自適應(yīng)led電流紋波消除電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種自適應(yīng)LED電流紋波消除電路包括：功率管Q108、電流采樣電阻R109、運算放大器U110、以及一個自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路。功率管Q108的漏極接LED燈負載的陰極、源極接電流采樣電阻R109的一端、運算放大器U110的反相輸入端以及自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸入端；自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸出端接運算放大器U110的同相輸入端；運算放大器U110的輸出端接功率管Q108的柵極；電流采樣電阻R109的另一端作為該自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端。自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路用于根據(jù)采樣電壓，自動調(diào)節(jié)其輸出電壓，控制運算放大器U110，從而能夠控制功率管Q108的工作狀態(tài)從線性區(qū)轉(zhuǎn)移到飽和區(qū)。本實用新型用于消除LED頻閃。
【專利說明】自適應(yīng)LED電流紋波消除電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及照明驅(qū)動電路，尤其涉及LED恒流驅(qū)動電路。

【背景技術(shù)】
[0002]LED是典型的電流型器件，對工作電流的穩(wěn)定性要求很高。傳統(tǒng)的LED恒流驅(qū)動電路的簡單示意圖如圖1所示，包括交流輸入源，整流橋，恒流驅(qū)動模塊，濾波電容和LED負載，該LED負載和濾波電容直接并聯(lián)。
[0003]為了達到高功率因數(shù)的要求，上述恒流驅(qū)動模塊輸出的電流含有工頻紋波分量，例如輸入源頻率為50Hz，則恒流驅(qū)動模塊輸出的電流含有10Hz的紋波，濾波電容上的電壓也含有10Hz的紋波。同時，流過LED負載的電流也含有10Hz的紋波，導(dǎo)致LED負載輸出的光含有10Hz的頻閃。盡管人的肉眼難以覺察這種低頻頻閃，但是人眼長期處在這種照明環(huán)境下，會造成視覺神經(jīng)疲勞，危害人體健康，IEEE在2010年、2013年相繼提出LED照明閃爍對健康的潛在危害，如光敏性癲癇、偏頭痛、眩暈等等，所以對無閃爍LED照明的呼聲越來越大。而且較大的電流紋波，會影響LED的發(fā)光效率,并縮短其使用壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，能夠達到消除LED頻閃的目的。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明在現(xiàn)有的LED恒流驅(qū)動電路中，加入了該自適應(yīng)LED電流紋波消除電路。
[0006]現(xiàn)有的LED恒流驅(qū)動電路包括:整流電路、恒流電路、輸出濾波電容、LED燈負載。
[0007]該自適應(yīng)LED電流紋波消除電路包括:功率管Q108、電流采樣電阻R109、運算放大器U110、以及一個自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路。功率管Q108的漏極接LED燈負載的陰極、源極接電流采樣電阻R109的一端、運算放大器UllO的反相輸入端以及自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸入端；自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸出端接運算放大器UllO的同相輸入端；運算放大器UllO的輸出端接功率管Q108的柵極；電流采樣電阻R109的另一端作為該自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端。
[0008]LED驅(qū)動電流流經(jīng)功率管Q108，在電流采樣電阻R109上產(chǎn)生采樣電壓，自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路用于根據(jù)采樣電壓，自動調(diào)節(jié)其輸出電壓，控制運算放大器U110，使得當(dāng)LED驅(qū)動電流中的紋波電流波動超過設(shè)定波動范圍時，運算放大器Ul 10的輸出減小，從而控制功率管Q108的工作狀態(tài)從線性區(qū)轉(zhuǎn)移到飽和區(qū)。
[0009]所述自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路包括:開關(guān)K117、電容C119、基準電壓生成電路、t匕較器U124和U125、或門G128、與門G131、電流源1135、電流源1133、電容C134。
[0010]開關(guān)K117受控于時鐘信號CLK_A，時鐘信號CLK_A為高電平則開關(guān)K117導(dǎo)通，時鐘信號CLK_AS低電平則開關(guān)K117截止。開關(guān)K117的一端作為自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸入端連接電流米樣電阻R109的一端,獲取米樣的電壓信號Ves ;同時電壓信號Ves分別輸入至比較器U124的同相輸入端和比較器U125的反相輸入端，以及運算放大器UllO的反相輸入端；開關(guān)K117的另一端接電容C119的一端、以及基準電壓生成電路的輸入端；電容C119的另一端接自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端?；鶞孰妷荷呻娐酚糜诟鶕?jù)保持在電容C119上的電壓Vcs s_d，產(chǎn)生兩個基準電壓Vcs Sampled+A V和Vcs S_d-A V，并分別送至比較器U124的反相輸入端和比較器U125的同相輸入端；比較器U124和U125各自的輸出端接或門G128的兩個輸入端，或門G128的輸出端接與門G131的一個輸入端，時鐘信號CLK_B輸入與門G131的另一個輸入端；與門G131的輸出端接電流源1133的受控端。電流源1135的第一端接供電端，第二端接電流源1133的第一端、電容C134的一端，以及運算放大器Ul 10的同相輸入端；電流源1133的第二端和電容C134的另一端接自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端。
[0011 ] 電流采樣電阻R109也可以不包含在上述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路中，而是作為一個外接采樣電阻，連接關(guān)系則同上述的電流采樣電阻R109。
[0012]時鐘信號CLK_A和時鐘信號CLK_B頻率相同，兩者之間相位相差90°，信號周期均為T，每周期T均包含4個時段。Tl時段內(nèi):CLK_A是高電平、CLK_B是低電平；T2時段內(nèi):CLK_A是低電平、CLK_B是低電平；T3時段內(nèi):CLK_A是低電平，CLK_B是高電平；T4時段內(nèi):CLK_A是低電平，CLK_B是低電平。
[0013]初始狀態(tài)下，自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓接近電源電壓，使得運算放大器UllO輸出高電壓，控制功率管Q108導(dǎo)通，并且工作在線性區(qū)(也就是MOS管的非飽和區(qū))，LED驅(qū)動電流可以不受限制的通過功率管Q108，并且在電流采樣電阻R109上產(chǎn)生采樣電壓，自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路可以根據(jù)采樣電壓，自動調(diào)節(jié)其輸出電壓，當(dāng)LED驅(qū)動電流中的紋波電流波動超過設(shè)定波動范圍時，反映到電壓的表現(xiàn)上，則反饋的電壓Vcs會落在電壓區(qū)間(Vcs—Sampled_

A V，^CS—Sampled+

AV)以外，此時自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓降低，運算放大器UllO的輸出減小，從而控制功率管Q108的工作狀態(tài)從線性區(qū)轉(zhuǎn)移到飽和區(qū)(M0S管的飽和區(qū)，即放大區(qū))。功率管Q108進入飽和區(qū)工作后，其等效交流輸出電阻增大，遠遠大于LED燈的等效電阻，因此功率管Q108漏端的電壓波形可以跟隨輸出濾波電容上的電壓波形，最終抵消落在LED燈上的電壓波動，從而消除LED燈的紋波電流。
[0014]傳統(tǒng)的LED照明驅(qū)動電路，由于LED燈的陰極直接接地，輸出濾波電容上的電壓波動，全部都落在了 LED燈上，引起了 LED燈的低頻頻閃。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明功率管漏極的電壓基本等于輸出濾波電容上的電壓紋波成分，使LED負載上的電壓為一近似無紋波的直流電壓，LED負載上的電流為一近似無紋波的直流電流，從而達到LED無頻閃的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有的有紋波LED恒流驅(qū)動電路的簡單示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實施例一提供的無頻閃的LED恒流驅(qū)動電路的原理圖。
[0018]圖3是本發(fā)明實施例采用的時鐘頻率相位關(guān)系圖。
[0019]圖4為本發(fā)明實施例二提供的無頻閃的LED恒流驅(qū)動電路的原理圖。
[0020]圖5為本發(fā)明的一種自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的供電方式示意圖。
[0021]圖6為本發(fā)明的另一種自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的供電方式示意圖。
[0022]圖7是本發(fā)明的一種應(yīng)用拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖8是本發(fā)明的另一種應(yīng)用拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]圖2是本發(fā)明的實施例一。
[0026]在一個現(xiàn)有的LED恒流驅(qū)動電路中，加入了本發(fā)明提出的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路。因此整個LED恒流驅(qū)動電路包括整流濾波電路D101、D102、D103、D104U05，對輸入交流電壓進行整流，將頻率為50/60HZ的交流全波電壓，整流成頻率為100/120HZ的交流半波電壓；恒流電路105，具有功率因數(shù)校正功能，輸出平均電流恒定，但是存在頻率為100/120HZ的紋波電流；C106是輸出濾波電容；D107是一組串聯(lián)的LED燈；Q108是功率管，可以是MOSFET。R109是電流采樣電阻;U110是運算放大器；111是自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路。
[0027]恒流電路105產(chǎn)生的輸出電流112，分成LED驅(qū)動電流113和輸出濾波電容充電電流114兩路，其中113送給LED負載D107 ;114送給輸出濾波電容C106。
[0028]自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路111輸出電壓信號115，115是基準電壓VKEF，送給運算放大器Ul 10的同相輸入端，Vkef的初始電壓接近電源電壓，使得運算放大器Ul 10輸出高電壓控制功率管Q108工作在線性區(qū)(M0S管的非飽和區(qū))，LED驅(qū)動電流113可以不受限制的通過功率管Q108 ;電流采樣電阻R109將LED驅(qū)動電流信號113轉(zhuǎn)換成電壓信號116 (即電壓Vcs)送給運算放大器UllO的反相輸入端和自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路111。
[0029]由于LED驅(qū)動電流信號113中包含了頻率為100/120Hz的紋波電流，因此電壓信號116同樣包含頻率為100/120HZ的紋波電壓。
[0030]開關(guān)K117在信號118的控制下進行開關(guān)切換，信號118是具有某一頻率的時鐘信號CLK_A，例如在時鐘的高電平時間內(nèi)，信號118控制開關(guān)Kl 17導(dǎo)通，在時鐘的低電平時間內(nèi)，信號118控制開關(guān)Kl 17截止。在采樣頻率CLK_A的控制下，逐周期的將電壓信號Vcs采樣并保持在電容C119上，保持在電容C119上的電壓信號120是Vcs Sampled，經(jīng)過基準電壓生成電路121的處理后，產(chǎn)生兩路基準電壓122和123，其中122為Vcs Sampled+Λ V，送到比較器U124的反相輸入端；123為Vcs sampled-Λ V，送到比較器U125的同相輸入端。比較器U124的同相輸入端和比較器U125的反相輸入端接電壓信號116(即電壓Vcs)。AV取的比較小，一般為幾十個毫伏，以抑制紋波波動。
[0031]比較器U124輸出信號126，比較器U125輸出信號127，信號126和127送到或門G128，或門G128輸出信號129，與信號130 —起送到與門G131，信號130是具有某一頻率的時鐘信號CLK_B，與門G131的輸出132控制電流源1133是否放電，在本發(fā)明的此實施例中，當(dāng)132是高電平時，控制電流源1133放電，電容Cl34的電壓信號115 (即Vkef)隨著電流源1133的放電而降低。
[0032]圖3是時鐘信號CLK_A和CLK_B的相位關(guān)系圖。時鐘信號CLK_A和時鐘信號CLK_B頻率相同，兩者之間相位相差90°，信號周期均為T，每周期T均包含4個時段:T1時段內(nèi):CLK_A是高電平、CLK_B是低電平；T2時段內(nèi):CLK_A是低電平、CLK_B是低電平；T3時段內(nèi):CLK_A是低電平，CLK_B是高電平；T4時段內(nèi):CLK_A是低電平，CLK_B是低電平。Tl時段是電壓采樣過程，T3時段是控制放電過程，這兩個過程依靠時鐘信號0^_八和CLK_B區(qū)分開。時鐘信號CLK_A和CLK_B通?？梢酝ㄟ^在自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路111中內(nèi)置兩個時鐘源產(chǎn)生。
[0033]在Tl時段內(nèi):118信號0^_么是高電平、130信號0^_8是低電平，開關(guān)1(117導(dǎo)通，將Tl時段內(nèi)的Ves平均電壓采樣并保持在電容C119上，信號132是低電平，電流源1133不放電。在T2時段內(nèi)，118信號CLK_A是低電平，130信號CLK_B是低電平，電流源1133不放電。在T3時段內(nèi)，118信號CLK_A是低電平，130信號CLK_B是高電平，允許與門G131將比較器U124或U125的輸出傳輸給信號132,如果Vcs電壓大于或小于Vcsjjampled電壓的差值超過Λ V，則控制電流源1133放電，否則電流源1133不放電；在Τ4時段內(nèi)，118信號CLK_A是低電平，130信號CLK_B是低電平，電流源1133不放電。
[0034]電流源1135對電容C134進行充電，其中電流源1135可以是固定電流源，也可以是受控電流源，在本發(fā)明的此實施例中:在上電初期，電流源1135對電容C134充電至接近電源電壓，然后停止對電容C134進行充電。在本發(fā)明的另一個具體實施例中:在上電初期，電流源1135對電容C134充電至接近電源電壓，然后每間隔一段時間就對電容C134充電一次。
[0035]LED驅(qū)動電流113在電阻R109上轉(zhuǎn)換成電壓信號116 (即電壓Vcs)，116被采樣保持在電容C119上，因此電壓Vcs Sampled能夠反映LED的平均電流。當(dāng)Vcs電壓在T3時段內(nèi)的紋波電壓超過AV時，信號132控制電流源1133對電容C134放電，115電壓信號Vkef減小，當(dāng)Vkef電壓逐漸下降后，運算放大器UllO的輸出逐漸減小，控制功率管Q108從線性工作區(qū)(非飽和區(qū))逐漸轉(zhuǎn)移到飽和工作區(qū)(放大區(qū))，進入飽和工作區(qū)后，功率管Q108的等效電阻增大，遠大于LED的等效電阻，因此電容C106上的紋波電壓，落在了功率管Q108的漏極，使得LED燈串D107兩端的電壓能夠保持恒定，從而消除或減小了 LED驅(qū)動電流113中的紋波電流。
[0036]電流源1135的第一端為電流流入端，第二端為電流流出端；電流源1133的第一端為電流流入端，第二端為電流流出端。
[0037]圖4是本發(fā)明的第二個實施例。在實施例一中，功率管Q108的漏極電壓Vd若過高則會引起Q108消耗功率高導(dǎo)致發(fā)熱嚴重的問題。因此在圖3所示的實施例基礎(chǔ)上增加了一個比較器U136，此時電流源1135為受控電流源；比較器U136的同相輸入端接電壓信號137，137是功率管Q108的漏極電壓\，反相輸入端接電壓信號138，138是一個閾值電壓V1,比較器U136的輸出端接電流源1135的受控端；比較器U136的輸出信號139，控制電流源1135是否充電，在本實施例中，信號139為高電平時，控制電流源1135對電容C134進行充電。當(dāng)電壓Vd超過V1時，電流源1135對電容C134進行充電。
[0038]若電壓Vkef因為某種原因下降，比如電容C134自放電，則功率管Q108柵極電壓會下降，功率管Q108帶電流能力下降，而LED驅(qū)動電流113的平均值看做是不變的，當(dāng)LED驅(qū)動電流113大于基準電壓Vkef和負反饋環(huán)路控制產(chǎn)生的電流時，多余的電流會使電壓信號Vd增大，超過閾值電壓V1時，電流源1135對電容C134進行充電，基準電壓Vkef增大，控制功率管Q108吸收更多的電流，自動完成電流調(diào)節(jié)過程。
[0039]在具體實施時，可以將功率管Q108、運算放大器U110、自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路111，比較器U136集成在一起，形成一個自適應(yīng)LED電流紋波消除電路201。圖5是電路201的供電方式，電路201擁有三個端口 VDD、CS、D，VDD為電路201供電，CS端用于外接電流采樣電阻R109，LED電流從D端流入。
[0040]也可以將進一步將電流采樣電阻R109也集成進自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，形成自適應(yīng)LED電流紋波消除電路301，如圖6所示。
[0041]圖5和圖6中，LED串中最后一個LED兩端的壓差約3.4v，足以為自適應(yīng)LED電流紋波消除電路供電。
[0042]最后需要說明的是，雖然本發(fā)明的兩個實施例中功率管Q108采用MOSFET管，但是Q108采用BJT三極管也是可以的。上述描述中，MOS管的線性工作區(qū)(非飽和區(qū))對應(yīng)三極管的飽和區(qū)，MOS管的飽和區(qū)(放大區(qū))對應(yīng)三極管的放大區(qū)，照此對應(yīng)關(guān)系即可理解BJT三極管在上述電路中的工作過程。
[0043]圖7是根據(jù)本發(fā)明在隔離型反激變換器LED照明中的一個具體應(yīng)用實施例。
[0044]圖8是根據(jù)本發(fā)明在非隔離降壓型LED照明中的一個具體應(yīng)用實施例。
[0045]以上所示僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于，包括: 功率管Q108、電流采樣電阻R109、運算放大器U110、以及一個自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路(111); 功率管Q108的漏極接LED燈負載的陰極、源極接電流采樣電阻R109的一端、運算放大器UllO的反相輸入端以及自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路(111)的輸入端；自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路(111)的輸出端接運算放大器UllO的同相輸入端；運算放大器UllO的輸出端接功率管Q108的柵極；電流采樣電阻R109的另一端作為該自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端; LED驅(qū)動電流流經(jīng)功率管Q108，在電流采樣電阻R109上產(chǎn)生采樣電壓，自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路(111)用于根據(jù)采樣電壓，自動調(diào)節(jié)其輸出電壓，控制運算放大器U110，使得當(dāng)LED驅(qū)動電流中的紋波電流波動超過設(shè)定波動范圍時，運算放大器UllO的輸出減小，從而控制功率管Q108的工作狀態(tài)從線性區(qū)轉(zhuǎn)移到飽和區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于，所述自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路(111)包括: 開關(guān)K117、電容C119、基準電壓生成電路(121)、比較器U124和U125、或門G128、與門G131、電流源1135、電流源1133、電容C134 ； 開關(guān)K117受控于時鐘信號CLK_A，時鐘信號CLK_A為高電平則開關(guān)K117導(dǎo)通，時鐘信號CLK_A為低電平則開關(guān)Kl 17截止； 開關(guān)K117的一端作為自適應(yīng)基準電壓產(chǎn)生電路(111)的輸入端連接電流采樣電阻R109的一端,獲取米樣的電壓信號Vcs ;同時電壓信號Vcs分別輸入至比較器U124的同相輸入端和比較器U125的反相輸入端，以及運算放大器UllO的反相輸入端；開關(guān)K117的另一端接電容C119的一端、以及基準電壓生成電路(121)的輸入端；電容C119的另一端接自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端； 基準電壓生成電路(121)用于根據(jù)保持在電容C119上的電SVcs sampled，產(chǎn)生兩個基準電壓Vcs—Sampled+ Λ V和Vcs sampled- Δ V,并分別送至比較器U124的反相輸入端和比較器U125的同相輸入端；比較器U124和U125各自的輸出端接或門G128的兩個輸入端，或門G128的輸出端接與門G131的一個輸入端，時鐘信號0^_8輸入與門G131的另一個輸入端；與門G131的輸出端接電流源1133的受控端； 電流源1135的第一端接供電端，第二端接電流源1133的第一端、電容C134的一端，以及運算放大器UllO的同相輸入端；電流源1133的第二端和電容C134的另一端接自適應(yīng)LED電流紋波消除電路的接地端； 時鐘信號CLK_A和時鐘信號CLK_B頻率相同，兩者之間相位相差90°，信號周期均為T，每周期T均包含4個時段: Tl時段內(nèi):CLK_A是高電平、CLK_B是低電平；T2時段內(nèi):CLK_A是低電平、CLK_B是低電平；T3時段內(nèi):CLK_A是低電平，0^_8是高電平；T4時段內(nèi):CLK_A是低電平，CLK_B是低電平。
3.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于: 所述電流源1135為固定電流源或者受控電流源。
4.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于: 所述電流源1135為受控電流源；并且該自適應(yīng)LED電流紋波消除電路還包括一個比較器U136 ;比較器U136的同相輸入端接功率管Q108的漏極電壓VD，反相輸入端接一個閾值電壓V1 ;比較器U136的輸出端接電流源1135的受控端；當(dāng)電壓Vd超過V1時，電流源1135對電容C134進行充電。
5.如權(quán)利要求1?4中任一項所述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于:功率管Q108為MOSFET管。
6.如權(quán)利要求5中任一項所述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于:功率管Q108能夠用一 BJT三極管替換。
7.如權(quán)利要求1?4中任一項所述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路，其特征在于: 電流采樣電阻R109不包含在上述的自適應(yīng)LED電流紋波消除電路中，而是作為一個外接采樣電阻。
【文檔編號】H05B37/02GK204014192SQ201420379530
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】勵曄, 黃飛明, 趙文遐, 丁國華, 吳霖, 朱勤為 申請人:無錫硅動力微電子股份有限公司