交流直连LED驱动IC中的总谐波失真调节方法及电路

摘要

本发明公开了一种交流直连LED驱动IC中的总谐波失真调节方法及电路。该方法通过多个THD调节模块以及与之对应的外接电阻R

说明书

技术领域

本发明涉及交流直连LED驱动技术领域，尤其是对交流直连LED驱动IC的总谐波失真进行调节的领域。

背景技术

作为第四代绿色光源的发光二极管（LED），与传统照明灯具相比，具有亮度高，效率高，稳定性好，寿命长，安全，环保等优点，被广泛应用于照明领域。

传统的恒流型LED驱动IC普遍采用两级结构，功率因数校正（PFC）和DC/DC电压转换，其中功率因数校正电路就是为了对THD进行调节。为了使得驱动电流的纹波较小，这种类型的驱动IC不可避免的需要使用到容量较大的电解电容。而电解电容的寿命大约只有5000小时，远小于LED的寿命，从而限制了整个LED驱动系统的寿命。为了解决这个问题，不需要使用电解电容的交流直连LED驱动IC被提出了，并被深入的研究。

对于交流直连LED驱动IC来说，同样需要考虑THD问题。这是由于THD过大，不仅会降低线路的功率因素，影响交流电源的利用率，而且会对电网造成污染，对连接在同一交流电源系统下的其他用电设备产生恶劣的影响。

对于常规的交流直连LED驱动IC驱动方案来说，在一个电源周期内，流过LED灯串的电流呈现阶梯状。每个电流阶梯的电流值的大小，以及每个电流阶梯在时域上的起始点和终止点都会对交流直连LED驱动IC的THD造成影响。电流阶梯在时域上的起始点和终止点由每串LED灯串的压降，输入电源电压的幅值和频率等决定；而每个阶梯的电流值受与之对应的恒流模块的输入参考电平V_REF控制。对于给定的交流电源以及LED灯串压降的分配方案来说，要实现较小的THD，我们需要输入特定的参考电压组合。然而LED灯串压降的分配方案不同，输入参考电压的组合一般也不同，而参考电压一般由芯片内部产生，为固定不变的。所以为了在不同情况下都能得到较小的THD值，有必要研究应用于交流直连LED驱动IC的THD调节方法。

发明内容

为了使得交流直连LED驱动IC在不同情况下都能获得较小的THD值，本发明提供了一种交流直连LED驱动IC中的总谐波失真调节方法及电路。

一种交流直连LED驱动IC中的总谐波失真调节方法，包含以下步骤：

1）采用多个THD调节模块以及与之对应的外接电阻R_TD，分别将交流直连LED驱动IC中每一个恒流模块的电压输出信号转化为电流信号；

2）将得到的电流信号以电流源的形式进行叠加；

3）叠加后的电流流过片内电阻进行降压，来改变不同时间段内LED电流控制端的电压值，从而改变不同时间段内流过LED灯串中的电流值，来使得流过LED灯串的电流随时间变化的波形更接近正弦信号，从而达到对交流直连LED驱动IC的总谐波失真进行调节的目的。

所述的THD调节模块包括：

1）由PMOS器件M₁和M₂组成电流镜，其中M₂为二极管接法，

2）由NPN管Q₄和Q₅组成电流镜，其中Q₄为二极管接法，

3）由二极管接法的NPN管Q₁，Q₂，Q₃组成降压电路；

其中，Q₁的集电极作为THD模块的输入，Q₁的发射极与Q₂的集电极相连，Q₂的发射极与Q₃的集电极相连，Q₃的发射极与Q₄的集电极相连，Q₄和Q₅的发射极都接地，且它们的基极相连，Q₅的集电极与M₂的漏极相连，M₁和M₂的栅极相连，且它们的源极都接电源电压，M₁的漏极作为THD模块的输出。

所述的THD调节模块具有以下特征：

1）二极管接法的NPN管Q₁，Q₂，Q₃，Q₄的存在，使得当恒流模块的输出电压达到某一值时，才开启THD调节模块；

2）经过THD调节模块转换得到的电流信号与恒流模块的输出电压成正比，与对应的外接电阻R_TD成反比；

3）两对电流镜的存在，将转换好的电流信号传递到恒流模块中，以便进行电流的叠加；

4）叠加后的电流越大，LED电流控制端的电压越小，流过LED灯串的电流也就越小，叠加后的电流越小，LED电流控制端的电压越大，流过LED灯串的电流也就大。

每一个THD调节模块的电压电流转换比例都通过改变对应的外接电阻R_TD的阻值来改变，这些比例直接影响总谐波失真调节的数值，可以针对不同需求选择最优的阻值组合，以便在不同情况下都能得到较小的THD值。

采用所述方法的驱动电路包括：

1）一个片外输入交流电压源；

2）一个片外大功率整流桥；

3）N串串联连接的LED灯串；

4）一个片外控制LED灯串电流的限流电阻；

5）N个片内恒流模块；

6）N个片内LDMOS管；

7）N个片内产生的基准电压源；

8）N个片内THD调节模块；

9）N个片外THD调节电阻。

其中，输入交流电压通过大功率整流桥后，再用来驱动N串串联的LED灯串；N个LDMOS管的源极相连并连接到外接的限流电阻，LDMOS管的漏极和LED灯串的末端相连，LDMOS管的栅极与恒流模块的输出端相连；恒流模块的输出端与THD调节电阻相连后，再连接到THD调节模块的输入端；THD调节模块的输出端与恒流模块的输入端相连；基准电压源也作为恒流模块的输入端。

本发明的有益效果为：针对常规的交流直连LED驱动IC，通过利用各个恒流模块的输出电压，外接电阻R_TD以及总谐波失真调节模块，在不同的情况下，都能进行THD调节，使其得到较小的THD值。

附图说明

图1是常规交流直连LED驱动IC驱动电路示意图；

图2是恒流模块电路图；

图3是交流直连LED驱动电源中LED灯串顺序导通示意图；

图4是恒流模块电压输出波形图；

图5是THD调节模块电路图；

图6是带THD调节模块的交流直连LED驱动IC驱动电路示意图；

图7是常规交流直连LED驱动IC电流仿真波形图；

图8是带THD调节模块的交流直连LED驱动IC电流仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

图1为常规交流直连LED驱动IC驱动电路示意图，这里以驱动5串LED灯串为例，包含了：片外输入交流电源V_AC，片外大功率整流桥，片外5串LED灯串（LED₁~LED₅），片外控制LED灯串电流的限流电阻R_CS，片内5个恒流模块，片内5个LDMOS管LDMOS₁~LDMOS₅，片内产生的5个基准电压源V_REF1~V_REF5，且V_REF1<V_REF2<V_REF3<V_REF4<V_REF5。

图2为恒流模块的电路图，包含了：比较器CMP，电阻R₁，R₂，电流源I₁，以及NPN管Q₁和Q₂。图3为交流直连LED驱动电源中LED灯串顺序导通示意图。图4为恒流模块电压输出波形图。

结合图1~4，我们以5串LED灯串为例，详细介绍常规交流直连LED驱动电源中LED灯串顺序导通的方式。假设V_LED1~V_LED5分别代表灯串LED₁~LED₅的正向导通压降，V_OUT1~V_OUT5分别代表恒流模块（一）~恒流模块（五）的输出电压。

当输入电源电压瞬态值小于V_LED1，即在0~T₁时间段内，所有LED灯串中均没有电流流过，R_CS上的压降为零，五个恒流模块的输出电压均为较高的电平V₁，LDMOS₁~LDMOS₅均处于导通但无电流状态。

当电源电压瞬态值在V_LED1和V_LED1+V_LED2之间，即在T₁~T₂时间段内，LED₁灯串导通，LDMOS₁中有电流流过，即R_CS中有电流流过，由于恒流模块（一）中的R₁中没有电流流过，所以V_CS约等于V_REF1，此时，V_OUT1变为V₂₁，V₂₁<V₁，故此时灯串中的电流近似为V_REF1/R_CS，由于V_REF1是五个基准电压源中值最小的，所以其他恒流模块的输出电压均保持V₁不变，其他LDMOS依旧处于导通但无电流状态。

当电源电压瞬态值在V_LED1+V_LED2和V_LED1+V_LED2+V_LED3之间，即在T₂~T₃时间段内，此时LED₁和LED₂同时导通，即LDMOS₂中会有电流流过，如果LDMOS₁和LDMOS₂同时导通，会使得R_CS上的电流过大，即V_CS过大，导致LDMOS₁，LDMOS₂都关断，为了避免这种情况的发生，我们使得V_REF2大于V_RFE1，即可使得在这段时间内，V_OUT1近似为零，LDMOS₁关断，电流全部都流过LDMOS₂，此时LED灯串中的电流近似为V_REF2/R_CS，>OUT2由V₁降到V₂₂，V_OUT3~V_OUT5均保持V₁不变，LDMOS₃~LDMOS₅依旧处于导通但无电流状态。

当电源电压瞬态值在V_LED1+V_LED2+V_LED3和V_LED1+V_LED2+V_LED3+V_LED4之间，即在T₃~T₄时间段内，LED₁~LED₃同时导通，同理使得V_REF3大于V_REF2，则V_OUT1保持零电平，V_OUT2变为零电平，LDMOS₁~LDMOS₂关断，电流全部流过LDMOS₃，灯串中的电流近似为V_REF3/R_CS，V_OUT3由V₁变成V₂₃，V_OUT4~V_OUT5均保持V₁不变，LDMOS₄~LDMOS₅依旧处于导通但无电流状态。

当电源电压瞬态值在V_LED1+V_LED2+V_LED3+V_LED4和V_LED1+V_LED2+V_LED3+V_LED4+V_LED5之间，即在T₄~T₅时间段内，LED₁~LED₄同时导通，同理使得V_REF4大于V_REF3，则V_OUT1~>OUT3都近似为零电平，电流全部流过LDMOS₄，灯串中的电流近似为V_REF4/R_CS，V_OUT4由V₁变成V₂₄，V_OUT5保持V₁不变，LDMOS₅依旧处于导通但无电流状态。

当电源电压瞬态值大于V_LED1+V_LED2+V_LED3+V_LED4+V_LED5，即处于T₅~T₆时间段内，LED₁~LED₅同时导通，同理使得V_REF5大于V_REF4，则V_OUT1~V_OUT4都近似为零电平，电流全部流过LDMOS₅，灯串中的电流近似为V_REF5/R_CS，V_OUT5由V₁变成V₂₅。同理，当输入电压瞬态值逐渐减小时，LED₅~LED₁依次熄灭，灯串中的电流阶梯状减小。

通过上面的分析我们知道，LED电流随时间变化的波形呈现阶梯状。任意阶梯的电流值发生改变，驱动芯片的THD值也会随之改变。而阶梯的电流值与芯片内部的基准电压成正比，我们可以通过改变基准电压的值来改变THD值。但基准电压的值由芯片内部产生，一般是固定不变的，无法更改。

我们注意到，阶梯的电流值与芯片内部基准电压成正比的条件是恒流模块中的R₁上没有电流流过，如果电阻R₁中有电流流过，那么灯串中流过的电流将会约等于基准电压与电阻R₁中的压降的差值和R_CS的比值，这样我们就能通过改变电阻R₁中的电流值来改变灯串中的电流，从而调节交流直连LED驱动IC的THD值。THD调节模块起的就是改变恒流模块中流过电阻R₁电流的作用。

由于LED灯串中的电流随时间呈现阶梯状变化，我们需要对不同时间段内的电流值进行不同数值的改变，才能尽可能的获得较小的THD。而且，为了尽可能的不再增加芯片面积，THD调节模块的输入信号最好能够从交流直连LED驱动IC内部现有的信号中进行选取。

通过上面的分析我们发现，在不同时间段内，五个恒流模块的输出信号V_OUT1~V_OUT5之和是不同的，也就是说，将这五个电压信号分别转化为电流信号，然后再进行叠加，使得叠加后的电流流过恒流模块中的电阻R₁，即可实现对不同时间段内流过灯串的电流值进行不同数值改变的目的。

为了方便计算出所需的R_TD电阻值，我们使得芯片内部产生的5个基准电压源的值近似相等，但仍满足V_REF1<V_REF2<V_REF3<V_REF4<V_REF5。这样就会使得V₂₁~V₂₅近似都等于V₂。

然后，通过THD调节模块以及外接电阻R_TD将这五个电压信号转化为电流信号。THD调节模块的电路图如图5所示，包括：由PMOS器件M₁和M₂组成的电流镜；由NPN管Q₄和Q₅组成的电流镜；由二极管接法的NPN管Q₁，Q₂，Q₃组成的降压电路。其中，Q₁的集电极作为THD模块的输入，Q₁的发射极与Q₂的集电极相连，Q₂的发射极与Q₃的集电极相连，Q₃的发射极与Q₄的集电极相连，Q₄和Q₅的发射极都接地，且它们的基极相连，Q₅的集电极与M₂的漏极相连，M₁和M₂的栅极相连，且它们的源极都接电源电压，M₁的漏极作为THD模块的输出。THD调节模块的电压电流转换比例不仅仅与THD调节模块内部器件有关，还与外接电阻R_TD有关。

从图4我们可以看出，在整个周期内，恒流模块输出电压信号的值存在三个稳定值，V₁，V₂以及0，为了简化计算，当恒流模块输出电压信号的值为V₂时，我们使得THD调节模块不工作，即给THD调节模块设定一个阈值V_TH，V_TH>V₂，这是通过四个二极管接法的NPN管Q₁，Q₂，Q₃，Q₄来实现的。当恒流模块的输入电压为V₁时，恒流模块的输出电流为(V₁-V_TH)/R_TD，故我们通过改变外接电阻R_TD的值来改变转换后电流的大小。

通过THD调节模块将电压信号转化为电流信号之后，我们还需要将得到的五个电流信号进行叠加。采用的是电流源叠加的形式，如图6所示，必须将五个THD调节模块输出端连接在一块，否则将达不到电流信号叠加的目的。

这是由于如果这五个THD调节模块输出端不连接在一块，当某一个恒流模块的输出端电压达不到V_TH时，由于这个THD调节模块中没有电流流过，这个恒流模块会迫使V_CS的电压等于这个恒流模块的输入参考电压，这样会使得其他THD调节模块也不能正常工作，从而导致THD调节方法失效，无法正常的改变不同时间段内LED灯串上的电流。

电流叠加后，我们能很容易的推出，带有THD调节模块的交流直连LED驱动IC，在0~T₁时间段内，LED灯串上的电流大小近似为零；在T₁~T₂时间段内，LED灯串上的电流近似为（V_REF1-(R₁/5)*(V₁-V_TH)*((1/R_TD2)+>TD3)+>TD4)+>TD5))）/R_CS;>2~T₃时间段内，LED灯串上的电流近似为（V_REF2-(R₁/5)*(V₁-V_TH)*(>TD3)+>TD4)+>TD5))）/R_CS;>3~T₄时间段内，LED灯串上的电流近似为（V_REF3-(R₁/5)*(V₁-V_TH)*(>TD4)+>TD5))）/R_CS;>4~T₅时间段内，LED灯串上的电流近似为（V_REF4-(R₁/5)*(V₁-V_TH)*(1/R_TD5))/R_CS;>5~T₆时间段内，LED灯串上的电流近似为V_REF5/R_CS。由于V_REF1~V_REF5，R₁，V₁，V_TH以及R_CS的值都已经确定了，我们可以调节R_TD1~R_TD5的值来得到我们想要的电流值，从而得到较小的THD值。

我们发现带有THD调节模块的交流直连LED驱动IC每个阶段的电流值都与R_TD1无关，这是由于，为了计算方便，在对THD调节模块进行阈值设置时，我们使得V_TH>V₂。如果不进行这样的设置，那么在T₅~T₆时间段内，LED灯串上的电流将与R_TD1有关。

1um 700V BCD工艺进行了仿真验证：在输入220V AC，5串LED灯串导通压降分别为110V，60V，50V，40V，30V的情况下，不进行THD调节时，LED电流随时间变化的仿真波形图如图7所示，对应的THD值为86.08%；进行THD调节且外接的R_TD电阻阻值都为100k时，LED电流随时间变化的仿真波形图如图8所示，THD值为11.55%，大幅降低了THD值；在输入220V>

这里只是以5串LED灯串为例，介绍提出的交流直连LED驱动IC的总谐波失真调节方法，但并不限于5串LED灯串。此方法适用于N串LED灯串（N=1,2,3,4……）。对于N串LED灯串来说，使用N个THD调节模块，N个RTD电阻，N个恒流模块，N个LDMOS管以及N个基准电压即可。