一种智能化LED脉冲驱动电路

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一种智能化LED脉冲驱动电路\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及照明器具，具体是LED驱动电路。\n背景技术\n[0002] LED具有全固态结构、寿命长、直流低压驱动等特点，其应用逐渐从指示、显示领域发展到普通照明市场。但与荧光灯、高压气体放电灯等传统光源在性能价格比上竞争，还需要进一步提高其发光效率和单个器件的功率。发光效率除与LED器件本身的性能有关外，受驱动电流的大小和波形的影响也很大，有些情况下采用方波来驱动可达到比直流驱动更高的发光效率。\n[0003] 但是目前采用的开关电路，一般采用电感限流，由于电感是储能元件，它们在开关电路的晶体管“开”或“关”时分别通过储能和释能来起到限流的作用，这样电流波形由于积分过程总会有一个缓慢上升或下降的波形，实际检测LED的电流波形，这种波形接近三角波，这样就无法使LED工作在一个恒定的电流值，也就不能将工作电流固定地维持在效率极值点。如果采用电阻限流，虽然可以得到比较理想的方波，但在限流电阻上产生大量能耗，因此不采用这种方式。\n实用新型内容\n[0004] 为减少LED工作在不同电流时结温对其发光效率的影响，我们采用相同平均电流不同占空比和峰值方波脉冲电流驱动LED以观察其发光效率的变化，这一变化实际上反映了发光量子效率与驱动电流瞬态值关系，对高亮度1W～60W白光LED的测量结果：(1)LED有一个使量子效率达到极值点的电流，称之为效率极值工作点；(2)随着电流的进一步增大，发光效率明显降低。由此可以得出以下结论：在效率极值点低于额定电流时采用恒定直流驱动，否则采用峰值电流等于效率极值工作点的矩形直流脉冲，既保证LED的平均电流维持在额定电流，又使其驱动电流处在最佳的电流工作点。即使是在效率极值点低于额定电流的情况下，在一些LED调光应用的场合，当调光电路的驱动电流在效率极值点以下时，使用方波脉冲驱动LED的发光效率也会比直流驱动高。\n[0005] 本实用新型的目的就是提供一种方波脉冲输出的LED驱动电路以自动寻找LED的发光效率最高工作点，适用于普通外照明以及专业照明领域，包括交流市电和直流电池供电的普通室内外照明灯具和应急灯具、移动照明器具、LED液晶背光源、LED投影光源、LED汽车前照灯和车厢内照明等场合。\n[0006] 为了达到比较高的效率，得到方波(或近似于方波)电流的驱动波形，我们采取了低频方波调制高频方波来实现。本实用新型的LED驱动电路包括：高频方波脉冲发生电路OSC、晶体管Q、电流取样电阻R、电感L和回流二极管D1、高频脉冲滤波电容C、以及负载LED，电流取样电阻R连接比较器CM的反相端，由单片机MCU提供参考电压Uref输入到CM的同相端，比较器的输出端和高频方波脉冲发生电路OSC接入到与门AND1的两个输入端，AND1的输出端再和由单片机产生的低频调制信号分别同与门AND2的两个输入端相连，由AND2的输出端与开关晶体管Q的栅极相连，光检测模块D2对负载LED的发光亮度进行检测，检测信号通过模数转换器ADC转换为数字信号后反馈输入到单片机MCU。\n[0007] 上述的光检测模块D2包括光电探测器和检测信号放大电路，其中光电探测器采用光电二极管、光电池或光敏电阻中的一种。\n[0008] 单片机MCU产生合适占空比的低频方波(50Hz～1kHz)输出到与门AND2实现对OSC产生的高频(10kHz～200kHz)脉冲的调制，低频方波调制高频方波后形成的间歇式方波脉冲控制晶体管Q的栅极，然后由在负载LED两端并联的容值恰当的电容C将高频成分大部分滤除，使低频波包仍然呈现出接近方波的电流波形。只要波包的频率高于人眼视觉产生闪烁感的最高频率，即可得到高效舒适的照明效果，或用于液晶显示的背光源时，波包频率应保证光源的脉冲驱动不干扰显示器的刷新率。\n[0009] 当由电流取样电阻R反馈到比较器CM反相端的电压信号小于参考电压Uref时，CM输出高电平，否则输出低电平，所以通过输入比较器的参考电压Uref可控制对晶体管Q(MOSFET)栅极输入的高低电平，从而控制Q管在一个周期的导通时间和流过电流取样电阻R即流过晶体管Q的电流峰值。\n[0010] 比较器CM参考电压Uref由单片机MCU另一输出端口提供，通过变化参考电压Uref即可控制输出到LED的峰值电流。在启动后初始1分钟左右，通过单片机MCU在相同平均电流下自动调节驱动脉冲的占空比和峰值电流，对光检测模块D2检测到的系列光强值进行比较，找到光强最大的工作点，之后使驱动电路一直保持在这点工作。\n[0011] 对于峰值电流可由单片机MCU输出到比较器CM的参考电压Uref来控制，经过测量\n1.8\n发现，对LED输出的峰值电流im与参考电压Uref的近似关系是：im∝Uref (接近三角波的\n2\nim∝Uref 关系)，单片机MCU在计算峰值电流时采用了这一关系。这样利用单片机MCU自动搜索效率极值点，这样就解决了因不同厂家不同批次的LED特性参数造成的不一致性问题。\n[0012] 本实用新型通过低频方波调制高频方波的方式，实现了近似方波的电流波形，根据LED的效率-电流特性来确定输出占空比和峰值电流，实现了驱动器和LED的相互匹配，达到比直流驱动更高的效率。且由于利用了单片机MCU自动搜索效率极值点，所以驱动器作为单独的产品，同时适用于任意厂家生产的LED的不同效率-电流特性。\n附图说明\n[0013] 图1是本实用新型的智能化的脉冲驱动电路原理图；\n[0014] 图2是低频方波调制高频方波驱动下LED的电流波形；\n[0015] 图3是高频方波驱动下LED的电流波形。\n具体实施方式\n[0016] 如图1所示，本实用新型所公开的智能化LED脉冲驱动电路包括：高频方波脉冲发生电路OSC、晶体管Q、电流取样电阻R、电感L和回流二极管D1、高频脉冲滤波电容C、以及负载LED，电流取样电阻R连接比较器CM的反相端，由单片机MCU提供参考电压Uref输入到CM的同相端，比较器的输出端和高频方波脉冲发生电路OSC接入到与门AND1的两个输入端，当R反馈的信号超过设定的门限值Uref时比较器输出端为低电平，从而关闭驱动信号以实现恒流控制，AND1的输出端再和由单片机产生的低频调制信号分别同与门AND2的两个输入端相连，由AND2的输出端与开关晶体管Q的栅极相连，在Q导通时电感L起到限流的作用并在此期间储存一定的电磁能量，Q关闭时通过回流二极管D1将电感L的储能通过负载LED释放，光检测模块D2对负载LED的发光亮度进行检测，检测信号通过模数转换器ADC转换为数字信号后输入到单片机MCU，通过这种光反馈的方法寻找效率最高的电流工作点。\n[0017] 对上述低频方波调制高频方波驱动电路测量，得到LED的电流波形如下图2所示。\n比较图3的高频方波驱动下LED的电流波形，可以看出，本实用新型得到比较接近方波的电流波形。