專利名稱：Led照明驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種驅(qū)動電路，具體的說是一種 LED照明驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
LED照明以其高效節(jié)能，環(huán)保無污染、視覺效果好、長壽命、無 頻閃等諸多優(yōu)點正在逐步取代大多傳統(tǒng)照明方式成為照明技術(shù)發(fā)展 的主流。 一般的LED燈具都是將很多LED燈珠集中在一起，做成與傳 統(tǒng)燈具相近的式樣，如LED日光燈、LED吸頂燈、LED射燈之類。然 而在LED照明的技術(shù)領(lǐng)域，還存在許多問題阻礙了 LED照明的普及應(yīng) 用，這些問題包括發(fā)熱引起LED發(fā)光效率降低，驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換效率低、 可靠性低，如散熱問題及轉(zhuǎn)換效率問題。
散熱問題大多數(shù)LED燈具將成百上千個LED小燈珠集中在一個 小范圍，雖然LED的發(fā)熱量要比其它照明燈具小，但是因為半導(dǎo)體器 件耐高溫性能差，幾十度的溫升對于傳統(tǒng)燈具不成問題，而對LED器 件卻足以使其發(fā)光效率很快降低。現(xiàn)在市場上大多數(shù)的LED燈具由于 其發(fā)光效率降低很快，根本不能體現(xiàn)LED長壽命的優(yōu)點，很多甚至比 一般的傳統(tǒng)燈具壽命還短。
轉(zhuǎn)換效率問題LED照明系統(tǒng)可以有許多不同的電源驅(qū)動，有交 流市電、低壓交流電，汽車蓄電池、太陽能電池等。 一般室內(nèi)照明方 式均釆用交流市電供電。LED作為發(fā)光的二極管，其電氣特性與二極 管一致，它的非線性使得通過LED的電流對正向電壓非常敏感，微小 的電壓增量就可能引起電流的急劇上升， 一般來說通過控制電壓的方
法是不可取的，需要采用恒流驅(qū)動，特別是需要考慮電源電壓波動的 情況下。
采用交流市電供電的LED驅(qū)動電路最簡單的方案莫過于電容降 壓整流的電路了，但是這種電路開啟時的沖擊電流會損壞所有的LED， 事實證明是不可行的方案。
還有就是整流后用電阻限流的方案，這種方案不僅電流控制能力 很差，而且大量的電能消耗在電阻上，效率低且發(fā)熱量大，雖可點亮 LED，不可實用。
以上兩種方式雖也有人申請了專利，但技術(shù)極為原始，思路簡單， 既無新穎性，更無實用性。要實現(xiàn)LED的發(fā)光驅(qū)動，至少要保證其電 流的穩(wěn)定而不受某些因素的影響，如電源電壓波動，溫度變化及LED 自身的溫升，LED正向壓降的差異等，現(xiàn)有的LED驅(qū)動器無非是以下 的集中方式降壓穩(wěn)壓(穩(wěn)流)方式，高壓整流線性恒流源方式，高 壓開關(guān)電源方式。
申請?zhí)枮?00710049183.6的專利申請公開了一種降壓后線性穩(wěn) 壓的方案，該方案采用開關(guān)電源產(chǎn)生幾十伏的直流電壓，然后用一個 三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)。采用降壓方式供電時，其電能經(jīng)過降壓、穩(wěn)壓、恒 流多次轉(zhuǎn)換后各個環(huán)節(jié)均消耗很多電能，轉(zhuǎn)換效率比較低， 一般只適 用于需重點考慮安全性要求低壓供電的場合，或者需要與其它低壓直 流電源替換使用的場合。
直接使用交流市電整流的高壓直流實現(xiàn)恒流驅(qū)動的方案見于申 請?zhí)枮?00610017796. 7，公開號為CN101076213A的發(fā)明專利，以及 專利號為200420040554.6、 200420067198. 7的實用新型專利。此類 電路結(jié)構(gòu)原理非常簡單，也可以實現(xiàn)恒流驅(qū)動的目的，對于電源電壓 波動很小的供電電源，也可以做到一定的效率，但是如果想要適應(yīng)一
定的電壓范圍，其效率就會大大降低。
更為合理的設(shè)計是根據(jù)成熟的交流/直流開關(guān)電源方案修正來實
現(xiàn)的。申請?zhí)枮?00720118233. 7，(大功率LED驅(qū)動電路)的實用新 型專利就是這樣一種電路，實際上很多開關(guān)電源集成電路生產(chǎn)廠家都 公布了相應(yīng)的電路，如附圖1就是一例。這一類電路有如下三個問題: 第一是開關(guān)電源本身的效率就不是很高， 一般較好的開關(guān)電源方案的 效率也就是80%左右。第二這種方案還是采用穩(wěn)壓的控制方式方式來 穩(wěn)定電流，所以電流穩(wěn)定的效果不是太好。第三就是這種電路可驅(qū)動 的LED數(shù)量較少，通常只能達(dá)到數(shù)十個。
一個應(yīng)用于普通照明的LED驅(qū)動電路應(yīng)符合以下的要求 直接接入當(dāng)今照明的電源絕大多數(shù)都是使用市電交流電，為此 而設(shè)計的燈具就應(yīng)該不經(jīng)過任何變壓或變頻就可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)的 交流電源；
恒流驅(qū)動LED發(fā)光與驅(qū)動電流相關(guān)，而LED的電流與電壓呈非 線性關(guān)系，只有控制電流才能控制LED的發(fā)光性能；
高效率驅(qū)動器應(yīng)該將盡可能多的能量用于LED的驅(qū)動，而不是 自身消耗太多的能量，這樣才能發(fā)揮LED照明高效節(jié)能的優(yōu)勢；
驅(qū)動能力強與應(yīng)用于其他領(lǐng)域的LED不同，用于照明的LED必 須通過適當(dāng)?shù)慕M合以得到較大的功率，因而要求其驅(qū)動器能夠提供足 夠的驅(qū)動能力，特別是對于小功率LED驅(qū)動而言，驅(qū)動數(shù)百以至數(shù)千 個LED也是必要的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點， 提出一種符合以上LED照明要求的，可以驅(qū)動數(shù)百以至數(shù)千個小功率 LED燈珠，且效率可以達(dá)到95%以上的，直接使用市電交流電源的LED
照明驅(qū)動電路。
本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是LED照明驅(qū)動電路，包
括一個適合于直接接入市電的二極管整流橋， 一個濾波電容， 一個脈 寬調(diào)制開關(guān)芯片， 一個儲能電感， 一個高反壓快恢復(fù)二極管， 一個電
流采樣電阻， 一個反饋電路， 一個脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)芯片供電電 路，和串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，輸入交流電經(jīng)二極管整流橋及濾波電 容轉(zhuǎn)換成直流電，脈寬調(diào)制開關(guān)芯片產(chǎn)生開關(guān)脈沖，經(jīng)儲能電感升壓 后通過高反壓快恢復(fù)二極管直接驅(qū)動串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，由電流 采樣電阻采集的負(fù)載電流信息經(jīng)反饋電路控制脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的 脈沖寬度。
反饋電路為一個反相放大器，反相放大器是三極管、光偶或運算 放大器。儲能電感與脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的供電電路共用一個小型變壓 器，所述變壓器的初級作為儲能電感，次級耦合出少量的高頻電能經(jīng) 整流后供給脈寬調(diào)制開關(guān)芯片。脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的供電電流也可以 從串聯(lián)發(fā)光二極管陣列中的與脈寬調(diào)制開關(guān)芯片工作電壓范圍一致 的節(jié)點引出。在一路恒流驅(qū)動的電流采樣信號上附加另外一路以上的 由一個三極管和一個反饋電阻組成的電流反饋恒流驅(qū)動器，使得每一 路附加的驅(qū)動器都可以獲得與完整驅(qū)動電路相同的驅(qū)動能力。
串聯(lián)發(fā)光二極管陣列中，串聯(lián)發(fā)光二極管的數(shù)目N符合以下式 (市電電壓最大值X 1.4 +平均單個二極管正向壓降)《N 《(市電電壓最小值X 4 +平均單個二極管正向壓降)。
即串聯(lián)LED的最小數(shù)目應(yīng)滿足所有串聯(lián)LED的總額定電壓應(yīng)大 于輸入電源整流后直流電平的最大值。例如設(shè)計允許輸入交流電壓 最大值為265VAC，則整流后最大直流電平為265X1. 414=375VDC;平 均單個LED額定電壓為3.3V，則串聯(lián)LED的最小數(shù)目為114個。可
串聯(lián)的LED個數(shù)的最大數(shù)目理論上沒有確切的限制，但實踐中要受到 諸多電路元件參數(shù)的限制，主要包括整流二極管的耐壓、濾波電容
的耐壓、儲能電感的Q值、以及開關(guān)電路的耐壓、導(dǎo)通電阻、上升下 降時間、開關(guān)頻率、最大導(dǎo)通電流等。如果各項器件的耐壓指標(biāo)滿足 的情況下，通過實驗和經(jīng)驗估算可得到一個串聯(lián)LED最大數(shù)目的經(jīng)驗 公式所有串聯(lián)LED的總額定電壓應(yīng)不大于輸入交流電壓最小值的4 倍。例如輸入最小電壓為165VAC，平均單個LED額定電壓為3.3V， 則串聯(lián)LED的最大數(shù)目為200個。
本發(fā)明區(qū)別于其它驅(qū)動電路的一個顯著的特征在于沒有使用高 頻變壓器作為能量傳輸器件，而是直接將電感電流關(guān)斷時所產(chǎn)生的反 向電動勢經(jīng)二極管整流來驅(qū)動LED。所以LED串聯(lián)回路與電網(wǎng)是非隔 離的。
本發(fā)明區(qū)別于其它驅(qū)動電路的另一個顯著的特征在于直接利用 串聯(lián)在LED回路中的電流傳感器采集LED串聯(lián)回路的電流值轉(zhuǎn)換成 PWM的控制信號，從而更為準(zhǔn)確地控制LED的驅(qū)動電流，而不是像其 它驅(qū)動電路通過控制電壓的穩(wěn)定性來實現(xiàn)LED驅(qū)動電流的恒定。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明所提供的LED驅(qū)動電路可以用于驅(qū)動數(shù) 瓦直到數(shù)百瓦的LED照明系統(tǒng)，無論是使用小功率LED組合還是大功 率LED組合，這些LED照明系統(tǒng)包括但不限于LED路燈、隧道燈、 景觀燈、射燈、吸頂燈等等，可以有效地提高整個照明系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明還有以下優(yōu)點(l)轉(zhuǎn)換效率高，本發(fā)明的各實施例所提供 的驅(qū)動裝置，經(jīng)測試其轉(zhuǎn)換效率均可達(dá)到95%以上，比其它驅(qū)動電路 方案提高20%以上。(2)驅(qū)動能力強，單個驅(qū)動裝置就可以驅(qū)動114個 到200個不同功率的LED，最大驅(qū)動能力可達(dá)數(shù)百瓦。利用本發(fā)明所 提供的擴(kuò)展輸出，也可以驅(qū)動2000個以上的小功率LED陣列。可以
滿足當(dāng)前絕大多數(shù)LED照明應(yīng)用需求。(3)控制精度高，照明LED驅(qū)動 的關(guān)鍵在于電流恒定，本發(fā)明直接采集LED回路電流信號實現(xiàn)脈寬調(diào) 制，對于輸入電壓、溫度等環(huán)境的波動均可以自動適應(yīng)。
圖1現(xiàn)有的一種LED驅(qū)動電路電路圖。 圖2是本發(fā)明的原理框圖。 圖3是本發(fā)明實施例一的電路圖。 圖4是本發(fā)明實施例二的電路圖。 圖5是本發(fā)明實施例三的電路圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的原理如圖2所示，LED照明驅(qū)動電路，包括一個適合于 直接接入市電的二極管整流橋， 一個濾波電容， 一個脈寬調(diào)制開關(guān)芯 片， 一個儲能電感， 一個高反壓快恢復(fù)二極管， 一個電流采樣電阻， 一個反饋電路， 一個脈寬調(diào)制開關(guān)芯片供電電路，和串聯(lián)的發(fā)光二極 管陣列，輸入交流電經(jīng)二極管整流橋及濾波電容轉(zhuǎn)換成直流電，脈寬 調(diào)制開關(guān)芯片產(chǎn)生開關(guān)脈沖，經(jīng)儲能電感升壓后通過高反壓快恢復(fù)二 極管直接驅(qū)動串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，由電流采樣電阻采集的負(fù)載電 流信息經(jīng)反饋電路控制脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的脈沖寬度。輸入交流電經(jīng) 整流橋及濾波電容轉(zhuǎn)換成直流電，脈寬調(diào)制開關(guān)電路產(chǎn)生數(shù)十到數(shù)百 KHz的開關(guān)脈沖，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，儲能電感由于電流增加而儲存電能， 儲能的時間由電流檢測及反饋控制電路所控制；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，由于 流過儲能電感的電流瞬間減小，儲能電感將產(chǎn)生一個反向電動勢，使 其與開關(guān)連接點的電壓瞬間升高到超過LED陣列的導(dǎo)通電壓，高頻整 流電路導(dǎo)通，使得LED被點亮，同時向濾波電容充電。流過LED的電 流被電流檢測及反饋控制電路檢測并根據(jù)PWM開關(guān)電路的控制要求 形成反饋控制信號控制P簡開關(guān)電路的開關(guān)脈沖寬度以調(diào)節(jié)LED電流
的大小。PWM開關(guān)電路的電源由供電電路提供。
實施例一
附圖3是一種小功率的驅(qū)動電路，其標(biāo)示的器件參數(shù)適合于驅(qū)動 140到180個額定電流為20mA的串聯(lián)小功率LED。
整流橋DB1和電容Cl對交流市電整流濾波產(chǎn)生直流電平，PWM 開關(guān)電路Ul選用FSDM07652開關(guān)電源芯片，其開關(guān)頻率為66KHz， Ll是儲能電感，主要功能如前所述的儲能，但在本實施例中另外附 加了一個次級線圈耦合出部分電能經(jīng)整流后向PWM開關(guān)芯片供電。肖 特基二極管DA4與高壓電容C4組成髙頻整流與濾波電路，當(dāng)開關(guān)電 路關(guān)斷時，儲能電感所產(chǎn)生的反向電動勢使得DA4導(dǎo)通向LED回路供 電，同時向C4充電，DA4關(guān)斷后C4繼續(xù)向LED回路供電。FSDM07652 幵關(guān)電源芯片的FB端為脈寬調(diào)制的控制端，在其有效范圍內(nèi)控制端 電壓越高，開關(guān)脈沖寬度越寬，由此要求控制端信號與LED電流信號 反相。Tl、 R2、 R3共同組成了電流檢測與反饋控制電路，電阻R3串 聯(lián)在LED回路中，其電壓與LED回路電流成正比，該電壓經(jīng)T1反相 作為PWM控制信號。
如果需要改變驅(qū)動電流，只需要改變電流檢測電阻R3的阻值即 可，如果要求變化較大，還需要相應(yīng)改變R2和L1。 實施例二
附圖4是另一種方式的驅(qū)動電路，其標(biāo)示的器件參數(shù)適合于驅(qū) 動100到160個額定電壓為3. 8V、額定電流為350mA的大功率LED 串聯(lián)回路。
如附圖4, P麗開關(guān)芯片Ul選用T0P227Y，工作頻率為100KHz， 該芯片的一個顯著的特點是工作時芯片的供電和脈寬控制均由控制
端C端口實現(xiàn)，且控制信號要求與LED回路電流同相，如此可以大大 簡化電路。T0P227的工作電壓Vc為5. 7V，工作電流約4mA，當(dāng)Vc 升高時，開關(guān)脈沖寬度減小，使得輸出驅(qū)動電流減小。為此電流采樣 電阻在LED回路中產(chǎn)生約6. 4V的電壓，經(jīng)二極管DA2向Ul供電，同 時控制開關(guān)脈寬。
本實施例的優(yōu)點是電壓適應(yīng)范圍大，電路簡單，驅(qū)動能力強， 但是由于控制端要求電壓較高，電流檢測電阻消耗的功率較大，將帶 來額外約1%的損耗。要減少這一損耗，可以用一個LED和一個電阻 串聯(lián)代替R9，雖然會降低一些控制精度，但是對于照明控制已經(jīng)足 夠了。 實施例三
附圖5是一種帶有擴(kuò)展的驅(qū)動電路，其標(biāo)示的器件參數(shù)適合于 驅(qū)動12路114到180個額定電壓為3. 3V、額定電流為20mA的小功 率LED串聯(lián)回路?？偟腖ED數(shù)量可超過2000個。
如圖5所示，如果去掉T1 T11及其相關(guān)回路，其電路結(jié)構(gòu)與 實施例2完全相同。
T1 T11及其相關(guān)回路組成了 11路擴(kuò)展驅(qū)動回路，每一個擴(kuò)展 都可以獲得與第一路完全相同的驅(qū)動能力，只要第一路的電流是恒定 的，則其它擴(kuò)展回路的電流也是恒定的。
各路串聯(lián)LED的總額定電壓差應(yīng)該控制在5V的范圍內(nèi)，這對于 采用同一個技術(shù)成熟的廠家的LED產(chǎn)品是不難做到的。
選用開關(guān)電流更大的PWM開關(guān)芯片，還可以獲得更多的擴(kuò)展端□。
本發(fā)明還可以有其它實施方式，凡采用同等替換或等效變換形 成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.LED照明驅(qū)動電路，其特征在于包括一個適合于直接接入市電的二極管整流橋，一個濾波電容，一個脈寬調(diào)制開關(guān)芯片，一個儲能電感，一個高反壓快恢復(fù)二極管，一個電流采樣電阻，一個反饋電路，一個脈寬調(diào)制開關(guān)芯片供電電路，和串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，輸入交流電經(jīng)二極管整流橋及濾波電容轉(zhuǎn)換成直流電，脈寬調(diào)制開關(guān)芯片產(chǎn)生開關(guān)脈沖，經(jīng)儲能電感升壓后通過高反壓快恢復(fù)二極管直接驅(qū)動串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，由電流采樣電阻采集的負(fù)載電流信息經(jīng)反饋電路控制脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的脈沖寬度。
2. 如權(quán)利要求1所述的LED照明驅(qū)動電路，其特征在于所述串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列中，串聯(lián)發(fā)光二極管的數(shù)目N符合以下式(市電電壓最大值X 1.4 +平均單個二極管正向壓降)《N《(市電 電壓最小值X 4 +平均單個二極管正向壓降)。
3. 如權(quán)利要求1所述的LED照明驅(qū)動電路，其特征在于所述 反饋電路為一個反相放大器，反相放大器是三極管、光偶或運算放大 器。
4. 如權(quán)利要求1所述的LED照明驅(qū)動電路，其特征在于所述 儲能電感與脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的供電電路共用一個小型變壓器，所述 變壓器的初級作為儲能電感，次級耦合出少量的高頻電能經(jīng)整流后供 給脈寬調(diào)制開關(guān)芯片。
5. 如權(quán)利要求1所述的LED照明驅(qū)動電路，其特征在于所述脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的供電電流從串聯(lián)發(fā)光二極管陣列中的與脈寬調(diào) 制開關(guān)芯片工作電壓范圍一致的節(jié)點引出。
6. 如權(quán)利要求1 5任一處權(quán)利要求所述的LED照明驅(qū)動電路，其特征在于在一路電流采樣信號上接有至少一路由一個三極管和一 個反饋電阻組成的電流反饋恒流驅(qū)動器。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，是一種LED照明驅(qū)動電路，包括一個適合于直接接入市電的二極管整流橋，一個濾波電容，一個脈寬調(diào)制開關(guān)芯片，一個儲能電感，一個高反壓快恢復(fù)二極管，一個電流采樣電阻，一個反饋電路，一個脈寬調(diào)制開關(guān)芯片供電電路，和串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，輸入交流電經(jīng)二極管整流橋及濾波電容轉(zhuǎn)換成直流電，脈寬調(diào)制開關(guān)芯片產(chǎn)生開關(guān)脈沖，經(jīng)儲能電感升壓后通過高反壓快恢復(fù)二極管直接驅(qū)動串聯(lián)的發(fā)光二極管陣列，由電流采樣電阻采集的負(fù)載電流信息經(jīng)反饋電路控制脈寬調(diào)制開關(guān)芯片的脈沖寬度。本發(fā)明可以驅(qū)動數(shù)百以至數(shù)千個小功率LED燈珠，且效率可以達(dá)到95％以上的，可直接使用市電交流電源。
文檔編號F21Y101/02GK101370335SQ20081015608
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者易際平 申請人:易際平