Led驱动电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种LED驱动电路，其包括整流电路、供电电路、负载驱动电路和开关电路四部分。开关电路中过零检测单元对第一功率开关管源极电压进行检测，得到续流二极管的关断时刻及导通时间，从而实现LED恒流驱动。该LED驱动电路可简化驱动电源的设计，缩小LED驱动电源的PCB体积，降低LED驱动电源应用系统的成本；该驱动电路只需采集第一功率开关管的源极电压，即可得到续流二极管的零电流时刻，可简化芯片的设计难度和节省了芯片的面积，降低了芯片的成本；同时采用该驱动电路处在临界导通模式（BCM）时，可降低开关损耗，提高了电源转换效率，并能改善EMI。
【专利说明】LED驱动电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电路电子及集成电路领域，特别是涉及一种用于给LED供电的驱动电路。
【背景技术】
[0002]LED (发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件，LED只能往一个方向导通(通电)，当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。因LED具有节能环保的优点而被逐渐普及使用，同时用户对其性能提出了越来越高的要求，特别是成本控制要求越来越严格。
[0003]如图1所示，传统LED驱动电路主要采用反激式开关电路进行控制，交流市电经整流电路I变为直流电，并通过供电电路2给LED电源驱动电路进行供电。LED电源驱动电路包括一变压器，变压器包括原边绕组NP、副边绕组NS及辅助绕组NA三个绕组。当该开关电路通电后，副变绕组Ns经二极管D为LED供电，同时辅助绕组NA检测续流二极管D电流过零时刻点和检测输出电压的信息，控制晶体管Ml的通断，使LED实现恒流驱动。
[0004]该反激式开关电路通过辅助绕组NA来检测二极管D的电流过零时刻，其反馈电路上需要使用整流二极管、分压电阻等元器件，这样就会使整个电路系统的设计变得复杂，使LED驱动电路系统的PCB板体积增大，这样就会增加LED供电系统的成本，而且会对其使用场合造成限制。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单、体较小、成本低的LED驱动电路。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED驱动电路，其包括:整流电路，所述整流电路用于将输入的交流电变为直流电；供电电路，所述供电电路与所述整流电路耦合；负载驱动电路，所述负载驱动电路与所述供电电路耦合，所述供电电路用于向所述负载驱动电路供电，所述负载驱动电路包括LED负载、电感元件、一续流二极管及一电容，所述LED负载、电感元件、续流二极管构成回路，所述电容与所述LED负载并联；开关电路，所述开关电路与所述负载电路耦合，所述开关电路包括第一功率开关管、第二功率开关管、采样电阻和一过零检测电路，所述第一功率开关管的漏极与电感元件耦合，所述第一功率开关管的源极与所述第二功率开关管的漏极连接，所述第一功率开关管的栅极与所述供电电路连接，所述第二功率开关管的源极通过采样电阻接地，所述过零检测电路的输出端与所述第二功率开关管的栅极连接，当所述采样电阻大于规定阈值时，所述过零检测电路输出信号使所述第二功率开关管关断，当所述第二功率开关管的漏极电压低于规定阈值时，所述过零检测电路输出信号使所述第二功率开关管开通。
[0007]优选地，所述过零检测电路包括过零检测单元、开关逻辑控制单元，所述过零检测单元的输入端与所述第二功率开关管的漏极连接，所述过零检测单元的输出端与所述开关逻辑控制单元的第一输入端连接，所述开关逻辑控制单元的第二输入端与所述第二功率开关管的源极连接，所述开关逻辑控制单元的输出端与所述第二功率开关管的栅极连接。
[0008]优选地，所述过零检测单元包括一比较器和一滤波延时电路单元，所述比较器的负向输入端与所述第二功率开关管的源极连接，所述比较器的正向输入端通过所述滤波延时电路单元与所述第二功率开关管的源极连接，所述比较器的输出端与所述开关逻辑控制单元的第一输入端连接。
[0009]优选地，所述过零检测单元为一下降沿信号检测电路。
[0010]优选地，所述过零检测单元与所述开关逻辑控制单元之间还设有一开短路保护电路。
[0011]优选地，所述电感元件为一变压器的副边绕组，所述变压器的原边绕组与所述供电电路耦合。
[0012]优选地，所述变压器为一反激变压器。
[0013]优选地，所述反激变压器的原边绕组的两端连接有用于吸收尖峰电流的漏感复位电路。
[0014]优选地，第一功率开关管为高压功率开关管，所述第二功率开关管为中压功率开关管。
[0015]如上所述，本发明的LED驱动电路具有以下有益效果:该LED驱动电路可简化驱动电源的设计，缩小LED驱动电源的PCB体积，降低LED驱动电源应用系统的成本；该驱动电路只需采集第一功率开关管的源极电压，即可得到续流二极管的零电流时刻，可简化芯片的设计难度和节省了芯片的面积，降低了芯片的成本；同时采用该驱动电路处在临界导通模式(BCM)时，可降低开关损耗，提高了电源转换效率，并能改善EMI。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1现有LED驱动电路示意图。
[0017]图2为本发明第一实施例的电路示意图。
[0018]图3为本发明实施例过零检测单元一个实施例的电路示意图。
[0019]图4为图3实施例中各信号点的电压或者电流输出波形示意图。
[0020]图5为图2所示实施例各信号点的电压或者电流输出波形示意图。
[0021]图6为本发明第二实施例的电路示意图。
[0022]图7为本发明第三实施例的电路示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0024]请参阅图2至图7，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0025]如图2所示,为本发明LED驱动电路的一个实施例,该LED驱动电路包括整流电路
1、供电电路2、负载驱动电路和开关电路四部分。整流电路I与供电电路2耦合，供电电路2与负载驱动电路耦合，负载驱动电路与开关电路耦合。整流电路I用于将市电交流电变为直流电。供电电路2包括连接输入直流电压与电路地之间的电容CO，串联连接的电阻RO和电容Cl，与电容Cl并联连接的稳压管Dz，供电电路2用于对负载驱动电路和开关电路进行供电。
[0026]负载驱动电路包括LED负载8a、电感元件、一续流二极管DO及一电容C2，LED负载8a与电感元件、续流二极管DO构成回路，电容C2与LED负载8a并联。如图2所示，作为本发明的一个实施例，该负载驱动电路的电感元件为一变压器8b的副边绕组Ns，变压器Sb为反激变压器，变压器Sb的原边绕组Np与供电电路耦合。
[0027]开关电路包括第一功率开关管MO、第二功率开关管Ml、采样电阻Rcs和一过零检测电路，第一功率开关管MO为闻压功率开关管，第二功率开关管Ml为中压功率开关管，第一功率开关管MO可承受较高的工作电压。第一功率开关管MO的漏极电压器Sb的原边绕组Np连接，第一功率开关管MO的源极与第二功率开关管Ml的漏极连接，第一功率开关管MO的栅极与供电电路连接，第一功率开关管MO的栅极与稳压管Dz的阴极连接，稳压管Dz提供一恒定电压使第一功率开关管MO—直处于开通状态。第二功率开关管Ml的源极通过采样电阻Rcs接地，过零检测电路的输出端与第二功率开关管Ml的栅极连接，当采样电阻Rcs大于规定阈值时，过零检测电路输出信号将使第二功率开关管Ml关断，当第二功率开关管Ml的漏极电压低于规定阈值时，过零检测电路输出信号使第二功率开关管MO开通。
[0028]作为一种优选方式，过零检测电路包括过零检测单元5和开关逻辑控制单元6两部分，过零检测单元5的输入端与第二功率开关管Ml的漏极连接，过零检测单元5的输出端与开关逻辑控制单元6的第一输入端连接，开关逻辑控制单元6的第二输入端与第二功率开关管Ml的源极连接，开关逻辑控制单元6的输出端与第二功率开关管Ml的栅极连接。当第二功率开关管Ml的漏极电压跳变低于规定阈值时，过零检测单元5将输出高电平给开关逻辑控制单元6，开关逻辑控制单元6输出高电平使第二功率开关管Ml开通，而当采样电阻Rcs上的电压上升，当此电压达到开关控制逻辑单元6内部设定的阀值时，开关控制逻辑单元6输出低电平信号，将功率开关MOS晶体管MO关断。
[0029]作为一种优选方式，在过零检测单元5与开关逻辑控制单元6之间还设有一开短路保护电路3，该开短路保护电路3包含过压保护电路以及短路保护电路两部分。所述过压保护电路的输入端连接的过零检测单元5，输出端连接至开关控制逻辑单元6，过零检测单元5检测续流二极管DO的过零点时刻，由此得到电感元件消磁时间；当此消磁时间小于过压保护电路预设的时间时，过压保护功能被触发，并关闭第二功率开关管Ml。短路保护电路的输入端连接的过零检测单元5，输出端连接至开关控制逻辑单元6，当电感元件消磁时间大于所述短路保护电路预设的时间时，短路保护功能被触发，并关闭第二功率开关管Ml。
[0030]作为一种优选方式，如图3所示，过零检测单元包括一比较器和一滤波延时电路单元，比较器的负向输入端与第二功率开关管Ml的源极连接，比较器的正向输入端通过滤波延时电路单元与第二功率开关管Ml的源极连接，比较器的输出端与开关逻辑控制单元的第一输入端连接。该电路在工作时如图4所示，VD为过零检测单元的输入波形；VE为经滤波延时后的波形；在Ta时刻，VE电压值超过VD电压值达到AV时，比较器输出由低电平跳变至高电平(如Vzcd所示)。
[0031]为了防止因漏感导致的高频振荡而误触发过零检测，还可以对第一功率开关管MO源级电压的包络整形用于防止漏感。包络整形模块采用峰值包络检波，时间常数选取要大于漏感引入的高频振荡周期，防止误触发过零检测，同时也要尽量小，避免引入过多延时误差导致过零检测时刻过多延迟。将整形后的包络信号进一步延时滤波，作为与原整形包络电压比较的一个动态基准，时间常数选取应足够大于包络检波电路引入的时间常数，同时要小于开关电源功率管开关周期，以便下次开关时不会累积误差。整形包络电压与滤波延时信号作为比较器的两个输入端进行比较，比较结果信号由低电平跳变到高电平，跳变沿即可认为是续流二极管DO的零电流时刻。
[0032]该过零检测单元还可以通过下降沿信号检测电路实现；或者由下降沿信号经过反相产生上升沿信号，再由上升沿信号检测电路实现。
[0033]本发明的工作原理为，当过零检测单元5检测到第一功率开关管MO源极电压包络由高电平跳变至低电平时，该过零检测单元输出由低电平跳变为高电平，得到续流二极管DO的电流过零时刻；同时该过零检测单元5输出高电平连接开关控制逻辑单元6的输入端，作为第二功率开关管Ml的开通信号。第二功率开关管Ml导通后，变压器原边电流上升，采样电阻Rcs上的电压也上升，当达到开关控制逻辑单元6预设的阀值电压时，开关控制逻辑单元6输出低电平信号关断第二功率开关管Ml。本发明中由过零检测单元5对第一功率开关管MO源极电压进行检测，得到续流二极管DO的关断时刻及导通时间，从而实现LED恒流驱动。
[0034]下面结合图2、5对本发明第一实施例的工作过程进行描述:
[0035]第二功率开关管Ml的栅极电压波形如图5中⑶所述。在TO时刻，第二功率开关管Ml导通，变压器Sb原边电流(如图5中Ip所示)上升，采样电阻Rcs上的电压也上升压，当此电压达到开关控制逻辑单元6内部设定的阀值时(即图5中Tl时刻)，开关控制逻辑单元6输出低电平信号，将第二功率开关管Ml关断；同时，变压器Sb续流二极管DO开始导通，电流如图5中Is所示，因为变压器Sb为反激变压器。在第二功率开关管Ml关断时刻Tl，第二功率开关管Ml漏极电压迅速上升，如图5中DRAIN所示。此电压经电容耦合到第二功率开关管Ml的SOURCE端得到如图5中VD所示电压信号。在T2时刻，变压器8b的副边绕组去磁结束，续流二极管DO电流下降到零，变压器Sb的副边绕组电压开始迅速下降。由于变压器8b原边绕组和副边绕组的耦合作用，因此第二功率开关管Ml的漏极电压也开始迅速下降，经电容第二功率开关管Ml源极的电压VD也开始迅速下降。至T3时刻，VD电压将低于滤波延时信号电压，过零比较器输出由低电平信号跳变至高电平信号如图5中VZCD所示，此时为续流二极管DO的过零时刻，开关控制逻辑单元6输出高电平信号将功率开关MOS晶体管再次导通。原边电流在Tl时刻，达到最大值Ipk ；T0至Tl时刻为第二功率开关管Ml的导通时间，在Tl至Τ2时间内为副边绕组去磁时间。在Τ2至Τ3时间内为谐振时间，其值远远小于去磁时间。
[0036]在本实施方式中，在反激变压器Sb原边绕组两端连接漏感复位电路4，用来吸收功率开关MOS晶体管MO关断瞬间的尖峰电流，该漏感复位电路4可以由二极管、电阻、电容或者稳压管构成。需要指出的是，由于电容的隔离直流耦合交流的作用，第二功率开关管Ml源极电压为第一功率开关管MO漏极电压的交流分量部分，而此交流分量与绕组电压成线性比例关系。故第二功率开关管Ml在漏极的最小值电压附近处导通，有利于降低第二功率开关管Ml的开关损耗，提闻驱动电路电源转换效率，改善EMI。
[0037]与现有技术相比，本实施方式由单端零电流检测单元对第一功率开关管MO的源极电压跳变沿进行单端检测，根据比较结果得到续流二极管DO的电路过零时刻，从而确定绕组的去磁时间，检测到LED负载的平均电流，实现LED恒流驱动。无需辅助绕组、也无需额外低压功率开关MOS晶体管和高压电容的设计，可简化LED驱动电源设计，缩小了应用系统中PCB电路板的尺寸，降低了 LED驱动电源成本。
[0038]如图6、7所示，为本发明另外二种实施方式涉及一种降压升压型LED驱动电源电路。与第一实施方式的主要区别在于:第一种实施方式中，LED负载8a与开关电路及控制方法的连接方式是隔离的；而在本发明后两种实施方式中，LED负载8a与开关电路及控制方法的连接方式是非隔离的。
[0039]图6为本发明第二种实施方式的基于单端边沿检测的开关电路及控制方法示意图，整流电路I，供电电路2，开短路保护电路3，单端零电流检测单元5，开关控制逻辑单元6和功率开关MOS晶体管MO与第一种实施方式相同，其工作过程也相同，在此不再赘述。所不同的是:在第一种实施方式中，基于单端边沿检测的开关电路及控制方法通过磁性耦合元件变压器与LED负载8a相连，在电气特性上实现隔离；而在本发明第二种实施方式中，LED负载8a与开关电路及控制方法的磁性元件电感LI并联连接。
[0040]图7为本发明第三种实施方式的基于单端边沿检测的开关电路及控制方法示意图。本发明的第三种实施方式涉及一种降压型LED驱动电源电路。与本发明第二种实施方式一样，LED负载8a与开关电路及控制方法的连接方式也是非隔离的，其工作过程也相同。所不同的是:在本发明第二实施方式中，LED负载8a与开关电路及控制方法的磁性元件电感LI并联连接；而在本发明第三种实施方式中，LED负载8a与开关电路及控制方法的磁性元件电感LI串联连接。
[0041]本发明的LED驱动电路具有以下有益效果:该LED驱动电路可简化驱动电源的设计，缩小LED驱动电源的PCB体积，降低LED驱动电源应用系统的成本；该驱动电路只需采集第一功率开关管的源极电压，即可得到续流二极管的零电流时刻，可简化芯片的设计难度和节省了芯片的面积，降低了芯片的成本；同时采用该驱动电路处在临界导通模式(BCM)时，可降低开关损耗，提高了电源转换效率，并能改善EMI。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0042]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种LED驱动电路，其特征在于，其包括: 整流电路(I)，所述整流电路(I)用于将输入的交流电变为直流电； 供电电路(2 )，所述供电电路(2 )与所述整流电路(I)耦合； 负载驱动电路，所述负载驱动电路与所述供电电路(2 )耦合，所述供电电路用于向所述负载驱动电路供电，所述负载驱动电路包括LED负载(8a)、电感元件、一续流二极管(DO)及一电容(C2)，所述LED负载(8a)、电感元件、续流二极管(DO)构成回路，所述电容(C2)与所述LED负载(8a)并联； 开关电路，所述开关电路与所述负载电路(2)耦合，所述开关电路包括第一功率开关管(MO)、第二功率开关管(Ml)、采样电阻(RES)和一过零检测电路，所述第一功率开关管(MO)的漏极与电感元件耦合，所述第一功率开关管(MO)的源极与所述第二功率开关管(Ml)的漏极连接，所述第一功率开关管(MO)的栅极与所述供电电路(2)连接，所述第二功率开关管(Ml)的源极通过采样电阻(RES)接地，所述过零检测电路的输出端与所述第二功率开关管(Ml)的栅极连接，当所述采样电阻(RES)大于规定阈值时，所述过零检测电路输出信号使所述第二功率开关管(Ml)关断，当所述第二功率开关管(Ml)的漏极电压低于规定阈值时，所述过零检测电路输出信号使所述第二功率开关管(Ml)开通。
2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于:所述过零检测电路包括过零检测单元、开关逻辑控制单元，所述过零检测单元的输入端与所述第二功率开关管(Ml)的漏极连接，所述过零检测单元的输出端与所述开关逻辑控制单元的第一输入端连接，所述开关逻辑控制单元的第二输入端与所述第二功率开关管(Ml)的源极连接，所述开关逻辑控制单元的输出端与所述第二功率开关管(Ml)的栅极连接。
3.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于:所述过零检测单元包括一比较器和一滤波延时电路单元，所述比较器的负向输入端与所述第二功率开关管(Ml)的源极连接，所述比较器的正向输入端通过所述滤波延时电路单元与所述第二功率开关管(Ml)的源极连接，所述比较器的输出端与所述开关逻辑控制单元的第一输入端连接。
4.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于:所述过零检测单元为一下降沿信号检测电路。
5.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于:所述过零检测单元与所述开关逻辑控制单元之间还设有一开短路保护电路(3)。
6.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于:所述电感元件为一变压器的副边绕组，所述变压器的原边绕组与所述供电电路耦合。
7.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于:所述变压器为一反激变压器。
8.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于:所述反激变压器的原边绕组的两端连接有用于吸收尖峰电流的漏感复位电路。
9.根据权利要求7所述的LED驱动电路，其特征在于:第一功率开关管(MO)为高压功率开关管，所述第二功率开关管(Ml)为中压功率开关管。
【文档编号】H05B37/02GK103619095SQ201310552365
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】张永良, 佟国增, 万海军, 周海军, 韩兴成 申请人:苏州聚元微电子有限公司