一种高效闭环线性LED恒流控制电路的制作方法

本实用新型涉及一种LED驱动电路，特别是一种高效闭环线性LED恒流控制电路。

背景技术：

由LED的电学特性可知，LED的平均正向电流随着正向电压的增大呈现大幅度的线性增长，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，且电流对LED结温影响很大，过大的电流很容易导致LED灯珠结温升高而损坏。此外，由LED的光学特性可知随着正向电流的增加，LED光通量随之增大，即亮度增加。因此为了保持LED发光亮度的恒定，就要保证LED正向电流的稳定。因此设计合理的驱动电源对于LED照明灯具就显得十分重要。

传统线性LED驱动，多采用开环控制，LED导通时，LED电流保持恒定的，由LED的导通原理可知，当AC弦波电压刚刚大于LED灯电压时，效率是最高的，随着AC弦波电压的抬高，大于灯电压的幅度越高，损耗就越大，效率就越低。例如针对220V应用，灯电压必须串联到250V左右，效率才能勉强达到85%左右，灯电压越低损耗就越大。

同时由于LED灯电流在整个AC周期内是开环控制的，当电网波动时，LED的导通角会随电网波动而波动，而LED导通时的电流是恒定的，所以当电网波动方向是AC电压升高，导通角变大，LED的平均电流就会升高，反之，电网波动方向是AC电压降低，导通角变小，LED的平均电流就会降低，造成线性调整率较差。

如图1所示，在传统的线性LED驱动电路中，LED灯串连接到输入整流桥的正端，通过由OP、MOS管M1、VREF电压、RCS电阻组成的线性电流控制环P1来设定流过LED的电流Io；

根据LED导通原理，只有在输入电压高于LED正向导通电压VLED时，LED灯串才会被点亮，系统的有效功率PO=VLED*IO，而系统损耗PLOSS=（VBUS-VLED）*IO，由以上两个公式及线性电路的工作原理可知DCBUS电压刚刚大于LED电压时效率是最高的，如图2所示，由于LED的电流IO保持恒定，所以当AC弦波电压达到峰值点时，系统的损耗最大。

据美国能源之星标准要求，线性效率要达到84%以上，PF值要达到0.7以上，传统的线性电路很难在120V电网下达到上述效率要求。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高效闭环线性LED恒流控制电路，解决传统线性LED驱动电路，灯电压选择范围狭窄，效率低下，线性调整率差的问题；通过控制灯电流波形，使AC弦波电压刚刚高于灯电压时，灯电流最大，AC弦波电压越高，灯电流越小，大大提升效率；同时由于闭环控制，使输出LED平均电流又能保持恒定。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型一种高效闭环线性LED恒流控制电路，包括整流桥100、发光二极管群组200、电流控制环P1、闭环控制电路P和线电压电阻采样网络300；所述整流桥100，用于对交流电进行全波整流，并产生输出电压VBUS，经过发光二极管群组200为内部电路供电；所述电流控制环P1的输入端 VIN连接发光二极管群组200的负极；所述线电压电阻采样网络300，用于采样线电压，得到采样电压VBS；

所述闭环控制电路P包括基准电圧芯片400、第二运算放大器Gm、减法器SUB、环路补偿电容C1和电阻RCS；

所述基准电圧芯片400的输入端连接电流控制环P1的输入端 VIN，基准电圧芯片400的输出端连接第二运算放大器Gm的同相输入端；

所述第二运算放大器(Gm)的反向输入端连接电流控制环P1，输出端连接减法器SUB的A输入端，输出电压COMP；

所述减法器SUB的B输入端连接线电压电阻采样网络300，输出端连接电流控制环P1，输出电压SUB_OUT；

所述环路补偿电容C1一端与所述第二运算放大器Gm的输出端连接，另一端接地；

所述电阻器RCS的一端与第二运算放大器Gm的反相输入端连接，另一端接地。

作为优选，所述线电压电阻采样网络300包括串联的电阻RSUB1和电阻RSUB2；所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的负极，另一端接地。

作为优选，所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的正极，另一端接地。

作为优选，所述电流控制环P1包括第一运算放大器OP，第一运算放大器OP的同向输入端连接减法器输出电压SUB_OUT，反相输入端连接电阻RCS，输出端连接MOS开关管M1的栅极；MOS开关管M1的漏极连接电流控制环P1的输入端 VIN，源极连接电流控制环P1的输出端。

作为优选，所述减法器SUB接收第二运算放大器Gm的输出电压COMP，以及线电压采样网络300的采样电压VBS，并将两个电压做差处理。

作为优选，所述第二运算放大器Gm与环路补偿电容C1构成对LED电流进行积分的积分器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本发明公开了高效闭环线性LED恒流控制电路，并通过控制灯电流波形，使AC弦波电压刚刚高于灯电压时，灯电流最大，AC弦波电压越高，灯电流越小，大大提升效率；同时由于闭环控制，使输出LED平均电流又能保持恒定。

附图说明

图1是传统LED线性恒流控制电路图。

图2是传统LED线性恒流控制波形图。

图3是本发明一种高效闭环线性LED恒流控制电路图。

图4是实施例中高效闭环线性恒流控制各重要节点时序图。

图5是高效闭环线性恒流控制电路高VBS采样电压重要节点波形图。

图6是另一个实施例的高效闭环线性LED恒流控制电路图。

图中标记：100为整流桥，200为发光二极管群组，300为线电压电阻采样网络，400为基准电圧芯片。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图3所示，本实用新型一种高效闭环线性LED恒流控制电路，包括整流桥100、发光二极管群组200、电流控制环P1、闭环控制电路P和线电压电阻采样网络300；所述整流桥100，用于对交流电进行全波整流，并产生输出电压VBUS，经过发光二极管群组200为内部电路供电；所述电流控制环P1的输入端 VIN连接发光二极管群组200的负极；所述线电压电阻采样网络300，用于采样线电压，得到采样电压VBS；所述线电压电阻采样网络300包括串联的电阻RSUB1和电阻RSUB2；

所述闭环控制电路P包括基准电圧芯片400、第二运算放大器Gm、减法器SUB、环路补偿电容C1和电阻RCS；所述基准电圧芯片400的输入端连接电流控制环P1的输入端 VIN，基准电圧芯片400的输出端连接第二运算放大器Gm的同相输入端；所述第二运算放大器Gm的反向输入端连接电流控制环P1，输出端连接减法器SUB的A输入端，输出电压COMP；所述减法器SUB的B输入端连接线电压电阻采样网络300，输出端连接电流控制环P1，输出电压SUB_OUT；所述环路补偿电容C1一端与所述第二运算放大器Gm的输出端连接，另一端接地；所述电阻器RCS的一端与第二运算放大器Gm的反相输入端连接，另一端接地；所述闭环控制电路P，用来确定LED的平均电流ILEDAVG=VREF/RCS，其中VREF是第二运算放大器Gm的基准电圧，RCS是电阻器RCS的阻值。

在一个实施例中，所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的负极，另一端接地。

在实施例中，所述电流控制环P1包括第一运算放大器OP，第一运算放大器OP的同向输入端连接减法器输出电压SUB_OUT，反相输入端连接电阻RCS，输出端连接MOS开关管M1的栅极；MOS开关管M1的漏极连接输入端 VIN，源极连接输出端；所述电流控制环P1，确定单个周期LED导通时LED的电流ILEDSINGLE=VSUB_OUT/RCS，其中VSUB_OUT是减法器的输出电压，RCS是电阻器RCS的阻值。

在实施例中，所述减法器SUB接收第二运算放大器Gm的输出电压COMP，以及线电压电阻采样网络300的采样电压VBS，并将两个电压做差处理，得到VSUB_OUT，控制LED导通时的瞬态电流波形。

在实施例中，所述第二运算放大器Gm与环路补偿电容C1构成积分器；所述积分器，用于对LED电流进行积分。

如图4所示，在系统上电时，整流桥对交流电VAC进行全波整流，并产生输出电压VBUS，当VBUS电压大于发光二极管群组正向导通电压时，IC通过VIN脚取电，并开始工作，IC内部对VCOMP进行快速预充电，得到COMP的初始电压，COMP电压与VBS脚采样所得的VBS电压做减法处理，得到VSUB_OUT，由VSUB_OUT确定LED导通的电流大小：VSUBOUT=K(m*VCOMP-n*VBS)；

由线性电路的工作原理可知，系统的有效功率为PO=VLED*IO，而系统损耗等于PLOSS=（VBUS-VLED）*IO，当整流后的VBUS电压刚刚大于LED电压时，系统效率是最高的，当VBUS的电压达到峰值的时候，系统的损耗最高。

在LED导通时，即Ton时段内，环路补偿电容C1放电，导致VCOMP下降；而同时由于采样电压VBS随着输入电压VBUS升高而上升，根据减法器计算公式，减法器的输出电压VSUBOUT下降；又由于单个周期LED导通时LED的电流ILEDSINGLE=VSUB_OUT/RCS，LED的电流Io下降；所以LED的电流Io随着VBUS的升高而减小，随着VBUS的下降而增大。

在高效闭环线性LED恒流控制电路工作中，当VBUS电压刚刚达到LED电压时，通过减法器SUB将第二运算放大器Gm积分CS电压所得的输出电压VCOMP与线电压电阻采样网络300的采样电压VBS做相减处理，放大LED的导通电流；随着弦波电压的逐渐升高，将LED电流逐渐减小，当VBUS电压达到峰值点附近时，LED电流降到最小；随着弦波电压进一步越过峰值点开始下降，将LED的电流逐渐增大，当弦波电压降到LED电压附近时，LED电流达到最大。

在VBUS电压刚刚达到LED电压时，尽量放大LED的导通电流，使此时的LED有效功率在整个周期内的占比最高，而随着弦波电压的逐渐升高，LED电流逐渐减小，当VBUS电压达到峰值点附近时，LED电流降到最小，根据有损耗的公式可知，这样可以最大程度的减小损耗，从而达到在整个周期内提升系统效率的目的。

在实施例中，电流控制环P1和闭环控制电路P封装在单个芯片IC上，VIN、IS、GND、COMP、VBS代表芯片IC管脚；环路补偿电容C1和电阻器Rcs可以封装在IC中，也可以设置在芯片外。

如图5图所示，在实施例中还可以通过调整线电压电阻采样网络采样的电压VBS的大小，即调整采样电阻网络RSUB1与RSUB2的比例，来调整提升效率的幅度；当VBS采样的电压足够大时，减法器输出电压会在峰值点附近降到零，LED导通电流仅限于LED刚刚导通时的一段时间内，同时由于MOS的导通能力限制，电路内部会限制SUB_OUT电压的最高值；由线性工作原理可知：VBS采样电压越高，系统的效率越高。

如图6所示，在另一个实施例中，所述线电压电阻采样网络300一端连接发光二极管群组200的正极，另一端接地。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。