纹波抑制电路和LED驱动器的制作方法

本发明涉及电力电子技术，具体涉及led驱动领域，更具体地，涉及一种纹波抑制电路和led驱动器。

背景技术：

led光源具有功耗低、重量轻、需要恒流驱动的特点。现有技术中，通常使用恒流输出的开关型变换器来驱动led负载。但是，单级的开关型变换器作为led驱动电路时，其输出电流中的工频纹波较大，会导致led负载的亮度随工频变化闪烁(可称为led频闪)。特别是在前级连接有可控硅调光器，且调光角度较小时，由于输出电流较小，输入电压的波动会引起led负载的驱动电流的明显变化，从而引起人眼可感受到的亮度变化或闪烁。

现有技术为了消除led负载的频闪以及输入交流电波动引起的led负载闪烁，通常采用数字电路精确控制整流后的半工频周期的调光角度和曲线以精确控制输出电流，同时还需要在led负载前设置纹波滤波电路。数字电路的控制策略复杂，成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种纹波抑制电路和led驱动器，用于以较低的成本抑制led驱动器中的工频纹波和由于输入交流电变化引起的纹波。

第一方面，提供一种纹波抑制电路，用于抑制led负载驱动电流中的纹波分量，所述纹波抑制电路包括：

输出端口，适于连接所述led负载；

电流滤波电路，与所述输出端口串联连接，适于滤除流向所述输出端口的所述驱动电流中的纹波；以及

纹波分流电路，连接在驱动电流输入端和接地端之间，被配置为响应于所述电流滤波电路的电压降分流所述驱动电流。

优选地，所述纹波分流电路的分流电流与所述电流滤波电路的电压降成正比。

优选地，所述电流滤波电路包括：

电压滤波电路，被配置为对输出电压vout或所述电流滤波电路的电压降进行滤波输出控制电压；以及，

电压控制电流源，与所述输出端口串联，受控于所述控制电压输出对应的电流。

优选地，所述电压控制电流源连接在驱动电流输入端和输出端口之间；

所述电压滤波电路包括：

第一二极管，第一电阻和第一电容，顺序连接在驱动电流输入端和接地端之间；

所述第一电阻和所述第一电容的公共端输出所述控制电压。

优选地，所述电压控制电流源连接在输出端口和接地端之间；

所述电压滤波电路包括：

第一二极管，第一电阻和第一电容，顺序连接在所述电压控制电流源的两端之间；

所述第一电阻和所述第一电容的公共端输出所述控制电压。

优选地，所述电压滤波电路还包括：

第二二极管，与所述第一电阻并联。

优选地，所述电压控制电流源为晶体管。

优选地，所述纹波分流电路包括：

三极管，发射极与所述电压控制电流源的第一端连接；

第二电阻，连接在所述三极管的基极和所述电压控制电流源的第二端之间；

第三电阻，连接在所述三极管的集电极和所述输出端口的第一端之间；

其中，输出端口的第二端与所述电压控制电流源的第二端连接。

第二方面，提供一种led驱动器，包括：

调光器；

整流电路，与所述调光器连接；

开关型变换器，与所述整流电路输出端连接；以及

如上所述的纹波抑制电路，连接在所述开关型变换器和led负载之间。

本发明实施例通过对led负载驱动电流进行电流滤波，同时，设置基于电流滤波电路的电压降来进行分流的纹波分流电路，从而可以通过简单的电路结构来抑制和去除led负载驱动电流中的纹波。同时，可以在输入交流电压抖动时，将低频随机的纹波电流的绝大部分分流到旁路电流中，避免led电流波动，防止led负载驱动电流突然变化或周期性变化引起闪烁。本发明实施例的电路结构简单，成本低。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的led驱动器的电路框图；

图2是本发明一个实施例的led驱动器的电路图；

图3是本发明另一个实施例的led驱动器的电路图；

图4是图3所示led驱动器的工作波形图；

图5是本发明又一个实施例的led驱动器的电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

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。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明实施例的led驱动器的电路框图。如图1所示，本实施例的led驱动器包括调光器1、led驱动电路2和纹波抑制电路3，三者顺序连接在交流电输入端和led负载之间。调光器1可称采用三端双向可控硅开关元件(traic，triodeforalternatingcurrent)实现。led驱动电路2可以包括整流电路21和开关型变换器22。在图1中，整流电路21为四个二极管以及滤波电容组成的全桥逆变电路。整流电路21与调光器连接，被配置为将经由调光器斩波的交流电转换为直流电输出。应理解，根据应用场景的不同以及电路设计的具体考虑，整流电路21也可以采用现有技术中的其它类型的电路，例如半桥整流电路等。开关型变换器22包括功率级电路和控制电路22a。在本实施例中，功率级电路采用升降压型拓扑(buckboost)。控制电路22a被配置为根据反馈参量(例如，输出电流)控制功率级电路的功率开关导通和关断以输出稳定的驱动电流id。应理解，根据输入电压以及驱动的负载的要求不同，开关型变换器22的功率级电路也可以采用其它类型的拓扑，例如降压型拓扑(buck)、升压型拓扑(boost)、反激式拓扑(flyback)等。纹波抑制电路3用于抑制led负载驱动电流id中的纹波分量irip以防止led负载出现频闪和闪烁。

纹波抑制电路3包括输出端口、电流滤波电路31和纹波分流电路32。其中，输出端口适于连接led负载led。输出端口具有第一端a和第二端b。电流滤波电路31与输出端口串联连接，被配置为滤除流向所述输出端口的所述驱动电流中的纹波。在电路中，电流滤波电路31通过输出端口与led负载led串联，从而对驱动电流id进行滤波，使得输出到led负载led的电流iled尽可能稳定。纹波分流电路32连接在驱动电流输入端(也即，开关型变换器的输出端)和接地端之间，其被配置为响应于电流滤波电路的电压降vq1分流驱动电流id。

通过对驱动电流进行电流滤波，同时，设置基于电流滤波电路的电压降来进行分流的纹波分流电路，从而可以通过简单的电路结构来抑制和去除led负载的驱动电流中的纹波。防止led负载驱动电流突然变化或周期性变化引起闪烁。进而，可以低成本防止led负载在小电流工作时频闪或闪烁。

图2是本发明一个实施例的led驱动器的电路图。如图2所示，本实施例的led驱动器包括调光器1、led驱动电路2和纹波抑制电路3，三者顺序连接在交流电输入端和led负载之间。其中，纹波抑制电路3包括输出端口、电流滤波电路31和纹波分流电路32。输出端口适于连接led负载led。输出端口具有第一端a和第二端b。电流滤波电路31连接在led负载和驱动电流输入端之间。电流滤波电路31包括电压滤波电路和电压控制电流源。电压滤波电路连接在驱动电流输入端和接地端之间，用于对输出电压vout进行滤波，输出稳定的控制电压。所述控制电压vgate被用于控制电压控制电流源。在图2中，电压控制电流源采用晶体管q1。晶体管q1为金属氧化物场效应晶体管(mosfet)，设置在驱动电流的通路上，也即，源极和漏极分别与驱动电流输入端和输出端口的第二端b连接。晶体管q1工作在线性状态下。控制电压vgate被施加到晶体管q1的栅极上以控制漏极电流，也即，从驱动电流输入端流向led负载led的电流iled。只要控制电压vgate稳定，则流向led负载led的电流iled可以稳定。电压滤波电路用于对输出电压vout进行滤波，从而去除输出电压vout中的纹波。led负载可以看作为一个阻抗恒定的负载，在驱动电流id中带有纹波分量时，对应的输出电压vout也会带有纹波分量。通过电压滤波电路对输出电压vout进行滤波，可以滤除该分量，并基于滤除纹波分量后的电压来控制使得流向led负载led的电流iled不带有纹波。

在图2中，电压滤波电路包括二极管d1、电阻r1和电容c1，三者顺序连接在驱动电流输入端和接地端之间。在本实施例中，三者按顺序串联连接在驱动电流输入端和接地端之间。其中，二极管d1采用齐纳二极管，其阴极与驱动电流输入端连接，阳极与电阻r1连接。在输出电压vout高于预定阈值时，二极管d1被击穿，并具有预定的电压降，输出电压vout去除二极管d1电压降的部分经由电阻r1和电容c1组成的rc电路滤波后，输出一个相对稳定的控制电压vgate。其中，控制电压vgate为电阻r1和电容c1的公共端处的电压。

在电路启动后，输出电压vout较高，而电容c1未被充电，使得二极管d1被击穿，电容c1被充电直至使得二极管d1恢复关断状态，电路进入稳态。其后，二极管d1处于临界击穿状态，在每个纹波周期内都短时间被击穿，使得驱动电流输入端对电容c1充电，弥补由于晶体管q1的漏电流导致的电容c1的电压损失。如果输出电压vout随驱动电流id如果向上波动，则二极管d1被击穿。而由于电阻r1和电容c1组成rc电路的时间常数很大，使得电容c1的电压变化很慢，由此仍然可以保持控制电压vgate稳定。如果输出电压vout随驱动电流id向下波动，则二极管d1保持关断，使得控制电压vgate保持不变。二极管d1的两端电压在每个纹波周期内击穿时趋近于零，其它时间内端在击穿电压vd1附近。由此，在输出电压vout在vgs+vled到vgs+vled+vd1之间变化时，流过led负载的电流均保持不变。在输出电压vout变化幅度超过vd1，由于rc电路的时间常数较大，仍然可以保持控制电压vgate稳定，由此，使得流过led负载的电流iled不会快速变化。

优选地，如图3所示，为了防止输出电压vout过高对电路构成损害，可以在电阻r1处并联一个二极管d2进行保护。二极管d2也采用齐纳二极管。在输出电压vout高于预定的保护阈值时，电阻r1上的电压高于二极管d2的击穿电压vd2，则二极管d2被击穿，电阻r1被短路，从而使得控制电压vgate＝vout-vd1-vd2，并跟随输出电压vout快速增加，增大流过晶体管q1的电流，使得输出电压vout能够被降低。

由此，通过电流滤波电路，可以有效地滤除变化幅度较小的纹波。

由于输入交流电压抖动引起的电流纹波变化幅度通常会更大。这类纹波可以通过电流滤波电路抑制的同时，经由纹波分流电路分流。

在led驱动电路2输出的驱动电流id中存在纹波分量变化幅度较大时，输出电压vout也存在相匹配的纹波。同时，晶体管q1受控向led负载led输出稳定的电流iled。led负载led可以视为一个阻值恒定电阻。此时，晶体管q1的电压降(源极和漏极之间的电压)vq1等于输出电压vout减去led负载led的电压降vled。由此，电压降vq1中包含了纹波分量的信息。通过将纹波分流电路32配置为响应于电流滤波电路31的电压降vq1分流驱动电流id，就可以有效地分流纹波分量，保持电路正常运行。

在图2和图3中，纹波分流电路32包括三极管q2、电阻r2和r3。三极管q2具有发射极、基极和集电极。三极管q2的发射极与晶体管q1的漏极连接。三极管q2的基极通过电阻r2连接到晶体管q1的源极，也即，电阻r2连接在三极管q2的基极和晶体管q1的源极之间。三级管q2的集电极通过电阻r3连接到接地端，也即，电阻r3连接在三极管q2的集电极和接地端之间。由于三极管的集电极电流与基极电流成正比。在发射极和基极之间施加正向电压时，发射极和基极之间pn节导通，并形成与电压降vq1成正比的基极电流，从而使得集电极电流(也即流过电阻r3的电流)与晶体管q1的电压降vq1成正比。

图4是图3所示led驱动器的工作波形图。如图4所示，输出电压vout中带有与驱动电流id中的纹波分量irip相同的纹波。而流过led负载的电流iled和led负载的电压降vled基本保持恒定。晶体管q1的电压降vq1＝vout-vled，带有与电流irip相同的纹波信息。在本实施例中，通过设置在前电路的参数使得vq1带有一定的直流分量vrip-dc，可以使得led驱动器的输入交流电增加或减少时，电压降vq1均保持为正，从而电路可以响应驱动电流的不同方向的变化进行纹波抑制。从图4中可以看出，驱动电流id的直流分量irip-dc与流入led负载的电流iled一致。

由此，通过对输出电压vout滤波去除输出电压中与驱动电流纹波同步的纹波分量，基于去除纹波分量后的电压来控制电压控制电流源向led负载输出电流，使得流过led负载的电流不会引起频闪和闪烁。同时，通过控制纹波分流电路响应于该电压降来分流电流，从在可以在输入交流电压抖动时，将低频随机的纹波电流的绝大部分分流到旁路电流中，避免led电流波动，避免led负载频闪或闪烁。本实施例的电路结构简单，成本低。

图5是本发明又一个实施例的led驱动器的电路图。如图5所示，在本实施例中，电流滤波电路31’连接在led负载led和接地端之间。电流滤波电路31’的电压滤波电路用于对晶体管q1的两端电压进行滤波。同时，纹波分流电路32’的三极管q2的发射极与接地端连接，基极通过电阻r2与晶体管q1的漏极连接。晶体管q1的漏极通过输出端口的第二端b与led负载的阴极连接。电阻r2连接在输出端口的第一端a和三极管q2的集电极之间。由此，三极管q2可以响应于晶体管q1的漏源电压vq1控制流过电阻r3的电流，对驱动电流id中的纹波分量进行分流。同时，电流滤波电路31’通过过滤电压降vq1中的纹波分量后控制晶体管q1输出不带有纹波或突变的电流iled，避免led负载出现频闪或闪烁。

本领域技术人员容易理解，上述描述中采用金属氧化物场效应晶体管作为电压控制电流源仅为示例，还可以采用其它器件或更加复杂的电路来实现电压控制电流源的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。