CN104427719B - Led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供LED驱动电路，其为使用宽禁带半导体作为开关元件并进行了高频化的降压斩波电路，在该降压斩波电路中，即使存在输入电压变动也能够维持恒流特性。作为解决手段，提供通过直流输出以恒流点亮LED的LED驱动电路(10a)，所述直流输出是利用基于常通型的第1开关元件(Q1)的接通断开动作的电抗器(L)的充放电而生成的，LED驱动电路(10a)具有对流过电抗器(L)的电抗器电流的平均值进行检测的平均值检测电路(跨导放大器OTA、和与跨导放大器OTA的输出端子连接的电容器Ccomp)，并根据由平均值检测电路检测到的电抗器电流的平均值控制使第1开关元件(Q1)断开的时机。

Description

LED驱动电路

技术领域

本发明涉及使用常通型的开关元件以恒流点亮LED的LED驱动电路。

背景技术

近年来，提出了如下技术：将半导体基板中使用了GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)、SiC(碳化硅)等的低损耗的宽禁带半导体元件用作开关电源电路的开关元件(例如参照专利文献1)。通过使用宽禁带半导体元件作为开关元件，能够在不降低电源效率的情况下提高工作频率，能够实现装置的小型化。

宽禁带半导体元件通常为常通型，具有作为栅极/源极间电压的Vgs为0V时接通、Vgs为低于阈值Vth(负电压)的负电位时断开这一特性，在专利文献1中公开了在电抗器流过的增加电流达到了规定的值时断开开关元件(宽禁带半导体元件)的自激式的斩波电路。

【专利文献1】日本特开2011-199024号公报

但是，在现有技术中，如图5所示，将电抗器电流的峰值Ip控制为恒定，在输入电压发生变动的情况下，存在恒流特性恶化的问题。

发明内容

本发明的目的在于鉴于上述问题，解决现有技术的问题而提供一种LED驱动电路，其为使用宽禁带半导体作为开关元件并进行了高频化的降压斩波电路，在该降压斩波电路中，即使存在输入电压变动也能够维持恒流特性。

本发明的LED驱动电路，其通过直流输出以恒流点亮LED，其中，所述直流输出是利用基于常通型的开关元件的接通断开动作的电抗器的充放电而生成的，所述LED驱动电路的特征在于，具有平均值检测电路，该平均值检测电路对流过所述电抗器的电抗器电流的平均值进行检测，根据由所述平均值检测电路检测到的所述电抗器电流的平均值控制使所述开关元件断开的时机。

根据本发明，在使用宽禁带半导体作为开关元件并进行了高频化的降压斩波电路中，根据由平均值检测电路检测到的电抗器电流的平均值控制使第1开关元件Q1断开的时刻，由此能够等效地进行LED电流的平均值控制，即使存在输入电压变动也能够维持恒流特性，因此起到能够提供对应全球输入的LED驱动装置的效果。

附图说明

图1是示出本发明的LED驱动电路的第1实施方式结构的电路结构图。

图2是示出在图1所示的电抗器流过的电抗器电流的波形图。

图3是示出本发明的LED驱动电路的第2实施方式结构的电路结构图。

图4是示出本发明的LED驱动电路的第3实施方式结构的电路结构图。

图5是示出在以往的LED驱动电路的电抗器流过的电抗器电流的波形图。

标号说明

10a：LED驱动电路(第1实施方式)；10b：LED驱动电路(第2实施方式)；10c：LED驱动电路(第3实施方式)；BF：缓冲电路；C1：旁路电容器；C2：输出电容器；C3、C4：耦合电容器；Ccomp：电容器；D1：再生二极管；D2、D3、D4：二极管；L：电抗器；LD：LED阵列；OP：运算放大器；OTA：跨导放大器；OSC：三角波振荡器；Q1：开关元件(第1开关元件)；Q2：开关元件(第2开关元件)；R1、R2、R3：电阻；Rs：电流检测电阻；Ta：控制电路(第1实施方式)；Tb：控制电路(第2、第3实施方式)；Ton：比较器；ZD1、ZD2：齐纳二极管。

具体实施方式

接着，参照附图具体地说明本发明的实施方式。另外，在各图中，对相同结构标注相同标号并省略部分说明。

(第1实施方式)

参照图1，第1实施方式的LED驱动电路10a是使用了常通型的宽禁带半导体元件的自激式降压斩波电路，具有整流电路DB、作为常通型的宽禁带半导体元件的开关元件Q1、Q2、对开关元件Q2进行恒流控制的控制电路Ta、旁路电容器C1、电抗器L、绕组AW、再生二极管D1、输出电容器C2、齐纳二极管ZD1、电阻R1、R2、R3、二极管D2、电流检测电阻Rs和电容器Ccomp，以恒流对作为负载电路的LED阵列LD进行驱动。以下，为了区分开关元件Q1和开关元件Q2，将开关元件Q1称作第1开关元件Q1、将开关元件Q2称作第2开关元件Q2。

在LED驱动电路10a的输入端子V+、和输入端子V0上分别连接有由二极管桥式构成的整流电路DB的整流输出正极端子、接地的整流输出负极端子。在整流电路DB的交流输入端子ACin1、ACin2上连接有商用交流电源AC1，来自商用交流电源AC1的AC输入电压经过全波整流后从整流电路DB输出。

在输入端子V+、即整流电路DB的整流输出正极端子与输入端子V0、即整流电路DB的整流输出负极端子之间，并联连接有旁路电容器C1和如下的串联电路，该串联电路由第1开关元件Q1、第2开关元件Q2、电抗器L、输出电容器C2、电流检测电阻Rs构成。在输入端子V+上连接有第1开关元件Q1的漏极端子，在第1开关元件Q1的源极端子上连接有第2开关元件Q2的漏极端子，并且在第2开关元件Q2的源极端子上连接有电抗器L的一个端子。在电抗器L的另一个端子上连接有输出电容器C2的正电极，输出电容器C2的负电极与电流检测电阻Rs的一个端子连接。

输出电容器C2的两端为LED驱动电路10a的输出，输出电容器C2的正电极为输出端子Vout+，输出电容器C2的负电极为输出端子Vout－。在该输出端子Vout+、Vout－上，以阳极处于输出端子Vout+侧的方式连接有作为负载的LED阵列LD。

在第2开关元件Q2的源极端子与电抗器L的一个端子的连接点、和输入端子V0之间，连接有再生二极管D1。在第2开关元件Q2的源极端子与电抗器L的一个端子的连接点上连接有再生二极管D1的阴极，在输入端子V0上连接有再生二极管D1的阳极。由此，在第1开关元件Q1和第2开关元件Q2两方接通时，向电抗器L和LED阵列LD施加电压，从而在电抗器L中蓄积电力。并且，在只要第1开关元件Q1和第2开关元件Q2中的任意一方断开时，电抗器L所蓄积的电力被供给到LED阵列LD。

高侧的第1开关元件Q1使用在与电抗器L磁耦合的绕组AW中感应出的负电压进行断开控制。与电抗器L磁耦合的绕组AW的一端与电抗器L和第2开关元件Q2的源极端子的连接点连接，另一端经由耦合电容器C3与第1开关元件Q1的栅极端子连接。由此，当电抗器L的电压极性反转时，在绕组AW中感应出使得第1开关元件Q1的栅极端子变为负电位的电压，从而将第1开关元件Q1维持到断开状态。此外，在第1开关元件Q1的栅极端子与输入端子V0之间连接有二极管D2。在第1开关元件Q1的栅极端子上连接有二极管D2的阴极，在输入端子V0上连接有二极管D2的阳极。由此，通过二极管D2的正向电压VF对第1开关元件Q1的栅极端子进行电压钳位。

在低侧的第2开关元件Q2的栅极端子与源极端子之间，并联连接有齐纳二极管ZD1和电阻R1。齐纳二极管ZD1的阳极与第2开关元件Q2的栅极端子连接，阴极与第2开关元件Q2的源极端子连接。

控制电路Ta是用于对第2开关元件Q2进行恒流控制的IC电路，具有跨导放大器(电压-电流转换放大器)OTA、运算放大器OP、基准电压Vref1、Vref2、双极晶体管Q3、二极管D3、公共端子COM、电流反馈端子Isense、外部相位补偿端子COMP、驱动信号输出端子OUT和起动电流输入端子ST。

控制电路Ta的公共端子COM与接地的输入端子V0连接，电流反馈端子Isense与输出端子Vout－、即LED阵列LD和检测电阻Rs的连接点连接，外部相位补偿端子COMP经由电容器Ccomp与接地端子连接，驱动信号输出端子OUT经由电阻R2与低侧的第2开关元件Q2的栅极端子连接，起动电流输入端子ST经由电阻R3与输入端子V+连接。

在控制电路Ta中，电流反馈端子Isense与跨导放大器OTA的反转输入端子连接，跨导放大器OTA1的非反转输入端子与基准电压Vref1的正极端子连接，基准电压Vref1的负极端子与公共端子COM连接。此外，跨导放大器OTA的输出端子与外部相位补偿端子COMP连接。由此，跨导放大器OTA将作为流过电抗器L的电抗器电流而被检测的检测电阻Rs的两端间电压、与基准电压Vref1的差电压转换为电流并输出。因此，与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp通过来自跨导放大器OTA的输出电流进行充放电，因此在电抗器电流低于预定电流值的情况下被充电，在电抗器电流高于预定电流值的情况下被放电。

此外，跨导放大器OTA的输出端子与运算放大器OP的非反转输入端子连接，运算放大器OP的反转输入端子与基准电压Vref2的正极端子连接，基准电压Vref2的负极端子与公共端子COM连接。并且，运算放大器OP的输出端子与双极晶体管Q3的基极连接，双极晶体管Q3的集电极经由二极管D3与驱动信号输出端子OUT连接，双极晶体管Q3的发射极与公共端子COM连接。另外，二极管D3的阴极与双极晶体管Q3的集电极连接，阳极与驱动信号输出端子OUT连接。

由此，双极晶体管Q3的集电极电流成为与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp的充电量、即电抗器电流的平均值对应的值。因此，在作为常通型的宽禁带半导体元件的开关元件Q1、Q2均为接通状态的情况下，通过与第2开关元件Q2的栅极端子和源极端子之间连接的电阻R1的电压降，确定作为第2开关元件Q2的栅极/源极间电压的Vgs，因此能够将Vgs控制成与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp的充电量对应的负电位。通过将这样控制的Vgs设定到使宽禁带半导体元件作为恒流元件进行动作的范围内，第2开关元件Q2作为与电抗器电流的平均值对应的恒流值的恒流元件发挥作用。

接着，参照图2详细说明第1实施方式的LED驱动电路10a的动作。

在接通直流电源时，开关元件Q1、Q2接通，因此如图2所示，电抗器电流流出并线性增加。由此，在电抗器L中蓄积电力，并且对与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp进行充电。并且，即使要增加的电抗器电流达到了与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp的充电量、即电抗器电流的平均值对应的第2开关元件Q2的恒流值，由于电抗器电流要进一步增加，因此开关元件Q1的漏极端子、即开关元件Q1的源极端子的电压急剧上升。由此，开关元件Q1的Vgs成为低于阈值Vth(负电压)的负电位，开关元件Q1断开。

当开关元件Q1断开时，电抗器L的电压极性反转，在绕组AW中感应出使得第1开关元件Q1的栅极端子变为负电位的电压，从而将第1开关元件Q1维持到断开状态，成为电抗器L所蓄积的电力被放出的再生期间。并且，在再生期间中电抗器电流变为0时，不感应出使得开关元件Q1的栅极端子变为负电位的电压，开关元件Q1、Q2再次接通，之后反复与上述动作相同的动作。

在第1实施方式中，第2开关元件Q2作为与电抗器电流的平均值对应的恒流值的恒流元件发挥作用，因此如图2所示，电抗器电流的峰值根据输入电压被变更。因此，等效地成为LED电流的平均值控制，LED电流没有受到输入电压变动引起的开关占空比的影响，而成为恒定的LED电流，因此即使存在输入电压变动也能够维持恒流特性。

如以上所说明那样，根据第1实施方式，是通过直流输出以恒流点亮LED的LED驱动电路10a，所述直流输出是利用基于常通型的第1开关元件Q1的接通断开动作的电抗器L的充放电而生成的，LED驱动电路10a构成为具有对流过电抗器L的电抗器电流的平均值进行检测的平均值检测电路(跨导放大器OTA、和与跨导放大器OTA的输出端子连接的电容器Ccomp)，并根据由平均值检测电路检测到的电抗器电流的平均值控制使第1开关元件Q1断开的时机。具体而言，具有串联连接的第1开关元件Q1和第2开关元件Q2，并具有：控制电路Ta，其将低侧的第2开关元件Q2驱动为与由平均值检测电路检测到的电抗器电流的平均值对应的恒流值的恒流元件；以及断开维持电路(绕组AW、耦合电容器C3)，其在再生期间中，将高侧的所述第1开关元件维持成断开状态。

利用该结构，在使用宽禁带半导体作为开关元件并进行了高频化的降压斩波电路中，能够等效地进行LED电流的平均值控制，即使存在输入电压变动也能够维持恒流特性，因此能够提供对应全球输入的超小型LED驱动装置。此外，不论将作为电流检测元件的电流检测电阻Rs安装到作为电抗器L－再生二极管D1－LED阵列LD的环路内的何处，都能够求出电抗器电流的平均值，因此还存在电流检测元件的安装位置自由度高的优点。

(第2实施方式)

参照图3，第2实施方式的LED驱动电路10b是使用了常通型的宽禁带半导体元件的他励式降压斩波电路。在第1实施方式的LED驱动电路10中，将低侧的第2开关元件Q2用作恒流元件，而在第2实施方式的LED驱动电路10b中，通过控制电路Tb对低侧的第2开关元件Q2进行接通断开控制。

在低侧的第2开关元件Q2的栅极端子与源极端子之间，连接有齐纳二极管ZD2。齐纳二极管ZD2的阳极与第2开关元件Q2的栅极端子连接，阴极与第2开关元件Q2的源极端子连接。此外，在第2开关元件Q2的栅极端子与输入端子V0之间，连接有足够高电阻的电阻R2。齐纳二极管ZD2和电阻R2在控制电路Tb进行动作之前的期间内，作为根据第2开关元件Q2的源极端子的电位，使第2开关元件Q2进行断开动作的自偏压电路发挥作用。即，串联连接的第1开关元件Q1和第2开关元件Q2是具有在Vgs＝0V时接通、Vgs＝负电位时断开这一特性的常通型，因此在到电源接通时等控制电路Tb进行动作之前的期间内，第1开关元件Q1和第2开关元件Q2的栅极电压成为与源极电位相同的电位时，成为接通状态，流过大电流。因此，将高电阻的电阻R2连接到栅极端子与输入端子V0(接地端子)之间，使得第2开关元件Q2的栅极电压通过负电压被充分自偏压至连接在栅极端子和源极端子之间的齐纳二极管ZD2的齐纳电压Vz为止，从而第2开关元件Q2被断开。由此，即使控制电路Tb不进行动作，也能够在电源接通时使第2开关元件Q2进行断开动作，因此在控制电路Tb进行动作之前，可将第2开关元件Q2稳定地作为常断型的半导体元件进行处理。

控制电路Tb是用于对第2开关元件Q2进行接通断开控制的IC电路，具有跨导放大器(电压-电流转换放大器)OTA、基准电压Vref1、三角波振荡器OSC、比较器Ton、缓冲器BF、公共端子COM、电流反馈端子Isense、外部相位补偿端子COMP、驱动信号输出端子OUT和起动电流输入端子ST。

在第2实施方式的LED驱动电路10b中，检测电阻Rs与第2开关元件Q2的源极端子和电抗器L的连接点之间连接，控制电路Tb的公共端子COM与检测电阻Rs和电抗器L的连接点连接，电流反馈端子Isense与第2开关元件Q2的源极端子和检测电阻Rs的连接点连接。并且，外部相位补偿端子COMP经由电容器Ccomp与检测电阻Rs和电抗器L的连接点连接，驱动信号输出端子OUT经由耦合电容器C4与低侧的第2开关元件Q2的栅极端子连接，起动电流输入端子ST经由电阻R3与输入端子V+连接。

在控制电路Tb中，电流反馈端子Isense与跨导放大器OTA的反转输入端子连接，跨导放大器OTA1的非反转输入端子与基准电压Vref1的正极端子连接，基准电压Vref1的负极端子与公共端子COM连接。此外，跨导放大器OTA的输出端子与外部相位补偿端子COMP连接。由此，跨导放大器OTA将作为流过电抗器L的电抗器电流而被检测的检测电阻Rs的两端间电压、与基准电压Vref1的差电压转换为电流并输出。因此，与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp通过来自跨导放大器OTA的输出电流进行充放电，因此在电抗器电流低于预定电流值的情况下被充电，在电抗器电流高于预定电流值的情况下被放电。

此外，跨导放大器OTA的输出端子与比较器Ton的非反转输入端子连接，比较器Ton的反转输入端子与三角波振荡器OSC的输出端子连接。并且，比较器Ton的输出端子经由缓冲器BF与驱动信号输出端子OUT连接。另外，三角波振荡器OSC成为从LED阵列LD的阳极侧经由逆流防止用的二极管D4被输入临界动作信号的结构，在再生期间中电抗器电流L变为了0后，三角波上升。

当从三角波振荡器OSC输出的三角波超过与外部相位补偿端子COMP连接的电容器Ccomp的充电量、即电抗器电流的平均值对应的电压时，比较器Ton的输出反转为低电平。由此，来自缓冲电路BF的输出成为方形波，在通过耦合电容器C4对来自缓冲电路BF的输出进行电容器耦合时，将其转换为对原波形的面积进行上下分割后的正电压和负电压。因此，在关断时向第2开关元件Q2的栅极端子施加急剧的负电压，因此能够使第2开关元件Q2迅速断开，并将其维持到断开状态。即，耦合电容器C2作为脉冲信号转换电路发挥作用，其将从缓冲电路BF输出的脉冲信号从公共电位转换为负的波形，并将转换后的脉冲信号输出到第2开关元件Q2的栅极端子。另外，正电压超过第2开关元件Q2的栅极耐压，但通过齐纳二极管ZD2的正向电压VF进行电压钳位，因此能够在不导致第2开关元件Q2的损坏的情况下使第2开关元件Q2接通。

另外，在LED驱动电路10b中，第1开关元件Q1和第2开关元件Q2进行了共源共栅连接，因此通过将第1开关元件Q1设为高耐压元件、第2开关元件Q2设为低耐压元件，通过第2开关元件Q2的接通断开控制而利用第1开关元件Q1具有耐压。因此，在动作上，还能够将第2开关元件Q2置换为低耐压的SiMOSFET等。

如以上所说明那样，根据第2实施方式，具有：脉冲产生电路(比较器Ton)，其输出脉冲信号，所述脉冲信号具有根据由平均值检测电路检测到的电抗器电流的平均值确定的占空比；以及脉冲信号转换电路(耦合电容器C4)，其将从脉冲产生电路输出的脉冲信号从公共电位转换为负的波形，并将转换后的脉冲信号输出到第2开关元件Q2的栅极端子。

利用该结构，能够使用开关元件Q1、Q2作为常通型的宽禁带半导体，进行他励控制，能够在不使开关特性恶化的情况下将振荡频率高频化。

并且，根据第2实施方式，具有对应于第2开关元件Q2的源极端子(输出端子)的电位，使第2开关元件Q2进行断开动作的自偏压电路(齐纳二极管ZD2、电阻R2)。

利用该结构，能够通过自偏压电路防止电源起动时的无控制动作，在控制电路Tb进行动作之前，能够将第2开关元件Q2作为常断型的半导体元件进行处理。

(第3实施方式)

参照图4，第3实施方式的LED驱动电路10c从第2实施方式的LED驱动电路10b中去除了高侧的第1开关元件Q1、绕组AW和电容器C3，由控制电路Tb仅对第2开关元件Q2进行接通断开控制，由此生成了直流输出。这样，通过他励式地控制第2开关元件Q2，不需要使其它开关元件和恒流电路与第2开关元件Q2串联连接，因此能够简化电路结构。

另外，本发明不限定于上述各实施方式，可知在本发明的技术思想的范围内，能够对各实施方式进行适当变更。另外，上述结构部件的数量、位置、形状等不限定于上述实施方式，可以成为适合实施本发明的数量、位置、形状等。另外，在各图中，对相同结构要素标注相同标号。

Claims (4)

1.一种LED驱动电路，其通过直流输出以恒流点亮LED，其中，该直流输出是利用电抗器的充放电而生成的，该电抗器的充放电是基于与整流电路连接的常通型的开关元件的接通断开动作而执行的，所述LED驱动电路的特征在于，

对所述整流电路串联连接了所述开关元件以及如下电路单元：该电路单元是将二极管并联连接于所述电抗器与所述LED的串联电路而成的，

所述二极管的阳极与所述整流电路的负极输出端子连接，所述二极管的阴极连接于所述开关元件与所述电抗器的连接点，

所述开关元件由串联连接的第1开关元件和第2开关元件构成，所述第1开关元件与所述整流电路的正极输出端子连接，所述第2开关元件与所述电抗器连接，

所述LED驱动电路具有：

平均值检测电路，该平均值检测电路对流过所述电抗器的电抗器电流的平均值进行检测；

控制电路，其将所述第2开关元件驱动为与由所述平均值检测电路检测到的所述电抗器电流的平均值对应的恒流值的恒流元件；以及

断开维持电路，其在所述电抗器所蓄积的电力被放出的再生期间中，将所述第1开关元件维持成断开状态，

根据由所述平均值检测电路检测到的所述电抗器电流的平均值控制使所述开关元件断开的时机。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述LED驱动电路具有：

脉冲产生电路，其输出脉冲信号，该脉冲信号的占空比是根据由所述平均值检测电路检测到的所述电抗器电流的平均值确定的，所述脉冲产生电路的公共端子连接于所述第2开关元件与所述二极管的连接点；以及

脉冲信号转换电路，其将从该脉冲产生电路输出的所述脉冲信号从所述公共端子的公共电位转换为负的波形，并将转换后的所述脉冲信号输出到所述开关元件的控制端子。

3.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，

所述LED驱动电路具有自偏压电路，该自偏压电路与所述开关元件的输出端子的电位对应地使所述开关元件进行断开动作，

所述自偏压电路由齐纳二极管和电阻构成，所述齐纳二极管的阳极与所述第2开关元件的栅极端子连接，所述齐纳二极管的阴极与所述第2开关元件的源极端子连接，

所述电阻的一个端子与所述第2开关元件的栅极端子连接，所述电阻的另一个端子与所述整流电路的负极输出端子连接。

4.根据权利要求2或3所述的LED驱动电路，其特征在于，

所述脉冲信号转换电路是耦合电容器。