用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器、芯片及方法与流程

本发明涉及一种恒流驱动控制领域，特别是涉及一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器、芯片及方法。

背景技术：

随着LED在照明领域的全面应用，高效率的APFC(Active Power Factor Correction，有源功率因数校正)驱动器、可控硅调光或者高PF(Power Factor，功率因数)的线性驱动器得到了大量的使用。前级采用APFC驱动器、可控硅调光或者高PF的线性驱动器，其输出电流中会包含100hz/120hz的工频纹波成分。由于这些纹波成份的存在，使得LED光源的亮度也会出现相应的波动。随着照明产业的发展，人们对LED光源的质量提出了更高的要求，不闪频、无抖动成为目前高性能LED照明驱动的新需求，因此，如何消除LED电流纹波成为LED驱动控制领域所关注的重点。

在APFC驱动器、可控硅调光或者高PF的线性驱动器的输出级增加了消除LED电流纹波芯片，可以将前级产生的工频电流纹波大幅衰减，得到近似直流的LED驱动电流，大大的提高了光源的质量。

目前，消除LED电流纹波芯片主要有两种方案：

第一种方案：如图1所示，运算放大器A2作为一个缓冲(buffer)电路，将前后级隔离，且使得缓冲电路的输入输出电压相等，即V_COMPBUF＝V_COMP。缓冲电路的输出电压V_COMPBUF经过分压电阻R3和R4分压后，输入运算放大器A1的正输入端。运算放大器A1与MOS管M0和电阻R0组成了一个电压电流转换器，产生LED的驱动电流I_LED，缓冲电路的输入节点DRAIN的电压V_DRAIN与基准电压V_REF在比较器CMP中比较：当V_DRAIN<V_REF时，开关S1闭合，通过电流源I2对结点COMP的电容C1放电，节点COMP的电压V_COMP逐步降低，从而逐步减小流过LED的电流I_LED，V_DRAIN将逐步升高；当V_DRAIN>V_REF时，开关S1断开，通过电流源I1对节点COMP的电容C1充电，节点COMP的电压V_COMP逐步升高，从而逐步增大流过LED的电流I_LED，使得V_DRAIN逐步降低。由此，可以将输入节点DRAIN的电压V_DRAIN控制在一个相对合理的范围内，同时实现对前级输入电流纹波的衰减。但是，由于每个工频周期中，电容C1总是存在充电和放电的过程，这样就在COMP引脚形成一定的电压纹波，该电压纹波的幅度由C1电容的大小和电流源I1、I2的大小决定。基于电路的实现以及成本等因素，COMP引脚的电压纹波幅度约几十毫伏，该电压的波动幅度决定了该架构无法在输入电流比较小的情况下实现消除LED电流纹波的功能，即无法实现LED调光过程中的全程消除纹波功能。

第二种方案：如图2所示，运算放大器A2作为一个缓冲(buffer)电路，将前后级隔离，且使得缓冲电路的输入输出电压相等，即V_COMPBUF＝V_COMP。缓冲电路的输出电压V_COMPBUF经过分压电阻R3和R4分压后，输入运算放大器A1的正输入端。运算放大器A1与MOS管M0和电阻R0组成了一个电压电流转换器，产生LED的驱动电流I_LED，运算放大器A1的输出电压V_GATE与基准电压V_REF在比较器CMP中比较：当V_GATE>V_REF时，开关S1闭合，通过电流源I2对节点COMP的电容C1放电，节点COMP的电压V_COMP逐步降低，逐步减小流过LED的电流I_LED，使A1的输出电压V_GATE逐步降低；当V_GATE<V_REF时，开关S1断开，通过电流源I1对节点COMP的电容C1充电，节点COMP的电压V_COMP逐步升高，即逐步增大流过LED的电流I_LED，使V_GATE逐步升高。由此，实现了对前级输入电流纹波的衰减。同样地，由于每个工频周期中，电容C1总是存在充电和放电的过程，这样就在COMP引脚形成一定的纹波电压，该纹波电压的幅度由C1电容的大小和电流源I1、I2的大小决定。基于电路的实现以及成本等因素，COMP引脚的纹波电压幅度约几十毫伏，该电压的波动幅度决定了该架构无法在输入电流比较小的情况下实现消LED电流纹波的功能，即无法实现调光过程中的全程消除纹波功能。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器、芯片及方法，用于解决现有技术中在LED的调光过程中，无法实现全程消除纹波的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器，所述控制器电连接LED负载的输出端和第一采样电阻，所述控制器被配置为采样LED负载的输出端的电压与第一采样电阻两端的电压，并根据所述LED负载的输出端的电压与所述第一采样电阻两端的电压生成第一电压信号；所述控制器根据所述第一电压信号和所述第一采样电阻两端的电压生成控制信号用于控制与所述LED负载电连接的功率管的导通状态，使得所述第一电压信号的电压大小与参考电压相等，消除所述LED负载的电流纹波。

于本发明的一实施例中，所述控制器包括：采样模块和控制模块；所述采样模块用于采样所述LED负载的输出端电压和所述第一采样电阻两端的电压，并根据所述LED负载输出端的电压与所述第一采样电阻两端的电压生成第一电压信号并输出至所述控制模块；所述控制模块电连接至所述采样模块的输出端，用于接收所述第一电压信号，并根据所述第一电压信号生成所述控制信号。

于本发明的一实施例中，所述采样模块包括第一电阻和第二电阻；其中，所述第一电阻与所述第二电阻串联，所述第一电阻的另一端电连接所述LED负载的输出端，所述第二电阻的另一端电连接所述第一采样电阻的一端。

于本发明的一实施例中，所述控制模块包括跨导放大器、电容、分压子模块和控制子模块；所述跨导放大器的正输入端电连接所述采样模块的所述第一电阻和所述第二电阻的连接点，用于接收所述第一电压信号，负输入端电连接参考电压，并根据所述第一电压信号和所述参考电压生成第一电流信号；所述第一电容的一端电连接所述跨导放大器的输出端，另一端接地；所述分压子模块电连接至所述跨导放大器的输出端，用于根据所述第一电容两端的电压生成第二电压信号；所述控制子模块电连接至所述分压子模块的输出端和所述第一采样电阻，并根据所述第二电压信号和所述第一采样电阻两端的电压生成所述控制信号输出至所述功率管的控制极。

于本发明的一实施例中，所述控制模块还包括缓冲子模块，所述缓冲子模块的输入端电连接至所述跨导放大器的输出端，输出端电连接至所述分压子模块的输入端，用于实现所述跨导放大器和所述分压子模块之间的缓冲。

于本发明的一实施例中，所述缓冲子模块为第一运算放大器；所述第一运算放大器的正输入端电连接至所述跨导放大器的输出端，负输入端与输出端电连接。

于本发明的一实施例中，所述分压子模块包括第三电阻和第四电阻；所述第三电阻与所述第四电阻串联，所述第三电阻的另一端电连接所述跨导放大器的输出端，所述第四电阻的另一端接地；所述控制子模块电连接至所述第三电阻和所述第四电阻的连接点，用于接收所述第二电压信号。

于本发明的一实施例中，所述控制子模块包括第二运算放大器；所述第二运算放大器的正输入端电连接至所述第三电阻和所述第四电阻的连接点，用于接收所述第二电压信号；负输入端电连接至所述第一采样电阻，根据所述第二电压信号与所述第一采样电阻两端的电压生成所述控制信号，并输出至所述功率管的控制极。

于本发明的一实施例中，所述LED负载的输出端电压与所述第一采样电阻两端的电压成反比。

于本发明的一实施例中，所述第一电容的充放电是通过所述跨导放大器输出的所述第一电流信号实现的。

于本发明的一实施例中，所述第二运算放大器、所述功率管和所述第一采样电阻构成了一个电压到电流的转换器，用于生成所述LED负载的驱动电流。

于本发明的一实施例中，通过改变所述跨导放大器的跨导和/或所述第一电容的容值，改变消除所述LED负载电流纹波所需的时间常数，以消除不同频率的输入电流引起的电流纹波。

于本发明的一实施例中，通过调整所述跨导放大器的跨导和/或所述第一电容的容值，增大消除低频抖动所需的时间常数，从而去除低频抖动。

本发明还公开了一种用于消除LED驱动系统的电流纹波芯片，包括如上所述的控制器。

本发明还公开了一种用于消除LED驱动系统的电流纹波芯片，包括如上所述的控制器、所述功率管和所述第一采样电阻。

本发明还公开了一种LED驱动系统，包括LED驱动器、LED负载、如上所述的控制器，其中，所述LED驱动器用于根据交流电压生成驱动所述LED负载的电流，并输出至所述LED负载；所述控制器电连接至所述LED负载的输出端，用于消除所述驱动LED负载的电流纹波或低频抖动。

本发明还公开了一种用于消除LED驱动系统电流纹波的方法，采用如上所述的控制器，包括如下步骤：所述控制器采样所述LED负载的输出端的电压与所述第一采样电阻两端的电压，并根据所述LED负载的输出端的电压与所述第一采样电阻两端的电压生成第一电压信号；所述控制器依据所述第一电压信号和所述第一采样电阻两端的电压生成控制信号，用于控制与所述LED负载电连接的功率管的导通状态，使得所述第一电压信号的电压大小与所述参考电压相等，消除所述LED负载电流纹波。

本发明还公开了一种用于消除LED驱动系统电流纹波的方法，采用如上所述的控制器，包括如下步骤：所述采样模块采样所述LED负载的输出端电压和所述第一采样电阻两端的电压，并根据所述LED负载的输出端的电压与所述第一采样电阻两端的电压生成第一电压信号并输出至所述跨导放大器；所述跨导放大器根据所述第一电压信号和所述参考电压生成第一电流信号；所述第一电容根据所述第一电流信号进行充放电；所述分压子模块根据所述第一电容两端的电压生成第二电压信号；所述控制子模块根据所述第二电压信号和所述第一采样电阻两端的电压生成所述控制信号，并输出至所述功率管的控制极。

于本发明的一实施例中，通过改变所述跨导放大器的跨导和/或所述第一电容的容值，改变消除所述LED负载的电流纹波所需的时间常数，以消除不同频率的输入电流引起的电流纹波。

于本发明的一实施例中，通过调整所述跨导放大器的跨导和/或所述第一电容的容值，增大消除低频抖动所需的时间常数，从而去除低频抖动。

如上所述，本发明的一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器、芯片及方法，基于现有的消除LED电流纹波的调光驱动器，去除了用于为缓冲电路中的电容进行充放电的电流源，在LED负载和第一采样电阻之间增加了控制器，控制器生成第一电压信号，并通过第一电压信号的第一采样电阻两端的电压生成用于控制功率管的导通状态的控制信号，使得第一电压信号的电压与参考电压相等，从而消除了LED负载的电流纹波。此外，本发明还用跨导放大器替换传统的比较器，从而使输出电压V_CS和LED单元负极的电压V_DRAIN与参考电压之间的压差转换为电流，用以对第一电容进行充放电，实现了调光过程中的全程消除LED负载的电流纹波；并且，本发明还通过调节第一电容的容值和/或跨导放大器的跨导，增大时间常数，从而消除低于100hz的低频的抖动，进一步避免了低频抖动所引发的LED的闪烁问题。本发明的结构简单，成本低廉，有效提高了LED的工作效率。

附图说明

图1显示为现有技术中消除LED电流纹波的调光驱动器的电路结构示意图。

图2显示为现有技术中另一种消除LED电流纹波的调光驱动器的电路结构示意图。

图3显示为本发明实施例中公开的一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器的原理结构示意图。

图4显示为本发明实施例中公开的一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器的电路结构示意图

元件标号说明

100 控制器

110 采样模块

120 控制模块

121 分压子模块

122 控制子模块

123 缓冲子模块

200 LED负载

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器、芯片及方法，在LED负载的输出端和第一采样电阻之间电连接一控制器，用于生成第一电压信号以及生成控制功率管的导通状态的控制信号，使得第一电压信号的电压大小与参考电压相等，消除了LED负载电流纹波。

实施例1

本实施例公开了一种消除LED驱动系统电流纹波的控制器，下面以功率管采用MOS管为例进行说明，在其他实现方式中，功率管还可以是三极管或者其他类型的功率管。如图3所示，控制器100与LED负载200的输出端和第一采样电阻R0电连接。控制器100用于采样LED负载200的输出端的电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的电压V_CS，并且，根据LED负载200的输出端的电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的电压V_CS生成第一电压信号V_DV1；进一步地，控制器100还根据第一电压信号V_DV1和第一电压信号V_DV1生成相应的控制信号V_GATE，通过控制信号V_GATE控制功率管M0的导通状态，使得第一电压信号V_DV1的电压大小与参考电压V_REF相等，从而消除了LED负载的电流纹波。其中，LED驱动系统包括但不限于LED负载200、第一采样电阻R0、功率管M0、电流源I0和C0。此外，功率管M0的漏极与LED负载200的输出端相连；源极与第一采样电阻R0的一端相连。

优选地，如图3所示，控制器100通过采样模块110和控制模块120来实现，其中，采样模块110用于采样LED负载200的输出端的电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的电压V_CS，并且，根据LED负载200的输出端的电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的电压V_CS生成第一电压信号V_DV1，并输出至控制模块120。

优选地，如图4所示，采样模块110包括第一电阻R1和第二电阻R2；第一电阻R1的一端分别与LED负载200的输出端和功率管M0的漏极相连，另一端与第二电阻R2的一端相连；第二电阻R2的另一端与采样第一采样电阻R0相连；第一电阻R1和第二电阻R2的连接点S1作为采样模块110的输出端，与控制模块120的输入端相连。第一电阻R1和第二电阻R2组成分压采集器：第一电阻R1采集LED负载200的输出端的电压V_DRAIN，第二电阻R2采集第一采样电阻R0两端的电压V_CS。

控制模块120用于接收第一电压信号V_DV1，并根据第一电压信号V_DV1生成控制信号V_GATE；并输出至功率管M0的栅极，即功率管的控制极。

如图4所示，控制模块120包括：跨导放大器OTA1、第一电容C1、分压子模块121和控制子模块122。其中，

跨导放大器OTA1的正输入端与采样模块110的输出端，即第一电阻R1和第二电阻R2的连接点S相连；负输入端连接参考电压V_REF，用于将正输入端的第一电压信号V_DV1和负输入端的参考电压V_REF之间的压差转化为电流，生成第一电流信号。

第一电容C1的一端与跨导放大器OTA1的输出端相连接，另一端接地；

分压子模块121的一端与跨导放大器OTA1的输出端连接，用于根据第一电容C1两端的电压生成第二电压信号V_CSREF。优选地，如图4所示，分压子模块121包括但不限于第三电阻R3和第四电阻R4。第三电阻R3的一端与跨导放大器OTA1的输出端连接，另一端与第四电阻R4的一端相连；第四电阻R4的另一端接地；第三电阻R3和第四电阻R4的连接点S2作为分压子模块121的输出端，与控制子模块122的输入端相连。其中，第三电阻R3和第四电阻R4作为分压电阻，将第二电压信号V_CSREF输入至控制子模块122。

控制子模块122的第一输入端与分压子模块121的输出端相连，第二输出端分别与第一采样电阻R0和功率管M0的源极相连，输出端与功率管M0的栅极相连。控制子模块122通过第二电压信号V_CSREF和第一采样电阻R0两端的电压V_CS生成相应的控制信号V_GATE。优选地，如图4所示，控制子模块122采用第二运算放大器A2。第二运算放大器A2的正输入端与分压子模块121的输出端相连；即第二运算放大器A2的正输入端连接在第三电阻R3和第四电阻R4的连接点S2；负输入端与第一采样电阻R0相连，输出端与功率管M0的栅极相连。

优选地，如图4所示，控制模块120还包括一缓冲子模块123，连接在跨导放大器OTA1和分压子模块121之间，用于实现跨导放大器OTA1和分压子模块121之间的缓冲。其中，在本实施例中，缓冲子模块123优选采用第一运算放大器A1，第一运算放大器A1的正输入端与跨导放大器OTA1的输出端和第一电容C1的一端相连；负输入端与第一运算放大器A1的输出端相连。

本实施例中，第一电阻R1和第二电阻R2组成的分压器用于采样第一采样电阻R0两端的电压V_CS和LED负载200的输出端的电压V_DARIN，生成第一电压信号V_DV1，并输入至跨导放大器OTA1的正输入端，跨导放大器OTA1的负输入端接参考电压V_REF。第一参考电压V_DV1与参考电压V_REF的压差通过跨导放大器OTA1转化为电流，并对节点COMP处的第一电容C1进行充电或放电。第一运算放大器A1实现一个缓冲电路，使V_COMPBUF＝V_COMP，V_COMPBUF经过第三电阻R3和第四电阻R4的分压后得到第二电压信号V_CSREF，输入至第二运算放大器A2的正输入端。第二运算放大器A2与MOS管M0、第一采样电阻R0实现了电压到电流的转换，产生LED负载200的驱动电流I_LED，即，LED负载200的输出端的电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的V_CS之间的关系为：其中，参考电压V_REF是固定的常数，因此，第一采样电阻R0的两端的电压V_CS与LED负载200的输出端的电压V_DRAIN是反比关系，即V_CS变大，V_DRAIN变小。并且，第一采样电阻R0的两端的电压满足V_CS＝I_LED*R₀。因此，当LED负载200的电流增大时，系统会降低V_DRAIN，使得LED负载内的芯片的功耗W＝I_LED*V_DARIN降低，减少了芯片的发热，提高了LED单元的效率。

进一步地，在调光角度很小(前级输入电流很小)时，本实施例的消除LED电流纹波的功能依然有效。此时，由于第一采样电阻R0的两端的电压V_CS较低，通过调整LED负载200的输出端的电压V_DRAIN，使得跨导放大器OTA1的正输入端的电压，即第一电压信号V_DV1维持在与负输入端的参考电压V_REF相等的情况，如此，整个消除纹波的环路仍然可以正常工作。通过这样，本实施例实现了LED电流的全程去纹波功能。

此外，本实施例通过将采样V_DRAIN与V_CS的结果输入至跨导放大器OTA1正输入端，参考电压V_REF输入至跨导放大器OTA1的负输入端，跨导放大器OTA1将输入的电压差转化为电流，对第一电容C1进行充放电，获得了LED去纹波以及去低频抖动所需的时间常数。在本实施例中，通过对跨导放大器OTA1的跨导(△io/△vin)的设计和/或第一电容C1容值的选择，可以灵活修改LED去纹波以及去低频抖动的效果。当跨导放大器OTA1的跨导取值较小时，结合第一电容C1，可以实现较大的时间常数，达到消除调光器抖动等原因造成的低频率的抖动功能，避免了由于低频抖动而引发的LED的闪烁情况的发生。

优选地，本实施例的控制器既可以做成一个单独的芯片，安装在LED负载200、第一采样电阻R0以及功率管M0之间；也可以与LED负载200、第一采样电阻R0和功率管M0相配合，共同集合做成一个芯片，以消除LED驱动系统的电流纹波。

此外，为了突出本发明的创新部分，本实施例中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的模块。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例2

本实施例公开了一种用于消除LED驱动系统电流纹波的方法，其采用实施例1所公开的控制器：

首先，利用控制器采用LED负载200的输出端的电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的电压V_CS，并根据LED负载200的输出端的电压V_DRAIN与第一采样电阻R0两端的电压V_CS生成第一电压信号V_DV1；控制器再依据第一电压信号V_DV1和第一采样电阻两端的电压V_CS生成控制信号V_GATE，从而控制与LED负载200相连的功率管M0的导通状态，使得第一电压信号V_DV1的电压大小与参考电压V_REF相等，实现了LED负载200的电流纹波的消除。

具体地，采样模块110采样LED负载200的输出端电压V_DRAIN和第一采样电阻R0两端的电压V_CS，并根据LED负载200的输出端的电压V_DRAIN与第一采样电阻R0两端V_CS的电压生成第一电压信号V_DV1并输出至跨导放大器OTA1；

跨导放大器OTA1根据第一电压信号V_DV1和参考电压V_REF生成第一电流信号；

第一电容C1根据第一电流信号进行充放电；

分压子模块121根据第一电容C1两端的电压生成第二电压信号V_CSREF；

控制子模块122根据第二电压信号V_CSREF和第一采样电阻C1两端的电压生成控制信号V_GATE，并输出至功率管M0的栅极。

本实施例中，第一采样电阻R0的两端的电压V_CS与LED负载200的输出端的电压V_DRAIN是反比关系，即V_CS变大，V_DRAIN变小。由于第一采样电阻R0的两端的电压V_CS较低，通过调整LED负载200的输出端的电压V_DRAIN，使得跨导放大器OTA1的正输入端的电压，即第一电压信号V_DV1维持在与负输入端的参考电压V_REF相等的情况，如此，整个消除纹波的环路仍然可以正常工作，如此，本实施例实现了LED电流的全程去纹波功能。并且，通过对跨导放大器OTA1的跨导(△io/△vin)的设计和/或第一电容C1容值的选择，可以灵活修改LED去纹波以及去低频抖动的效果。当跨导放大器OTA1的跨导取值较小时，结合第一电容C1，可以实现较大的时间常数，达到消除调光器抖动等原因造成的低频率的抖动功能，避免了由于低频抖动而引发的LED的闪烁情况的发生。

综上所述，本发明的一种用于消除LED驱动系统电流纹波的控制器、芯片及方法，基于现有的消除LED电流纹波的调光驱动器，去除了用于为缓冲电路中的电容进行充放电的电流源，在LED负载和第一采样电阻之间增加了控制器，控制器生成第一电压信号，并通过第一电压信号的第一采样电阻两端的电压生成用于控制功率管的导通状态的控制信号，使得第一电压信号的电压与参考电压相等，从而消除了LED负载的电流纹波。此外，本发明还用跨导放大器替换传统的比较器，从而使输出电压V_CS和LED单元负极的电压V_DRAIN与参考电压之间的压差转换为电流，用以对第一电容进行充放电，实现了调光过程中的全程消除LED负载的电流纹波；并且，本发明还通过调节第一电容的容值和/或跨导放大器的跨导，增大时间常数，从而消除低于100hz的低频的抖动，进一步避免了低频抖动所引发的LED的闪烁问题。本发明的结构简单，成本低廉，有效提高了LED的工作效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。