專利名稱：一種高效率的led驅動電路及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及電子技術領域，更具體的說，涉及一種應用于LED裝置的驅動電路及其驅動方法。
背景技術：
隨著照明行業的不斷創新和迅速發展，加之節能和環保日益重要，LED照明作為一種革命性的節能照明技術，正在飛速發展。然而，由于LED燈的亮度與光輸出強度參數相關，其與它的電流及正向壓降成正比，并隨溫度變化而變化。因此，LED的驅動需要恒流電源，以保證LED使用的安全性，同時達到理想的發光強度。可見，選擇正確的LED驅動至關重要。沒有好的LED驅動電源的匹配，LED照明的優勢無法得以體現。現有技術中，通常采用兩種類型的功率調節器來作為LED驅動器，一種是線性調節器，另一種是開關型調節器。參考圖1A，所示為現有技術中的一種采用線性調節器的LED驅動器的原理框圖，其包括功率開關Ml，誤差放大器EAl和檢測電阻Rsensel。檢測電阻Rsensel采樣功率開關Ml的輸出電流，并與一基準值Vkefi通過所述誤差放大器EAl進行誤差放大運算，以得到一誤差信號VCTral。功率開關Ml接收直流母線電壓Vbus和所述誤差信號VCTral，以產生基本恒定的輸出電壓和輸出電流來驅動LED裝置?？梢?，采用線性調節器的LED驅動器，電路結構相對簡單，元器件較少，成本也較??；但是，這種LED驅動器的效率很低。例如，輸入交流電壓的范圍為90-265V，經過整流橋獲得的直流母線電壓的范圍約為120V —375V。因此，所述LED裝置的驅動電壓不能大于最小母線電壓(即120V)，顯然，對375V的直流母線電壓(交流而言，所產生的功率損耗是非常大的，效率將會低于35%。參考圖1B，所示為現有技術中的一種采用開關型調節器的LED驅動器的原理框圖；其中，功率開關M2，輸出電感Li，輸出二極管Dl組成一降壓型拓撲結構；檢測電阻Rsense2采樣流過所述LED裝置的電流，并與一基準值Vkef2進行誤差運算，以得到一誤差信號Vctm2 ；控制和驅動電路接收所述誤差信號Votot2,以產生相應的驅動信號來驅動功率開關M2，使其周期性的導通或者關斷，從而輸出一基本恒定的輸出電壓和輸出電流來驅動LED裝置。如果不考慮功率開關和磁性元件(電感)上的導通損耗，開關型調節器理論上可以達到接近100%的工作效率。但是，開關型調節器的工作頻率很高，因此EMI濾波電路是必不可少的。因此，相比于線性調節器，開關型調節器的元器件數目較多，尺寸較大，成本也相對較高。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種采用新型的LED驅動器，其只采用一個功率開關；根據輸入電壓與驅動電壓之間的數值關系，選擇性的輸出相應的輸出電流；當輸入電壓較高時，則在滿足調節要求的情況下盡可能的使輸出電流最小化；當輸入電壓較小時，在導通壓降較小的情況下，輸出電流可以相對大一些。依據一種高效率的LED驅動方法，用以驅動一 LED裝置，包括接收一直流母線電壓，所述直流母線電壓由交流輸入電源經過整流獲得；
一功率開關接收所述直流母線電壓，并產生一驅動電壓，來驅動所述LED裝置；采樣所述LED裝置的驅動電壓；比較所述直流母線電壓和所述驅動電壓與第一基準電壓之和；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，控制所述功率開關，以產生第一輸出電流；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓而小于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，控制所述功率開關，以產生第二輸出電流；所述第一輸出電流和所述第二輸出電流的平均電流與所述LED裝置所需的驅動電流相匹配。進一步的，所述第一輸出電流的產生步驟還包括采樣所述功率開關的輸出電流，并獲得一平均電流；比較平均電流和一基準電流值以獲得一誤差控制信號，當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，根據所述誤差控制信號控制所述功率開關，以調節所述第一輸出電流。優選的，所述第一輸出電流小于所述LED裝置所需的驅動電流的1%。優選的，所述第二輸出電流為一恒定值。優選的，所述第一基準電壓為0. 1V-10V。依據本發明的一種高效率的LED驅動電路，包括一功率開關，以接收一直流母線電壓，并產生驅動電壓和驅動電流來驅動一 LED裝置，包括，第一比較電路，用以比較接收到的直流母線電壓、所述驅動電壓和第一基準電壓源之和，以產生第一控制信號；控制和驅動電路，與所述第一比較電路連接，以接收所述第一控制信號；并且接收表征當前所述驅動電流的第二控制信號；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓并且小于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述第一控制信號控制所述控制和驅動電路工作于第二工作模式，從而驅動所述功率開關以產生第二輸出電流；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述第一控制信號控制所述控制和驅動電路工作于第一工作模式，從而根據所述第二控制信號驅動所述功率開關以產生第一輸出電流，并且保證所述第一輸出電流和所述第二輸出電流的平均電流與所述LED裝置所需的驅動電流相匹配。進一步的，所述控制和驅動電路包括檢測電路、反饋控制電路和驅動電路；其中，所述檢測電路連接在所述功率開關和所述LED裝置之間，用以檢測所述功率開關的輸出電流；所述反饋控制電路，分別與所述檢測電路和所述第一比較電路連接，以根據接收到的表征當前所述驅動電流的第二控制信號和所述第一控制信號，以產生相應的反饋電壓
信號；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓并且小于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述反饋電壓信號為第二輸出電壓；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述反饋電壓信號為第一輸出電壓；所述驅動電路，包括第一誤差放大器，以接收所述反饋控制電路的反饋電壓信號，以相應的驅動所述功率開關以分別產生所述第一輸出電流和所述第二輸出電流。進一步的，所述反饋控制電路包括第二誤差放大器和選擇開關；其中，所述第二誤差放大器的兩個輸入端分別接收所述功率開關的輸出電流的平均值和第二基準電壓源，以對產生第三控制信號，所述第二基準電壓源表征所述LED裝置的期望驅動電流；所述選擇開關的第一端連接至所述第二誤差放大器的輸出端，以接收所述第二誤差放大器輸出的第三控制信號，其狀態由所述第一控制信號控制；當處于第二工作模式時，所述第一控制信號控制所述選擇開關閉合時，所述反饋電壓信號為所述第二誤差放大器輸出的第三控制信號，以作為所述第二輸出電壓；當處于第一工作模式時，所述第一控制信號控制所述選擇開關斷開時，所述反饋電壓信號為第三基準電壓源，以作為所述第一輸出電壓。優選的，所述第一輸出電流小于所述LED裝置所需的驅動電流的1%。優選的，所述第二輸出電流恒定。依照本發明所公開的高效率的LED驅動器和驅動方法，根據輸入電壓與驅動電壓之間的數值關系，選擇性的輸出相應的輸出電流，以實現最大的工作效率；同時，主電路結構相對簡單，不再需要復雜的電磁干擾濾除電路，尺寸和成本相對也得到了較好的優化。


圖IA所示為采用現有技術的一種線性調節器的LED驅動器的原理框圖；圖IB所示為采用現有技術的一種開關型調節器的LED驅動器的原理框圖；圖2A所示為依據本發明一實施例的高效率的LED驅動電路的原理框圖；圖2B所示為圖2A所示的依據本發明的LED驅動電路的工作波形圖；圖3A所示為依據本發明另一實施例的高效率的LED驅動電路的原理框圖；圖;3B所示為圖3A所示的LED驅動電路中的反饋控制電路的一實施例的原理框圖；圖4所示為依據本發明的一優選實施例的高效率的LED驅動方法的流程框圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明并不僅僅限于這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。以下結合具體實施例詳細說明依據本發明的LED驅動電路的實現方式。參考圖2A，所示為依據本發明的第一實施例的高效率的LED驅動電路的原理框圖。在該實施例中，所述LED驅動電路包括功率開關SM，輸出電容C。ut，第一比較電路201以及控制和驅動電路202 ；其中，所述功率開關、第一功率端耦合至直流母線電壓Vbus (輸入電壓)的第一端，第二功率端耦合至LED裝置的第一端，所述直流母線電壓Vbus由輸入交流電壓經過整流橋獲得；所述輸出電容C。ut與所述LED裝置并聯連接，并且其第一端耦合至功率開關、的第二功率端，第二端耦合至所述直流母線電壓Vbus的第二端；所述第一比較電路201的第一輸入端接收所述直流母線電壓Vbus，第二輸入端接收所述LED裝置的驅動電壓Vmi和一第一基準電壓VMfl的和值；所述控制和驅動電路202分別接收所述第一比較電路201輸出的第一控制信號Vcl和表征當前所述LED裝置的驅動電流Imi的第二控制信號Vsmse，以產生相應的驅動信號Vdrive來驅動所述功率開關、。以下結合圖2B所示的圖2A所示的LED驅動電路的工作波形圖詳細說明依據本發明的圖2A所示的LED驅動電路的工作過程。當所述直流母線電壓Vbus大于所述驅動電壓V·而小于所述驅動電壓Vmi和第一基準電壓VMfl之和時，所述第一比較電路201輸出的第一控制信號Vcl處于高電平，并傳遞至控制和驅動電路202 ；此時，控制和驅動電路202產生的驅動信號Vtoive控制所述功率開關、輸出一恒定的第二輸出電流I2 ；在半個工作周期T/2內，第二輸出電流I2的持續時間2Xti ；當所述直流母線電壓Vbus大于所述驅動電壓Vmi和第一基準電壓VMfl之和時，所述第一比較電路201輸出的第一控制信號Vel處于低電平，并傳遞至控制和驅動電路202 ；然后，控制和驅動電路202根據接收到的表征當前驅動電流Imi的第二控制信號Vsmse以產生相應的驅動信號Vtoire來驅動功率開關、，從而使功率開關、輸出的第一輸出電流I1能夠根據所述第二控制信號Vsense進行適應性變化；并且，保證所述第一輸出電流I1和第二輸出電流I2的平均值與所述LED裝置所需的驅動電流Imi —致；在半個工作周期T/2內，第一輸出電流I1的持續時間為t2 ；當所述直流母線電壓Vbus小于所述驅動電壓Vmi時，所述LED驅動電路不工作，即此時功率開關、的輸出電流為零。采用圖2A所示的依據本發明的LED驅動電路，在直流母線電壓即輸入電壓較小時，保證功率開關具有最小的電壓降，并且保證功率開關的輸出電流維持一恒定值；而在直流母線電壓較大時，使所述功率開關的輸出電流能夠滿足適應當前驅動電流的優化的最小值，因此與現有技術中采用線性調節器的LED驅動器相比，其工作效率大大提升。為了更好的實現較高的工作效率，所述第一輸出電流小于所述LED裝置所需的驅動電流的1%，如可以選擇為小于ImA ；所述第一基準電壓的數值可以為0. 1V-10V。例如，假設LED裝置的驅動電壓V· = 120V,直流母線電壓的峰值Vpk = 240V, LED裝置的驅動電流為I^1 = IOOmA ；則對采用線性調節器的LED驅動器而言(如圖1A)，其工作效率為/7^^ = 50% (1)
bus而對采用本發明的LED驅動方法的LED驅動電路而言，假設第一基準電壓的數值為2. 4V，則驅動電流I·可以表示為I2x(2xtl) I xt2 τ
+ = (2)由于，第一輸出電流I1遠遠小于第二輸出電流12，所以驅動電流I·可以近似表示為
4 χ Z9 χ Z1 r_J-^. ^ Iled ( 3 )輸入功率Pin可以表示為
_7] Pm = 4x1 廣 X{Vled + Kefl/2) = Iled χ(Vled + Vrefl/2) (4)所以采用本發明的LED驅動方法的LED驅動電路，其工作效率為η 2 = Vled X ILED/Pin = Vled/ (VLED+Vrefl/2) ^ 99% (5)由于第一基準電壓VMfl的數值相對于驅動電壓V_，所以工作效率近似可以達到100%，獲得了遠遠高于現有技術的LED驅動方法的效率。參考圖3A，所示為依據本發明的第二實施例的LED驅動電路的原理框圖。在圖2A所示的LED驅動電路的結構的基礎上，在該實施例中，所述LED驅動電路包括功率開關、，輸出電容C。ut，第一比較電路301以及控制和驅動電路302 ；其中，控制和驅動電路302包括反饋控制電路303，第一誤差放大器304和檢測電路305。所述檢測電路305的A端耦合至功率開關、的第二功率端，B端耦合至輸出電容
Cout的第一端；所述反饋控制電路303分別接收第一比較電路301輸出的第一控制信號Vel和表征當前驅動電流U信息的第二控制信號Vsmse,以產生一變化的反饋電壓信號Vfb ；所述第一誤差放大器304的第一輸入端接收表征當前驅動電流I·信息的第二控制信號Vsmse,第二輸入端接收所述反饋控制電路303輸出的反饋電壓信號Vfb。其工作過程如下當所述直流母線電壓Vbus大于所述驅動電壓V·而小于所述驅動電壓Vmi和第一基準電壓之和時，第一控制信號Vca為高電平信號；此時，反饋控制電路303輸出的反饋電壓信號Vfb為一固定值；第一誤差放大器304根據接收到的第二控制信號Vsense和反饋電壓信號Vfb產生相應的驅動信號來驅動所述功率開關SM，使得功率開關、的輸出電流為一恒定值，即第二輸出電流I2 ；此時，功率開關、的導通壓降較小，因此，所產生的功率損耗相對也較小。當所述直流母線電壓Vbus大于所述驅動電壓Vmi和第一基準電壓VMfl之和時，第一控制信號Vcl為低電平信號；此時，反饋控制電路303根據接收到的第二控制信號Vs_以調節所述反饋電壓信號Vfb ；第一誤差放大器304根據接收到的第二控制信號Vsense和反饋電壓信號Vfb產生相應的驅動信號來驅動所述功率開關SM，進而調節功率開關、的輸出電流，即第一輸出電流I1 ；并且，保證第一輸出電流I1和第二輸出電流I2的平均值與所述LED裝置所需的驅動電流I·相匹配；此時，雖然輸入電壓較高，但是第一輸出電流數值很小，所以功率損耗較小。其中，為了更好的實現較高的工作效率，所述第一輸出電流小于所述LED裝置所
8需的驅動電流的1%，如可以選擇為小于1mA，遠遠小于第二輸出電流；所述第一基準電壓的數值可以為0. 1V-10V。采用圖3A所示的依據本發明的LED驅動電路，檢測電路305可以為電阻或者其他可以具有類似功能的元器件或者電路模塊；功率開關、可以為MOSFET晶體管或者其他合適的開關管；反饋控制電路303可以為任何合適形式的控制電路結構。本領域技術人員可以輕易獲知，反饋控制電路303也可以包括波形整形電路，以來降低輸入信號的諧波分量。參考圖3B，所示為圖3A所示的LED驅動電路中反饋控制電路303的一具體實施例的原理框圖。在該實施例中，采用檢測電阻Rsmse來實現檢測電路305，所述反饋控制電路303包括第二誤差放大器306，選擇開關Q1，第二基準電壓源V,ef2和第三基準電壓源VMf3 ；其中，第二誤差放大器306的第一輸入端連接至檢測電阻的A端，第二輸入端接收檢測電阻的B端電壓和第二基準電壓源VMf2的電壓之和；第三輸入端連接至檢測電阻Rsmse的B端；所述第二基準電壓源Vref2表征LED裝置的期望驅動電流I·；通過這種實現方式，第二誤差放大器306將數值為的電壓與第二基準電壓源Vref2之間的誤差進行放大，以產生表征當前驅動電流與期望驅動電流之間的差異的第三控制信號V。2 ；所述選擇開關Ql的第一端與第二誤差放大器306的輸出端連接，并且，第一控制信號Vca的非信號控制選擇開關的狀態；第三基準電壓源V,ef3可以直接或者通過一電阻并聯連接在選擇開關Ql的C端和檢測電阻Rse■的B端之間；其工作過程如下當所述直流母線電壓Vbus大于所述驅動電壓V·而小于所述驅動電壓Vmi和第一基準電壓VMfl之和時，所述第一控制信號Vca為高電平信號；此時，選擇開關Ql處于斷開狀態，C端和B端之間的電壓即反饋電壓信號Vfb為第三基準電壓源Vref3 ；然后，第一誤差放大器304根據接收到的第二控制信號Vsense和反饋電壓信號Vfb產生相應的驅動信號來驅動所述功率開關、，使得功率開關、的輸出電流為一恒定值，即第二輸出電流12，其數值可以表示為
權利要求
1.一種高效率的LED驅動方法，用以驅動一 LED裝置，其特征在于，包括接收一直流母線電壓，所述直流母線電壓由交流輸入電源經過整流獲得；一功率開關接收所述直流母線電壓，并產生一驅動電壓，來驅動所述LED裝置；采樣所述LED裝置的驅動電壓；比較所述直流母線電壓和所述驅動電壓與第一基準電壓之和；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，控制所述功率開關，以產生第一輸出電流；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓而小于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，控制所述功率開關，以產生第二輸出電流；所述第一輸出電流和所述第二輸出電流的平均電流與所述LED裝置所需的驅動電流相匹配。
2.根據權利要求1所述的LED驅動方法，其特征在于，還包括采樣所述功率開關的輸出電流，并獲得一平均電流；比較平均電流和一基準電流值以獲得一誤差控制信號，當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，根據所述誤差控制信號控制所述功率開關，以調節所述第一輸出電流。
3.根據權利要求1所述的LED驅動方法，其特征在于，所述第一輸出電流小于所述LED裝置所需的驅動電流的1%。
4.根據權利要求1所述的LED驅動方法，其特征在于，所述第二輸出電流為一恒定值。
5.根據權利要求1所述的LED驅動方法，其特征在于，所述第一基準電壓為0.IV-IOV0
6.一種高效率的LED驅動電路，包括一功率開關，以接收一直流母線電壓，并產生驅動電壓和驅動電流來驅動一 LED裝置，其特征在于，包括，第一比較電路，用以比較接收到的直流母線電壓、所述驅動電壓和第一基準電壓源之和，以產生第一控制信號；控制和驅動電路，與所述第一比較電路連接，以接收所述第一控制信號；并且接收表征當前所述驅動電流的第二控制信號；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓并且小于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述第一控制信號控制所述控制和驅動電路工作于第二工作模式，從而驅動所述功率開關以產生第二輸出電流；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述第一控制信號控制所述控制和驅動電路工作于第一工作模式，從而根據所述第二控制信號驅動所述功率開關以產生第一輸出電流，并且保證所述第一輸出電流和所述第二輸出電流的平均電流與所述LED裝置所需的驅動電流相匹配。
7.根據權利要求6所述的LED驅動電路，其特征在于，所述控制和驅動電路包括檢測電路、反饋控制電路和驅動電路；其中，所述檢測電路連接在所述功率開關和所述LED裝置之間，用以檢測所述功率開關的輸出電流；所述反饋控制電路，分別與所述檢測電路和所述第一比較電路連接，以根據接收到的表征當前所述驅動電流的第二控制信號和所述第一控制信號，以產生相應的反饋電壓信號；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓并且小于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述反饋電壓信號為第二輸出電壓；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓和第一基準電壓源之和時，所述反饋電壓信號為第一輸出電壓；所述驅動電路，包括第一誤差放大器，以接收所述反饋控制電路的反饋電壓信號和所述第二控制信號，來驅動所述功率開關以相應的產生所述第一輸出電流和所述第二輸出電流。
8.根據權利要求7所述的LED驅動電路，其特征在于，所述反饋控制電路包括第二誤差放大器和選擇開關；其中，所述第二誤差放大器的兩個輸入端分別接收所述功率開關的輸出電流的平均值和第二基準電壓源，以產生第三控制信號，所述第二基準電壓源表征所述LED裝置的期望驅動電流；所述選擇開關的第一端連接至所述第二誤差放大器的輸出端，以接收所述第二誤差放大器輸出的第三控制信號，其狀態由所述第一控制信號控制；當處于第二工作模式時，所述第一控制信號控制所述選擇開關閉合時，所述反饋電壓信號為所述第二誤差放大器輸出的第三控制信號，以作為所述第二輸出電壓；當處于第一工作模式時，所述第一控制信號控制所述選擇開關斷開時，所述反饋電壓信號為第三基準電壓源，以作為所述第一輸出電壓。
9.根據權利要求6所述的LED驅動電路，其特征在于，所述第一輸出電流小于所述LED裝置所需的驅動電流的1%。
10.根據權利要求6所述的LED驅動電路，其特征在于，所述第二輸出電流恒定。
全文摘要
依據本發明的一種高效率的LED驅動方法，用以驅動一LED裝置，包括接收直流母線電壓，所述直流母線電壓由交流輸入電源經過整流獲得；一功率開關接收所述直流母線電壓，并產生一驅動電壓，來驅動所述LED裝置；采樣所述LED裝置的驅動電壓；比較所述直流母線電壓和所述驅動電壓與第一基準電壓之和；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，控制所述功率開關，以產生第一輸出電流；當所述直流母線電壓大于所述驅動電壓而小于所述驅動電壓與第一基準電壓之和時，控制所述功率開關，以產生第二輸出電流；所述第一輸出電流和所述第二輸出電流的平均電流與所述LED裝置所需的驅動電流相匹配。
文檔編號H05B37/02GK102573235SQ20121000680
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者陳偉 申請人:杭州矽力杰半導體技術有限公司