电流控制电路及应用其的LED驱动电路的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电流控制电路及应用其的LED驱动电路。

背景技术：

LED灯由于其比传统的荧光灯和白炽灯节能环保，所以LED灯正在慢慢替换现有的荧光灯和白炽灯。线性LED驱动电路以其实现简单、成本低的优势，得到广泛应用。

图1为现有技术常用的线性LED驱动电路，运放U00通过调节开关管M01的栅极电压，使得采样电阻R00上电压为参考电压VREF1，通过改变采样电阻的大小来调节流过LED负载上的电流，从而实现LED上的恒流控制。

由于LED负载电流都会流过采样电阻R00，因此上述现有技术中采样R00电阻需要采用功率电阻，增加了驱动方案的成本。在应用过程中，若采样电阻R00发生短路，开关管M01的栅极电压会变高，导致M01进入饱和状态，造成输出电流失控，容易发生LED灯以及开关管损坏。

此外，随着LED的推广和应用的改变，越来越多LED照明场合需要满足各种调光需求，而上述现有技术的线性LED驱动电路，不能实现PWM调光、模拟调光、可控硅调光等各种有调光需求的场合，限制了LED负载的应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在片外电阻发生短路时不易损坏负载和调整管的电流控制电路及应用其的LED驱动电路，并进一步地兼容调光需要，扩展了应用范围，用以解决现有技术存在的技术问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的电流控制电路，包括：

调整管，与负载串联，所述调整管的第一端与所述负载连接，其第二端经采样电阻接地电位；

参考电压产生电路，其输入端连接第一电阻或者连接第一控制电压经第一电阻接地电位；所述参考电压产生电路根据其输入端的电流，产生参考电压；或者其输入端连接第一电阻或/和第一控制电压接地电位；所述参考电压产生电路根据其输入端的电压，产生参考电压；

第一运放，其输出端与所述调整管的控制端连接，其第一输入端接收所述的参考电压，其第二输入端接收表征流经调整管瞬时电流的电流采样信号。

作为优选，所述的电流控制电路为集成电路，调整管的第一端、参考电压产生电路的输入端和采样电阻的接地端作为集成电路的三个引脚，所述的第一电阻作为分立器件位于片外。

作为优选，所述的参考电压产生电路其输入端的电流为第一电流，第一电流经电流镜像出第二电流至阻性元件上，所述的第二电流在所述阻性元件上所产生的压降作为所述参考电压。

作为优选，所述的参考电压产生电路包括第二运放、第一晶体管、电流镜模块和第二电阻，所述第二运放的第一端接收表征第一电流参考值的参考信号，所述第二运放的第二端接收电流控制电路输入端的电压，第二运放的输出端与所述的第一晶体管的控制端连接；所述第一晶体管的第一端与所述电流镜像模块的输入端连接，所述第一晶体管的第二端接收电流控制电路输入端的电压；所述电流镜像模块的输出端与所述的第二电阻连接。

作为优选，所述的参考电压产生电路包括第一电流源，所述的第一电流源与所述的第一电阻连接，第一电流源在所述第一电阻上所产生压降作为所述的参考电压。

作为优选，所述的电流控制电路还包括钳位电路，所述的钳位电路对所述第一电阻两端的电压、第二电阻两端的电压或第一运放输出端的电压钳位至限 压值，以实现限流。

作为优选，所述的第一电阻为可变电阻或者可变电阻与固定电阻串并联形成的电阻组。

作为优选，所述的第一电阻与调光信号模块串联或者将所述调光信号模块连接于参考电压产生电路的输入端和地之间，所述的调光信号模块为模拟调光信号或PWM调光信号，根据所述模拟调光信号或PWM调光信号的变化，改变流经负载的电流，以实现调光。

本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下结构的应用电流控制电路的LED驱动电路，包括LED负载和上述任意一种电流控制电路，交流电源经整流桥得到输入电压对所述的LED负载供电。

本发明的又一技术解决方案是，提供一种以下结构的应用电流控制电路的LED驱动电路，包括LED负载、第一电流控制电路和第二电流控制电路，交流电源依次经可控硅调光器和整流桥得到输入电压对所述的LED负载供电，所述的第一电流控制电路与所述LED负载串联，所述的第一电流控制电路为上述任意一种电流控制电路，所述的第二电流控制电路的第一端经功率电阻与所述输入电压的高电位端连接，其第二端与所述输入电压的低电位端连接。

作为优选，当输入电压大于LED负载两端的压降时，则第一电流控制电路控制所述的LED负载的电流为固定值，当输入电压小于LED负载两端的压降时，LED负载的电流为零，此时，所述的第二电流控制电路产生补充电流，以使输入电流不低于可控硅调光器的维持电流。

作为优选，所述的第二电流控制电路也为以上任意一种电流控制电路，该电流控制电路中的第一电阻包括两个串联的电阻，两个串联的电阻之公共端与所述第一电流控制电路的地电位连接。

作为优选，所述的第二电流控制电路也为以上任意一种电流控制电路，该电流控制电路中的第一电阻与第一电流控制电路中参考电压产生电路的输入端连接。

采用本发明的电路结构，与现有技术相比，具有以下优点：本发明将电流控制电路用于LED驱动电路当中，LED负载上电流流入电流控制电路，通过电流控制调节流经LED负载的电流，所述的电流控制电路集成于芯片内，片外的第一电阻只是用于设置负载电流，其上不需要流过大电流，因此可采用普通电阻，降低了系统的成本，本发明的采样电阻集成于片内，即便第一电阻发生短路，则通过钳位电路进行限流，不致于损坏负载和调整管；同时，本发明可以兼容多种调光应用。

附图说明

图1为现有技术的LED驱动电路原理图；

图2为本发明电流控制电路实施例一的电路结构图；

图3(a)为参考电压电路的一种电路结构示意图；

图3(b)为参考电压电路的另一种电路结构示意图；

图4(a)为本发明电流控制电路实施例二的电路结构图；

图4(b)为本发明实施例二采用图3(a)方案时的调光曲线图；

图4(c)为本发明实施例二采用图3(b)方案时的调光曲线图；

图5(a)为本发明电流控制电路实施例三的电路结构图；

图5(b)为本发明实施例三采用图3(a)方案时的调光曲线图；

图5(c)为本发明实施例三采用图3(b)方案时的调光曲线图；

图6(a)为本发明电流控制电路实施例四的电路结构图；

图6(b)为本发明实施例四采用图3(a)方案时的调光曲线图；

图6(c)为本发明实施例四采用图3(b)方案时的调光曲线图；

图7为本发明LED驱动电路的一种电路结构图；

图8为本发明LED驱动电路的另一种电路结构图；

图9(a)图9(b)为本发明图7之实施例在不同可控硅导通角下输入电压VIN 和输入电流iIN之波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考图2所示，示意了本发明电流控制电路实施例一的具体电路结构，并给出了本发明在LED驱动电路中的应用。其负载以LED为例，其输入电源为交流输入，所述交流输入经整流桥后输出直流的输入电压，即作为负载的输入电压，所述的整流桥由二极管D01～D04组成。本实施例中的电流控制电路包括调整管M01、参考电压产生电路U01和第一运放U02，所述的调整管M01与LED负载串联，所述调整管M01的第一端与所述LED负载连接，其第二端经采样电阻R00接地电位；参考电压产生电路U01的输入端连接第一电阻R02并经第一电阻接地电位，虽然本实施例附图仅记载了连接第一电阻R02的情况，但参考电压产生电路U01的输入端通过连接第一控制电压也可以实现，即用第一控制电压来代替第一电阻R02上的压降，所述第一控制电压可以根据电路需要进行设置和调整。本实施例中，所述参考电压产生电路U01根据所述第一电阻R02上的压降，产生参考电压VREF0，通过调整第一电阻R02的阻值可以调整参考电压VREF0的值。参考电压产生电路U01的输出端与第一运放U02的第一输入端(正输入端)连接，调整管M01第二输入端(负输入端)接收表征流经调整管瞬时电流的电流采样信号，即连接在采样电阻R00和调整管M01的第二端之公共端。第一运放U02的输出端与所述调整管M01的控制端连接。

所述的调整管M01采用NMOS实现，其第一端为漏极，第二端为源极，其控制端为栅极，在此仅是以NMOS举例，这并不能构成采用其他类型调整管的限制。第一运放U02通过控制调整管M01的栅极电压从而使得采样电阻R00上的电压等于VREF0，以实现调节LED负载的电流，在没有调光的情况下，可以实现输出恒流。

由图2可以看出，所述的电流控制电路为集成电路，调整管的第一端(OUT端)、参考电压产生电路的输入端(EXT端)和采样电阻的接地端(GND端)作为集成电路的三个引脚，所述的第一电阻R02作为分立器件位于片外。

由于电流控制电路可以集成到芯片中，当其集成为一颗芯片时，第一电阻R02上并不流过LED电流，只是用于设置LED负载上电流，所以可以选用普通电阻，降低了系统方案成本。而采样电阻R00集成于片内，不易发生短路现象。

参考图3(a)所示，示意了参考电压产生电路U01的具体电路结构，即一种实现方式。参考电压产生电路U01在EXT端产生固定电压，则流过第一电阻R02的电流为i01(作为第一电流)，参考电压产生电路产生参考电流Iref，流过第二电阻R01(作为阻性元件)到地，Iref和电流i01成比例关系，所述的参考电流Iref(作为第二电流)在第二电阻R01产生压降并作为参考电压VREF0。就本附图中的具体结构而言，其中，所述的参考电压产生电路根据所述第一电阻R02上的压降产生第一电流i01，所述的第一电流i01经电流镜镜像出第二电流Iref至阻性元件R01上，所述的第二电流Iref在所述阻性元件R01上所产生的压降作为所述参考电压VREF0。

进一步地，所述的参考电压产生电路包括第二运放U05、第一晶体管M05、电流镜模块和第二电阻R01，所述第二运放U05的第一端(正输入端)接收表征第一电流参考值(也可认为是表征第一电阻压降的参考值)的参考信号Vref，所述第二运放U05的第二端(负输入端)接收第一电阻R02上的压降，第二运放U05的输出端与所述的第一晶体管M05的控制端连接；所述第一晶体管M05的第一端与所述电流镜像模块的输入端连接，所述第一晶体管M05的第二端连接第一电阻并经第一电阻接地电位；所述电流镜像模块的输出端与所述的第二 电阻R01连接。所述的电流镜模块由两个PMOS M06和M07组成。

第一晶体管M05以NMOS为例，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极。第二运放U05通过控制第一晶体管M05的栅极，从而控制电阻R02上的电压为参考电压Vref，PMOS M06和M07形成电流镜，使得M07上的电流Iref和M06的电流成比例关系，即M07上电流和电阻R02上的电流成比例关系。如果M06和M07均为PMOS，宽长比分别为(W/L)和k1(W/L)，则M07电流与M06电流比例为k1(k1为任意数值)，则流经LED负载电流大小为k1*(R01/R00)*Vref/R02。

图3(a)中还示意了钳位电路U03，钳位电路U03和第二电阻R01并联。由于存在钳位电路U03，用于设定电流的第一电阻R02即使发生短路，输出电流也可以被控制在VCLAMP/R00，其中，VCLAMP为钳位电路的钳位电压。当电流控制电路集成为一颗芯片时，电流采样电阻R00集成在芯片内部，避免了传统方案中采样电阻短路，造成输出电流过大造成系统损坏。

LED电流限流的做法不仅限于上述所说的将钳位电路U03和电阻R01并联，也可以在参考电压产生电路U01中进行限流，从而保证R01上电压不会高于一定值；也可以在第一运放U02的输出端进行电压钳位，从而限制LED电流。

参考图3(b)所示，示意了参考电压产生电路U01的具体电路结构，即另一种实现方式。本附图中，所述的参考电压产生电路U01包括第一电流源I15，所述的第一电流源I15与所述的第一电阻R02连接，第一电流源I15在所述第一电阻R02上所产生压降作为所述的参考电压VREF0。基于集成电路，则参考电压产生电路U01的内部电流源I15在EXT端产生固定电流，则第一电阻R02上的电压为VREF0。对于钳位电路U03的设置，则可将钳位电路U03和电阻R02并联，钳位VREF0的电压。当VREF0为达到钳位电压时，VREF0＝I15*R02，则LED电流大小为I15*R02/R00，从而对负载进行限流。

参考图4(a)所示，示意了本发明电流控制电路实施例二的电路结构原理，与实施例一的基础上进行了改进，即增加了调光的功能。本实施例利用了第一 电阻R02设置电流的特性，即改变第一电阻R02可以改变负载电流，以实现调光，故将第一电阻R02设置成可变电阻或可变电阻组，例如，可调电阻R02也可以用一固定电阻和一可调电阻串联或者并联的方式来实现。

当参考电压产生电路U01采用图3(a)的方案时，LED电流大小如前面所述为k1*(R01/R00)*Vref/R02，即电阻R02越大，输出电流越小；电阻R02越小，输出电流越大。通过钳位电路来限制最大输出电流，调光曲线如图4(b)所示；当参考电压产生电路U01采用图3(b)的方案时，LED电流大小如前面所述为I15*R02/R00，即电阻R02越大，输出电流越大；电阻R02越小，输出电流越小。通过钳位电路来限制最大输出电流，调光曲线如图4(c)所示。

参考图5(a)所示，示意了本发明电流控制电路实施例三的电路结构原理，与实施例一的基础上增加了模拟调光的功能，即与实施例二中的采用可变电阻调光有所不同。所述的第一电阻R02与调光信号模块串联，在本实施例中所述的调光信号模块为模拟调光信号U11，根据所述模拟调光信号U11改变流经LED负载的电流，以实现调光。当模拟调光信号U11和电阻R02串联时，模拟调光信号U11可以和R02互换位置。

以图5(a)中的具体连接关系为例，当参考电压产生电路采用图3(a)中的方案时，表征模拟调光信号的调光电压越高，则LED的电流越小；模拟电压越低，LED电流越大。当表征模拟调光信号的调光电压为0时，LED电流大小和不加入模拟调光信号时的大小相同，当表征模拟调光信号的调光电压达到参考电压产生电路中的参考电压Vref时，则输出电流为0。调光曲线如图5(b)所示，其中i为模拟调光信号为0时的LED电流大小。当参考电压产生电路采用图3(b)中的方案时，设模拟调光信号的电压越高，则LED的电流越大；模拟电压越低，LED电流越小。调光曲线如图5(c)所示，其中i为模拟调光信号为0时的LED电流大小。当模拟电压为0时，LED电流大小和不加入模拟调光信号时的大小相同。当电阻R02为0，即只有模拟调光信号连接在EXT端和地之间时，LED电流可以到0。

参考图6(a)所示，示意了本发明电流控制电路实施例四的电路结构原理，与实施例一的基础上增加了PWM调光的功能，即与实施例二和三中的采用可变电阻和模拟调光有所不同。将PWM调光信号U10和R02串联，连接到电流控制电路的EXT端和地之间即可实现。其中，PWM电压调光信号U10可以和R02互换位置。也可以直接将PWM调光信号U10连接到EXT端和地之间。

本实施例当采用图3(a)所示的参考电压产生电路时，当PWM信号为高时，LED的瞬时电流为0；当PWM信号为低时，LED的瞬时电流为最大值，即不调光的值。其中，PWM信号的高电平需要高于参考电压Vref，PWM信号的低电平为0。则LED的平均电流为i*(1-D)。其中，i为非调光时的LED电流，D为PWM信号高电平占开关周期的百分比。调光曲线如图6(b)所示。当采用图3(b)所示的参考电压产生电路时，当PWM信号为高时，LED的瞬时电流为最大值；当PWM信号为低时，LED的瞬时电流为不调光的值。其中，PWM信号的低电平为0，则LED的平均电流为i+(V3/R00)*D。其中，i为非调光时的LED电流，V3为PWM调光信号高电平的值，其中，I15*R02+V3小于钳位电压值。当I15*R02+V3大于等于钳位电压值，则LED平均电流大小为VCLAMP*D/R00+i(1-D)。调光曲线如图6(c)所示。

参考图7所示，示意了本发明的LED驱动电路的具体电路结构。交流电源经整流桥得到输入电压VIN对负载供电，C01为输入电容。所述的LED驱动电路包括LED负载、第一电流控制电路U15和第二电流控制电路U16，交流电源依次经可控硅调光器和整流桥得到输入电压VIN对所述的LED负载供电，所述的第一电流控制电路与所述LED负载串联，所述的第一电流控制电路U15为上述任意一种电流控制电路，所述的第二电流控制电路U16的第一端经功率电阻R12与所述输入电压VIN的高电位端连接，其第二端与所述输入电压VIN的低电位端连接。

当输入电压VIN大于LED负载两端的压降加上第一电流控制电路U15的开启电压时(第一电流控制电路U15开启电压指OUT与GND之间最小电压能够保证第一电流控制电路可以正常工作)，则第一电流控制电路U15控制所述的LED 负载的电流为固定值，当输入电压VIN小于LED负载两端的压降加上第一电流控制电路U15的开启电压时，LED负载的电流为零，此时，所述的第二电流控制电路U16产生补充电流，以使输入电流不低于可控硅调光器的维持电流。

所述的第二电流控制电路U16也为以上任意一种电流控制电路，该电流控制电路中的第一电阻包括两个串联的电阻，即R11和R10，两个串联的电阻之公共端与所述第一电流控制电路U15的地电位连接。

基于附图7具体结构说明如下：输入整流桥的正输出端连接到功率电阻R12的一端，功率电阻R12的另一端连接到电流控制电路U16的OUT端，电流控制电路U16的地连接到输入整流桥的负输出端。电流控制电路U16的EXT端经过两个串联的电阻R10和R11连接到电流控制电路U16的地。整流桥的正输入端还连接到LED负载的正端，LED负载的负端连接到电流控制电路U15的OUT端，电阻R02连接在电流控制电路U15的EXT端和GND之间，电流控制电路U15的地连接到电阻R10和电阻R11的公共端。

第一电阻R02设置LED的输出电流，当输入电压VIN大于LED电压VLED时，则电流控制电路U15通过输出电流设置电阻R02控制LED电流大小为I2；当输入电压VIN小于LED电压VLED时，则LED上电流为0。当输入电压低于LED电压时，LED电流为0，则输入处需要加入一定的维持电流，使得可控硅一直保持导通，防止关断引起闪烁。当LED有电流时，则LED电流流过电阻R11，在电阻R11上产生一定压降。由于EXT端流出的电流远小于LED电流，因此在计算R12的电流时，可以近似认为功率电阻R12的电流大小为：K*(Vref-iLED*R11)/R10；其中K为电流控制电路中的系数，当采用图3(a)的电路，并且M06:M07＝1:1，则K＝(R01/R00)。因此LED电流越大，则功率电阻R12上的电流越小，当iLED*R11大于等于Vref时，则功率电阻R12上的电流为0。当LED电流为0时，由于电阻R11远小于电阻R10，因此功率电阻上电流大小为K*Vref/R10＝I1。在不同可控硅导通角度时，输入电压VIN和输入电流iIN波形如图9(a)和9(b)所示。通过加入电流控制电路U16及周边电路，使得在输入电压低于LED电压时，输入电流可以达到可控硅的维持电流，防止可控硅的 关断导致LED灯闪烁。并且该维持电流大小可以通过电阻设置，电路简单，电路成本低。

参考图8所示，示意了本发明的LED驱动电路的另一种具体电路结构。当输入电压VIN大于LED负载两端的压降加上第一电流控制电路U15的开启电压(第一电流控制电路U15开启电压指OUT与GND之间最小电压能够保证第一电流控制电路可以正常工作)，则第一电流控制电路U15控制所述的LED负载的电流为固定值，同时第二电流控制电路U16的EXT高于内部参考电压，没有电流流过R13，也没有电流流过R12；当输入电压VIN小于LED负载两端的压降加上第一电流控制电路U15的开启电压时，第一电流控制电路U15的输入端EXT输出电流开始减小，同时第二电流控制电路U16的输入端EXT有电流流过R13，此时，所述的第二电流控制电路U16产生补充电流流过R12，以使输入电流不低于可控硅调光器的维持电流。第二电流控制电路U16的补偿电流由电阻R13和R02决定。当第一电流控制U15的EXT端输出电流为零时，第二电流控制电路U16的补偿电流达到最大值。

除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。涉及电阻的部分，也可以将其理解为电阻组，即由多个电阻串并联组成，例如，第一电阻可以理解为电阻R11和R12串联。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。