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TWI604757B - Line voltage compensation system for LED constant current control - Google Patents

Line voltage compensation system for LED constant current control Download PDF

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TWI604757B
TWI604757B TW105144270A TW105144270A TWI604757B TW I604757 B TWI604757 B TW I604757B TW 105144270 A TW105144270 A TW 105144270A TW 105144270 A TW105144270 A TW 105144270A TW I604757 B TWI604757 B TW I604757B
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led
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voltage
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li-qiang Zhu
Jian Gao
Jun Zhou
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Description

用於LED恒流控制的線電壓補償系統
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於LED恒流控制的線電壓補償系統。
LED作為一種節能環保的新型光源，由於具有高亮度、低功耗而且壽命長的優點而被廣泛用於各個領域。由於在接近額定電流的範圍內，LED的發光亮度與流過的電流成正比而與其兩端的電壓無關，因此LED在工作時希望恒流源來供電。
第1圖示出了傳統LED線性恒流控制系統100。該系統因結構簡單、系統成本低的特點而在LED照明等領域有廣泛應用。系統100的主要控制單元(如虛線所示)包括：感測電阻器101、功率調整管102、以及誤差放大器103。誤差放大器的正向輸入端輸入參考電壓Vref，負向輸入端與感測電阻器101連接；誤差放大器的輸出端與功率調整管102的閘極連接。
如第1圖所示，當上電時，系統100接收交流電(AC)輸入電壓110。電壓110由整流器120(例如，全波整流橋)，整流器120隨後生成經整流的輸出電流，用於功率轉換系統100的操作。電容器104一端與整流器120的輸出連接，一端接地。經整流的輸出電流在在電容器104上產生體電壓Vbulk。
控制單元的誤差放大器在上電後，控制閘極端電壓使功率調整管102處於導通狀態。當Vbulk電壓高於LED的最小擊穿電壓時，電流通過LED，經功率調整管102流入感測電阻器101，其中101的電壓大小對應LED的流入電流。誤差放大器對所感測的電阻101的電壓 Vsense，以及另一輸入端的參考電壓Vref進行誤差放大來調節功率調整管102的閘極電壓，從而實現對LED的恒流控制。輸出的LED電流Iled如等式1所示： 其中，R1代表電阻器101的阻值，並且Vref代表參考電壓。
而在一些高PF(Power Factor，功率因數)、或者可控矽調光(TRIAC dimming)等應用領域，由於電容器104的電容值較小，Vbulk以交流信號整流後的波形進入LED的陽極。這就會導致在Vbulk電壓較低的市電工頻週期(例如，0.02s)中，LED因擊穿電壓不足而無法導通，從而也無電流流過LED。所以在這種應用場景中，輸出的LED電流Iled如等式2所示： 其中，T代表工頻週期，Ton代表工頻週期中LED的導通時間。
由此帶來的問題是，根據(等式2)，當市電電網電壓發生波動時，L市電工頻週期中LED的導通時間Ton也發生變化，從而導致LED的輸出電流Iled變化，這種系統的輸入線電壓調整率(line regulation)差。電壓調整率表徵在所有其他影響量(例如，溫度等)保持不變時，由於輸入電壓的變化所引起輸出電流的相對變化量，其以百分比形式表示。電壓調整率越小則系統性能越好，過大的電壓調整率將導致系統運行的不穩定。
因此，非常需要改進的LED恒流控制的線電壓補償技術。
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於過電壓保護的系統和方法。僅作為示例，本發明的一些實施例被應用到LED照明系統。但是應該理解，本發明具有更廣泛 的適用範圍。
根據一個實施例，提供了一種用於LED恒流控制的線電壓補償系統，系統包括：誤差放大器，誤差放大器的正向輸入端輸入參考電壓，負向輸入端與補償電阻器連接；功率調整管，功率調整管的源極與第一感測電阻器連接，閘極與誤差放大器的輸出端連接，漏極與外部LED的陰極連接；其中，第一感測電阻器一端與補償電阻器以及誤差放大器的負向輸入端串聯連接，一端接地，第二感測電阻器連接在誤差放大器的負向輸入端和LED的陰極之間，補償電阻器一端連接誤差放大器的負向輸入端，一端連接第一感測電阻器。
根據另一實施例，提供了一種包括如本公開的實施例所述的用於LED恒流控制的線電壓補償系統的LED燈具。
根據實施例，可以獲得一項或多項益處。參考隨後的詳細的說明和附圖，這些好處和本發明的各種附加的目的、特徵和優勢可得以透徹地理解。
101‧‧‧感測電阻器
407‧‧‧電壓源
507‧‧‧二極體
607‧‧‧穩壓二極體
Vref‧‧‧參考電壓
Vbulk‧‧‧體電壓
Iled‧‧‧LED電流
100、200、300、400、500、600‧‧‧系統
102、205、305、405、505、605‧‧‧功率調整管
103、204、304、404、504、604‧‧‧誤差放大器
104、206、306、406、506、606‧‧‧電容器
110、210、310、410、510、610、Vsense‧‧‧電壓
120、220、320、420、520、620‧‧‧整流器
201、301、401、501、601‧‧‧第一感測電阻器
202、302、402、502、602‧‧‧第二感測電阻器
203、303、403、503、603‧‧‧補償電阻器
230、330、430、530、630‧‧‧LED
第1圖示出了傳統LED線性恒流控制系統。
第2圖是根據本公開的實施例的、LED線性恒流系統的線電壓補償電路原理圖。
第3圖是根據本公開的優選實施例的、LED線性恒流系統的線電壓補償電路原理圖。
第4圖是根據第3圖的實施例的、LED線性恒流系統的改進的線電壓補償電路原理圖。
第5圖是根據第3圖的實施例的、LED線性恒流系統的改進的線電壓補償電路原理圖。
第6圖是根據第3圖的實施例的、LED線性恒流系統的改進的線電壓補償電路原理圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於LED恒流控制的線電壓補償系統。僅作為示例，本發明的一些實施例被應用到LED照明。但是，將認識到，本發明有更廣泛的適用範圍。
本發明提供了一種用於LED恒流控制的線電壓補償系統，可以通過系統週邊感應電阻和補償電阻的設置，實現低成本的LED線性恒流系統線電壓補償功能。優選的，本發明的控制方法可以適用取高PF或TRAIC調光的線性恒流控制方式的LED照明領域。
第2圖是根據本公開的實施例的、LED線性恒流系統的線電壓補償電路原理圖。如第2圖所示，用於控制LED 230的控制系統200可以包括：第一感測電阻器201、第二感測電阻器202、補償電阻器203、誤差放大器204、以及功率調整管205。
如第2圖所示，當上電時，系統200接收交流電(AC)輸入電壓210。電壓210由整流器220(例如，全波整流橋)，整流器220隨後生成經整流的輸出電流，用於功率轉換系統200的操作。電容器206一端與整流器220的輸出連接，一端接地。經整流的輸出電流在在電容器206上產生體電壓Vbulk。
誤差放大器204的正向輸入端輸入參考電壓Vref，負向輸入端經由串聯連接的補償電阻器203、第一感測電阻器201接地，並且經由第二感測電阻器202連接到整流器220的輸出；誤差放大器204的輸出端與功率調整管205的閘極連接。功率調整管205的源極與第一感測電阻器201連接，閘極與誤差放大器205的輸出端連接，並且漏極與LED 230的陰極連接。第一感測電阻器201一端與補償電阻器203、誤差放大器204的負向輸入端串聯連接，一端接地。第二感測電阻器202連接在誤差放大器204的負向輸入端和整流器220的輸出端之間。補償電阻器203一端連接誤差放大器204的負向輸入端，一端連接第一感測電阻器201。
在第2圖的示例中，功率調整管205是絕緣閘雙極性接面電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。在另一示例中，功率調整管205是雙極結型電晶體。在另一示例中，功率調整管205是場效應電晶體(例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET))。在各種示例中，控制系統200可以包括更多或更少的元件，其中參考電壓Vref的值可以由本領域技術人員根據需要設置。
第二感測電阻器202具有電阻值R2。R2是線電壓感測電阻，流經第二感測電阻器202的電流IR2如等式3所示： 其中，Vbulk代表市電經整流器220整流後在電容器206上產生電壓(其表徵系統的輸入電壓)，R2代表第二感測電阻器202的阻值，並且Vref代表參考電壓。流經第二感測電阻器202的電流IR2對應輸入電壓Vbulk的變化。
假設補償電阻器203具有電阻值R3，以調節線電壓的補償量，則輸出的LED電流Iled如等式4或等式5所示：
或等式5 其中，R1代表第一感測電阻器201的阻值，R3代表補償電阻器203的阻值。
在第2圖的系統中，第二感測電阻器202連接的Vbulk是市電整流後的電壓，其最大電壓有可以高達數百V。因此，系統有時不得不選用相對價格較高的高耐壓電阻，或多個電阻器串聯連接的組合用作第二感測電阻器202。
第3圖是根據本公開的優選實施例的、LED線性恒流系統的線電壓補償電路原理圖。如第3圖所示，用於控制LED 330的控制系統300可以包括：：第一感測電阻器301、第二感測電阻器302、補償電阻器303、誤差放大器304、以及功率調整管305。
如第3圖所示，當上電時，系統300接收交流電(AC)輸入電壓310。電壓310由整流器320(例如，全波整流橋)，整流器320隨後生成經整流的輸出電流，用於功率轉換系統300的操作。電容器306一端與整流器320的輸出連接，一端接地。經整流的輸出電流在在電容器306上產生體電壓Vbulk。
誤差放大器304的正向輸入端輸入參考電壓Vref，負向輸入端與補償電阻器303以及第一感測電阻器301連接；誤差放大器的輸出端與功率調整管305的閘極連接。功率調整管303的源極與第一感測電阻器301連接，閘極與誤差放大器304的輸出端連接，漏極與LED 330的陰極連接。第一感測電阻器301一端與補償電阻器303、誤差放大器304的負向輸入端串聯連接，一端接地。第二感測電阻器302連接在誤差放大器304的負向輸入端和LED 330的陰極之間。補償電阻器303一端連接誤差放大器304的負向輸入端，一端連接第一感測電阻器301。
在第3圖的示例中，功率調整管305是絕緣閘雙極性接 面電晶體(IGBT)。在另一示例中，功率調整管305是雙極結型電晶體。在另一示例中，功率調整管305是場效應電晶體(例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))。在各種示例中，控制系統300可以包括更多或更少的元件，其中參考電壓Vref的值可以由本領域技術人員根據需要設置。
如第3圖所示，連接至LED 330的陰極的第二感測電阻器302具有電阻值R2，R2表示線電壓感測電阻。流經第二感測電阻器302的電流IR2如等式6所示： 其中，Vbulk代表市電經整流器320整流後在電容器306上產生電壓(其表徵系統的輸入電壓)，R2代表第二感測電阻器302的阻值，Vled代表LED 330導通的正向壓降，並且Vref代表參考電壓。
類似的，假設補償電阻器303具有電阻值R3以調節線電壓的補償量，則輸出的LED 330電流Iled如等式7或等式8所示： 或等式8， 其中，R1代表第一感測電阻器301的阻值。
由於LED的陰極處的最大電壓僅為約幾十V，而流經第二感測電阻器302的電流同樣對應輸入電壓Vbulk的變化，則第3圖系統中第二感測電阻器302可以選用成本較低的普通耐壓電阻實現線電壓補償功能。或者，第二感測電阻器302可以是單個電阻器。
在又一實施例中，根據第4圖示出了對第3圖架構的進一步的補償優化。在第4圖的系統400中，第二感測電阻器402通過電壓源407串聯連接在誤差放大器404的負向輸入端和LED 430的陰極之間； 其中，電壓源407的負極與第二感測電阻器402連接，正極與LED 430的陰極連接。其它元件和連接方式與第3圖類似，在此不再贅述。
通過第二感測電阻器402的電流對應於輸入電壓Vbulk的變化，如等式(9)所示，
其中，Vbulk代表市電經整流器420整流後在電容器406上產生電壓(其表徵系統的輸入電壓)，R2代表第二感測電阻器402的阻值，Vled是LED導通的正向壓降，V0是電壓源407的電壓。
類似的，假設補償電阻器403具有電阻值R3以調節線電壓的補償量，則輸出的LED 430電流Iled如等式10或等式11所示：
或等式8， 其中，R1代表第一感測電阻器301的阻值。
由於第二感測電阻器402通過電壓源407連接至LED的陰極，而該節點最大電壓為幾十伏特，對電阻的性能要求較低，可以選用成本較低的普通耐壓電阻實現線電壓補償功能。
在又一實施例中，根據第5圖示出了對第3圖架構的進一步的補償優化。在第5圖的系統500中，第二感測電阻器502通過二極體507串聯連接在誤差放大器504的負向輸入端和LED 530的陰極之間；其中，二極體507的負極與第二感測電阻器502連接，正極與LED 530的陰極連接。其它元件和連接方式與第3圖類似，在此不再贅述。利用二極體507的單嚮導通特性起到穩壓作用，對第二感測電阻器502進行進一步保護，降低了對電阻器的性能要求。
在又一實施例中，根據第6圖示出了對第3圖架構的進 一步的補償優化。在第6圖的系統600中，第二感測電阻器602通過穩壓二極體607串聯連接在誤差放大器604的負向輸入端和LED 630的陰極之間；其中，穩壓二極體607的正極與第二感測電阻器502連接，負極與LED 630的陰極連接。其它元件和連接方式與第3圖類似，在此不再贅述。利用穩壓二極體607的反向擊穿特性起到穩壓作用，對第二感測電阻器602進行進一步保護，降低了對電阻器的性能要求。
本發明提供了一種用於LED恒流控制的線電壓補償系 統，可以通過系統週邊感應電阻和補償電阻的設置，實現低成本的LED線 性恒流系統線電壓補償功能。優選的，本發明的控制方法可以適用取高PF 或TRAIC調光的線性恒流控制方式的LED照明領域。
例如，使用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件、和/或軟體和硬體元件的一個或多個組合，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施。在另一示例中，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施在諸如一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路之類的一個或多個電路中。在另一示例中，本發明的各種實施例和/或示例可以被結合。
雖然已經描述了本發明的特定實施例，但本領域的技術人員應該理解，存在等同於所描述的實施例的其它實施例。因此，應該理解，本發明並不限於所示出的具體實施例，而僅由所附申請專利範圍所限定。
300‧‧‧系統
301‧‧‧第一感測電阻器
302‧‧‧第二感測電阻器
303‧‧‧補償電阻器
304‧‧‧誤差放大器
305‧‧‧功率調整管
306‧‧‧電容器
310‧‧‧電壓
320‧‧‧整流器
330‧‧‧LED
Vref‧‧‧參考電壓
Vbulk‧‧‧體電壓

Claims (15)

  1. 一種用於LED恒流控制的線電壓補償系統，所述系統包括：誤差放大器，所述誤差放大器的正向輸入端輸入參考電壓，負向輸入端與補償電阻器連接；功率調整管，所述功率調整管的源極與第一感測電阻器連接，閘極與所述誤差放大器的輸出端連接，漏極與外部LED的陰極連接；其中，所述第一感測電阻器一端與補償電阻器以及誤差放大器的負向輸入端串聯連接，一端接地，第二感測電阻器連接在所述誤差放大器的負向輸入端和所述LED的陰極之間，所述補償電阻器一端連接所述誤差放大器的負向輸入端，一端連接所述第一感測電阻器；其中所述第二感測電阻器和所述LED之間還串聯有電壓源，所述電壓源的負極與所述第二感測電阻器連接，正極與所述LED的陰極連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中流經所述第一感測電阻器的電流IR2確定如下： 其中，Vbulk代表所述系統的輸入電壓，R2代表所述第二感測電阻器的阻值，Vled代表所述LED導通的正向壓降，並且Vref代表所述參考電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中功率調整管是絕緣閘雙極性接面電晶體IGBT。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述參考電壓是可變的。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第一感測電阻器是單個電阻器。
  6. 一種用於LED恒流控制的線電壓補償系統，所述系統包括： 誤差放大器，所述誤差放大器的正向輸入端輸入參考電壓，負向輸入端與補償電阻器連接；功率調整管，所述功率調整管的源極與第一感測電阻器連接，閘極與所述誤差放大器的輸出端連接，漏極與外部LED的陰極連接；其中，所述第一感測電阻器一端與補償電阻器以及誤差放大器的負向輸入端串聯連接，一端接地，第二感測電阻器連接在所述誤差放大器的負向輸入端和所述LED的陰極之間，所述補償電阻器一端連接所述誤差放大器的負向輸入端，一端連接所述第一感測電阻器；其中所述第二感測電阻器和所述LED之間還串聯有二極體，所述二極體的負極與所述第二感測電阻器連接，正極與所述LED的陰極連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中流經所述第一感測電阻器的電流IR2確定如下： 其中，Vbulk代表所述系統的輸入電壓，R2代表所述第二感測電阻器的阻值，Vled代表所述LED導通的正向壓降，並且Vref代表所述參考電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中功率調整管是絕緣閘雙極性接面電晶體IGBT。
  9. 根據申請專利範圍第6項所述的系統，其中所述參考電壓是可變的。
  10. 根據申請專利範圍第6項所述的系統，其中所述第一感測電阻器是單個電阻器。
  11. 一種用於LED恒流控制的線電壓補償系統，所述系統包括：誤差放大器，所述誤差放大器的正向輸入端輸入參考電壓，負向輸入端與補償電阻器連接；功率調整管，所述功率調整管的源極與第一感測電阻器連接，閘極與 所述誤差放大器的輸出端連接，漏極與外部LED的陰極連接；其中，所述第一感測電阻器一端與補償電阻器以及誤差放大器的負向輸入端串聯連接，一端接地，第二感測電阻器連接在所述誤差放大器的負向輸入端和所述LED的陰極之間，所述補償電阻器一端連接所述誤差放大器的負向輸入端，一端連接所述第一感測電阻器；其中所述第二感測電阻器和所述LED之間還串聯有穩壓二極體，所述穩壓二極體的正極與所述第二感測電阻器連接，負極與所述LED的陰極連接。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的系統，其中流經所述第一感測電阻器的電流IR2確定如下： 其中，Vbulk代表所述系統的輸入電壓，R2代表所述第二感測電阻器的阻值，Vled代表所述LED導通的正向壓降，並且Vref代表所述參考電壓。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的系統，其中功率調整管是絕緣閘雙極性接面電晶體IGBT。
  14. 根據申請專利範圍第11項所述的系統，其中所述參考電壓是可變的。
  15. 根據申請專利範圍第11項所述的系統，其中所述第一感測電阻器是單個電阻器。
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