自适应基准恒流源led驱动装置及方法
【专利摘要】一种自适应基准恒流源LED驱动装置，采样单元与串接在LED照明灯组端的采样电阻相接，获取一预设采样时间段内LED照明灯组端的采样电流集；滤波运算单元与采样单元相接，接收采样电流集并进行滤波、计算以及归一化处理，获取并锁定基准电流后输出至运算放大器的同相端；运算放大器的反相端接采样电阻，通过反相端实时获取LED照明灯组端的采样电流；运算放大器比较采样电流以及基准电流，获取电流差并输出一功率驱动单元以动态调节恒定输出电流。本发明采用动态自适应基准恒流源来消除纹波，自适应恒流源以预设采样时间段内实际输出电流的平均值为基准，为传统单级功率因数校正LED照明灯组提供精准的恒流源。
【专利说明】自适应基准恒流源LED驱动装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED照明恒流源【技术领域】，尤其涉及一种动态自适应基准恒流源LED驱动装置及方法。
【背景技术】
[0002]LED以其高效、节能、环保及寿命长等优点受到越来越多的关注。由于LED的发光强度由流过LED的电流大小决定，并且流过LED的电流与LED两端的电压成指数关系，因此当LED两端的电压有微小的变化时，其流过的电流会产生较大的变化。为了保证LED照明系统正常使用，保证流过LED的电流不受纹波电压的影响，需要给LED照明系统增加稳压装置即恒流源装置。
[0003]参考图1，现有自带有源功率因素校正的LED驱动电路示意图，输入的电压经整流、稳压、耦合、滤波等处理后，输出恒定的电流至LED。该电路是双管LED日光灯情况下自带功率因数校正的LED驱动电路，可以采用MP4021型隔离驱动芯片，其具有最高50W的驱动能力。并联在双管LED日光灯两端起滤波作用的大电容CO的值可以为8000uF。
[0004]参考图2，固定基准恒流源LED驱动电路示意图，其为在图1中自带功率因素校正的应用条件下，采用固定基准的恒流源来降低输出纹波电流的电路，电路中串联了 D1-D8共8个LED照明灯。图中标号21所示部分为把初级侧的控制作用折算到次级侧的示意图，Ipeak为这个包络电流的峰值，Iava为这个包络电流的平均值也就是恒流控制的目标值。电阻R1、电容C3以及稳压管D9组成稳压电路给运放UlA供电；其中Rl的阻值为IK欧姆、C3为无极性电解电容其容值为10uF，D9的参考电压为5.1V。电容C2用作旁路电容器，采用瓷片电容(Cap Ceramic)其容值为0.1 uF。电容Cl用作滤波电容器，采用极性电解电容(CapPol3)其容值为1000 UF0图中标号22所示部分为固定基准恒流源的局部图，采样电阻R3上产生的压降输入到运算放大器UlA的反相端，电阻R2以及稳压管DlO组成基准电压电路中，电阻R2上获取的压降输入到运算放大器UlA的同相端，通过运算放大器UlA进行比较来获取电压差，进而通过控制晶体管Ql的导通时间对LED照明灯进行恒流控制；其中R2的阻值为IK欧姆，R3的阻值可选为40欧姆，DlO的参考电压为1.2V，运算放大器UlA采用TLC27L2CP芯片，晶体管Ql采用M0SFET-N型晶体管。
[0005]参见图3，单级PFC恒流LED照明灯的V-1曲线图，图中线条31、33为LED的输出电流范围，线条32为LED的平均电流；由图可以看出3%左右的电流误差，可能产生30%以上的电压误差，这个电压差如果完全加在图2所示的次级侧恒流源上，将大大降低效率，并产生大量的热。而图2所示的固定基准恒流源LED驱动电路，由于1C、MOSFET和变压器等的误差，把初级侧的控制作用折算到次级侧一般精度在5%左右，固定基准恒流源一般精度在2%左右，综合以上，使用固定基准恒流源接在次级侧用来恒流，最大匹配误差可能高达7% ;增加了 LED照明灯组件的功耗及热耗，不利于转化效率的提高。
[0006]进一步地，在实际使用过程中，由于温度，输入电压等因素的变化，由AC-DC恒流源驱动电路产生的恒流可能发生漂移，一般也在2?5%之间，正漂移会在固定基准恒流源上产生更大的压降，造成几乎无法承受的热耗散，负漂移会部分抵消固定基准恒流源的作用，严重的会让固定基准恒流源完全失去作用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，提供一种自适应基准恒流源LED驱动装置，采用动态自适应基准恒流源来消除纹波电路，充分规避AC-DC恒流源的正常误差，大幅降低恒流源的纹波电流，消除LED灯光的闪烁，解决常见的次级侧恒流源效率低和发热问题，为传统单级功率因数校正LED照明灯组提供精准的恒流源。
[0008]为了实现上述目的，本发明提供了一种自适应基准恒流源LED驱动装置，包括采样单元、滤波运算单元以及运算放大器；所述采样单元与串接在LED照明灯组端的采样电阻相接，用于获取一预设采样时间段内LED照明灯组端的采样电流集；所述滤波运算单元与所述采样单元相接，用于接收所述采样电流集并进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并锁定输出至所述运算放大器的同相端；所述运算放大器的反相端接所述采样电阻，通过反相端实时获取LED照明灯组端的采样电流；所述运算放大器比较所述采样电流以及基准电流，获取电流差并输出至一功率驱动单元以动态调节恒定输出电流。
[0009]可选的，当所述LED驱动装置工作于交流电供电体系中时，所述预设采样时间段为所述交流电供电体系半周期的整数倍。可选的，所述预设采样时间段大于所述交流电供电体系半周期的5倍。
[0010]可选的，所述预设采样时间段为所述采样电流集中采样电流周期值的整数倍。
[0011]进一步，所述基准电流为所述预设采样时间段内采样电流集的平均值。
[0012]可选的，所述滤波运算单元进一步获取所述预设采样时间段内的纹波系数，若所述纹波系数超过预设阈值，则重新获取基准电流并锁定输出至所述运算放大器的同相端。
[0013]本发明的再一目的在于，提供一种自适应基准恒流源LED驱动方法，采用动态自适应基准恒流源来消除纹波电路，充分避免了次级侧的误差，解决了效率和发热问题，为LED照明灯组提供精准的恒流源。
[0014]为了实现上述目的，本发明提供了一种自适应基准恒流源LED驱动方法，采用本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置，包括如下步骤:(I)获取一预设采样时间段内LED照明灯组端的采样电流集；(2)对所述采样电流集进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并锁定输出；(3)实时获取LED照明灯组端的采样电流；(4)比较所述采样电流以及基准电流获取电流差，并根据所述电流差动态调节恒定输出电流。
[0015]可选的，当所述LED驱动装置工作于交流电供电体系中时，所述预设采样时间段为所述交流电供电体系半周期的整数倍。可选的，所述预设采样时间段大于所述交流电供电体系半周期的5倍。
[0016]可选的，所述预设采样时间段为所述采样电流集中采样电流周期值的整数倍。
[0017]进一步，所述基准电流为所述预设采样时间段内采样电流集的平均值。
[0018]所述方法进一步包括:获取所述预设采样时间段内的纹波系数，若所述纹波系数超过预设阈值，则重新获取基准电流并锁定输出。
[0019]本发明的优点在于，本发明采用动态自适应基准恒流源来消除纹波电路，自适应恒流源以预设采样时间段内实际输出电流的平均值为基准，实现了真正恒流，避免了单极功率因数校正和LED驱动电路带来的输出大纹波，极大地改善了 LED的固有闪烁问题；和常见的次级侧恒流源相比解决了效率低和发热问题，为传统单极功率因数校正LED照明驱动灯组提供精准的恒流源，且不需要生产过程的调试，方便大规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1，现有自带有源功率因素校正的LED驱动电路示意图；
图2,固定基准恒流源LED驱动电路不意图；
图3，单级PFC恒流LED照明灯的V-1曲线图；
图4，本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置示意图；
图5，本发明所述自适应基准恒流源LED驱动方法流程图；
图6，本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置一实施例示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明提供的自适应基准恒流源LED驱动装置及方法的【具体实施方式】做详细说明。
[0022]参考附图4，本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置示意图，所述自适应基准恒流源LED驱动装置10包括运算放大器11、采样单元12以及滤波运算单元13。本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置10应用在脉动直流下的LED照明恒流系统中。
[0023]所述采样单元12与串接在LED照明灯组20端的采样电阻Rl相接，用于获取一预设采样时间段At内LED照明灯组20端的采样电流集。
[0024]一功率驱动单元14串接在采样电阻Rl上，在所述预设采样时间段At内，功率驱动单元14处于不变的导通状态，也即恒流系统不工作，功率驱动单元14直通，从而采样单元12对LED照明灯组20端的电流可以自由采样At时间，得到原始电流，以在后续处理后作为基准值锁定输入到运算放大器11，与之后恒流系统正常工作实时采集的电流进行比较。
[0025]当所述LED驱动装置10工作于交流电供电体系中时，所述预设采样时间段At为所述交流电供电体系半周期的整数倍。如,在50Hz交流电供电体系中，At可以为IOms或IOms的整数倍；在60Hz交流电供电体系中，At可以为8.3ms或其整数倍。作为优选的实施方式，所述预设采样时间段At大于所述交流电供电体系半周期的5倍，以兼顾精度要求和成本控制。
[0026]当所述LED驱动装置10工作于人工调控状态的LED照明恒流系统中或供电体系的工作频率无法预先获取时，所述预设采样时间段At为所述采样电流集中采样电流周期值的整数倍。所述滤波运算单元13根据采样单元12所采集的电流计算获取采样电流的周期，进而确定采样时间段At，采样单元12根据所确定的采样时间段At进行采样，获取采样电流集。采样时间段At可以设置为采样电流周期的整数倍；优选的，可以将采样时间段At设定为大于采样电流周期的5倍。
[0027]所述滤波运算单元13与所述采样单元12相接，用于接收所述采样电流集并进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并锁定输出至所述运算放大器11的同相端113。运算放大器11后续获取的LED照明灯组20端的实时电流均与该锁定的基准电流进行比较，以实现恒流。[0028]所述滤波运算单元13可以将采样电流集中的电流转换成相应频率后，进行滤波、计算以及归一化处理，获取采样电流集的平均值作为基准电流。如果基准电流是数字量，将基准电流进行模拟化转换后输出；如果基准电流是模拟量，直接缓冲输出。所述滤波运算单元13可以将采样电流集中的电流进行模数转换，将模拟量数字化后，进行数字滤波、计算以及归一化处理，获取采样电流集的数字化平均值作为基准电流，再将数字量的基准电流进行模数转换后输出。所述滤波运算单元13可以根据采样电流集中的电流对应出相应的电压，将电压转换成相应占空比后，进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电压，再转换成相应基准电流锁定输出。
[0029]当基准电流确定后，采样电阻R1，运算放大器11和功率驱动单元14构成了一个典型的恒流源发生器，电流I=运算放大器11同相端113的基准电压/采样电阻Rl阻值。采样单元12和滤波运算单元13进入锁定基准电流的监控模式，即当电流不超过设定阈值时，输出为前述恒定的基准电流锁定值，功率驱动单元14输出恒流值，受到环路增益、带宽的影响，输出的电流中还有一些交流成分。这时，滤波运算单元13继续从采样单元12中得到采样数据，从这些数据中可以得到平均值和变动的值，在预设采样时间段内必然有最大值最小值，这个最大值或最小值和平均值的比称为纹波系数。
[0030]在LED照明恒流系统出现较大变化，所述滤波运算单元13获取到纹波系数较大超过预设阈值时，本发明所述装置的采样单元12重新进行采样电流集的获取，滤波运算单元13对实时获取的采样电流集进行预设时间段滤波、计算处理，重新获取新的基准电流并锁定输出至所述运算放大器11的同相端113。在其它实施情况中，LED照明恒流系统工作时，芯片内部的温度超过预设温度阈值时，也可以重新进行采样电流集的获取，进而重新确定基准电流并锁定输出；或者在驱动装置运行一预设时间段后，重新进行采样电流集的获取，进而重新确定基准电流并锁定输出。
[0031]所述运算放大器11的反相端112接所述采样电阻R1，通过反相端112以及采样电阻Rl实时获取LED照明灯组20端的采样电流。所述运算放大器11比较所述采样电流以及基准电流获取电流差，通过输出端111输出至与所述采样电阻Rl串联的功率驱动单元14以动态调节恒定输出电流。
[0032]所述功率驱动单元14可以为一晶体管或一 MOS管。根据输入的电流差控制晶体管或MOS管的导通时间进而动态调节恒定输出电流。其中，所述功率驱动单元14可以与运算放大器11、采样单元12以及滤波运算单元13集成在同一块芯片上，实现自适应恒流驱动；所述功率驱动单元14也可以单独设置在本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置的外部，并与采样电阻Rl以及运算放大器11相连，实现自适应恒流驱动。
[0033]本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置采用动态自适应基准恒流源来消除纹波电路，自适应恒流源以预先采样获取的基准电流为基准，充分避免了恒流源的误差，解决了效率低和发热问题，为LED照明灯组提供精准的恒流源。
[0034]参考附图5，本发明所述自适应基准恒流源LED驱动方法的流程图，所述方法采用本发明所述的自适应基准恒流源LED驱动装置。以下结合图4、图5，对所述方法进行详细说明。
[0035]S51:获取一预设采样时间段内LED照明灯组端的采样电流集。在所述预设采样时间段At内，恒流系统不工作，采样单元12对LED照明灯组20端的电流可以自由采样At时间，得到原始电流，以在后续处理后作为基准值锁定输入到运算放大器11的同相端113，与之后恒流系统正常工作实时采集的电流进行比较。
[0036]当所述LED驱动装置10工作于交流电供电体系中时，所述预设采样时间段At为所述交流电供电体系半周期的整数倍。作为优选的实施方式，所述预设采样时间段At大于所述交流电供电体系半周期的5倍，以兼顾精度要求和成本控制。当所述LED驱动装置10工作于人工调控状态的LED照明恒流系统中或供电体系的工作频率无法预先获取时，所述预设采样时间段At为所述采样电流集中采样电流周期值的整数倍。所述滤波运算单元13根据采样单元12所采集的电流计算获取采样电流的周期，进而确定采样时间段At，采样单元12根据所确定的采样时间段At进行采样，获取采样电流集。采样时间段At可以设置为采样电流周期的整数倍；优选的，可以将采样时间段At设定为大于采样电流周期的5倍。
[0037]S52:对所述采样电流集进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并锁定输出。可以通过滤波运算单元13将采样电流集中的电流转换成相应频率后，进行滤波、计算以及归一化处理，获取采样电流集的平均值作为基准电流。如果基准电流是数字量，将基准电流进行模拟化转换后输出至运算放大器11 ;如果基准电流是模拟量，直接缓冲输出至运算放大器11。也可以通过滤波运算单元13将采样电流集中的电流进行模数转换，将模拟量数字化后，进行数字滤波、计算以及归一化处理，获取采样电流集的数字化平均值作为基准电流，再将数字量的基准电流进行模数转换后输出至运算放大器11。
[0038]当基准电流确定后，运算放大器11、功率驱动单元14、采样电阻Rl构成了一个典型的恒流源发生器，采样单元12和滤波运算单元13进入锁定基准电流的监控模式，即当电流不超过设定阈值时，输出为前述恒定的基准电流锁定值。作为优选的实施方式，所述方法进一步包括:获取所述预设采样时间段内的纹波系数，若所述纹波系数超过预设阈值，则重新获取基准电流并锁定输出，以确保恒流的精准度。在LED照明恒流系统输出电流变化较大，或芯片内部的温度超过预设温度阈值时，或者在驱动装置运行一预设时间段后，也可以重新进行采样电流集的获取，进而重新确定基准电流并锁定输出。
[0039]S53:实时获取LED照明灯组端的采样电流。通过所述运算放大器11的反相端112接采样电阻R1，从而通过反相端112实时获取LED照明灯组端的采样电流。
[0040]S54:比较所述采样电流以及基准电流获取电流差，并根据所述电流差动态调节恒定输出电流。所述运算放大器11将接收到的采样电流与基准电流进行比较，获取电流差；通过输出端111输出至功率驱动单元14以动态调节恒定输出电流。也即，自适应恒流源以预先采样获取的基准电流为基准，充分避免了恒流源的误差，解决了效率低和发热问题，为LED照明灯组提供精准的恒流源。
[0041]以下结合图6，给出本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置的一实施例。
[0042]参考附图6，本发明所述自适应基准恒流源LED驱动装置应用在脉动直流下的LED照明系统中。所述LED驱动装置工作于50Hz交流电供电体系中。LED照明系统中串联了D1-D8共8个LED照明灯；电容C2用作旁路电容器，采用瓷片电容(Cap Ceramic)其容值为10 uF ;电容Cl用作滤波电容器，采用极性电容(Cap Pol3)其容值为1000 uF。
[0043]功率驱动单元采用MOSFET-N型晶体管Ql，晶体管Ql的漏极接入LED照明灯组的最后一个LED照明灯D8的阳极，晶体管Ql的源极通过采样电阻Rl (其阻值为10欧姆)接地，晶体管Ql的栅极接入运算放大器11的输出端111。[0044]所述采样单元12与所述采样电阻Rl相接，用于获取一预设采样时间段At内LED照明灯组20端的采样电流集。本实施例中，所述LED驱动装置工作于50Hz交流电供电体系中，故所述预设采样时间段At可以为IOms或IOms的整数倍。
[0045]在所述预设采样时间段At内，晶体管Ql处于不变的直通状态，从而采样单元12对LED照明灯组20端的电流可以自由采样At时间，得到原始电流，以在后续处理后作为基准值锁定输入到运算放大器11，与之后恒流系统正常工作实时采集的电流进行比较。
[0046]本实施例中，所述滤波运算单元13包括依次相接的模数转换单元131、数字变换单元132以及数模转换单元133。
[0047]所述模数转换单元131 —端与所述采样单元12相接，另一端与所述数字变换单元132相接，所述模数转换单元131用于将At内获取的采样电流集进行数字化转换。由于采样单元12通过采样电阻Rl获取的采样电流集为模拟量，还需要通过模数转换单元131对这些模拟量进行数字化转换，转化成数字变换单元132可以处理的数据格式。
[0048]所述数字变换单元132与所述数模转换单元133相接，用于对所接收的数字化的采样电流集进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并输入至所述数模转换单元133。本实施方式中所述数字变换单元132对所述预设采样时间段At内数字化的采样电流集取平均值，从而获取所述基准电流。
[0049]所述数模转换单元133与所述运算放大器11的同相端113相接，用于将基准电流进行模拟化转换并输出至所述运算放大器11的同相端113。
[0050]所述运算放大器11的输出端111接晶体管Ql的栅极、反相端112接采样电阻R1、同相端113接所述数模转换单元133、所述运算放大器11的一端口 114接地保护，另一端口 118接通过一电容C3 (容值为2.2 uF)接地保护。所述运算放大器11的反相端112通过采样电阻Rl实时获取LED照明灯组20端的采样电流。
[0051]所述运算放大器11将接收到的采样电流与基准电流进行比较，获取电流差并输出至晶体管Ql的栅极，以控制晶体管Ql的导通时间，从而实现动态调节恒定输出电流。
[0052]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，包括采样单元、滤波运算单元以及运算放大器； 所述采样单元与串接在LED照明灯组端的采样电阻相接，用于获取一预设采样时间段内LED照明灯组端的采样电流集； 所述滤波运算单元与所述采样单元相接，用于接收所述采样电流集并进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并锁定输出至所述运算放大器的同相端； 所述运算放大器的反相端接所述采样电阻，通过反相端实时获取LED照明灯组端的采样电流； 所述运算放大器比较所述采样电流以及基准电流，获取电流差并输出至一功率驱动单元以动态调节恒定输出电流。
2.根据权利要求1所述的自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，当所述LED驱动装置工作于交流电供电体系中时，所述预设采样时间段为所述交流电供电体系半周期的整数倍。
3.根据权利要求2所述的自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，所述预设采样时间段大于所述交流电供电体系半周期的5倍。
4.根据权利要求1所述的自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，所述预设采样时间段为所述采样电流集中采样电流周期值的整数倍。
5.根据权利要求1所述的自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，所述基准电流为所述预设采样时间段内采样电流集的平均值。
6.根据权利要求1所述的自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，所述滤波运算单元进一步获取所述预设采样时间段内的纹波系数，若所述纹波系数超过预设阈值，则重新获取基准电流并锁定输出至所述运算放大器的同相端。
7.一种自适应基准恒流源LED驱动方法，采用权利要求1所述自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，包括如下步骤: (1)获取一预设采样时间段内LED照明灯组端的采样电流集； (2)对所述采样电流集进行滤波、计算以及归一化处理，获取基准电流并锁定输出；(3)实时获取LED照明灯组端的采样电流； (4)比较所述采样电流以及基准电流获取电流差，并根据所述电流差动态调节恒定输出电流。
8.根据权利要求7所述的自适应基准恒流源LED驱动方法，其特征在于，当所述LED驱动装置工作于交流电供电体系中时，所述预设采样时间段为所述交流电供电体系半周期的整数倍。
9.根据权利要求8所述的自适应基准恒流源LED驱动装置，其特征在于，所述预设采样时间段大于所述交流电供电体系半周期的5倍。
10.根据权利要求7所述的自适应基准恒流源LED驱动方法，其特征在于，所述预设采样时间段为所述采样电流集中采样电流周期值的整数倍。
11.根据权利要求7所述的自适应基准恒流源LED驱动方法，其特征在于，所述基准电流为所述预设采样时间段内采样电流集的平均值。
12.根据权利要求7所述的自适应基准恒流源LED驱动方法，其特征在于，所述方法进一步包括:获取所述预设采样时间段内的纹波系数，若所述纹波系数超过预设阈值，则重新获取基准电流并锁 定输出 。
【文档编号】H05B37/02GK103702490SQ201410000611
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】张洪为 申请人:张洪为