用于LED照明的分段恒流控制系统和方法与流程

本发明涉及发光二极管(led)照明领域，更具体地涉及用于led照明的分段恒流控制系统和方法。

背景技术：

线性恒流led照明系统因结构简单可靠、系统成本低的特点在led照明领域有广泛应用。图1示出了典型的线性恒流控制的led照明系统，该系统主要包括桥式整流器bd101、放大器u101、电流调整管m101、输出电容c101、led电流感测电阻r101等。该系统的工作过程如下：系统上电以后，市电vac经过桥式整流器bd101整流后产生输入电压vin；放大器u101在上电后控制电流调整管m101的栅极电压使m101处于导通状态；当输入电压vin高于led的最小正向导通电压时，电流通过led经电流调整管m101流入感测电阻r101，感测电阻r101上的感测电压vsense的大小对应于led的电流大小；放大器u101通过侦测感测电阻r101上的感测电压vsense并将该感测电压vsense与参考电压vref进行误差放大，来调节电流调整管m101的栅极电压，从而实现led的恒流控制。

在该系统中，电流调整管m101在进行恒流控制的过程中会产生较大的功率损耗，该功率损耗是影响系统效率的主要因素。电流调整管m101上的功率损耗可以用下面的公式(1)来表示：

pm101＝(vdrain-vsense)*iled(1)

其中，vdrain是电流调整管m101的漏极电压，iled是流经电流调整管m101的led电流，由于vsense电压具有基本固定的大小，所以损耗pm101主要受漏极电压vdrain的影响。

电流调整管m101的漏极电压vdrain等于输入电压vin和led正向导通电压vled之差，如下面的公式(2)所示：

vdrain＝vin-vled(2)

输入电压vin是输入交流电压经桥式整流器bd101整流后的m形波信号，因而会在vin对应的m形波的波峰附近产生较大的漏极电压vdrain。由此带来的问题是在进行恒流控制的过程中电流调整管m101上会产生较大的功率损耗，降低系统效率。

技术实现要素：

鉴于以上所述的问题，本发明提供了一种用于led照明的分段恒流控制系统和方法。

根据本发明的一方面，提供了一种用于led照明的分段恒流控制系统，包括：电流调整管、led电流感测电阻、所述电流调整管的栅极电压控制单元、以及输入电压检测单元。其中，电流调整管的栅极、漏极和源极分别与栅极电压控制单元的输出端、led以及led电流感测电阻相耦接；输入电压检测单元被配置为检测led的输入电压，并基于所检测到的输入电压的大小产生并输出控制信号，用于控制选通多个预定参考电压中的一个预定参考电压，使得当输入电压检测单元所检测到的输入电压越高时，选通越低的预定参考电压；并且栅极电压控制单元被配置为对led电流感测电阻上的感测电压与所选通的预定参考电压进行误差放大，以输出控制电流调整管的栅极电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于led照明的分段恒流控制方法，其中led的一端与经整流的输入电压耦接，且另一端与电流调整管的漏极耦接，并且该电流调整管的源极与led电流感测电阻耦接。该方法包括：由输入电压检测单元检测led的输入电压，并基于所检测到的输入电压的大小产生并输出控制信号，用于控制选通多个预定参考电压中的一个预定参考电压，使得当输入电压检测单元所检测到的输入电压越高时，选通越低的预定参考电压；并且由电流调整管的栅极电压控制单元对led电流感测电阻上的感测电压与所选通的预定参考电压进行误差放大，以输出控制电流调整管的栅极电压。

根据本发明的各个方面，通过对led上的电流和led照明系统的输入电压的检测，可以对led照明系统实现输入电压低时输出电流大，输入电压高时输出电流小的分段恒流控制，降低整个led照明系统的损耗，提高系统效率。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1是典型的线性恒流控制的led照明系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的分段恒流控制的led照明系统的示意图；

图3示出了用于如图2所示的分段恒流控制的led照明系统中的输入电压检测单元的示意性电路图；

图4示出了如图2所示的led照明系统在分段恒流控制模式下的输入检测电压vs和led电流感测电阻上的感测电压vsense的示意性控制时序图；

图5是根据本发明的另一实施例的分段恒流控制的led照明系统的示意图；

图6是根据本发明实施例的包括补偿电容的分段恒流控制的led照明系统的示意图；

图7示出了如图6所示的包括补偿电容的分段恒流控制的led照明系统的一种具体实现方式；

图8示出了如图6所示的包括补偿电容的分段恒流控制的led照明系统的另一种具体实现方式；

图9示出了如图6所示的包括补偿电容的分段恒流控制的led照明系统的又一种具体实现方式；

图10示出了根据本发明实施例的用于led照明的分段恒流控制方法的示意性流程图；以及

图11示出了根据本发明的另一实施例的用于led照明的分段恒流控制方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图2是根据本发明实施例的分段恒流控制的led照明系统的示意图。相对于传统的线性恒流led照明系统(如图1所示)，图2的led照明系统除了包括桥式整流器bd201、放大器u201、电流调整管m201、输出电容c201、led电流检测电阻r201之外，还增加了电压比较器u202、线电压检测电阻r202和r203、输入电压检测单元u203、以及参考电压选通开关u204。

在该led照明系统中，可以将电流调整管m201、led电流检测电阻r201、放大器u201、参考电压选通开关u204、提供不同的预定参考电压的多个参考电压端vref_1到vref_n、电压比较器u202、线电压检测电阻r202和r203、以及输入电压检测单元u203构成的系统称为用于led照明的分段恒流控制系统。在该分段恒流控制系统中，电流调整管m201、led电流检测电阻r201的功能与图1中所示的典型的线性恒流控制led照明系统中的类似，因此这里不再进行详细描述。以下将详细讨论与输入电压检测和参考电压选通相关的内容。

如前所述，led的输入电压是经整流后的m形波信号，其实时电压值会在0和峰值电压之间变化。当该输入电压变得越大时，系统中的损耗就会越大。鉴于此问题，图2中的分段恒流控制系统包括输入电压检测单元u203和用于控制电流调整管m201的栅极电压控制单元210，其中栅极电压控制单元210由放大器u201、参考电压选通开关u204、提供不同的预定参考电压的多个参考电压端vref_1到vref_n构成。

利用上述分段恒流控制系统，图2中的led照明系统的具体工作过程如下：系统上电以后，市电vac经过全波整流器bd201整流后产生输入电压vin；放大器u201在上电后控制电流调整管m201的栅极电压使m201处于导通状态；当vin电压高于led的最小正向导通电压后，电流通过led经电流调整管m201流入感测电阻r201，r201上的感测电压对应于led的电流大小；放大器u201通过侦测r201上的感测电压并将该感测电压与由参考电压选通开关u204选通的预定参考电压vref进行误差放大，来调节m201的栅极电压以实现对led的恒流控制。

参考电压选通开关u204的一端与不同的预定参考电压vref_1至vref_n之一耦接，另一端耦接到放大器u201的输入端。参考电压选通开关u204的控制信号sw由输入电压检测单元u203产生。

输入电压检测单元u203被配置为检测led的输入电压的实时电压值，基于所检测到的实时电压值的大小生成并输出控制信号sw。该控制信号sw可以控制参考电压选通开关u204来选通与放大器u201耦接的参考电压端，使得当所检测到的输入电压越高时，提供越低的预定参考电压的参考电压端被选通以与放大器u201耦接，从而实现输入电压低时输出电流大，输入电压高时输出电流小的分段恒流控制。

图3示出了用于如图2所示的分段恒流控制的led照明系统中的输入电压检测单元的一种示例性实现方式。输入电压检测单元u303可以在检测到led开始有电流流过(即感测电压vsense大于预定阈值电压vth时)之后将检测到的输入电压值与基准输入电压值进行比较，并基于输入电压值与基准输入电压值之间的差值大小产生并输出相应的控制信号sw。

具体地，如图3中所示，输入电压检测单元u303可以包括采样开关s301、采样电容c302、多个电压比较器u311至u31n、以及提供预设电压值v301至v30n的多个电压源v301至v30n。输入电压检测单元u303接收经电阻r302和r303分压后的输入检测电压vs；同时电压比较器u302检测如图2中所示的led电流感测电阻r201上的感测电压vsense，并将该感测电压与预定阈值电压vth进行比较。

当输入电压vin较低时，led未发生正向导通也没有电流流过，对应图2的led电流感测电阻r201上的感测电压vsense低于电压比较器u302的预定阈值电压vth，此时采样开关s301处于闭合状态，采样电容c302上的电压vs_sample与vs电压相同。当输入电压vin逐渐升高至led开始有电流流过且对应的r201上的感测电压vsense高于预定阈值电压vth时，电压比较器u301产生信号控制采样开关s301断开，使得采样电容c302上保持当前的vs_sample电压值，该vs_sample电压值可以作为基准vs电压值。随着输入电压vin的进一步升高，经电阻分压后的vs电压将持续高于vs_sample电压值。这两个电压之间不同的差值将对应于图2中电流调整管m201的不同的漏极电压，电压差值越大对应m201的漏极电压越大，在m201上的电流恒定的情况下产生的损耗越大。

鉴于此，根据本发明实施例的输入电压检测单元u303被配置为根据vs电压和基准vs电压值(例如vs_sample电压值)之间不同的差值(例如v301～v30n)产生相应的控制信号sw1～swn来控制选通不同的预定参考电压vref_1～vref_n。具体地，较小的电压差值对应于产生用于选通较高的预定参考电压vref的控制信号，对应于得到较高的led电流；较大的电压差值对应于产生用于选通较低的预定参考电压vref的控制信号，对应于得到较低的led电流。这样，在输入电压vin的整个工频m形波周期里将形成以下分段恒流控制模式：一旦led发生正向导通有电流流过时，输入电压vin越低，对应的led电流越高；而输入电压vin越高，对应的led电流越低。这种分段恒流控制模式使得在电流调整管m201上产生的损耗较低，系统效率可以得到改善。

相应地，图4示出了在根据本发明实施例的上述分段恒流控制模式下的输入检测电压vs和对应图2中led电流感测电阻r201上的感测电压vsense的示意性控制时序图。如图4中所示，设置了感测电压vsense的多个参考电压vref_1～vref_n，输入检测电压vs在不同的电压值范围内时，选通不同的参考电压。

需要注意的是，这里的控制信号sw1～swn以及预定参考电压vref_1～vref_n的数目选取不是唯一固定的，较多的控制分段会产生更为理想的效率优化控制，但也会带来成本的上升。因此，可以根据具体需求对vref_1～vref_n的数目和具体数值进行设置。

图5是根据本发明的另一实施例的分段恒流控制的led照明系统的示意图。与图2相比，图5中的分段恒流控制系统的主要工作过程是类似的，仍然是基于来自输入电压检测单元u503的控制信号sw来选通针对led电流感测电阻r501上的感测电压vsense的不同的预定参考电压vref。与图2类似地，图5中的分段恒流控制系统包括桥式整流器bd501、电流调整管m501、输出电容c501、led电流检测电阻r501、电压比较器u502、线电压检测电阻r502和r503、输入电压检测单元u503、以及参考电压选通开关u504。与图2不同的是，输入电压检测单元u503输出的控制信号sw用于控制放大器选通开关u504选通不同的放大器u511～u51n的输出，来控制电流调整管m501的栅极电压。换言之，

图5中的用于控制电流调整管m501的栅极电压控制单元510由耦接不同参考电压vref_1～vref_n的多个放大器u511～u51n和放大器选通开关u504构成。由于不同的放大器u511～u51n耦接不同的参考电压vref_1～vref_n，所以选通连接不同的放大器实际上就相当于选通不同的参考电压。因此，如图5所示的分段恒流控制系统同样可以实现输入电压vin越低，对应的led电流越高，而输入电压vin越高，对应的led电流越低，从而实现效率优化的led电流控制。

图6示出了根据本发明又一实施例的分段恒流控制的led照明系统的示意图。与前面的图2相比，图6中所示的分段恒流控制系统类似地包括桥式整流器bd601、放大器u601、电流调整管m601、输出电容c601、led电流检测电阻r601、电压比较器u602、线电压检测电阻r602和r603、输入电压检测单元u603、以及栅极电压控制单元610。此外，在图6的分段恒流控制系统中，还增加了补偿电容c602，该补偿电容c602的一端耦接到放大器u601的输出端，另一端接地。该补偿电容c602与放大器u601、电流调整管m601以及led电流感测电阻r601一起构成了电流控制环路。由于闭环控制使得led上的电流尽可能地不随输入电压和输出电压变化，所以可以得到相对稳定的led平均电流。

在图6所示的分段恒流控制系统中，由r602、r603，比较器u602，输入电压检测单元u603组成的检测控制电路的具体结构和工作方式可以与图3相同。此外，输入电压检测单元u603输出控制信号sw，来控制电流调整管m601的栅极电压控制单元610。该栅极电压控制单元610的具体结构可以与图2中的栅极电压控制单元210或图5中的栅极电压控制单元510类似。因此，图6的分段恒流控制系统可以实现效率优化的闭环led分段恒流控制。

图7示出了图6的分段恒流控制系统的一种具体的示例性实现方式。相对于图6所示出的分段恒流控制系统，图7所示的分段恒流控制系统类似地包括桥式整流器bd701、放大器u701、电流调整管m701、输出电容c701、led电流检测电阻r701、补偿电容c702、电压比较器u702、线电压检测电阻r702和r703、输入电压检测单元u703、以及栅极电压控制单元710。并且，图7所示的分段恒流控制系统具体使用与图2中的栅极电压控制单元210类似的栅极电压控制单元710。不同之处在于，在栅极电压控制单元710中，由第一放大器u701的输出端cmp作为栅极电压控制单元710中的放大器u705的多个参考电压端中的第一参考电压端，该第一参考电压端可以被配置为提供比其它参考电压vref_2～vref_n更高的参考电压vref_1。除此之外，栅极电压控制单元710的具体控制方式与图2中的栅极电压控制单元210相同，即较高的输入电压vin对应产生控制信号sw，来控制参考电压选通开关u704选通较低的参考电压vref，从而产生较低的led电流，降低系统损耗。

图8示出了图6的分段恒流控制系统的另一种具体的示例性实现方式。相对于图6所示出的分段恒流控制系统，图8所示的分段恒流控制系统类似地包括桥式整流器bd801、放大器u801、电流调整管m801、输出电容c801、led电流检测电阻r801、补偿电容c802、电压比较器u802、线电压检测电阻r802和r803、输入电压检测单元u803、以及栅极电压控制单元810。并且，图8所示的分段恒流控制系统具体使用与图2中的栅极电压控制单元210类似的栅极电压控制单元810。不同之处在于，在栅极电压控制单元810中，增加了一个放大器选通开关u805，用于选通由第一放大器u811或者第二放大器u812来控制电流调整管m801。第一放大器u811的输入端耦接第一参考电压vref_1，并且其输出端耦接补偿电容c802。第二放大器u812的输入端耦接通过参考电压选通开关u804选通的其它参考电压vref_2～vref_n。这里，第一参考电压vref_1可以是比其它参考电压vref_2～vref_n更高的参考电压。放大器选通开关u805的控制信号sw1可以按之前的图3中所示的方式生成，即对应于选通vref_1的控制信号sw1。类似地，第二放大器u812的控制信号sw2也可以按之前的图3中所示的方式生成，即对应于选通vref_2～vref_n的控制信号sw2～swn。除此之外，栅极电压控制单元810的具体控制方式与图2中的栅极电压控制单元210相同，即较高的输入电压vin对应产生控制信号sw，来控制参考电压选通开关u804选通较低的参考电压vref，从而产生较低的led电流，降低系统损耗。

图9示出了图6的分段恒流控制系统的又一种具体的示例性实现方式。相对于图6所示出的分段恒流控制系统，图9所示的分段恒流控制系统类似地包括桥式整流器bd901、放大器u901、电流调整管m901、输出电容c901、led电流检测电阻r901、补偿电容c902、电压比较器u902、线电压检测电阻r902和r903、输入电压检测单元u903、以及栅极电压控制单元910。并且，图9所示的分段恒流控制系统具体使用与图5中的栅极电压控制单元510类似的栅极电压控制单元910，该栅极电压控制单元910由耦接不同参考电压vref_1～vref_n的多个放大器u911～u91n和放大器选通开关u904构成。不同之处仅在于，在栅极电压控制单元910中，输入端耦接第一参考电压端的第一放大器u911的输出端耦接有补偿电容c902。这里，该第一参考电压端可以被配置为提供比其它参考电压vref_2～vref_n更高的参考电压vref_1。除此之外，栅极电压控制单元910的具体控制方式与图5中的栅极电压控制单元510相同，即较高的输入电压vin对应产生控制信号sw，控制放大器选通开关u904选通输入端耦接较低参考电压vref的放大器来控制电流调整管m901，从而产生较低的led电流，降低系统损耗。

图10示出了根据本发明实施例的用于led照明的分段恒流控制方法1000的示意性流程图。该方法可以由之前所描述的根据本发明实施例的分段恒流控制系统来执行，并且可以包括步骤s1010和s1020。

在s1010中，由输入电压检测单元检测led的输入电压，并基于所检测到的输入电压的大小产生并输出控制信号，用于控制选通多个预定参考电压中的一个预定参考电压，使得当输入电压检测单元所检测到的输入电压越高时，选通越低的预定参考电压。

在s1020中，由电流调整管的栅极电压控制单元对led电流感测电阻上的感测电压与所选通的预定参考电压进行误差放大，以输出控制电流调整管的栅极电压。

如前所述，根据本发明实施例的分段恒流控制系统中的电流调整管的栅极电压控制单元可以包括放大器、参考电压选通开关、以及提供不同的预定参考电压的多个参考电压端。在这种系统配置下，根据本发明实施例的分段恒流控制方法可以包括：由参考电压选通开关在来自输入电压检测单元的控制信号的控制下选通多个参考电压端中的一个参考电压端与栅极电压控制单元中的放大器的输入端相耦接。

相应地，在分段恒流控制系统中的电流调整管的栅极电压控制单元包括放大器选通开关、以及分别耦接到提供不同的预定参考电压的多个参考电压端的多个放大器的情况下，根据本发明实施例的分段恒流控制方法可以包括：由放大器选通开关在来自输入电压检测单元的控制信号的控制下选通多个放大器中的一个放大器与电流调整管的栅极相耦接。

图11示出了根据本发明另一实施例的用于led照明的分段恒流控制方法1100的示意性流程图。该方法可以由之前所描述的根据本发明实施例的分段恒流控制系统来执行，并且可以包括步骤s1110、s1120、s1130和s1140。

在s1110中，将led电流感测电阻上的感测电压与预定阈值电压进行比较。

在s1120中，由输入电压检测单元响应于led电流感测电阻上的感测电压变得高于预定阈值电压，采样并保持led的输入电压作为基准输入电压。

在s1130中，由输入电压检测单元基于所检测到的输入电压与基准输入电压之间的差值产生控制信号，用于选通栅极电压控制单元的预定参考电压，使得所检测到的输入电压越高时，选通越低的预定参考电压。

在s1140中，由电流调整管的栅极电压控制单元对led电流感测电阻上的感测电压与所选通的预定参考电压进行误差放大，以输出控制电流调整管的栅极电压。

应注意的是，上述用于led照明的分段恒流控制方法1000和1100中的各个步骤仅表示用于led照明的分段恒流控制系统中的模块要执行的相应动作，这些步骤不需要按图中所示的顺序执行，也可以按照其他合适的顺序执行或者并行地执行，并且可以根据实际情况进行删减或合并。

利用根据本发明实施例的分段恒流控制系统和方法，通过对led上的电流和led照明系统的输入电压的检测，可以对led照明系统实现输入电压低时输出电流大，输入电压高时输出电流小的分段恒流控制，降低整个led照明系统的损耗，提高系统效率。

上文中提到了“一个实施例”、“另一实施例”、“又一实施例”，然而应理解，在各个实施例中提及的特征并不一定只能应用于该实施例，而是可能用于其他实施例。一个实施例中的特征可以应用于另一实施例，或者可以被包括在另一实施例中。

上文中提到了“第一”、“第二”….等序数词。然而应理解这些表述仅仅是为了叙述和引用的方便，所限定的对象并不存在次序上的先后关系。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。