐波失真进行说明。

市面上很多的LED驱动电源，其输入电路采用简单的桥式整流器和电解电容滤波电路，如图7所示，该电路只有在输入交流电压的峰值附近，整流二极管才会导通，因此其导通角θ比较小(大约为60°)，导致输入电流波形为尖状脉冲(脉宽约为3ms)，交流输入电压、灯串输入电压及交流输入电流波形如图8所示。由此可见，造成LED电源交流输入电流畸变的根本原因是使用了直流滤波电解电容器的容性负载所致。

根据傅里叶(Fourier)变换原理，瞬时输入电流可以表示为：

式中，n是谐波次数，傅里叶系数a_n和b_n分别表示为：

每一个电流谐波，通常会有一个正弦或者余弦周期，n次谐波电流有效值I_n,rms可用下式计算得到：

输入总电流有效值为：

上式中，I_1,rms为基波电流有效值，总谐波失真为：

根据功率因素PF的定义，功率因数PF是指交流输入的有功功率P和输出视在功率S的比值，即：

其中，U为输入电源电压，cosθ₁为相移因数，θ₁为基波相移角。

结合上式(11)、(12)以得到：

由此可知，在相移因素cosθ₁不变时，降低总谐波失真可以提高功率因素PF。

以下结合上述原理对本发明的工作原理以及如何实现高PF值和低总谐波失真作进一步说明。

在整流输入模块100的整流桥接入交流电时，LED灯串200输入电压从0V开始上升，当灯串输入电压达到第一个LED灯组LED₁的正向导通电压时，由于运算放大器OP₁的同相输入端所输入基准电压V₁大于其异相输入端的电压，所以运算放大器OP₁的输出端输出高电平驱动M₁导通，此时M₁的源极电压与基准电压V₁相等，则第一电阻Re的第一端的电压也为V₁，因此，流过LED灯组LED1的电流I_LED1如下式所示：

随着LED灯串200的输入电压继续上升，当该输入电压达到两个LED灯组的正向导通电压时LED₁、LED₂导通，由于运算放大器OP₂的同相输入端所输入的参考电压V₂大于其异相输入端的电压V₁(运算放大器OP₂的异相输入端与M₁的源极连接，此处电压为V₁)，所以运算放大器OP₂的输出端输出高电平驱动M₂导通，LED灯组LED₁与LED₂中的所有LED发光，且NMOS管M₂的源极电压也为V₂，即运算放大器OP₁的异相输入端的电压由V₁变为V₂，于是运算放大器OP₁的异相输入端的电压V₂大于其同相输入端的电压V₁，所以运算放大器OP₁输出低电平使NMOS管M₁截止，LED灯组LED₁与LED₂由输出电流控制模块CTR₂控制，因此实现了从输出电流控制模块CTR₁切换过渡至由输出电流控制模块CTR₂对LED灯组LED₁与LED₂进行发光控制，与此同时，第一电阻Re的第一端的电压也上升为V₂，因此，流过LED灯组LED₁与LED₂的电流I_LED2如下式所示：

依此类推，随着输入电压的持续上升，输出控制模块CTR₃至CTR_n会根据上述工作进程继续推进，从而达到在输入电压继续上升的过程中逐级往后驱动更多LED灯组发光，直至LED灯串200中所有LED灯组都发光为止，即LED灯组LED₁至LED_n均发光，此时，流过所有LED灯组的电流I_LEDn如下式所示：

根据以上公式，以N取4为例，其交流输入电压、灯串输入电压、交流输入电流的波形图如图9。图中，V_AC、V_DC、I_AC分别表示交流输入电压、灯串输入电压、交流输入电流。流过LED的电流为交流输入电流的绝对值。

对LED电流在整个线网周期内进行积分计算，可以得到整个线网周期内的流过LED电流平均值为：

上式中所有的参数均与输入电压峰值无关，流过LED的电流由基准电压和R_e电阻决定。

由以上推到可知，由于V₁＜V₂＜...＜V_n-1＜V_n，故I_LED1＜I_LED2＜...＜I_LEDn-1＜I_LEDn，这使得流过正在发光的LED灯组的电流(即输出电流)能够跟随输入电压进行同步变化，大大扩展了整流二极管的导通角，因此提高了系统功率因数和效率。同时，在线网输入电压逐渐变化过程中，输入电流(也就是流过LED灯串200的电流)能够很好的跟随输入电压进行同步变化，基本维持输入电流在整个线网周期内的连续性以及正弦波特性且无相位差，因此能够极大的降低系统总谐波失真，进一步提高系统PF值和效率。而且，流过LED灯组的电流等于某个基准电压在第一电阻Re上产生的电流，由于本发明包含的乘法器模块312能够使得N个基准电压的峰值固定且与输入电压同相，因此流过LED的电流(即输出电流)的峰值也不随线网峰值电压的变化而变化，输出电流也不会跟随线网峰值电压变化而变化，实现优异的恒流特性。

下面介绍本发明的第二个实施例。

参考图10是本发明的LED线性恒流控制电路的第二实施例的电路结构示意图。

在本发明第二实施例中，与第一实施例唯一不同的是：相邻的两个输出电流控制模块的输出端之间还包括一个电流调节电阻。如图电阻R₁至R_n-1，电阻R₁连接于输出电流控制模块CTR₁与输出电流控制模块CTR₂之间，电阻R₂连接于输出电流控制模块CTR₂与输出电流控制模块CTR₃之间，依次类推，电阻R_n-1连接于输出电流控制模块CTR_n-1与输出电流控制模块CTR_n之间。

本实施例中加入多个电阻R₁至R_n-1的目的是在第一实施例的基础上，对流过LED灯串200中被驱动发光的一个或多个LED灯组的电流实现更加灵活的调整，从而优化对恒流控制效果。由于是对流过LED灯组电流的调整，因此，多个电阻R₁至R_n-1的阻值相对较小。

下面主要是结合工作原理对图10所示的LED线性恒流控制电路300作进一步说明：

同理，在整流桥接入交流电时，LED灯串200输入电压从0V开始上升，当输入电压达到LED灯组LED₁的正向导通电压时，M₁导通，第一电阻Re的第一端的电压为V₁，因此，流过LED灯组LED1的电流I_LED1如下式所示：

同理，随着输入电压继续上升，当该输入电压达到两个LED灯组的正向导通电压时，从输出电流控制模块CTR₁切换过渡至由输出电流控制模块CTR₂对LED灯组LED₁与LED₂进行发光控制，与此同时，第一电阻Re的第一端的电压也上升为V₂，流过LED灯组LED₁与LED₂的电流I_LED2如下式所示：

依此类推，随着输入电压的持续上升，输出控制模块CTR₃至CTR_n会根据上述工作进程继续推进，从而达到在输入电压继续上升的过程中逐级往后驱动更多LED灯组发光，直至LED灯串200中所有LED灯组都发光为止，即LED灯组LED₁至LED_n均发光，此时，流过所有LED灯组的电流I_LEDn如下式所示：

同理，由于V₁＜V₂＜...＜V_n-1＜V_n，故I_LED1＜I_LED2＜...＜I_LEDn-1＜I_LEDn，这使得流过正在发光的LED灯组的电流能够跟随输入电压进行同步变化，大大扩展了整流二极管的导通角，因此提高了系统功率因数和效率。同时，在线网输入电压逐渐变化过程中，输入电流(也就是流过LED灯串200的电流)能够很好的跟随输入电压进行同步变化，基本维持输入电流在整个线网周期内的连续性以及正弦波特性且无相位差，因此能够极大的降低系统总谐波失真，进一步提高系统PF值和效率。而且，流过LED灯组的电流等于某个基准电压在第一电阻Re上产生的电流，由于本发明包含的乘法器模块312能够使得N个基准电压的峰值固定且与输入电压同相，因此流过LED的电流(即输出电流)的峰值也不随线网峰值电压的变化而变化，输出电流也不会跟随线网峰值电压变化而变化，实现优异的恒流特性。

本发明的另一目的还在于提供一种LED发光装置，装置包括：用于给LED灯串200提供输入电压的整流输入模块100、LED灯串200以及所述的LED线性恒流控制电路300。

综上所述，本发明能够使LED灯串的输入电压相应地逐级驱动其中的LED灯组恒流发光，实现了在不增加高成本元件的前提下，提高LED的利用率，极大地提升整个LED线性恒流控制电路的功率因数和系统效率，有效地降低了系统总谐波失真，同时基准电压产生模块将采样到的输入电压转变为具有不同固定峰值且与输入电压同相的N个基准电压，当LED灯串的输入电压达到M个LED灯组的正向导通电压时前面M个LED灯组导通，且经由第M个输出电流控制模块在第一电阻上产生与第M个基准电压对应的电流，由于每个基准电压都是峰值固定的，与输入电压的峰值无关，所以能保持流过LED灯的电流不随输入电压峰值变化而变化，实现真正的输入恒流。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。