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TWI584099B - 電流控制電路 - Google Patents

電流控制電路 Download PDF

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TWI584099B
TWI584099B TW105119398A TW105119398A TWI584099B TW I584099 B TWI584099 B TW I584099B TW 105119398 A TW105119398 A TW 105119398A TW 105119398 A TW105119398 A TW 105119398A TW I584099 B TWI584099 B TW I584099B
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張勝有
孟欣
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普誠科技股份有限公司
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Description

電流控制電路
本發明涉及電子電路領域，尤其涉及一種用於發光二極體(LED)組件的驅動電路系統中的電流控制電路。
現有LED驅動電路系統將來自電網的交流(AC)電壓進行整流後，對LED組件進行驅動。其面臨的一大問題是：電網中交流電壓的波動會造成LED組件平均電流的波動。
根據LED的導通原理，只有在輸入電壓高於LED的順向導通電壓Von時，LED才會導通，因此LED的導通角(即在一個交流電壓週期中，LED導通持續時間折合成的電角度)會隨著電網中交流電壓的波動而波動，從而造成LED平均電流的波動。
第1圖表示一種現有的LED驅動電路系統的電路結構圖，其中，運算放大器OP、電晶體M1和電阻器RCS構成線性電流控制迴路P1來設定流過LED的電流Io。該電路中，LED平均電流IAVG定義為LED暫態電流對導通時間的乘積再除以總時間，可用如下公式(1)來表示：I AVG =V REF '×ton/(R CS ×T) (1)
其中，V REF '為運算放大器OP非反向輸入端電壓，也是運算放大器OP和電晶體M1構成的電流模組的基準電壓，V REF '經由穩壓器提供，基本恒定。R CS 為電阻器RCS的阻值，ton為LED導通 時間(即在所針對的總時長中，各個週期LED導通時間的總和),T為總時間(即所針對的總時長)。
第2圖顯示了第1圖所示的電路系統的工作時序圖。根據以上公式並結合第2圖所示的時序圖可以看出，當電壓波動方向為升高時，導通角變大，即ton變大，LED的平均電流會升高，當電壓波動方向為下降時，導通角變小，即ton變小，LED的平均電流會下降。LED平均電流隨電網電壓波動而波動，會導致LED閃爍問題。
有鑑於此，本發明提出了一種電流控制電路，其用於發光二極體(LED)組件的驅動電路系統中，能夠在電網中交流電壓波動的情況下，保持LED組件的平均電流恒定，解決了上述問題。
一方面，提出了一種電流控制電路，所述電流控制電路用於發光二極體(LED)組件的驅動電路系統中，所述驅動電路系統包括電流模組302和整流器303，其中整流器303對輸入交流電壓進行整流並提供給LED組件301的正極，電流模組302的輸入端VIN與LED組件的負極連接以設定流經所述LED組件的電流。所述電流控制電路包括：穩壓器304，所述穩壓器的輸入端連接電流模組302的輸入端VIN，穩壓器的輸出端連接第一運算放大器Gm的非反向輸入端；第一運算放大器Gm，所述第一運算放大器的反向輸入端與所述電流模組302的輸出端連接，第一運算放大器的輸出端與電容器C1的一端連接，所述第一運算放大器的輸出端電壓VCOMP為電流模組302提供基準電壓；電容器C1，所述電容器的一 端與所述第一運算放大器的輸出端連接，另一端接地；以及電阻器RCS，所述電阻器的一端與第一運算放大器的反向輸入端連接，另一端接地。
在一個示例中，所述驅動電路系統包括多個LED組件以及分別為所述多個LED組件設定導通電流的多個電流模組，以及其中，穩壓器304的輸入端與所述多個電流模組中的第一電流模組302的輸入端DR1連接，第一運算放大器Gm的反向輸入端與所述多個電流模組的公共的輸出端CS連接。
在一個示例中，電流控制電路還包括分壓電路，其對所述第一運算放大器的輸出端電壓VCOMP進行分壓，以分別為所述多個電流模組提供基準電壓。
在一個示例中，所述電流模組包括：第二運算放大器OP，所述第二運算放大器的非反向輸入端接收由所述電流控制電路提供的基準電壓，反向輸入端連接電流模組的輸出端，第二運算放大器的輸出端連接電晶體M1的閘極；以及電晶體M1，所述電晶體的汲極連接電流模組的輸入端，源極連接電流模組的輸出端。
在一個示例中，所述第一運算放大器的輸出端電壓VCOMP在LED組件導通時下降，在LED組件關閉時上升。
在一個示例中，流經所述LED組件的平均電流IAVG為：I AVG =V REF /R CS
其中，V REF 為第一運算放大器非反向輸入端電壓，R CS 為所述電阻器的電阻值。
根據下面參考附圖對示例性實施例的詳細說明，本發明的其它特徵及方面將變得清楚。
301‧‧‧LED組件
302‧‧‧電流模組
303‧‧‧整流器
304‧‧‧穩壓器
305‧‧‧分壓電路
C1‧‧‧電容器
COMP‧‧‧接腳
CS‧‧‧公共輸出端
DR1…DR4‧‧‧輸入端
Gm‧‧‧運算放大器
GND‧‧‧接腳
IO‧‧‧電流
I1、Í2、Í3‧‧‧電流的平均值
IS‧‧‧輸出端
LED1…LED4‧‧‧LED組件
M1…M4‧‧‧電晶體
OP、OP1…OP4‧‧‧運算放大器
P‧‧‧迴路
P1…P4、P1’…P4’‧‧‧電流控制迴路
RCS‧‧‧電阻值
t1…t11‧‧‧時間點
toff‧‧‧LED關閉時間
ton‧‧‧LED導通時間
VAC‧‧‧輸入交流電壓
VBUS‧‧‧輸出電壓
VCOMP‧‧‧基準電壓
VIN‧‧‧輸入端
Von‧‧‧導通電壓
VREF、VREF’、VREF1…VREF4、‧‧‧基準電壓
VS‧‧‧電壓
第1圖表示一種現有的LED驅動電路系統的電路結構圖。
第2圖表示第1圖所示的電路系統的工作時序圖。
第3圖表示根據本發明一實施例的電流控制電路的結構圖。
第4A圖和第4B圖表示第3圖所示電路的工作時序圖。
第5圖表示根據本發明的一個變形例的電流控制電路的電路結構圖。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在這裡專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這裡作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優於或好於其它實施例。
另外，為了更好的說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以實施。在一些實例中，對於本發明所屬領域中具有通常知識者熟知的方法、手段、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。
第3圖表示根據本發明一實施例的電流控制電路的結構圖，該電流控制電路用於LED組件的驅動電路系統中。
如第3圖所示，驅動電路系統可包括電流模組302和整流器303，其中整流器303對輸入交流電壓VAC進行整流並提供給LED組件301的正極，電流模組302的輸入端VIN與LED組件301的負極連接以設定流經所述LED組件的電流Io。
在一個實施例中，電流模組302可具有類似於第1圖所示的結構，其可由運算放大器OP(第二運算放大器)和電晶體M1構成，運算放大器OP的非反向輸入端接收由電流控制電路提供的基準電壓VCOMP，反向輸入端連接電流模組的輸出端IS，運算放大器OP的輸出端連接電晶體M1的閘極。電晶體M1的汲極連接電流模組302的輸入端VIN，源極連接電流模組的輸出端IS。電晶體M1例如為MOS電晶體，在第3圖中示例了電晶體M1為N型MOS電晶體，本領域中具有通常知識者應理解，也可以用其他類型的電晶體作為替代，起到同樣的開關作用。電流模組302的具體結構根據實際需要可有不同的變形設計，本發明對此不作限制。
如第3圖所示，本實施例的電流控制電路主要包括：穩壓器304、運算放大器Gm(第一運算放大器)、電容器C1和電阻器RCS。其中穩壓器304的輸入端連接電流模組302的輸入端VIN，即連接LED組件301的負極，輸出端連接運算放大器Gm的非反向輸入端。穩壓器304對輸入端VIN的電壓進行穩壓，以為運算放大器Gm非反向輸入端提供穩定基準電壓VREF。運算放大器Gm的反向輸入端與電流模組的輸出端IS連接，輸出端與電容器C1的一端連接，並為電流模組提供基準電壓VCOMP。電容器C1的一端與運算放大器Gm的輸出端連接，另一端接地，電阻器RCS的一端與運算放大器Gm的反向輸入端連接，即與電流模組的輸出端IS連接，另一 端接地。
需要說明的是，第3圖以及其他電路結構圖中的虛線是電路封裝方式的一種示例，虛線內部代表集成在單個晶片上的電路元件，沿虛線的框VIN、IS、GND、COMP等代表晶片接腳。本領域中具有通常知識者應理解，第3圖以及其他附圖中示出的封裝方式僅為示例，實踐中可根據需要來進行封裝，例如電容器C1和電阻器RCS也可與運算放大器Gm等封裝在同一晶片內，本發明對此不作限制。
第4A圖和第4B圖示出了第3圖所示電路的工作時序圖。現以第3圖所示實施例為例，結合第4A圖和第4B圖來說明本發明實施例的電流控制電路的工作原理。
如第3圖所示，整流器303對來自電網的交流電VAC進行全波整流，並產生輸出電壓VBUS，經過LED組件為其內部電路供電。運算放大器OP、電晶體M1和電阻器RCS構成電流控制迴路P1，確定單個週期內LED導通時，LED的暫態電流ILEDSINGLE，參見以下公式(2)：ILED SINGLE =V COMP /R CS (2)
其中V COMP 是電流模組的基準電壓，也是運算放大器Gm的輸出端電壓，R CS 是電阻器RCS的阻值。
運算放大器GM與電容C1連接，構成積分器，同時與運算放大器OP、電晶體M1、電阻器RCS構成迴路P，用來確定LED的平均電流ILEDAVG。
如第4A圖所示，在系統上電時，假設電網電壓未發生波動，輸入交流電壓VAC為220V，整流器303對交流電壓VAC進行 全波整流，並產生輸出電壓VBUS，當VBUS電壓大於LED組件301順向導通電壓時，節點VIN(即電流模組302輸入端)產生電壓，電路開始工作，運算放大器OP非反向輸入端節點電壓VCOMP快速預充電，得到VCOMP的初始電壓，如第4A圖中t0-t1時段所示。此後，在單個週期中，當輸出電壓VBUS電壓大於LED組件的導通電壓時，LED導通(如第4A圖中的t1-t2時段，即ton)，電容器C1放電，導致VCOMP下降；當VBUS電壓小於LED組件的導通電壓時，LED關閉(如第4A圖中的t2-t3時段，即toff)，電容器C1充電，導致VCOMP上升。在電網電壓不發生波動的情況下，每個週期的導通時間ton恒定，VCOMP在單個週期中的平均值恒定，因此LED組件的平均電流恒定。
當VAC電壓從220V向上波動，例如波動到240V時，由第4A圖可以看出，LED的導通時間變長(參見t5-t6時段)，即電容器C1的放電時間變長，而LED的不導通時間變短(參見t6-t7時段)，即電容器C1的充電時間變短，因此VCOMP電壓的平均值下降，導致LED導通時的電流減小(其中ILED示意了單週期內LED導通時的電流的平均值)，所以，雖然LED的導通時間變長，但LED的平均電流保持不變。
當VAC電壓從240V向下波動，例如波動到200V，由第4A圖可以看出，LED的導通時間變短(參見t9-t10時段)，即電容器C1的放電時間變短，而LED的不導通時間變長(參見t10-t11時段)，即電容器C1的充電時間變長，因此電壓VCOMP的平均值升高，即LED導通時的電流升高，所以，雖然LED的導通時間變短，但LED的平均電流保持不變。
第4B圖更形象地示意了本實施例的電流控制電路使LED保持恒流的原理。其中I1，I2，I3分別示意了電網電壓VAC為 200V，220V和240V時，在單週期內LED組件導通時的電流的平均值。從第4B圖可以看出，本實施例保持LED平均電流恒定的原理是：單個週期內，通過導通時的電流的增加或減少來彌補由於AC電壓減小或增大而導致的導通角的減小或增大；即，AC電壓減小時，LED的導通角減小，此時使電壓VCOMP抬高、LED導通時的電流增大，從而使LED平均電流保持不變；AC電壓增大時，LED的導通角變大，此時使電壓VCOMP減小、LED導通時的電流減小，從而使LED平均電流保持不變。
在長週期(例如超過1000個交流電週期)的時間維度上看，本實施例的電流控制電路可使LED組件平均電流ILEDAVG穩定在公式(3)所示的恒定值：ILEDAVG=VREF/RCS (3)
第5圖示出了根據本發明的一個變形例的電流控制電路的電路結構圖。與第2圖所示實施例不同的是，第2圖示出了LED組件和相應的電流模組分別為一個，而第5圖示出了LED組件和相應的電流模組分別為多個，例如為4個或根據需要的其他任意數量。
在第5圖所示的變形例中，電流控制電路還可包括分壓電路305，其對運算放大器Gm的輸出端電壓VCOMP進行分壓，以為多個電流模組分別提供基準電壓VREF1，VREF2，VREF3，VREF4。通常VREF1<VREF2<VREF3<VREF4。分壓電路的具體結構例如可以是電阻器串聯分壓的形式，本發明對此不做限制。穩壓器304的輸入端可與電流模組中的第一電流模組的輸入端DR1連接，以為運算放大器Gm提供穩定基準電壓VREF，各電流模組的輸出端連接至公共輸出端CS，運算放大器Gm的反向輸入端與公共輸出端CS連接。
換言之，第3圖的實施例示出了電流控制電路為單段LED組件提供閉環恒流控制的示例，而第5圖的變形例示出了電流控制電路為多段LED組件(LED1~LED4)提供閉環恒流控制的示例，第5圖所示變形例的工作原理與第3圖所示實施例基本相同，這裡不再贅述。
基於以上，本發明各實施例的電流控制電路能夠調整不同導通角時的LED導通電流，彌補因電網中交流電壓波動造成導通角變化而引起的LED平均電流變化，使LED平均輸出電流保持恒定，避免了交流電壓波動時的LED閃爍問題。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
301‧‧‧LED組件
302‧‧‧電流模組
303‧‧‧整流器
304‧‧‧穩壓器
C1‧‧‧電容器
COMP‧‧‧接腳
Gm‧‧‧運算放大器
GND‧‧‧接腳
IO‧‧‧電流
IS‧‧‧輸出端
M1‧‧‧電晶體
OP‧‧‧運算放大器
P‧‧‧迴路
P1‧‧‧電流控制迴路
RCS‧‧‧電阻值
VAC‧‧‧輸入交流電壓
VBUS‧‧‧輸出電壓
VCOMP‧‧‧基準電壓
VIN‧‧‧輸入端
VREF‧‧‧基準電壓
VS‧‧‧電壓

Claims (6)

  1. 一種電流控制電路，所述電流控制電路用於一第一發光二極體(LED)組件的一驅動電路系統中，所述驅動電路系統包括一第一電流模組(302)和一整流器(303)，其中所述整流器(303)對一輸入交流電壓進行整流並提供給所述第一發光二極體組件(301)的正極，所述第一電流模組(302)的輸入端(VIN)與所述第一發光二極體組件的負極連接以根據一基準電壓來設定流經所述第一發光二極體組件的一電流；所述電流控制電路包括：一穩壓器(304)，所述穩壓器的輸入端連接所述第一電流模組(302)的輸入端(VIN)，所述穩壓器的輸出端連接一第一運算放大器(Gm)的非反向輸入端；所述第一運算放大器(Gm)，所述第一運算放大器的反向輸入端與所述第一電流模組(302)的輸出端連接，所述第一運算放大器的輸出端與一電容器(C1)的一端連接，所述第一運算放大器的一輸出端電壓Vcomp為所述第一電流模組(302)提供所述基準電壓；所述電容器(C1)，所述電容器的一端與所述第一運算放大器的輸出端連接，另一端接地；以及一電阻器(Rcs)，所述電阻器的一端與所述第一運算放大器的反向輸入端連接，另一端接地。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制電路，其中，所述驅動電路系統包串聯的多個第二發光二極體組件以及分別為所述多個第二發光二極體組件設定導通電流的多個第二電流模組，所述第一電流模組的輸出端與所述第二多個電流模組的輸出端連接至公共輸出端(CS)；以及其中，所述多個第二發光二極體以串聯方式耦接於所述第一發光二極體組件的負極，所述第一運算放大器(Gm)的反向輸入端與所述公共輸出端(CS)連接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電流控制電路，還包括：一分壓電路，對所述第一運算放大器的輸出端電壓Vcomp進行分壓，以分別為所述多個電流模組提供基準電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制電路，其中，所述第一電流模組包括：一第二運算放大器(OP)，所述第二運算放大器的非反向輸入端接收由所述電流控制電路提供的所述基準電壓，反向輸入端連接所述第一電流模組的輸出端，所述第二運算放大器的輸出端連接一電晶體(M1)的閘極；以及所述電晶體(M1)，所述電晶體的汲極連接所述第一電流模組的輸入端，源極連接所述第一電流模組的輸出端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制電路，其中，所述第一運算放大器的所述輸出端電壓Vcomp在所述第一發光二 極體組件導通時下降，在所述第一發光二極體組件關閉時上升。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制電路，其中，流經所述第一發光二極體組件的平均電流IAVG為：I AVG =V REF /R CS 其中，V REF 為所述第一運算放大器非反向輸入端電壓，R CS 為所述電阻器的電阻值。
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