LED驱动电路和LED灯的制作方法

本公开的实施例涉及照明领域，并且更具体地涉及发光二极管(LED)驱动电路和包括该驱动电路的LED灯。

背景技术：

现在，更多地关注于LED的驱动，而留给LED的盈余空间较少，以便具有更节省成本的LED芯片。在操作中LED芯片的温度会升高，影响LED的性能和寿命。这要求更有效且尖锐的过温保护(OTP，over temperature protection)曲线。

例如，有效且尖锐的OTP曲线在25℃自由空气下保持通过LED的电流恒定，但是在35℃或45℃下使LED电流大幅下降以减少LED自身产热进而达到降温目的。

现有技术的一个缺点在于，用于过温保护的供电电压常常是来自于输入电压。一旦输入电压发生变化(例如其均方根值从220V偏移至210V或230V，或者被切相调光)，过温保护的供电电压也可能变化，使得过温保护的触发温度偏离所希望的触发温度，或者过温保护的强度偏离所希望的强度。

现有技术的另一个缺点在于，待LED温度降低之后，可以再次提供通过LED的正常电流。这一过程循环进行，从而造成通过LED的电流交替升高和下降。即，LED灯闪烁，这是不期望的。

传统的过温保护(OTP)电路具有很窄的调节窗口，不能满足要求，因为其尖锐的OTP曲线与灯闪烁问题矛盾。这意味着如果使OTP曲线很尖锐，灯将会以低频闪烁。

因此，在基于LED的照明领域中，需要一种简单、有效、可靠且无闪烁的过温保护方案。

技术实现要素：

本公开的实施例旨在提供一种能够克服现有技术的LED驱动器的上述一个或多个缺点的驱动电路。本公开的基本构思在于，使用于过温保护的供电电压尽量恒定而不受输入电压变化的影响。更进一步来说，本公开利用了作为负载的LED正向电压来提供该供电电压，由于LED的正向电压是相对恒定的，因此用于过温保护的供电电压也会相对恒定而不受输入电压的变化(例如其均方根值的变化)的影响。

在本公开的第一方面，提供了一种LED驱动电路。该LED驱动电路包括：

-功率电感器；

-开关元件，用于控制功率电感器进入蓄能阶段和释能阶段；

-辅助电感器，与功率电感器磁耦合，并且用于由功率电感器上的电压而感生电压；

-控制电路，用于控制开关元件，其中辅助电感器连接到控制电路，以将功率电感器上的蓄能阶段的正激电压提供给控制电路；

-温度补偿电路，用于检测LED驱动电路的温度，并基于所检测的温度来调整控制电路；

其中辅助电感器还连接到温度补偿电路，以将功率电感器上的释能阶段的反激电压提供给温度补偿电路，

其中功率电感器的两端用于连接或磁耦合到LED的两极，以在释能阶段提供与LED的正向电压相关的反激电压。

本公开的LED驱动电路能够实现诸多有益效果。例如，温度补偿电路获得的反激电压是与LED的正向电压相关的，其相对恒定而不依赖于输入电压的变化。因此，本公开的LED驱动电路具有相对稳定的过温保护和补偿，而不受电网电压变化的影响。

根据一些实施例，反激电压对应于LED的正向电压，且独立于LED驱动电路的输入电压，功率电感器的同名端连接到LED的阴极，另一端连接到LED的阳极，与功率电感器的同名端对应的辅助电感器的同名端通过反向二极管连接到电容器的负极，辅助电感器的另一端连接到参考电压，电容器的正极连接到参考电压，从而由释能阶段的反激电压在电容器上产生相对于参考电压为负的供电电压。以这种方式，即使在调光过程期间输入电压的均值发生变化，也可以向温度补偿电路提供稳定的电源，而不受变化的输入电压的影响。

根据一些实施例，LED的正向电压恒定以使得供电电压恒定，温度补偿电路连接到参考电压和电容器的负极，并且包括温度检测电阻器，温度检测电阻器上提供供电电压依赖于温度的分压，分压用于控制控制电路。这样，由于供供电电压是稳定的，可以提供用于过温保护的精确的参考电压。

根据一些实施例，控制电路包括与功率电感器串联的检测电阻器，用于检测在蓄能阶段流过功率电感器的电流，并且响应于检测电阻器上的电压达到第一阈值，触发进入释能阶段，并且，分压用于调整检测电阻器的电阻值。这样，可以通过改变检测电阻器的电阻值的方式，实现对通过LED的电流的控制。

根据一些实施例，检测电阻器包括第一检测电阻器、第二检测电阻器和另一开关元件，第一检测电阻器和另一开关元件的串联连接与第二检测电阻器并联，其中分压用于控制另一开关元件，从而调整检测电阻器的电阻值。这提供了一种改变检测电阻器的电阻值的简单方式。

根据一些实施例，分压被提供给自锁电路，自锁电路用于控制另一开关元件，其中响应于分压达到第二阈值，自锁电路导通，从而保持另一开关元件断开。以这种方式，在过温保护功能启动时，输出电流将被钳位为相对低的水平。即使驱动电路温度下降，输出电流依旧保持在该相对低的水平，从而避免了温度下降而增大驱动电流从而导致的闪烁问题。因此，这解决了尖锐的过温保护曲线的副作用。

根据一些实施例，LED驱动电路还包括阻尼电路，阻尼电路包括另一电容器和阻尼电阻器，另一电容器连接到另一开关元件的控制端，并且通过阻尼电阻器连接到自锁电路，响应于自锁电路导通，另一电容器通过阻尼电阻器放电，从而减缓另一开关元件的断开。以这种方式，可以避免光输出水平的突变。

根据一些实施例，阻尼电阻器与二极管并联，其中在分压未达到第二阈值的情况下，由供电电压通过二极管对另一电容器充电，从而使另一开关元件导通。这样，可以加速另一开关元件的导通。

根据一些实施例，控制电路包括与功率电感器串联的检测电阻器，用于检测在蓄能阶段流过功率电感器的电流，控制电路还包括连接到开关元件的控制端的控制开关，响应于检测电阻器上的电压达到第一阈值，控制开关关断开关元件以进入释能阶段，其中第一阈值基于控制开关的控制端电压，以及其中分压用于在控制开关的控制端产生偏压，以调整第一阈值。这样，可以通过向控制开关的控制端注入电流的方式，实现对通过LED的电流的控制。

在本公开的第二方面，提供了一种LED灯。该LED灯包括根据本公开的第一方面的LED驱动电路以及LED。

本公开的驱动电路的优选实施方式可以用简单、有效且可靠(稳定)的方式实现不依赖于输入电压变化的过温保护功能，且不会因为过温现象消失而产生闪烁。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明，其中：

图1示出根据本公开的实施例的LED驱动电路的一个实施例；

图2(a)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在蓄能阶段的电流流动；

图2(b)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在释能阶段的电流流动；

图3(a)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在低温时的电流流动；

图3(b)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在高温时的电流流动，其中示出了阻尼电路的作用；

图3(c)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在高温时的电流流动，其中示出了自锁电路的作用；以及

图4示出根据本公开的实施例的LED驱动电路的控制电路的另一实施例。

具体实施方式

下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本公开的原理和精神。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本实用新型的原理。

发光二极管(LED)是一种将电转化成光的器件，其输出光功率主要依赖于流过LED的电流的大小，而LED两端的电压基本上保持恒定。通过改变通过LED的电流，可以控制LED自身产热，以实现控温效果。此外，LED或者LED灯等作为负载时，也可以认为其两端电压基本上保持恒定。

在基于LED的照明领域中，需要一种简单、有效、可靠且无闪烁的过温保护方案。

图1示出根据本公开的实施例的LED驱动电路的一个实施例。图1所示的驱动电路是一种基于振铃扼流器变换器(RCC)的自振荡LED驱动电路。备选地，本公开的LED驱动电路也可以基于集成电路(IC)来实施。值得注意的是，振铃扼流器变换器(RCC)仅仅是对于自振荡变换器的一种称呼，只要是基于连接至功率电感的磁耦合来控制变换器的功率开关操作的变换器电路，都可称为自振荡变换器(驱动电路)。

如图1所示，在输入VBUS处可以连接供电电源。例如，在输入VBUS处接收经整流的交流市电电压或者直流电压。该电压可能经过相切调光从而具有可变的均值(均方根值)，或者电网由于其不稳定而提供的该电压具有可变的均值，该可变的均值例如在一天中的高负载时段和低负载时段发生。LED驱动电路的主要部件是变压器T1。变压器T1的主绕组2-3作为功率电感器T1-2/3。例如功率三极管的开关元件Q1与功率电感器T1-2/3串联。开关元件Q1可以被周期性地导通和关断，以控制功率电感器T1-2/3进入蓄能阶段和释能阶段。启动电阻器Ron电连接在输入VBUS和开关元件Q1的控制端(例如基极)之间，用于在驱动电路初次启动时，向开关元件Q1的控制端提供使开关元件Q1导通的电压。图1中的变换器是非隔离的降压变换器。在其他实施方式中，隔离式的反激变换器也可适用，在这种情况下功率电感T1-2/3通过额外的一个次级线圈而磁耦合到负载LED两端。

变压器T1的辅助绕组5-4作为辅助电感器T1-5/4。因此，辅助电感器T1-5/4与功率电感器T1-2/3磁耦合，用于由功率电感器T1-2/3上的电压而感生电压。

LED驱动电路的控制电路包括控制开关Q4和检测电阻器150。控制电路用于控制开关元件Q1的导通和关断。辅助电感器T1-5/4连接到控制电路，以将功率电感器T1-2/3上的蓄能阶段的正激电压提供给控制电路。在一些实施例中，控制开关Q4电连接在辅助电感器T1-5/4和例如地的参考电压之间。

本公开的LED驱动电路还包括由温度检测电阻器RNTC和电阻器R4构成的温度补偿电路。温度补偿电路用于检测LED驱动电路的温度，并基于所检测的温度来调整控制电路。辅助电感器T1-5/4还连接到温度补偿电路，以将功率电感器T1-2/3上的释能阶段的反激电压提供给温度补偿电路。以这种方式，本公开的LED驱动电路可以实现过温保护功能。

功率电感器T1-2/3的两端用于连接到LED的两极，以在释能阶段在两端提供LED的正向电压(以及续流二极管D1的正向电压，其也是恒定的，因此不特别描述)。LED是该驱动电路的负载，并且可以是以串联或并联方式连接的一个或多个LED。在一些实施例中，功率电感器T1-2/3可以经由二极管D1连接到LED的两极。此外，LED还连接在输入VBUS和功率电感器T1-2/3之间。因此，在蓄能阶段和释能阶段两者，LED都可以发光。电容器C1用于平滑通过LED的电流，以提供均匀光输出。

下面将参考图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)和图3(c)来进一步阐述图1所示的实施例。

图2(a)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在蓄能阶段的电流流动。在开关元件Q1初始由启动电阻器Ron导通之后，功率电感器T1-2/3进入蓄能阶段。电流可以流过LED、电感器T1-2/3和开关元件Q1的串联连接。

辅助电感器T1-5/4通过电阻器R2和电容器C4电连接至开关元件Q1的控制端。以此方式，辅助电感器T1-5/4可以加速开关元件Q1的导通和关断。例如，在开关元件Q1刚导通时，功率电感器T1-2/3的同名端2为正电压。辅助电感器T1-5/4可以由功率电感器T1-2/3上的正激电压而感应出感生电压，其同名端5为正电压，并将感生电压耦合至开关元件Q1的控制端，从而加速开关元件Q1的导通。

在一些实施例中，控制电路包括与功率电感器T1-2/3串联的检测电阻器150。在图2(a)所示的示例中，检测电阻器150是第一检测电阻器Rcs1和第二检测电阻器Rcs2的并联连接。控制电路的控制开关Q4连接在开关元件Q1的控制端和参考电压之间。检测电阻器150的一端连接到开关元件Q1和控制开关Q4，另一端连接到例如地的参考电压。检测电阻器150可以检测在蓄能阶段流过功率电感器T1-2/3的电流。响应于检测电阻器150上的电压达到阈值(也称为第一阈值)，触发进入释能阶段。该第一阈值可以基于控制开关Q4的控制端-发射极电压，例如0.7伏特。

作为一个示例，在开关元件Q1导通之后，通过功率电感器T1-2/3的电流随时间线性增大。与功率电感器T1-2/3和开关元件Q1串联的检测电阻器150两端的电压升高。当该电压升高到第一阈值时，控制开关Q4导通，使得开关元件Q1被短路。因此，开关元件Q1关断，并且功率电感器T1-2/3进入释能阶段。

图2(b)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在释能阶段的电流流动。在释能阶段，由功率电感器T1-2/3上储存的能量给LED供电。因此，功率电感器T1-2/3上的反激电压对应于LED的正向电压，且独立于LED驱动电路的输入电压。

在一些实施例中，功率电感器T1-2/3的同名端2可以连接到LED的阴极，并且另一端3连接到LED的阳极。因此，在释能阶段，功率电感器T1-2/3的同名端2的电压低于其另一端3的电压。相应地，与功率电感器T1-2/3的同名端2对应的辅助电感器T1-5/4的同名端5的电压低于辅助电感器T1-5/4的另一端4的电压。同名端5的低电压能够从开关Q1的基极抽走载流子，加快开关Q1的断开。

在一些实施例中，辅助电感器T1-5/4的另一端4可以连接到参考电压，例如接地。在这种情况下，辅助电感器T1-5/4的同名端5为负电压。

在一些实施例中，辅助电感器T1-5/4的同名端5通过反向二极管D3连接到电容器C3的负极，并且电容器C3的正极连接到参考电压。从而，在释能阶段电容器C3将被充电，由释能阶段的反激电压在电容器C3上产生相对于参考电压为负的供电电压-Vcc。本公开的驱动电路中的所有相关逻辑控制部件都被反向，以匹配负的供电电压-Vcc。

供电电压-Vcc可以计算为(忽略反向二极管D3的正向电压)：其中，n是变压器T1的主绕组2-3与辅助绕组5-4之间的匝数比；并且VLED是负载LED的正向电压。

供电电压-Vcc对应于由负载LED钳位的输出电压，独立于输入VBUS。LED的正向电压恒定可以使得供电电压-Vcc恒定。因此供电电压-Vcc在整个调光过程中是稳定的。这可以提供用于控制LED电流的精确的参考电压，以保证稳定的过温保护启动点。如果使用供电电压-Vcc给温度补偿电路供电，可以避免过温保护的误触发。

此外，使用相同的辅助绕组5-4创建由输出LED电压决定的稳定供电电压-Vcc，用于给温度补偿电路供电。不需要额外的绕组。因此，本公开的LED驱动电路具有成本效益，并且同时是紧凑的。

在供电电压-Vcc建立之后，反向二极管D3可以在后续的储能阶段起阻断作用，以防止电容器C3放电。因此，供电电压-Vcc在初始建立之后将保持恒定。

图3(a)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在低温时的电流流动。在一些实施例中，温度补偿电路连接在参考电压(例如接地)和电容器C3的负极之间。从而由在电容器C3上产生的供电电压-Vcc给温度补偿电路供电。

在一些实施例中，温度补偿电路包括由温度检测电阻器RNTC和电阻器R4构成的分压电路。温度检测电阻器RNTC可以是具有负温度系数的热敏电阻器。温度检测电阻器RNTC上提供供电电压-Vcc依赖于温度的分压。例如，该分压可以由温度检测电阻器RNTC和电阻器R4之间的节点处的分压Vb来表示。分压Vb可以用于控制控制电路。在一些实施例中，该分压Vb可以用于调整检测电阻器150的电阻值。

在一些实施例中，检测电阻器150还包括开关元件M1(还称为另一开关元件)。第一检测电阻器Rcs1和另一开关元件M1的串联连接可以与第二检测电阻器Rcs2并联。分压Vb用于控制另一开关元件M1，从而调整检测电阻器150的电阻值。

在一些实施例中，分压Vb被提供给自锁电路，而自锁电路用于控制另一开关元件M1。响应于分压Vb达到阈值(也称为第二阈值)，自锁电路导通，从而保持另一开关元件M1断开。作为一个示例，自锁电路可以包括由第一三极管Q2和第二三极管Q3构成的三极管自锁电桥。在图3(a)所示的实施例中，第一三极管Q2为NPN型晶体管，并且第二三极管Q3为PNP型晶体管。第一三极管Q2的发射极连接到供电电压-Vcc、集电极连接到第二三极管Q3的基极、并且基极连接到第二三极管Q3的集电极。第二三极管Q3的基极还连接到分压Vb，并且发射极连接到例如地的参考电压。在这种情况下，第二阈值可以基于第二三极管Q3的基极-发射极电压Vbe。

在温度低时，温度检测电阻器RNTC的电阻值是相对高的。在温度检测电阻器RNTC和电阻器R4之间的节点处的分压Vb为：

此时，第一三极管Q2和第二三极管Q3不导通。供电电压-Vcc通过电容器C2(还称为另一电容器)、二极管D2和电阻器R5的串联连接而抽取电流，使得另一电容器C2被充电。另一电容器C2的负极连接到二极管D2和另一开关元件M1的控制端，并且正极连接到例如地的参考电压。当另一电容器C2被充电至一定电压时，另一开关元件M1的栅极达到一定负电压而导通，使得与另一开关元件M1串联的第一检测电阻器Rcs1起作用。由此，检测电阻器150的电阻值等于第一检测电阻器Rcs1和第二检测电阻器Rcs2的并联电阻值，因而是低的(即图2中的加粗的功率电感的电流实际上也流过Rcs1和M1)。检测电阻器150上的电压达到第一阈值以使控制开关Q4导通，将需要更多的时间/更大的电流。这导致通过LED的输出电流是高的(即，正常电流)。也就是说，过温保护不起作用。

图3(b)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在高温时的电流流动，其中示出了阻尼电路的作用。在一些实施例，阻尼电路包括另一电容器C2、阻尼电阻器R1和二极管D2。另一电容器C2的负极通过阻尼电阻器R1连接到自锁电路。在一些实施例中，另一电容器C2的负极连接到第一三极管Q2的发射极。

在温度增加时，温度检测电阻器RNTC的电阻值降低为相对低的值。分压Vb可以为：即，分压Vb达到第二阈值。此时，第一三极管Q2和第二三极管Q3导通。

在一些实施例中，响应于自锁电路导通，另一电容器C2开始通过阻尼电阻器R1和自锁电路放电。在这一时段期间，另一开关元件M1操作在有源模式内。另一开关元件M1的阻抗可以平滑地增加。另一电容器C2的电容和阻尼电阻器R1的电阻决定从过温保护开始点到稳定情况(另一开关元件M1彻底关断)的时间。这使得过温保护功能能够软启动。以这种方式，RC阻尼电路放大了另一开关元件M1的有源模式。因此，阻尼电路可以减缓另一开关元件M1的断开。这使得另一开关元件M1的开关过程平滑，从而避免了光台阶。仅作为一个示例，另一开关元件M1可以是PMOS晶体管。

要注意的是，阻尼电阻器R1与二极管D2并联。在分压Vb未达到第二阈值的情况下，由供电电压-Vcc通过二极管D2、而不是通过电阻大的阻尼电阻器R1对另一电容器C2充电，从而使另一开关元件M1导通。这可以使另一开关元件M1快速导通。

图3(c)以虚线箭头示出图1所示的LED驱动电路在高温时的电流流动，其中示出了自锁电路的作用。在另一开关元件M1完全关断时，与另一开关元件M1串联的第一检测电阻器Rcs1不起作用。由此，检测电阻器150的电阻值等于第二检测电阻器Rcs2的电阻值，因而是高的。检测电阻器150上的电压达到第一阈值以使控制开关Q4导通，将需要更短的时间。这导致通过LED的输出电流是低的(即，相对于正常电流是低的)。也就是说，过温保护功能被启动。如图3(c)的虚线箭头所示，供电电压-Vcc可以通过自锁电路和电阻器R5抽取电流。

由于输出功率低，驱动电路的温度可以下降。分压Vb可以折返并且再次大于-Vbe。然而，自锁电路的特性是在导通之后将会永久导通，即使去除控制端处的电流。因此，自锁电路将保持导通，并且使得另一开关元件M1不导通。从而，在过温保护功能启动时，输出电流将被钳位为相对低的水平。即使驱动电路温度下降，输出电流依旧保持在该相对低的水平。这可以避免过温保护功能的多次触发，并且使光输出保持稳定，而无闪烁。因此，这解决了尖锐的过温保护曲线的副作用。

图4示出根据本公开的实施例的LED驱动电路的控制电路的另一实施例。在图1和图4所示的实施例中，相同附图标记指示相同的部件，并且相关描述不再赘述。其中，两个-Vcc位置是电连接起来的。在图4所示的实施例中，检测电阻器150的电阻值等于第二检测电阻器Rcs2的电阻值。检测电阻器150与功率电感器T1-2/3和开关元件Q1串联，以检测在蓄能阶段流过功率电感器T1-2/3的电流。除检测电阻器150外，控制电路还包括连接到开关元件Q1的控制端的控制开关Q4。响应于检测电阻器150上的电压达到第一阈值，控制开关Q4关断开关元件Q1以进入释能阶段。第一阈值可以基于控制开关Q4的控制端电压。

温度检测电阻器RNTC上的分压可以用于在控制开关Q4的控制端产生偏压，以调整第一阈值。在图4所示的实施例中，辅助电感器T1-5/4通过电阻器R6和R8连接到控制开关Q4的控制端，并且还通过电阻器R6和R7连接到开关元件Q5。开关元件Q5的控制端连接到温度检测电阻器RNTC和电阻器R4之间的节点。

在温度低时，开关元件Q5导通，使得电阻器R8被短路，此时开关Q4的基极电压被开关Q5拉低，因此开关Q4不容易被触发导通，需要流过功率电感2/3的电流较大才能触发，属于正常工作电流。在温度增加时，温度检测电阻器RNTC上的分压达到阈值，使得开关元件Q5关断。该阈值可以基于开关元件Q5的控制端电压。开关元件Q5的关断导致从电阻器R6到电阻器R8的电流流动。该电流流动在控制开关Q4的控制端产生偏压，使得控制端的电压被拉高，即使得第一阈值减少。检测电阻器150上的电压达到第一阈值以使控制开关Q4导通，将需要更短的时间/更小的电流。这导致通过LED的输出电流是低的。也就是说，过温保护功能被启动。因此，代替图1实施例的调整检测电阻器150的电阻值的方式，图4所示的实施例通过向控制开关Q4的控制端注入电流来降低LED电流。

本公开的实施例还提供一种LED灯，其包括作为光源的LED以及图1或图4所示的LED驱动电路，其中LED被驱动电路所驱动。通过使用在本文中提供的LED驱动电路，实现了用于过温保护的简单、可靠且无闪烁的方式。

本公开的实施例可以在不脱离本公开的原理的情况下具有各种变型。虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论它是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。