CN103155714B - 一种带功率补偿的led驱动芯片及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种LED驱动电路，包括整流电路、LED供电电路以及LED驱动芯片，其中LED驱动芯片能够产生与输入电压对应的基准电压、并控制LED供电电路为LED灯提供驱动电流。本发明LED驱动电路，实时地调整LED驱动芯片在输入高低电压下的输出功率，对输出功率动态补偿，减小输入电压实时变化对驱动电路输出的影响，达到在使用较小高压电容及输出滤波电容的前提下，降低输出的工频纹波，从而降低驱动电路对高压电容，特别是电解电容的依赖性，降低输出电流的纹波大小，进而实现无电解电容的驱动方式，提高LED驱动电路的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及驱动芯片，尤其涉及一种带功率补偿的LED驱动芯片及电路。背景技术
在全球低碳、绿色、环保的发展趋势下，随着LED技术的不断进步，产品应用领域逐步拓展。
现有技术中，交流/直流（Alternating Current-Direct Current,AC-DC）LED灯驱动方案大概分为单级和两级。两级的方案输出电流无低频纹波，但是成本较高。低成本的单级AC-DC方案中，驱动电路的输出功率将随着输入电压的大小实时的变化，频率与整流后的输入电压相同，为输入电压的2倍，如在50Hz交流电下，将出现100Hz低频纹波。利用手机、摄像机等设备可以清楚地看到这种纹波造成的低频闪烁。因此，工频纹波是制约单级AC-DC LED驱动的主要因素。
在单级AC-DC LED驱动方案中，对于220V的AC输入应用，输入电压峰值可达300V以上。因此，对输入的高压滤波电路的耐压能力要求很高，当前常规的高压电解电容一般使用寿命都很短，而且随着工作温度的升高，寿命将再进一步缩短。其它类型的高压电容的容值都十分小，一般只有nF（纳法）级别，因此不容易达到滤平输入电压的目的。若使用多个低容值的高压电容并联的方式增大容值，势必增大电源电路的体积和成本，不利于LED灯的小型化及低成本化。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术，提供一种带功率补偿的LED驱动芯片及电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种带功率补偿的LED驱动芯片，包括：
对外部整流电路输出的交流电进行实时采样并输出与输入电压对应的基准电压的功率补偿模块；
对外部LED驱动电路辅助电感串联电阻电压进行实时采样并输出监测结果的反馈控制模块；
对外部LED驱动电路初级电感串联电阻电压进行实时采集、接收功率补偿模块输出的基准电压、将初级电感串联电阻电压值与功率补偿模块输出的基准电压值进行比较并输出比较结果的采样比较模块；
接收采样比较模块输出的比较结果、接收反馈控制模块输出的监测结果并输出驱动信号的逻辑控制模块。
优选地，检测结果为对外部LED驱动电路辅助电感串联电阻电压进行检测及开关频率调整的结果。
优选地，所述比较结果为初级电感串联电阻电压值与功率补偿模块输出的基准电压值进行比较的结果。
优选地，LED驱动芯片，还包括为功率补偿模块提供电流和电压基准源的基准模块；以及为逻辑控制模块提供过压、过温和过流保护的保护模块。
优选地，所述LED驱动芯片，还包括与功率补偿模块相连的VR管脚；与采样比较模块相连的VCS管脚；与反馈控制模块相连的VFB管脚；与逻辑控制模块相连的PWM_OUT管脚。
一种带功率补偿的LED驱动电路，包括整流电路和LED供电电路，LED供电电路包括与整流电路输出端相连的初级电感、为LED灯供电的次级电感、反馈输出信息的辅助电感、功率管和第一电阻；其中，功率管漏极与初级电感相连，第一电阻连接在功率管源极与地之间；LED驱动电路还包括LED驱动芯片，LED驱动芯片包括：
对外部整流电路输出的交流电进行实时采样并输出与输入电压对应的基准电压的功率补偿模块；
对外部LED驱动电路辅助电感串联电阻电压进行实时采样并输出监测结果的反馈控制模块；
对外部LED驱动电路初级电感串联电阻电压进行实时采集、接收功率补偿模块输出的基准电压、将初级电感串联电阻电压值与基准电压进行比较并输出比较结果的采样比较模块；
接收采样比较模块输出的比较结果、接收反馈控制模块输出的监测结果并输出驱动信号的逻辑控制模块。
优选地，检测结果为对外部LED驱动电路辅助电感串联电阻电压进行检测及开关频率调整的结果。
优选地，比较结果为初级电感串联电阻电压值与功率补偿模块输出的基准电压值进行比较的结果。
优选地，逻辑控制模块在收到采样比较模块输出的比较结果时输出驱动信号关闭功率管；逻辑控制模块在收到反馈控制模块输出的监测结果时输出驱动信号开启功率管；通过控制功率管在不同输入电压下的关闭工作点以控制功率管在不同输入电压下的实时峰值电流，使其补偿输入电压的动态变化，保证初级电感向次级电感传输的功率能量在不同的输入电压下都保持一致，从而使输出到LED灯的电流保持恒定，即使输出的恒流不受（或少受）输入电压的影响。
优选地，LED供电电路还包括与次级电感并联的第一电容，以及正极与次级电感相连、负极与第一电容相连的二极管。
优选地，LED供电电路还包括连接在辅助电感与地之间的第四电阻和第五电阻；第四电阻和第五电阻串联。
优选地，整流电路包括连接在整流电路的输出端和地之间的第二电阻、第三电阻和第二电容；第二电阻和第三电阻串联后与第二电容并联。
优选地，LED驱动芯片，还包括为功率补偿模块提供电流和电压基准源的基准模块，以及为逻辑控制模块提供过压、过温和过流保护的保护模块。
优选地，LED驱动芯片，还包括一端连接在第二电阻和第三电阻的节点、另一端连接功率补偿模块的VR管脚；一端连接在功率管源极和第一电阻的节点、另一端连接采样比较模块的VCS管脚；一端连接在第四电阻和第五电阻的节点、另一端连接反馈控制模块的VFB管脚；一端连接逻辑控制模块、另一端连接功率管的栅极的PWM_OUT管脚。
实施本发明带功率补偿的LED驱动芯片级电路，具有如下有益效果：通过LED驱动电路中的LED驱动芯片，产生与外部整流电路输出的交流电压实时值对应的基准电压，并控制LED供电电路为LED灯提供驱动电流。实时地调整LED驱动芯片在输入高低电压下的输出功率，对输出功率动态补偿，减小输入电压实时变化对驱动电路输出的影响，达到在使用较小高压电容及输出滤波电容的前提下，降低输出电流的工频纹波，从而降低驱动电路对高压电容，特别是电解电容的依赖性，降低输出电流的纹波大小，进而实现无电解电容的驱动方式，提高LED驱动电路的使用寿命。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术单级AC-DC LED驱动电路实施例的电路示意图；
图2是本发明带功率补偿的LED驱动芯片实施例的结构示意图；
图3是本发明带功率补偿的LED驱动芯片和电路实施例的示意图；
图4是本发明带功率补偿的LED驱动电路实施例的输入Vac电压与功率补偿模块输出Vcomp的关系图；
图5是本发明带过滤补偿的LED驱动电路实施例的输入电压、电压Vac、电压Vcomp和电流Icomp的示意图；
图6是不使用大值输入高压滤波电路、不包括功率补偿模块的LED驱动电路普通实施例的输入电压、电压Vac、电压Vcomp和电流Icomp的示意图；
图7是不使用大值输入高压滤波电路、不包括功率补偿模块的LED驱动电路的另一种普通实施例的输入电压、电压Vac、电压Vcomp和电流Icomp的示意图；
图8是本发明带功率补偿的LED驱动电路实施例的一个Vac周期内电压Vac、电压Vcomp和初级电感305电流的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。
图1是现有技术单级AC-DC LED驱动电路实施例的电路示意图。如图1所示，在单级AC-DC LED驱动方案中，解决工频纹波的通常在输入端使用较大的高压滤波电路103，把输入经整流后的100Hz电压滤波成准DC电压，再输入到LED驱动电路104中；同时使用较大的输出滤波电路105，进一步降低输出的工频纹波，最后再驱动LED灯106。在该AC-DC LED驱动电路中，对于输入220V的AC，输入电压峰值可达300V以上，因此，对输入的高压滤波电路103的耐压能力要求很高，当前常规的高压电解电容一般使用寿命都很短，而且随着工作温度的升高，寿命将再进一步缩短。其它类型的高压电容的容值都十分小，一般只有nF级别，因此不容易达到滤平输入电压的目的。若使用多个低容值的高压电容并联的方式增大容值，势必增大电源电路的体积和成本，不利于LED灯的小型化及低成本化。
图2是本发明带功率补偿的LED驱动芯片实施例的结构示意图。如图2、图3所示，一种带功率补偿的LED驱动芯片，包括：
对外部整流电路100输出的交流电进行实时采样并输出为与输入电压对应的基准电压的功率补偿模块201；
对外部LED驱动电路300辅助电感308串联电阻电压进行实时采样并输出监测结果的反馈控制模块202；
对外部LED驱动电路300初级电感305串联电阻电压进行实时采集、接收功率补偿模块201输出的基准电压、将初级电感305串联电阻电压值与功率补偿模块201输出的基准电压值进行比较并输出比较结果的采样比较模块205；
接收采样比较模块205输出的比较结果、接收反馈控制模块202输出的监测结果并输出驱动信号以控制与其相连的功率管312的开启和关闭的逻辑控制模块203。
其中，检测结果为对外部LED驱动电路300辅助电感308串联电阻电压进行检测及开关频率调整的结果。
比较结果为初级电感串联电阻电压值与功率补偿模块输出的基准电压值进行比较的结果。
本发明带功率补偿的LED驱动芯片200，还包括为功率补偿模块201提供电流和电压基准源的基准模块204；为逻辑控制模块203提供过压、过温和过流保护的保护模块206。
本发明带功率补偿的LED驱动芯片200，还包括一端连接在第二电阻302和第三电阻303的节点、另一端连接功率补偿模块201的VR管脚220；一端连接在功率管312源极和第一电阻312的节点、另一端连接采样比较模块205的VCS管脚230；一端连接在第四电阻310和第五电阻311的节点、另一端连接反馈控制模块202的VFB管脚240；一端连接逻辑控制模块203、另一端连接功率管312的栅极的PWM_OUT管脚250。
在本发明的示例性实施例中，所述功率补偿模块201通过监测输入电压的实时变化，调整输出至采样比较模块205的比较电平，从而控制实时的输出功率，补偿因输入电压下降后，造成的实时输出功率降低，而产生较大纹波的现象；采样比较模块205根据功率补偿模块201的输出电压，控制LED驱动电路初级电流的实时峰值，达到调整实时输出功率的目的；反馈控制模块202检测外部电阻电压，实现检测及调整开关频率等作用。
应当说明的是，本发明所有图示中各部件之间的连接关系是为了清楚阐述其信息交互及控制过程的需要，因此，应当视为逻辑上的连接关系，而不应仅限于物理连接。
图3是本发明带功率补偿的LED驱动芯片和电路实施例的示意图。如图3所示，本发明带功率补偿的LED驱动电路，包括整流电路100和LED供电电路300，LED供电电路300包括与整流电路100输出端相连的初级电感305、为LED灯306供电的次级电感307、辅助电感308、功率管312和第一电阻313；其中，功率管312漏极与初级电感305相连，第一电阻313连接在功率管312源极与地之间。
LED驱动电路300还包括LED驱动芯片200。LED驱动芯片200包括：
对外部整流电路100输出的交流电进行实时采样并输出与输入电压对应的基准电压的功率补偿模块201；对外部LED驱动电路300辅助电感308串联电阻电压进行实时采样并输出监测结果的反馈控制模块202；对外部LED驱动电路300初级电感305串联电阻电压进行实时采集、接收所述功率补偿模块201输出的基准电压、将初级电感305串联电阻电压值与基准电压进行比较并输出比较结果的采样比较模块205；接收采样比较模块205输出的比较结果、接收反馈控制模块202输出的监测结果并输出驱动信号以控制与其相连的功率管312的开启和关闭的逻辑控制模块（203）。
在本示例性实施例中，其余情况与本发明LED驱动芯片200的第一实施例相同，在此不再赘述。
所述检测结果为对外部LED驱动电路300辅助电感308串联电阻电压进行检测及开关频率调整的结果；所述比较结果为初级电感305串联电阻电压值与功率补偿模块201输出的基准电压值进行比较的结果。
逻辑控制模块203在收到采样比较模块205输出的比较结果时输出驱动信号关闭功率管312；逻辑控制模块203在收到反馈控制模块202输出的监测结果时输出驱动信号开启功率管312。通过控制功率管312在不同输入电压下的关闭工作点，即控制功率管312在不同输入电压下的实时峰值电流，使其补偿输入电压的动态变化，保证初级电感305向次级电感307传输的功率能量在不同的输入电压下都保持一致，从而使输出到LED灯306的电流保持恒定，即使输出的恒流不受（或少受）输入电压的影响。
LED供电电路300，还包括与次级电感307并联的第一电容309，以及正极与次级电感307相连、负极与第一电容309相连的二极管306；连接在辅助电感308与地之间的第四电阻310和第五电阻311，其中，第四电阻310和第五电阻311串联。
整流电路100包括连接在整流电路100的输出端和地之间的第二电阻302、第三电阻303和第二电容304，第二电阻302和第三电阻303串联后与第二电容304并联。
下文中使用了一些符号，本领域的技术人员将认识到，可用的表示符号有多种形式，使用这些符号是为了简化和清楚地说明本发明，而不是对本发明的限制。
以图3为例，配合LED驱动芯片200的外围器件作进一步说明本发明。输入频率为50Hz、电压220V的交流电101通过整流桥102到电感305，此时频率为100Hz。电感305与功率管312、电阻313串联；LED驱动芯片200的VR管脚220通过电阻302和电阻303分压，采样实时电压Vac，Vac的电压波形如图5中的502所示，其频率为输入交流电压501频率的2倍。
LED驱动芯片200采样VR管脚220上的电压值，功率补偿模块201根据实时的VR电压值，功率补偿模块201检测到输入电压Vac值从0V到311V之间变化，功率补偿模块201输出的Vcomp值从1V到约0.5V之间变化，如曲线401所示。根据LED驱动芯片200内部功率补偿算法给出与当前输入电压值对应的基准电压比较值Vcomp。LED驱动芯片200内的功率补偿算法，以恒定输出功率为原则，通过监测实时输入的电压Vac，计算出相应的Vcomp值，输入的Vac电压502与Vcomp503的关系如图5所示，实时Vac502升高，Vcomp503相应减小，可见输出电流504已接近平整。
本发明中Vcomp503与输入电压Vac502的变化整体关系是：Vac较大时，Vcomp减小较快；Vac较小时，Vcomp减小相对较慢，这有助于减小滤波电容的大小。基准电压Vcomp输出到采样比较模块205，同时采样比较模块205通过VCS管脚230采样流过第一电阻313的电流。当第一电阻313上的电压大于Vcomp值时，逻辑控制模块203将关闭功率管312，限制初级的峰值电流。使初级电流峰值具有从1V/Rcs到约0.5V/Rcs大小的包络变化（如曲线图8的曲线801所示），Rcs为电阻313的阻值，这样，初级电感305的电流峰值801与功率补偿模块输出的Vcomp503具有相同的包络。
当功率管312关闭后，二极管306正向导通，通过初级电感305和次级电感307之间的能量耦合，能量从初级传送到次级，电感307开始给第一电容309及负载LED灯106供电，使LED灯106发光。在次级线圈307的能量释放完之后，二极管306停止导通，初级电感305和功率管312漏端的电容在漏极上产生谐振，辅助电感308将同频振荡。通过辅助级电感308将该谐振信息反馈到驱动芯片201的VFB管脚240，LED驱动芯片200的VFB管脚240监测辅助电感308的电压。当功率管212漏端的电压到达最小值或较小值时，辅助电感308的电压也同时到达最低点或较低电压值，LED驱动芯片200的VFB管脚240通过反馈控制模块202，重新开启功率管312，使得功率管312在开关过程中动态损耗最小化，同时保护功率管312。
在一个Vac的周期内，初级电感305的电流波形如图8中801所示，负载LED灯106上的电流波形为图5中504所示。可以看到在功率补偿模块的使用下，输出LED等的电流波形已接近平整，减小了对输入滤波电容及输入滤波电容的依赖。
通过以上的方式，实现不同输入电压下，实时的功率补偿，在不使用大容值的滤波电容的前提下，明显降低输出电流的纹波大小，即在输入和输出端，可使用尽量小的电容，以进一步达到滤除输入交流造成的抖动和纹波，提高驱动电路的寿命。
图6和图7分别列出了在不使用大值输入高压滤波电路的情况下，普通解决方案中（不包括功率补偿模块），LED输出电流与采样比较模块的比较电压Vcomp的关系。图6为Vcomp_1601不随Vac502的大小变化，为一个常值，由AC-DC输出电流关系可得，此时输出电流602具有与输入电压一致的波动，纹波起伏较大。图7为Vcomp_2701大小随着Vac502同步变化，此时，输出电流702波形纹波大小将会显著增大。对比图6和图7两种常规情况，通过使用本发明中的功率补偿模块，适时地调整Vcomp503的值，使输出电流纹波大小显著降低。
此外，本发明是通过实施例进行描述的，但本发明不局限于实施例。本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的范围情况下，可以进行各种改变。
Claims (13)
1.一种带功率补偿的LED驱动芯片，其特征在于，包括：
对外部整流电路(100)输出的交流电进行实时采样并输出与输入电压对应的基准电压的功率补偿模块(201)，其中，对外部整流电路(100)输出的交流电进行采样的电压升高，所述功率补偿模块(201)输出的基准电压相应减小；
对外部LED驱动电路(300)辅助电感(308)串联电阻电压进行实时采样并输出监测结果的反馈控制模块(202)；
对外部LED驱动电路(300)初级电感(305)串联电阻电压进行实时采样、接收所述功率补偿模块(201)输出的基准电压、将所述初级电感(305)串联电阻电压值与所述功率补偿模块(201)输出的基准电压值进行比较并输出比较结果的采样比较模块(205)；
接收所述采样比较模块(205)输出的比较结果、接收所述反馈控制模块(202)输出的监测结果并输出驱动信号的逻辑控制模块(203)。
2.根据权利要求1所述带功率补偿的LED驱动芯片，其特征在于，所述监测结果为对外部LED驱动电路(300)辅助电感(308)串联电阻电压进行检测及开关频率调整的结果；所述比较结果为所述初级电感(305)串联电阻电压值与所述功率补偿模块(201)输出的基准电压值进行比较的结果。
3.根据权利要求1所述带功率补偿的LED驱动芯片，其特征在于，所述LED驱动芯片(200)还包括为所述功率补偿模块(201)提供电流和电压基准源的基准模块(204)。
4.根据权利要求1所述带功率补偿的LED驱动芯片，其特征在于，所述LED驱动芯片(200)还包括为所述逻辑控制模块(203)提供过压、过温和过流保护的保护模块(206)。
5.根据权利要求1所述带功率补偿的LED驱动芯片，其特征在于，所述LED驱动芯片(200)还包括与所述功率补偿模块(201)相连的VR管脚(220)；与所述采样比较模块(205)相连的VCS管脚(230)；与所述反馈控制模块(202)相连的VFB管脚(240)；与所述逻辑控制模块(203)相连的PWM_OUT管脚(250)。
6.一种带功率补偿的LED驱动电路，包括整流电路(100)和LED供电电路(300)，所述LED供电电路(300)包括与所述整流电路(100)输出端相连的初级电感(305)、为LED灯(306)供电的次级电感(307)、反馈输出信息的辅助电感(308)、功率管(312)和第一电阻(313)；其中，所述功率管(312)漏极与所述初级电感(305)相连，所述第一电阻(313)连接在所述功率管(312)源极与地之间；其特征在于，所述LED驱动电路(300)还包括LED驱动芯片(200)，所述LED驱动芯片(200)包括：
对外部整流电路(100)输出的交流电进行实时采样并输出与输入电压对应的基准电压的功率补偿模块(201)，其中，对外部整流电路(100)输出的交流电进行采样的电压升高，所述功率补偿模块(201)输出的基准电压相应减小；对外部LED驱动电路(300)辅助电感(308)串联电阻电压进行实时采样并输出监测结果的反馈控制模块(202)；对外部LED驱动电路(300)初级电感(305)串联电阻电压进行实时采集、接收所述功率补偿模块(201)输出的基准电压、将所述初级电感(305)串联电阻电压值与所述基准电压进行比较并输出比较结果的采样比较模块(205)；接收所述采样比较模块(205)输出的比较结果、接收所述反馈控制模块(202)输出的监测结果并输出驱动信号以控制与其相连的所述功率管(312)的开启和关闭的逻辑控制模块(203)。
7.根据权利要求6所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述监测结果为对外部LED驱动电路(300)辅助电感(308)串联电阻电压进行检测及开关频率调整的结果；所述比较结果为所述初级电感(305)串联电阻电压值与所述功率补偿模块(201)输出的基准电压值进行比较的结果。
8.根据权利要求7所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述逻辑控制模块(203)在收到所述采样比较模块(205)输出的比较结果时输出驱动信号关闭所述功率管(312)；所述逻辑控制模块(203)在收到所述反馈控制模块(202)输出的监测结果时输出驱动信号开启所述功率管(312)；通过控制所述功率管(312)在不同输入电压下的关闭工作点以控制所述功率管(312)在不同输入电压下的实时峰值电流，使其补偿输入电压的动态变化，保证所述初级电感(305)向所述次级电感(307)传输的功率能量在不同的输入电压下都保持一致，从而使输出到所述LED灯(306)的电流保持恒定，即使输出的恒流不受(或少受)输入电压的影响。
9.根据权利要求6所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述LED供电电路(300)还包括与所述次级电感(307)并联的第一电容(309)，以及正极与所述次级电感(307)相连、负极与所述第一电容(309)相连的二极管(306)。
10.根据权利要求6所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述LED供电电路(300)还包括连接在所述辅助电感(308)与地之间的第四电阻(310)和第五电阻(311)；所述第四电阻(310)和第五电阻(311)串联。
11.根据权利要求10所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述整流电路(100)包括连接在整流电路(100)的输出端和地之间的第二电阻(302)、第三电阻(303)和第二电容(304)；所述第二电阻(302)和第三电阻(303)串联后与所述第二电容(304)并联。
12.根据权利要求6所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述LED驱动芯片(200)还包括为所述功率补偿模块(201)提供电流和电压基准源的基准模块(204)；为所述逻辑控制模块(203)提供过压、过温和过流保护的保护模块(206)。
13.根据权利要求11所述带功率补偿的LED驱动电路，其特征在于，所述LED驱动芯片(200)还包括一端连接在所述第二电阻(302)和第三电阻(303)的节点、另一端连接所述功率补偿模块(201)的VR管脚(220)；一端连接在所述功率管(312)源极和所述第一电阻(313)的节点、另一端连接所述采样比较模块(205)的VCS管脚(230)；一端连接在所述第四电阻(310)和第五电阻(311)的节点、另一端连接所述反馈控制模块(202)的VFB管脚(240)；一端连接所述逻辑控制模块(203)、另一端连接所述功率管(312)的栅极的PWM_OUT管脚(250)。
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