带功率因数校正的led驱动电路及驱动器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种带功率因数校正的LED驱动电路及驱动器。本发明的带功率因数校正的LED驱动电路包括第一子电路、第二子电路和第三子电路；第一子电路给LED阵列供电，包括二极管、电感、开关管和电流感应电阻；第二子电路控制开关管开关，包括比较器、逻辑控制单元和驱动器；第三子电路包括除法器和峰值检测器，峰值检测器检测输入电源峰值电压，除法器去除输入电源中的峰值电压产生参考电压，比较器由参考电压确定电流感应电阻的电流，使电流不随输入电源峰值电压变化。本发明LED驱动电路解决了现有技术不能在全电压范围内恒流驱动问题，实现在不同输入电压下流经LED平均电流恒定，即输入电源电压峰值变化时流经LED平均电流恒定。
【专利说明】
带功率因数校正的LED驱动电路及驱动器
技术领域
[0001]本发明实施例涉及LED驱动电路，尤其涉及一种带功率因数校正的LED驱动电路及驱动器。
【背景技术】
[0002]发光二极管(Light Emitting D1de，简称LED)是一种高效的灯具，已广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。LED灯具一般都要求具有功率因数校正(Power Factor Correct1n，简称PFC)功能，特别是高功率的LED驱动器，以提高电能的利用效率、增加电力系统容量，同时也可以稳定电流。
[0003]—般而言，LED灯具都要求具有功率因数校正功能，特别是高功率的LED驱动电路，以提高电能的利用效率、增加电力系统容量，同时也可以稳定电流。图1提供了一种常用的带功率因数校正的LED驱动电路，采用Buck电路，如图1所示，包括二极管、电感、电流感应电阻、开关管和控制子电路，其中，二极管、电感、电流感应电阻、开关管和控制子电路如图连接。控制子电路由比较器、时钟、复位置位触发器(RS触发器)和开关管驱动器组成。当电源加到输入端和接地点时，电流将从电压输入端通过LED阵列、电感、开关管和电流感应电阻流到接地点，构成电压外环，电压外环作用周期中，当电流流经电流感应电阻时，由于电感的存在，电流感应电阻两端电压Vcs将逐步上升，Vcs将加到比较器的一端。而比较器的另一端输入信号为参考电压，它是由输入端电压通过分压电阻第一电阻和第二电阻分压而成的，其波形与输入电压的正弦波波形相同。如果Vcs电压大于参考电压时，工作状态将改变，开关管将关闭，从而进入电流滞环作用周期，由于电感储能，故电流将从电感经由二极管到LED阵列流动，构成电流滞环，此时电流下降。当电流下降至某一预设值时，由时钟电路提供定时的周期脉冲通过RS触发器及开关管驱动电路将开关管导通，返回到电压外环作用周期，电流继续增大，电感重新储能。因此，流经LED阵列的电流被输入电压波形所调制，从而使流经LED阵列电流的包络随着输入电压的波形而变化，具有很高的功率因数值(PowerFactorJI^lPF)。
[0004]在如上所述的带PFC功能的LED驱动电路中，流经LED的平均电流随着输入电压VIN而变，即在全电压范围内(85￥至265￥交流电)，流经LED的平均电流不是恒定的，由于LED亮度与通过的平均电流有关，所以平均电流的变化使LED无法正常发光，例如，当供电电网中电压不稳或者更换工作的供电电网(如中国220V电网环境更换至日本的110V电网环境)，LED都无法正常发光。具体的，当平均电流降低时LED无法达到理想的发光强度;当平均电流升高时对LED造成损害，影响使用寿命。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种带功率因数校正的LED驱动电路及驱动器，解决了现有技术中不能在全电压范围内的恒流驱动的问题，能够实现在不同的输入电压下使流经LED的平均电流恒定，即当输入电源电压峰值变化时流经LED的平均电流恒定。
[0006]本发明第一方面提供一种带功率因数校正的LED驱动电路，包括:
[0007]第一子电路、第二子电路、以及第三子电路;其中，
[0008]所述第一子电路包括二极管、电感、开关管和电流感应电阻，所述开关管的漏极分别与所述二极管的正极和所述电感电连接，所述开关管的源极与所述电流感应电阻电连接；
[0009]所述电感与LED阵列电连接，输入电源分别与所述二极管的负极和所述LED阵列连接，所述第一子电路用于给所述LED阵列供电；
[0010]所述第二子电路包括比较器、逻辑控制单元和驱动器，所述比较器的输出端依次通过所述逻辑控制单元和所述驱动器与所述开关管的栅极电连接，所述第二子电路用于控制所述开关管开启或关断；
[0011]所述第三子电路包括除法器和峰值检测器，所述除法器分别与所述输入电源、所述峰值检测器、所述比较器电连接，所述峰值检测器与所述输入电源电连接，所述峰值检测器用于检测所述输入电源的峰值电压，所述除法器用于去除所述输入电源中的峰值电压并产生参考电压，所述比较器根据所述参考电压确定流经所述电流感应电阻的电流，所述电流不随所述输入电源峰值电压的变化而变化。
[0012]进一步的，所述输入电源的电压为Vpeak* I Sin(Wt) |，所述峰值电压为Vpeak，所述参考电压为I sin(wt) I ο
[0013]进一步的，所述第三子电路还包括参考电压调整器，所述除法器通过所述参考电压调整器与所述比较器电连接;所述参考电压调整器用于控制所述参考电压的幅值。
[0014]进一步的，所述参考电压调整器的输出电压为k* I sin(wt) I。
[0015]进一步的，所述比较器具体用于对所述参考电压调整器的输出电压和所述电流感应电阻两端的电压进行比较。
[0016]进一步的，所述比较器触发所述开关管关断的临界条件是k*I sin(wt) | = Resales；其中，Rcs表示所述电流感应电阻的阻值，Ics表示流经所述电流感应电阻的电流。
[0017]进一步的，所述逻辑控制单元包括RS触发器和时钟，所述RS触发器的第一输入端与所述比较器的输出端电连接，所述RS触发器的第二输入端与所述时钟电连接。
[0018]进一步的，所述第一子电路还包括滤波电容，所述滤波电容与所述LED阵列并联。
[0019]进一步的，所述输入电源通过分压电阻分别输入所述除法器和所述峰值检测器。
[0020]本发明第二方面提供一种带功率因数校正的LED驱动器，包括如上所述的带功率因数校正的LED驱动电路。
[0021]本发明提供的带功率因数校正的LED驱动电路及驱动器，通过第一子电路给LED阵列供电，通过第二子电路控制开关管开关，当电路中电流达到预设电流上限时开关管关断，当电流达到预设电流下限时开关管开启，实现电压外环和电流滞环的转换，从而使实现流经LED阵列电流的包络随着输入电源电压的波形而变化，具有很高的PF值。预设电流上限由参考电压来控制，而本发明通过第三子电路的峰值检测器检测输入电源的峰值电压，除法器去除输入电源中的峰值电压并产生参考电压，消除了输入电压峰值对参考电压的影响，且该参考电压与输入电源的波形相同；而比较器则根据该参考电压确定流经所述电流感应电阻Rcs的电流，即在电压外环作用周期中，控制流经LED阵列的预设电流上限为恒定，使得电流不随输入电源峰值电压的变化而变化，从而流经LED阵列的平均电流与输入电源的电压的峰值无关，即当输入电源的电压在全电压范围内变化时，实现了 LED在全电压范围内的恒流驱动，保证了LED阵列的正常工作，解决了现有技术中LED不能在全电压范围内的恒流驱动的问题。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为【背景技术】中的电路的结构示意图；
[0024]图2为本发明实施例一提供的带功率因数校正的LED驱动电路的结构示意图；
[0025]图3为本发明实施例二提供的带功率因数校正的LED驱动电路的结构示意图；
[0026]图4为本发明实施例三提供的带功率因数校正的LED驱动电路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]实施例一
[0029]图2为本发明实施例一提供的带功率因数校正的LED驱动电路的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的带功率因数校正的LE:D驱动电路，包括:
[0030]第一子电路、第二子电路、以及第三子电路;其中，
[0031]第一子电路包括二极管、电感、开关管和电流感应电阻，开关管的漏极分别与二极管的正极和电感电连接，开关管的源极与电流感应电阻电连接；
[0032]电感与LED阵列电连接，输入电源分别与二极管的负极和LED阵列连接，第一子电路用于给LED阵列供电；
[0033]第二子电路包括比较器、逻辑控制单元和驱动器，比较器的输出端依次通过逻辑控制单元和驱动器与开关管的栅极电连接，第二子电路用于控制开关管开启或关断；
[0034]第三子电路包括除法器和峰值检测器，除法器分别与输入电源、峰值检测器、比较器电连接，峰值检测器与输入电源电连接，峰值检测器用于检测输入电源的峰值电压，除法器用于去除输入电源中的峰值电压并产生参考电压，比较器根据参考电压确定流经电流感应电阻的电流，电流不随输入电源峰值电压的变化而变化。
[0035]在本实施例中，采用BUCK电路实现LED阵列的功率因数校正，也可应用于Boost，Buck-Boost和自激反馈电路(flyback) C3Buck电路具体而言，如图2所示，通过第一子电路给LED阵列供电，其中，开关管包括接通和断开两种状态，当开关管接通时，由于二极管不导通，输入电源通过LED阵列、电感和电流感应电阻接地，构成电压外环；当开关管断开时由LED阵列、电感和二极管形成闭环，构成电流滞环。通过第二子电路用于控制开关管开启或关断。本实施例中，输入电源为直流电，可以为交流电经全波整流得到的脉动直流电，也可以为其他波形的直流电。
[0036]在电压外环作用周期中，开关管开启，由于电压外环中存在一个电感，所以电流是逐步上升的，当电压外环中的电流上升至一预设电流上限时，第二子电路通过比较器、逻辑控制单元和驱动器，比较器的输出端依次通过逻辑控制单元和驱动器与开关管的栅极电连接，第二子电路控制开关管关断，从而进入电流滞环;在电流滞环作用周期中，开关管关断，当开关管断开时由LED阵列、电感和二极管形成闭环，由于电感在电压外环作用周期中储能，故电流将从电感经由二极管到LED阵列流动，从而持续驱动LED阵列;在电流滞环作用周期中，随着LED阵列对电能的消耗，即电感的储存的电能消耗，电流滞环中的电流减小，当小于一预设电流下限时，第二子电路通过逻辑控制单元和驱动器控制开关管开启，从而再次进入电压外环作用周期，电感重新储能。通过上述循环，从而实现流经LED阵列的电流被输入电压波形所调制，使流经LED阵列电流的包络随着输入电源电压的波形而变化，具有很高的PF值。本实施例中，预设电流上限由参考电压来控制，而预设电流下限由逻辑控制单元来控制。通常情况下，比较器的参考电压直接由输入电源直接输入或经分压后再输入，因此当输入电源发生变化时，参考电压也随之发生变化，因此由参考电压来控制的预设电流上限也随之改变，导致流经LED阵列的平均电流随输入电源变化而变化，也就是当输入电源的峰值发生变化时流经LED阵列的平均电流也发生变化，从而可能导致LED阵列无法正常发光。
[0037]而在本实施例中，通过第三子电路峰值检测器检测输入电源的峰值电压，除法器去除输入电源中的峰值电压产生参考电压，即除法器将输入电源电压除以该峰值电压，消除了输入电压峰值对参考电压的影响，该参考电压与输入电源的峰值无关且与输入电源的波形相同；而比较器则根据该参考电压确定流经电流感应电阻Rcs的电流，即在电压外环作用周期中，控制流经LED阵列的预设电流上限为恒定，使得电流不随输入电源峰值电压的变化而变化，从而流经LED阵列的平均电流与输入电源的电压的峰值无关，即当输入电源的电压在全电压范围内变化时，实现了 LED在全电压范围内的恒流驱动，保证了 LED的正常工作。
[0038]作为本实施例的进一步改进，(另外/可选的/进一步的)输入电源的电压为脉动直流电，即Vpeak* | sin(wt) |，峰值电压为Vpeak，参考电压为| sin(wt) |。其中，w为角频率，t为时间。输入电源的电压采用脉动直流电，可以通过桥式整流电路对交流电进行全波整流而得到，桥式整流电路是将交流电转变为直流电最常用的电路，可以使本实施例的带功率因数校正的LED驱动电路通过将交流电经桥式整流电路后直接供电，可以适应交流电网的供电。当除法器和峰值检测器的输入端直接连接该输入电源时，峰值检测器可以检测得出该输入电源的峰值电压为Vpeak，而除法器将该输入电源除以Vpeak后，得到参考电压为I sin(wt) I。经过第三子电路得到的参考电压与输入电源的峰值无关且波形与输入电源的电压波形相同。
[0039]本实施例提供的带功率因数校正的LED驱动电路，通过第一子电路给LED阵列供电，通过第二子电路控制开关管开关，当电路中电流达到预设电流上限时开关管关断，当电流达到预设电流下限时开关管开启，实现电压外环和电流滞环的转换，从而使实现流经LED阵列电流的包络随着输入电源电压的波形而变化，具有很高的PF值。预设电流上限由参考电压来控制，而本发明通过第三子电路的峰值检测器检测输入电源的峰值电压，除法器去除输入电源中的峰值电压并产生参考电压，消除了输入电压峰值对参考电压的影响，且该参考电压与输入电源的波形相同；而比较器则根据该参考电压确定流经电流感应电阻Rcs的电流，即在电压外环作用周期中，控制流经LED阵列的预设电流上限为恒定，使得电流不随输入电源峰值电压的变化而变化，从而流经LED阵列的平均电流与输入电源的电压的峰值无关，即当输入电源的电压在全电压范围内变化时，实现了 LED在全电压范围内的恒流驱动，保证了 LED阵列的正常工作，解决了现有技术中LED不能在全电压范围内的恒流驱动的问题。
[0040]实施例二
[0041]图3为本发明实施例二提供的带功率因数校正的LED驱动电路的结构示意图，在图2所示实施例的基础上，第三子电路还包括参考电压调整器，如图3所示，除法器通过参考电压调整器与比较器电连接;参考电压调整器用于控制参考电压的幅值。由于参考电压可以控制电路中预设电流上限，因此当调节参考电压时即可以调节电路中预设电流上限。本实施例中，通过在除法器的输出端和比较器的输入端之间增设一参考电压调整器，通过参考电压调整器控制参考电压的幅值，从而改变电路中预设电流上限。
[0042]进一步的，经过参考电压调整器对参考电压调幅后，参考电压调整器的输出电压为k* I Sin(Wt) |。只改变参考电压的峰值，并不改变其波形，此时的得到的调幅后的参考电压与输入电源的峰值电压仍无关系，从而不受输入电源的峰值电压变化的影响。
[0043]进一步的，本实施例中，比较器具体用于对参考电压调整器的输出电压和电流感应电阻两端的电压进行比较。由电流感应电阻对电压外环的电流进行采样，并向比较器输入一待比较的电压，即电流感应电阻两端的电压，在比较器中该待比较的电压与参考电压进行比较，当达到预设的临界条件后通过逻辑控制单元和驱动器控制开关管的关闭。
[0044]本实施例中，比较器触发开关管关断的临界条件是k*I sin(wt) | =Rcs*Ics;
[0045]其中，RCS表示电流感应电阻Rcs的阻值，Ics表示流经电流感应电阻Rcs的电流。
[0046]流经电流感应电阻的电流等于电压外环中电路的电流，也就是流经LED阵列的电流。上述关系式可以变换为:I Cs = k* I s in (wt) I /Rcs;也就是当流经电流感应电阻的电流I cs达到临界电流k* I Sin(Wt) I/Rcs时，实现开关管的关断，从而进入电流滞环作用周期。此时，临界电流即为预设电流上限。
[0047]当然本实施例中调节电路中预设电流上限的方案是通过电流感应电阻阻值Rcs不变而改变参考电压的幅值，当然也可以采用参考电压的不变而改变电流感应电阻阻值Rcs的方案，亦可实现本方案的控制预设电流上限目的，即Ics= Isin(Wt) |/(n*Rcs)，当然，也可以通过参考电压的幅值和电流感应电阻阻值Rcs同时进行调节。
[0048]在本实施例中，逻辑控制单元包括RS触发器和时钟，RS触发器的第一输入端与比较器的输出端电连接，RS触发器的第二输入端与时钟电连接。如图3所示，具体可以为，RS触发器的复位端R与比较器的输出端电连接，RS触发器的置位端S与时钟电连接，RS触发器的输出端Q与驱动器电连接，其中比较器的“+”输入端输入电流感应电阻两端的电压，而比较器的输入端输入参考电压。当电流感应电阻两端的电压达到参考电压时，即k* I Sin(Wt)
= RCS*ICS，满足比较器的触发条件，比较器输出一高电平信号“I”，S卩R=I，此时设置时钟为低电平信号“O”，S卩S = 0，则RS触发器的输出端Q输出高电平信号“I”，此时控制驱动器动作，关闭开关管；关闭开关管后，流经Rcs的电流为0，则Rcs两端的电压为0，此时比较器输出一低电平信号“O”，S卩R=0，当时钟为高电平信号T时，S卩S=l，则RS触发器的输出端Q输出低电平信号“O”，此时控制驱动器开启开关管。通过对时钟信号的控制，可以控制开关管的开启，从而控制电流滞环向电压外环的转换，也就是相当于对电流滞环中的预设电流下限进行了控制。
[0049]当然本实施例的逻辑控制单元并不仅限于RS触发器，其他可实现本方案的逻辑触发器也在本发明的保护范围内。
[0050]作为本实施例的进一步改进，第一子电路还包括滤波电容，滤波电容与LED阵列并联。滤波电容是安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，设置滤波电容会使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰。滤波电容不仅使电源直流输出平稳，降低了交变脉动波纹对电子电路的影响，同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰，使得电路的工作性能更加稳定。
[0051]本实施例中，通过在除法器的输出端和比较器的输入端之间增设一参考电压调整器，由参考电压调整器控制参考电压的幅值，从而改变电路中预设电流上限，以控制开关管的关断，可以实现对流经LED的电流上限进行调整;通过逻辑控制单元的RS触发器和时钟控制开关管的导通，也就是相当于对电流滞环中的预设电流下限进行了控制。因此，通过本方案，可以实现对流经LED阵列电流的上限和下限的控制，从而控制流经LED阵列的平均电流，以实现LED阵列的正常发光。此外，在LED阵列两端并联滤波电容，可以使电路的工作性能更加稳定。
[0052]实施例三
[0053]图4为本发明实施例三提供的带功率因数校正的LED驱动电路的结构示意图，如图4所示，在图3所示实施例的基础上，输入电源通过分压电阻分别输入除法器和峰值检测器。如图4所示，输入电源通过分压电阻第一电阻和第二电阻分压后，分别输入除法器和峰值检测器，即此时输入除法器和峰值检测器的电压为VpeahR1ARdR2)* I Sin(Wt) |，其中，第一电阻阻值为R1，第二电阻阻值为R2,峰值检测器检测的峰值电压为VpeahRV(R^R2),经过除法器运算后生成的参考电压仍为I Sin(Wt) I。
[0054]本实施例通过对输入电压进行分压后再输入除法器和峰值检测器，降低除法器和峰值检测器的输入电压，可以降低对除法器和峰值检测器的较高的要求，降低成本，同时也可以起到保护除法器和峰值检测器的作用，延长使用寿命。
[0055]实施例四
[0056]本发明实施例四提供一种带功率因数校正的LED驱动器，包括如上的带功率因数校正的LED驱动电路。
[0057]本实施例所提供的带功率因数校正的LED驱动器，解决了现有技术中不能在全电压范围内的恒流驱动的问题，能够实现在不同的输入电压下使流经LED的平均电流恒定，即当输入电源电压峰值变化时流经LED的平均电流恒定。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，LED驱动器的具体实现可参见电路实施例，在此不再赘述。
[0058]以上实施例中各元件的连接关系并不仅限于说明书和说明书附图中所描述的连接关系，在能够实现本发明各实施例技术方案的前提下可以变换部分元件的位置和连接关系O
[0059]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种带功率因数校正的LED驱动电路，其特征在于，包括:第一子电路、第二子电路、以及第三子电路;其中， 所述第一子电路包括二极管、电感、开关管和电流感应电阻，所述开关管的漏极分别与所述二极管的正极和所述电感电连接，所述开关管的源极与所述电流感应电阻电连接； 所述电感与LED阵列电连接，输入电源分别与所述二极管的负极和所述LED阵列连接，所述第一子电路用于给所述LED阵列供电； 所述第二子电路包括比较器、逻辑控制单元和驱动器，所述比较器的输出端依次通过所述逻辑控制单元和所述驱动器与所述开关管的栅极电连接，所述第二子电路用于控制所述开关管开启或关断； 所述第三子电路包括除法器和峰值检测器，所述除法器分别与所述输入电源、所述峰值检测器、所述比较器电连接，所述峰值检测器与所述输入电源电连接，所述峰值检测器用于检测所述输入电源的峰值电压，所述除法器用于去除所述输入电源中的峰值电压并产生参考电压，所述比较器根据所述参考电压确定流经所述电流感应电阻的电流，所述电流不随所述输入电源峰值电压的变化而变化。2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述输入电源的电压为Vpeak*I sin(wt) I，所述峰值电压为Vpeak，所述参考电压为I sin(wt) |。3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第三子电路还包括参考电压调整器，所述除法器通过所述参考电压调整器与所述比较器电连接； 所述参考电压调整器用于控制所述参考电压的幅值。4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述参考电压调整器的输出电压为k*sin(wt)I ο5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述比较器具体用于对所述参考电压调整器的输出电压和所述电流感应电阻两端的电压进行比较。6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述比较器触发所述开关管关断的临界条件是k* I sin(wt) I =Rcs*Ics； 其中，Rcs表示所述电流感应电阻的阻值，Ics表示流经所述电流感应电阻的电流。7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述逻辑控制单元包括复位置位RS触发器和时钟，所述RS触发器的第一输入端与所述比较器的输出端电连接，所述RS触发器的第二输入端与所述时钟电连接。8.根据权利要求1-7任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述第一子电路还包括滤波电容，所述滤波电容与所述LED阵列并联。9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，所述输入电源通过分压电阻分别输入所述除法器和所述峰值检测器。10.—种带功率因数校正的LED驱动器，其特征在于，包括:如权利要求1-9任一项所述的驱动电路。
【文档编号】H05B33/08GK106061037SQ201610574899
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】陈银铭
【申请人】湖州绿明微电子有限公司