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CN101827476A - 具有交直流直接转换控制功能的led驱动电路与相关方法和集成电路 - Google Patents

具有交直流直接转换控制功能的led驱动电路与相关方法和集成电路 Download PDF

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CN101827476A
CN101827476A CN201010119296A CN201010119296A CN101827476A CN 101827476 A CN101827476 A CN 101827476A CN 201010119296 A CN201010119296 A CN 201010119296A CN 201010119296 A CN201010119296 A CN 201010119296A CN 101827476 A CN101827476 A CN 101827476A
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刘景萌
廖家玮
罗兰·万·罗伊
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Abstract

本发明提出一种具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路与相关方法和集成电路。所提出的驱动电路包含：一次侧电路，其接收经整流后的交流电力，该一次侧电路具有至少一功率开关；与一次侧电路耦接的变压器，根据一次侧电路功率开关的操作，将一次侧电压转换为二次侧电压，以供应给一LED电路；以及与变压器耦接的二次侧电路，其直接控制LED电路的电流，并产生反馈讯号给一次侧电路，以控制一次侧电路的功率开关。

Description

具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路与相关方法和集成电路
技术领域
本发明涉及一种具有交直流直接转换控制功能的发光二极管(LED)驱动电路与相关方法，和相关的集成电路。
背景技术
请参阅图1，现有技术从交流电源供应电力来驱动LED照明时，通常需要一个交直流电源转换供应装置(AC-DC power regulator)10来将交流电转换成直流电压，再通过LED驱动电路20来控制通过LED的电流。交直流电源转换供应装置10中除变压器13外，尚包含一次侧电路11、二次侧电路12、桥式整流电路14、及其它独立元件(discretedevice)如电容、二极管等(未示出)。二次侧电路12侦测输出电压，并以光耦合方式将侦测结果反馈回一次侧电路11中的开关控制电路PWM，以控制一次侧电路11内功率开关P的操作。
以上现有技术的缺点是，其先由交直流电源转换供应装置10产生调节过的电压，再由LED驱动电路20根据该电压来控制LED的电流，因此至少必须使用一次侧电路11、二次侧电路12、及LED驱动电路20三颗集成电路芯片，在电路上并不经济。
有关交直流电源转换供应装置，另有一种称为LLC(电感—电感—电容)架构的现有技术，请见图2；其除了变压器13的两个电感外，另设置了一个电容，故称为LLC架构。在LLC架构的现有技术中，一次侧电路11a与图1的现有技术稍有差异，由LLC控制器111控制两个功率开关P1，P2的操作，以控制变压器的电压转换，达成调节电压的目的。虽然整体架构略有不同，但使用此种现有技术时，仍然具有前述问题，亦即至少必须使用一次侧电路11a、二次侧电路12、及LED驱动电路20三颗集成电路芯片，在电路上并不经济。
有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路及相关方法。此外，本发明的集成电路不限于应用在交直流电源转换的场合，亦可应用在直流—直流电源转换的场合。
发明内容
本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路。
本发明的另一目的在于，提出一种驱动LED的方法。
本发明的另一目的在于，提出一种控制LED电流的集成电路。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，包含：一次侧电路，其接收经整流后的交流电力，该一次侧电路具有至少一功率开关；与一次侧电路耦接的变压器，根据一次侧电路功率开关的操作，将一次侧电压转换为二次侧电压，以供应给一LED电路；以及与变压器耦接的二次侧电路，其直接控制LED电路的电流，并产生反馈讯号给一次侧电路，以控制一次侧电路的功率开关。
在一实施例中，上述LED驱动电路的二次侧电路包括：至少一个电流源，以控制流过LED电路中的电流；误差放大器，将反映电流源工作状态的一节点电压与一参考电压比较；以及一晶体管，根据误差放大器的输出，而控制一对应的电流。以该晶体管控制电流可有多种方式，例如，此晶体管可直接形成可控电流源电路，或与其它元件一起构成可控电流源电路，或输出一可控电压经一串联电阻而控制其电流。
上述LED驱动电路可更包含一电压调节电路，其接收该二次侧电压而产生经过调节的稳定电压。该电压调节电路例如为线性稳压电路。
就另一个观点言，本发明提供了一种交直流直接转换控制发光二极管(LED)的方法，包含：接收经整流后的交流电力；以至少一功率开关控制一变压器的一次侧，将该整流后的交流电力转换为该变压器的二次侧输出电压，供应给一LED电路；以至少一个电流源，控制流过该LED电路中的电流；以及反馈控制该功率开关，使该至少一个电流源的工作电压不低于最低正常工作电压。
上述方法中，可更包含：调节该将二次侧输出电压，以产生经过调节的稳定电压。
就又另一个观点言，本发明提供了一种集成电路，用以与一LED电路耦接以控制LED的电流，该集成电路包含：至少一个电流控制电路；第一误差放大器，将反映该电流控制电路工作状态的一电压与一参考电压比较；以及第一晶体管，根据误差放大器的输出，而控制一对应的电流。
上述集成电路既可与变压器的二次侧耦接、亦可与直流/直流电压转换器的输出耦接；该第一晶体管控制的电流可用以控制一光耦合二极管，或用以反馈控制一直流/直流电压转换器。
上述集成电路可再将一电压调节电路的全部或部分整合在内，该电压调节电路例如可为一线性稳压电路。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1说明现有技术通过交直流电源转换供应装置10将交流电压转换为直流电压，再通过LED驱动电路20提供电力给LED电路；
图2显示LLC架构的现有技术；
图3显示本发明的第一实施例；
图4显示本发明应用于LLC架构中的实施例；
图5显示二次侧电路32的一个实施例；
图6显示二次侧电路32的另一个实施例；
图7显示本发明的另一个实施例，其中在二次侧电路32中更包含有电压调节电路，以供产生稳定的电压；
图8举例显示集成电路320的详细电路结构；
图9显示集成电路320亦可应用于与直流对直流(DC/DC)电压转换电路40耦接；
图10举例显示图9结构的细节；
图11举例显示本发明电路的其它变化。
图中符号说明
10    交直流电源转换供应装置
11    一次侧电路
11a   LLC架构的一次侧电路
12    二次侧电路
13    变压器
14    桥式整流电路
20    LED驱动电路(现有技术)
30    LED驱动电路(本发明)
32    二次侧电路
320   集成电路
3211  最小值选择电路
3212  过高电压保护电路(OVP)
3213   过高电流保护电路(OCP)
3214   电压调节电路
322    光耦合二极管
325    功能电路
40     DC/DC电压转换电路
41     DC/DC升压控制器
50     负载电路
111    LLC控制器
CS1，CS2，CSN  电流源
D      二极管
EA，EACS1，EALDO，EAOCP，EAOVP    误差放大器
P，P1，P2，PLDO  功率开关
Pcs1，Q1，Q2    晶体管
R1，R2，Rcs1，Rocp    电阻
具体实施方式
图3显示本发明的第一个实施例，在本实施例中并不需要二次侧电路12和LED驱动电路20两颗集成电路芯片。如图所示，本实施例的LED驱动电路30包含：一次侧电路11，其接收经整流后的交流电力；与一次侧电路耦接的变压器13，将一次侧电压转换为二次侧电压，以供应给负载电路50；以及与变压器13耦接的二次侧电路32，其直接控制负载电路50的电流，并产生反馈讯号，经光耦合方式反馈回一次侧电路11。负载电路50例如为LED电路，但也可为任何需要控制电流的电路。
本发明这种“交直流直接转换控制”的概念，亦可应用于LLC架构中，如图4所示，同样由二次侧电路32直接控制负载电路50的电流，并产生反馈讯号，经光耦合方式反馈回一次侧电路11a。
以下以图3架构为例，说明二次侧电路32的详细结构；同样的电路可应用于图4的LLC架构中，不另绘图说明。
请参阅图5，在本实施例中，二次侧电路32包含集成电路320、光耦合二极管322、以及二极管D。当负载电路50为多串LED时，集成电路320中包含多个电流源CS1-CSN，以对应控制各串LED上的电流。为使各串LED上的电流受控制，电流源CS1-CSN的工作电压必须高于最低正常工作电压。集成电路320中另包含最小值选择电路3211，自各LED串上对应节点中选择电压最低者，输入误差放大器EA，与参考电压Vref相比较；上述对应节点的电压反映对应电流源的工作状态。误差放大器EA的输出控制晶体管Q1，控制一对应的电流使光耦合二极管322发光。以晶体管Q1控制电流可有多种方式，例如，此晶体管可直接形成可控电流源电路，或与其它元件一起构成可控电流源电路，或输出一可控电压经一串联电阻而控制其电流。就串联电阻实施方式而言，该串联电阻可以内建在集成电路320中，或外挂在串联电阻之外以便由外部进行设定调整；图中显示为外挂的实施形式。光耦合二极管322所发的光经光耦合机制反馈到一次侧电路中的光敏晶体管Q2，使开关控制电路PWM根据反馈讯号来控制功率开关P的操作(一般而言，光耦合二极管322和光敏晶体管Q2整合成一元件，称为光耦合器)。如此，通过反馈控制机制，可使电流源CS1-CSN的工作电压均高于最低正常工作电压，亦即电流源CS1-CSN可正常工作而使各串LED上的电流受到控制。换言之，本发明的LED驱动电路30直接控制了负载电路50的电流。如果负载电路50并非并联电路而仅具有一条路径(单一串LED)，则集成电路320中仅需设置一个电流源，且不需要设置最小值选择电路3211。
图6显示另一个实施例，在本实施例中，集成电路320内可再包含过高电压保护电路(OVP，Over Voltage Protection)3212和过高电流保护电路(OCP，Over Current Protection)3213。OVP 3212可自变压器13的二次侧输出取分压，当此分压过高时，OVP 3212控制晶体管Q1，改变反馈讯号，使变压器13二次侧的输出电压下降、或使整体电路暂停工作。相似地，OCP 3213可侦测变压器13的二次侧电流，当此电流过高时，OCP 3213控制晶体管Q1，改变反馈讯号，使变压器13二次侧的电流下降、或使整体电路暂停工作。有关OVP或OCP的详细电路，容后再举例说明。
图7显示另一个实施例。由于本发明的LED驱动电路30的主要目的是供应经过调节的电流(regulated current)给负载电路50，因此在前述各实施例中，变压器13的二次侧输出电压并非调节的主要标的，而是通过调节电压来保证电流源CS1-CSN在最佳工作状态。但在某些应用中，也需要提供经过调节的电压(regulated voltage)。适应此需求，本实施例中，LED驱动电路30另包含一个电压调节电路3214，此电压调节电路3214接收变压器13的二次侧输出电压，产生经过调节的电压，供应给需要稳定电压的功能电路325使用；电压调节电路3214例如但不限于为线性稳压电路。功能电路325例如为调整LED亮度的调光电路(dimming control circuit)，但亦可为其它任何需要稳定电压的电路。电压调节电路3214可以(但非绝对必要)部分或全部整合在集成电路320之内；功能电路325亦然。
图8举例显示更具体的电路实施例。图中，误差放大器EAcs1、晶体管Pcs1、电阻Rcs1构成电流源CS1，控制第一串LED上的电流(为简化图面，其它电流源未详细画出)。本实施例中，晶体管Pcs1和电阻Rcs1外挂于集成电路320之外，但亦可整合在集成电路320之内。放大器(亦可为比较器)EAOVP构成过高电压保护电路3212，其自变压器13的二次侧输出取分压，将分压与参考电压OVP Ref比较，并根据比较结果产生讯号控制晶体管Q1。放大器(亦可为比较器)EAOCP和电阻Rocp构成过高电流保护电路3213，其中电阻Rocp可外挂于集成电路320之外，以便利自外部设定过高临界电流。变压器13的二次侧电流与电阻Rocp的乘积，与参考电压OCP Ref比较，并根据比较结果产生讯号控制晶体管Q1。在本实施例中，电压调节电路3214为线性稳压电路，例如为低压降稳压电路(LDO，Low-Drop Out circuit)，包含误差放大器EALDO、晶体管PLDO、和电阻R1、R2，其调节变压器13的二次侧电压，产生稳定的电压供应给功能电路325。本实施例中晶体管PLDO、和电阻R1、R2外挂在集成电路320之外。
除了可以进行交直流转换并同时控制LED电流之外，本发明尚具有另一优点。以上实施例中的集成电路320，并不限于必须应用在交直流转换电路的二次侧。请参阅图9，集成电路320亦可应用于与直流对直流(DC/DC)电压转换电路40耦接，以根据DC/DC电压转换电路40所产生的电压来控制负载电路50的电流。其详细电路结构例如请参阅图10，DC/DC电压转换电路40例如为升压转换电路，则根据本发明，可不必使用光耦合方式而直接将晶体管Q1所产生的反馈讯号传送给DC/DC电压转换电路40中的DC/DC升压控制器41，以控制功率开关。因此，本发明的集成电路320具有多用途的优点。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。以上各实施例中的电路细节有各种变化方式，均应属于本发明的范围。例如请参阅图11，误差放大器EA可经一反向调节电路OPinv而控制晶体管Q1；如此光耦合二极管322可以耦接在晶体管Q1的射极而非集极，等等。凡此种种，均应包含在本发明的范围之内。
此外，同为本发明申请人所申请的第200610143927.6号、第200710006280.7号、美国专利公开案第US2008/0180386号专利中的各种安全保护及性能增进方式等技术细节，亦能搭配在本发明的电路架构中使用，凡此种种搭配性组合，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，其特征在于，包含：
一次侧电路，其接收经整流后的交流电力，该一次侧电路具有至少一功率开关；
与一次侧电路耦接的变压器，根据一次侧电路功率开关的操作，将一次侧电压转换为二次侧电压，以供应给一LED电路；以及
与变压器耦接的二次侧电路，其直接控制LED电路的电流，并产生反馈讯号给一次侧电路，以控制一次侧电路的功率开关，其中该二次侧电路包含至少一个电流源，以对应控制流过LED的电流。
2.如权利要求1所述的具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，其中，该二次侧电路包括：
至少一个电流源，以对应控制流过LED电路中的电流；
误差放大器，将反映电流源工作状态的一节点电压与一参考电压比较；以及
一晶体管，根据误差放大器的输出，而控制一对应的电流。
3.如权利要求1所述的具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，其中，该LED电路包括多串LED，各LED串上各有一对应的电压节点，且该二次侧电路包括：
多个电流源，分别控制对应LED串的电流；
最小值选择电路，选择各LED串上对应节点中电压最低者；
误差放大器，将最小值选择电路的输出与一参考电压比较；以及
一晶体管，根据误差放大器的输出，而控制一对应的电流。
4.如权利要求2或3所述的具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，其中，还包含：光耦合二极管，与该晶体管耦接，以产生光耦合反馈讯号给一次侧电路。
5.如权利要求1所述的具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，其中，还包含：电压调节电路，其接收该二次侧电压而产生经过调节的稳定电压。
6.如权利要求5所述的具有交直流直接转换控制功能的LED驱动电路，其中，该电压调节电路为线性稳压电路。
7.一种交直流直接转换控制LED的方法，其特征在于，包含：
接收经整流后的交流电力；
以至少一功率开关控制一变压器的一次侧，将该整流后的交流电力转换为该变压器的二次侧输出电压，供应给一LED电路；
以至少一个电流源，控制流过该LED电路中的电流；以及
反馈控制该功率开关，使该至少一个电流源的工作电压不低于最低正常工作电压。
8.如权利要求7所述的交直流直接转换控制LED的方法，其中，还包含：调节该将二次侧输出电压，以产生经过调节的稳定电压。
9.一种集成电路，用以与一LED电路耦接以控制LED的电流，其特征在于，该集成电路包含：
多个LED电流控制电路；
第一误差放大器，将反映该多个电流控制电路工作状态的电压之一与一参考电压比较；以及
第一晶体管，根据误差放大器的输出，而控制一对应的电流。
10.如权利要求9所述的集成电路，其中，该集成电路既可与变压器的二次侧耦接、亦可与直流/直流电压转换器的输出耦接。
11.如权利要求9所述的集成电路，其中，该第一晶体管控制的电流用以控制一光耦合二极管。
12.如权利要求9所述的集成电路，其中，该第一晶体管控制的电流用以反馈控制一直流/直流电压转换器。
13.如权利要求9所述的集成电路，其中，该电流控制电路为电流源。
14.如权利要求9所述的集成电路，其中，该电流控制电路为第二误差放大器，其与外挂的第二晶体管和电阻构成电流源。
15.如权利要求9所述的集成电路，其中，还包含：电压调节电路，其接收一电压而产生经过调节的稳定电压。
16.如权利要求9所述的集成电路，其中，还包含：第二误差放大器，其与外挂的第二晶体管和电阻构成线性稳压电路。
17.如权利要求9所述的集成电路，其中，该集成电路包含多个电流控制电路，且该集成电路还包含一个最小值选择电路，选择反映各个电流控制电路工作状态的电压中电压最低者，输入第一误差放大器。
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