专利名称：一种高效率的led驱动电路及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及电子技术领域，更具体的说，涉及一种应用于LED装置的驱动电路及其驱动方法。
背景技术：
随着照明行业的不断创新和迅速发展，加之节能和环保日益重要，LED照明作为一种革命性的节能照明技术，正在飞速发展。然而，由于LED灯的亮度与光输出强度参数相关，其与它的电流及正向压降成正比，并随温度变化而变化。因此，LED的驱动需要恒流电源，以保证LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。可见，选择正确的LED驱动至关重要。没有好的LED驱动电源的匹配，LED照明的优势无法得以体现。现有技术中，通常采用两种类型的功率调节器来作为LED驱动器，一种是线性调节器，另一种是开关型调节器。参考图1A，所示为现有技术中的一种采用线性调节器的LED驱动器的原理框图，其包括功率开关Ml，误差放大器EAl和检测电阻Rsensel。检测电阻Rsensel采样功率开关Ml的输出电流，并与一基准值Vkefi通过所述误差放大器EAl进行误差放大运算，以得到一误差信号VCTral。功率开关Ml接收直流母线电压Vbus和所述误差信号VCTral，以产生基本恒定的输出电压和输出电流来驱动LED装置。可见，采用线性调节器的LED驱动器，电路结构相对简单，元器件较少，成本也较小；但是，这种LED驱动器的效率很低。例如，输入交流电压的范围为90-265V，经过整流桥获得的直流母线电压的范围约为120V —375V。因此，所述LED装置的驱动电压不能大于最小母线电压(即120V)，显然，对375V的直流母线电压(交流而言，所产生的功率损耗是非常大的，效率将会低于35%。参考图1B，所示为现有技术中的一种采用开关型调节器的LED驱动器的原理框图；其中，功率开关M2，输出电感Li，输出二极管Dl组成一降压型拓扑结构；检测电阻Rsense2采样流过所述LED装置的电流，并与一基准值Vkef2进行误差运算，以得到一误差信号Vctm2 ；控制和驱动电路接收所述误差信号Votot2,以产生相应的驱动信号来驱动功率开关M2，使其周期性的导通或者关断，从而输出一基本恒定的输出电压和输出电流来驱动LED装置。如果不考虑功率开关和磁性元件(电感)上的导通损耗，开关型调节器理论上可以达到接近100%的工作效率。但是，开关型调节器的工作频率很高，因此EMI滤波电路是必不可少的。因此，相比于线性调节器，开关型调节器的元器件数目较多，尺寸较大，成本也相对较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用新型的LED驱动器，其只采用一个功率开关；根据输入电压与驱动电压之间的数值关系，选择性的输出相应的输出电流；当输入电压较高时，则在满足调节要求的情况下尽可能的使输出电流最小化；当输入电压较小时，在导通压降较小的情况下，输出电流可以相对大一些。依据一种高效率的LED驱动方法，用以驱动一 LED装置，包括接收一直流母线电压，所述直流母线电压由交流输入电源经过整流获得；
一功率开关接收所述直流母线电压，并产生一驱动电压，来驱动所述LED装置；采样所述LED装置的驱动电压；比较所述直流母线电压和所述驱动电压与第一基准电压之和；当所述直流母线电压大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，控制所述功率开关，以产生第一输出电流；当所述直流母线电压大于所述驱动电压而小于所述驱动电压与第一基准电压之和时，控制所述功率开关，以产生第二输出电流；所述第一输出电流和所述第二输出电流的平均电流与所述LED装置所需的驱动电流相匹配。进一步的，所述第一输出电流的产生步骤还包括采样所述功率开关的输出电流，并获得一平均电流；比较平均电流和一基准电流值以获得一误差控制信号，当所述直流母线电压大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，根据所述误差控制信号控制所述功率开关，以调节所述第一输出电流。优选的，所述第一输出电流小于所述LED装置所需的驱动电流的1%。优选的，所述第二输出电流为一恒定值。优选的，所述第一基准电压为0. 1V-10V。依据本发明的一种高效率的LED驱动电路，包括一功率开关，以接收一直流母线电压，并产生驱动电压和驱动电流来驱动一 LED装置，包括，第一比较电路，用以比较接收到的直流母线电压、所述驱动电压和第一基准电压源之和，以产生第一控制信号；控制和驱动电路，与所述第一比较电路连接，以接收所述第一控制信号；并且接收表征当前所述驱动电流的第二控制信号；当所述直流母线电压大于所述驱动电压并且小于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述第一控制信号控制所述控制和驱动电路工作于第二工作模式，从而驱动所述功率开关以产生第二输出电流；当所述直流母线电压大于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述第一控制信号控制所述控制和驱动电路工作于第一工作模式，从而根据所述第二控制信号驱动所述功率开关以产生第一输出电流，并且保证所述第一输出电流和所述第二输出电流的平均电流与所述LED装置所需的驱动电流相匹配。进一步的，所述控制和驱动电路包括检测电路、反馈控制电路和驱动电路；其中，所述检测电路连接在所述功率开关和所述LED装置之间，用以检测所述功率开关的输出电流；所述反馈控制电路，分别与所述检测电路和所述第一比较电路连接，以根据接收到的表征当前所述驱动电流的第二控制信号和所述第一控制信号，以产生相应的反馈电压
信号；当所述直流母线电压大于所述驱动电压并且小于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述反馈电压信号为第二输出电压；当所述直流母线电压大于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述反馈电压信号为第一输出电压；所述驱动电路，包括第一误差放大器，以接收所述反馈控制电路的反馈电压信号，以相应的驱动所述功率开关以分别产生所述第一输出电流和所述第二输出电流。进一步的，所述反馈控制电路包括第二误差放大器和选择开关；其中，所述第二误差放大器的两个输入端分别接收所述功率开关的输出电流的平均值和第二基准电压源，以对产生第三控制信号，所述第二基准电压源表征所述LED装置的期望驱动电流；所述选择开关的第一端连接至所述第二误差放大器的输出端，以接收所述第二误差放大器输出的第三控制信号，其状态由所述第一控制信号控制；当处于第二工作模式时，所述第一控制信号控制所述选择开关闭合时，所述反馈电压信号为所述第二误差放大器输出的第三控制信号，以作为所述第二输出电压；当处于第一工作模式时，所述第一控制信号控制所述选择开关断开时，所述反馈电压信号为第三基准电压源，以作为所述第一输出电压。优选的，所述第一输出电流小于所述LED装置所需的驱动电流的1%。优选的，所述第二输出电流恒定。依照本发明所公开的高效率的LED驱动器和驱动方法，根据输入电压与驱动电压之间的数值关系，选择性的输出相应的输出电流，以实现最大的工作效率；同时，主电路结构相对简单，不再需要复杂的电磁干扰滤除电路，尺寸和成本相对也得到了较好的优化。
图IA所示为采用现有技术的一种线性调节器的LED驱动器的原理框图；图IB所示为采用现有技术的一种开关型调节器的LED驱动器的原理框图；图2A所示为依据本发明一实施例的高效率的LED驱动电路的原理框图；图2B所示为图2A所示的依据本发明的LED驱动电路的工作波形图；图3A所示为依据本发明另一实施例的高效率的LED驱动电路的原理框图；图;3B所示为图3A所示的LED驱动电路中的反馈控制电路的一实施例的原理框图；图4所示为依据本发明的一优选实施例的高效率的LED驱动方法的流程框图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。以下结合具体实施例详细说明依据本发明的LED驱动电路的实现方式。参考图2A，所示为依据本发明的第一实施例的高效率的LED驱动电路的原理框图。在该实施例中，所述LED驱动电路包括功率开关SM，输出电容C。ut，第一比较电路201以及控制和驱动电路202 ；其中，所述功率开关、第一功率端耦合至直流母线电压Vbus (输入电压)的第一端，第二功率端耦合至LED装置的第一端，所述直流母线电压Vbus由输入交流电压经过整流桥获得；所述输出电容C。ut与所述LED装置并联连接，并且其第一端耦合至功率开关、的第二功率端，第二端耦合至所述直流母线电压Vbus的第二端；所述第一比较电路201的第一输入端接收所述直流母线电压Vbus，第二输入端接收所述LED装置的驱动电压Vmi和一第一基准电压VMfl的和值；所述控制和驱动电路202分别接收所述第一比较电路201输出的第一控制信号Vcl和表征当前所述LED装置的驱动电流Imi的第二控制信号Vsmse，以产生相应的驱动信号Vdrive来驱动所述功率开关、。以下结合图2B所示的图2A所示的LED驱动电路的工作波形图详细说明依据本发明的图2A所示的LED驱动电路的工作过程。当所述直流母线电压Vbus大于所述驱动电压V·而小于所述驱动电压Vmi和第一基准电压VMfl之和时，所述第一比较电路201输出的第一控制信号Vcl处于高电平，并传递至控制和驱动电路202 ；此时，控制和驱动电路202产生的驱动信号Vtoive控制所述功率开关、输出一恒定的第二输出电流I2 ；在半个工作周期T/2内，第二输出电流I2的持续时间2Xti ；当所述直流母线电压Vbus大于所述驱动电压Vmi和第一基准电压VMfl之和时，所述第一比较电路201输出的第一控制信号Vel处于低电平，并传递至控制和驱动电路202 ；然后，控制和驱动电路202根据接收到的表征当前驱动电流Imi的第二控制信号Vsmse以产生相应的驱动信号Vtoire来驱动功率开关、，从而使功率开关、输出的第一输出电流I1能够根据所述第二控制信号Vsense进行适应性变化；并且，保证所述第一输出电流I1和第二输出电流I2的平均值与所述LED装置所需的驱动电流Imi —致；在半个工作周期T/2内，第一输出电流I1的持续时间为t2 ；当所述直流母线电压Vbus小于所述驱动电压Vmi时，所述LED驱动电路不工作，即此时功率开关、的输出电流为零。采用图2A所示的依据本发明的LED驱动电路，在直流母线电压即输入电压较小时，保证功率开关具有最小的电压降，并且保证功率开关的输出电流维持一恒定值；而在直流母线电压较大时，使所述功率开关的输出电流能够满足适应当前驱动电流的优化的最小值，因此与现有技术中采用线性调节器的LED驱动器相比，其工作效率大大提升。为了更好的实现较高的工作效率，所述第一输出电流小于所述LED装置所需的驱动电流的1%，如可以选择为小于ImA ；所述第一基准电压的数值可以为0. 1V-10V。例如，假设LED装置的驱动电压V· = 120V,直流母线电压的峰值Vpk = 240V, LED装置的驱动电流为I^1 = IOOmA ；则对采用线性调节器的LED驱动器而言(如图1A)，其工作效率为/7^^ = 50% (1)
bus而对采用本发明的LED驱动方法的LED驱动电路而言，假设第一基准电压的数值为2. 4V，则驱动电流I·可以表示为I2x(2xtl) I xt2 τ
+ = (2)由于，第一输出电流I1远远小于第二输出电流12，所以驱动电流I·可以近似表示为
4 χ Z9 χ Z1 r_J-^. ^ Iled ( 3 )输入功率Pin可以表示为
_7] Pm = 4x1 广 X{Vled + Kefl/2) = Iled χ(Vled + Vrefl/2) (4)所以采用本发明的LED驱动方法的LED驱动电路，其工作效率为η 2 = Vled X ILED/Pin = Vled/ (VLED+Vrefl/2) ^ 99% (5)由于第一基准电压VMfl的数值相对于驱动电压V_，所以工作效率近似可以达到100%，获得了远远高于现有技术的LED驱动方法的效率。参考图3A，所示为依据本发明的第二实施例的LED驱动电路的原理框图。在图2A所示的LED驱动电路的结构的基础上，在该实施例中，所述LED驱动电路包括功率开关、，输出电容C。ut，第一比较电路301以及控制和驱动电路302 ；其中，控制和驱动电路302包括反馈控制电路303，第一误差放大器304和检测电路305。所述检测电路305的A端耦合至功率开关、的第二功率端，B端耦合至输出电容
Cout的第一端；所述反馈控制电路303分别接收第一比较电路301输出的第一控制信号Vel和表征当前驱动电流U信息的第二控制信号Vsmse,以产生一变化的反馈电压信号Vfb ；所述第一误差放大器304的第一输入端接收表征当前驱动电流I·信息的第二控制信号Vsmse,第二输入端接收所述反馈控制电路303输出的反馈电压信号Vfb。其工作过程如下当所述直流母线电压Vbus大于所述驱动电压V·而小于所述驱动电压Vmi和第一基准电压之和时，第一控制信号Vca为高电平信号；此时，反馈控制电路303输出的反馈电压信号Vfb为一固定值；第一误差放大器304根据接收到的第二控制信号Vsense和反馈电压信号Vfb产生相应的驱动信号来驱动所述功率开关SM，使得功率开关、的输出电流为一恒定值，即第二输出电流I2 ；此时，功率开关、的导通压降较小，因此，所产生的功率损耗相对也较小。当所述直流母线电压Vbus大于所述驱动电压Vmi和第一基准电压VMfl之和时，第一控制信号Vcl为低电平信号；此时，反馈控制电路303根据接收到的第二控制信号Vs_以调节所述反馈电压信号Vfb ；第一误差放大器304根据接收到的第二控制信号Vsense和反馈电压信号Vfb产生相应的驱动信号来驱动所述功率开关SM，进而调节功率开关、的输出电流，即第一输出电流I1 ；并且，保证第一输出电流I1和第二输出电流I2的平均值与所述LED装置所需的驱动电流I·相匹配；此时，虽然输入电压较高，但是第一输出电流数值很小，所以功率损耗较小。其中，为了更好的实现较高的工作效率，所述第一输出电流小于所述LED装置所
8需的驱动电流的1%，如可以选择为小于1mA，远远小于第二输出电流；所述第一基准电压的数值可以为0. 1V-10V。采用图3A所示的依据本发明的LED驱动电路，检测电路305可以为电阻或者其他可以具有类似功能的元器件或者电路模块；功率开关、可以为MOSFET晶体管或者其他合适的开关管；反馈控制电路303可以为任何合适形式的控制电路结构。本领域技术人员可以轻易获知，反馈控制电路303也可以包括波形整形电路，以来降低输入信号的谐波分量。参考图3B，所示为图3A所示的LED驱动电路中反馈控制电路303的一具体实施例的原理框图。在该实施例中，采用检测电阻Rsmse来实现检测电路305，所述反馈控制电路303包括第二误差放大器306，选择开关Q1，第二基准电压源V,ef2和第三基准电压源VMf3 ；其中，第二误差放大器306的第一输入端连接至检测电阻的A端，第二输入端接收检测电阻的B端电压和第二基准电压源VMf2的电压之和；第三输入端连接至检测电阻Rsmse的B端；所述第二基准电压源Vref2表征LED装置的期望驱动电流I·；通过这种实现方式，第二误差放大器306将数值为的电压与第二基准电压源Vref2之间的误差进行放大，以产生表征当前驱动电流与期望驱动电流之间的差异的第三控制信号V。2 ；所述选择开关Ql的第一端与第二误差放大器306的输出端连接，并且，第一控制信号Vca的非信号控制选择开关的状态；第三基准电压源V,ef3可以直接或者通过一电阻并联连接在选择开关Ql的C端和检测电阻Rse■的B端之间；其工作过程如下当所述直流母线电压Vbus大于所述驱动电压V·而小于所述驱动电压Vmi和第一基准电压VMfl之和时，所述第一控制信号Vca为高电平信号；此时，选择开关Ql处于断开状态，C端和B端之间的电压即反馈电压信号Vfb为第三基准电压源Vref3 ；然后，第一误差放大器304根据接收到的第二控制信号Vsense和反馈电压信号Vfb产生相应的驱动信号来驱动所述功率开关、，使得功率开关、的输出电流为一恒定值，即第二输出电流12，其数值可以表示为
权利要求
1.一种高效率的LED驱动方法，用以驱动一 LED装置，其特征在于，包括接收一直流母线电压，所述直流母线电压由交流输入电源经过整流获得；一功率开关接收所述直流母线电压，并产生一驱动电压，来驱动所述LED装置；采样所述LED装置的驱动电压；比较所述直流母线电压和所述驱动电压与第一基准电压之和；当所述直流母线电压大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，控制所述功率开关，以产生第一输出电流；当所述直流母线电压大于所述驱动电压而小于所述驱动电压与第一基准电压之和时，控制所述功率开关，以产生第二输出电流；所述第一输出电流和所述第二输出电流的平均电流与所述LED装置所需的驱动电流相匹配。
2.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，还包括采样所述功率开关的输出电流，并获得一平均电流；比较平均电流和一基准电流值以获得一误差控制信号，当所述直流母线电压大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，根据所述误差控制信号控制所述功率开关，以调节所述第一输出电流。
3.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，所述第一输出电流小于所述LED装置所需的驱动电流的1%。
4.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，所述第二输出电流为一恒定值。
5.根据权利要求1所述的LED驱动方法，其特征在于，所述第一基准电压为0.IV-IOV0
6.一种高效率的LED驱动电路，包括一功率开关，以接收一直流母线电压，并产生驱动电压和驱动电流来驱动一 LED装置，其特征在于，包括，第一比较电路，用以比较接收到的直流母线电压、所述驱动电压和第一基准电压源之和，以产生第一控制信号；控制和驱动电路，与所述第一比较电路连接，以接收所述第一控制信号；并且接收表征当前所述驱动电流的第二控制信号；当所述直流母线电压大于所述驱动电压并且小于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述第一控制信号控制所述控制和驱动电路工作于第二工作模式，从而驱动所述功率开关以产生第二输出电流；当所述直流母线电压大于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述第一控制信号控制所述控制和驱动电路工作于第一工作模式，从而根据所述第二控制信号驱动所述功率开关以产生第一输出电流，并且保证所述第一输出电流和所述第二输出电流的平均电流与所述LED装置所需的驱动电流相匹配。
7.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述控制和驱动电路包括检测电路、反馈控制电路和驱动电路；其中，所述检测电路连接在所述功率开关和所述LED装置之间，用以检测所述功率开关的输出电流；所述反馈控制电路，分别与所述检测电路和所述第一比较电路连接，以根据接收到的表征当前所述驱动电流的第二控制信号和所述第一控制信号，以产生相应的反馈电压信号；当所述直流母线电压大于所述驱动电压并且小于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述反馈电压信号为第二输出电压；当所述直流母线电压大于所述驱动电压和第一基准电压源之和时，所述反馈电压信号为第一输出电压；所述驱动电路，包括第一误差放大器，以接收所述反馈控制电路的反馈电压信号和所述第二控制信号，来驱动所述功率开关以相应的产生所述第一输出电流和所述第二输出电流。
8.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括第二误差放大器和选择开关；其中，所述第二误差放大器的两个输入端分别接收所述功率开关的输出电流的平均值和第二基准电压源，以产生第三控制信号，所述第二基准电压源表征所述LED装置的期望驱动电流；所述选择开关的第一端连接至所述第二误差放大器的输出端，以接收所述第二误差放大器输出的第三控制信号，其状态由所述第一控制信号控制；当处于第二工作模式时，所述第一控制信号控制所述选择开关闭合时，所述反馈电压信号为所述第二误差放大器输出的第三控制信号，以作为所述第二输出电压；当处于第一工作模式时，所述第一控制信号控制所述选择开关断开时，所述反馈电压信号为第三基准电压源，以作为所述第一输出电压。
9.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一输出电流小于所述LED装置所需的驱动电流的1%。
10.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第二输出电流恒定。
全文摘要
依据本发明的一种高效率的LED驱动方法，用以驱动一LED装置，包括接收直流母线电压，所述直流母线电压由交流输入电源经过整流获得；一功率开关接收所述直流母线电压，并产生一驱动电压，来驱动所述LED装置；采样所述LED装置的驱动电压；比较所述直流母线电压和所述驱动电压与第一基准电压之和；当所述直流母线电压大于所述驱动电压与第一基准电压之和时，控制所述功率开关，以产生第一输出电流；当所述直流母线电压大于所述驱动电压而小于所述驱动电压与第一基准电压之和时，控制所述功率开关，以产生第二输出电流；所述第一输出电流和所述第二输出电流的平均电流与所述LED装置所需的驱动电流相匹配。
文档编号H05B37/02GK102573235SQ20121000680
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者陈伟 申请人:杭州矽力杰半导体技术有限公司