带有温度补偿电流源的高利用率的无死区时间LED驱动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种集成了具有温度补偿结构的电流源且具有较高电源利用率的LED驱动电路，同时应对了传统LED工作时有死区时间的问题，使得LED工作途中不会熄灭而是亮度有微弱下降，由于人眼的余晖效应，大大减小闪烁对显示的影响。

背景技术

LED又称发光二极管，是当下时代运用最广泛发展前景最好的发光源之一，与过去的白炽灯、卤素灯相比，发光二极管的高效率与高节能的特点是它被市场所认可。然而，LED发光二极管是单向导电元器件，在过去只能运用在直流电源上，这与现在广泛使用的交流电插座相违背。为此，业界已开发出一种交流LED驱动电路。

如图1所示，传统的交流LED驱动电路包括：交流-直流转换电路(AC-DCConverter)、脉冲控制传输门、显示单元(LED)和恒定电流源；所述交流-直流转换电路的输入端接入交流电源Vin，它与脉冲信号控制的传输门作用可以将交流电源Vin转换成脉冲直流电源Va，经输出端输出；所述显示单元包括多个LED光源，与所述交流-直流转换电路的输出端连接；所述恒定电流源模块与显示单元串联，为整个电路提供恒定的电流；如图4所示，当交流-直流转换电路输出的脉冲直流电压Va大于显示单元中LED的导通电压(阈值电压)Vth时，显示单元两端的电压差Vab控制在稳定值，LED导通并且稳定发光。

然而，由于脉冲直流电压并非理想状态(上升沿时间并非无穷小)，所以在Va电压上升初期会有短暂的时间使Va小于发光二极管导通电压，使得LED熄灭，这段时间我们称为死区时间，由于在短暂的死区时间内LED是不工作的，这就造成了闪烁。由于人眼余晖效应，通常人眼可以接受的闪烁频率为90Hz以上，闪烁频率越高呈现图像的效果越好，当死区时间过长导致频率在90Hz以下时就对呈现效果有很大的影响。尽管如此，对于摄像机而言对于闪烁频率的要求更为苛刻，以120Hz的闪烁频率为例，人眼在120Hz的频率闪烁下并不敏感,但对于一个图像捕获设备,进行定期扫描,图像捕捉下一光源闪烁在120Hz的频率闪烁的影响由于扫描频率之间的差异和光源的频率，将导致图像有多个平行条纹，照片失真。

因此，为了解决上述死区时间内LED关断的问题，如图2所示，最直观的方法是直接将一个电容与交流-直流转换电路并联作为电容补偿，使得直流脉冲信号通过电容的充放电而有缓冲变得更平稳；然而，如图3所示，由于交流-直流转换电路输出的信号是AC/DC混合脉冲直流信号，所以这种方法降低了传统LED驱动电路的电源利用率；电容的输入阻抗Zin＝Zc//(R1+R2)，其中，Zc为电容的容抗，R1为显示单元的有效非线性阻抗，R2为恒流电路的有效电流源阻抗；由上式输入阻抗Zin公式，可以推导出电源利用率为Zc/(Zc+R1+R2)。由于普通电容器的电容值远小于恒流源的有效阻抗R2，由上式可以看出，虽然加入该电容器解决了闪烁问题，但输入阻抗Zin是容性的，从而降低了电源利用率。

同时，该传统结构对于恒定电流源的电流精准度要求较高，但众所周知电流对于温度的影响是很高的，虽然LED本身发热能力是很低的，属于冷光源，但是不排除周围环境造成的过低温(-20℃以下)或驱动电路中的其他部分由于电流过大导致温度过高这些问题从而影响到LED发光显示效果。

发明内容

针对现有技术中存在的显示单元由于死区时间导致LED关断造成的闪烁及电源利用率降低以及温度影响等问题，本发明提供了一种具有温度补偿的高电源利用率的无死区时间LED驱动电路，所述驱动电路包括交流-直流转换电路、显示单元、死区时间补偿电容及带有温度补偿的电流源电路；当交流-直流转换电路输出的电压小于LED的阈值电压Vth时，电容模块对显示单元放电，使得Va不会降低为零，从而消除了死区时间使得LED不会熄灭；由于交流-直流转换电路的输入阻抗可视为一个电容与非线性电阻元件并联，电流源的内阻接近无穷大，无死区时间LED驱动电路的电源利用率可以达到95％以上，实现了高电源利用率；同时，在电流源模块内本发明集成了温度补偿结构，使得产生的电流不受温度变化而影响。因此，本发明通过所提出的电路结构可以有效解决LED死区时间关断问题，并且很好地避免了传统电路中交流-直流转换电路与补偿电容并联时电源利用率下降的问题，同时还增强了驱动电路的抗温度干扰性。

本发明的一种具有温度补偿的高电源利用率无死区时间LED驱动电路的原理如下：

对于交流-直流转换电路输出的信号，其输入阻抗可视为电容模块与显示单元构成的非线性电阻元件并联构成的容抗元件的输入阻抗，其次为与具有温度补偿的电流源电路构成的恒流模块串联。由于电流源的有效内阻为无穷大，因此无论输入阻抗中的容抗和阻抗如何变化，有效阻抗总是无穷大。因此，计算出的实际功率非常接近有效功率，电源利用率接近100％。同时在设计恒定电流源模块时本发明在其中集成了温度补偿模块，其中通过两个8位DAC中的电阻正负温度系数进行补偿，使得产生的基准电流为不受温度影响的PTAT电流。

本发明通过如下技术方案实现：

一种带有温度补偿的高电源利用率的无死区时间LED驱动电路，包括交流-直流转换电路、脉冲传输门、显示单元、补偿电容模块及带有温度补偿的电流源电路；其中，所述交流-直流转换电路的输入端与交流电源连接，并通过传输门的开关将交流电转换成脉冲直流电源，显示单元与传输门的输出端并联，构成电源回路；所述补偿电容模块包括与显示单元并联的至少一个电容的电容阵列，其中，等效电容的大小受死区时间以及输入交流电压大小控制；所述带温度补偿的电流源电路与显示单元串联，为整个电路提供不受温度影响的PTAT电流。

进一步地，所述显示单元内的多个LED光源的连接方式为串联。

进一步地，所述显示单元内的多个LED光源的连接方式为并联。

进一步地，所述显示单元内的多个LED光源的连接方式为串联和并联。

进一步地，所述补偿电容模块包括多个串联的电容，且均与显示单元并联。

进一步地，所述补偿电容模块包括多个并联的电容，且均与显示单元并联。

进一步地，所述补偿电容模块包括多个串联和并联的电容，且均与显示单元并联。

进一步地，所述驱动电路还包括低通滤波器，所述低通滤波器与带有温度补偿的基准电流源电路串联，用于将产生的电流信号进行去噪处理，以稳定电源回路的电路电流。

进一步地，所述带有温度补偿的基准电流源电路包括电阻分压式DAC及运算放大器；所述电阻分压式DAC包含两个具有不同温度系数的电阻阵列，用于温度补偿，电阻分压式DAC产生的基准电压Vref作为运算放大器的一个输入，运算放大器的另一个输入则为输出的反馈信号；运算放大器的输出到一个MOS管的栅级，经过电压到电流的转换得到了带有温度补偿的基准电流源的输出。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的一种带有温度补偿的高电源利用率的无死区时间LED驱动电路，有效解决LED死区时间关断问题，并且很好地避免了传统电路中交流-直流转换电路与补偿电容并联时电源利用率下降的问题，同时还增强了驱动电路的抗温度干扰性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为现有交流LED驱动电路的电路图；

图2为现有电路并联电容器的电路图；

图3为现有电路中有效输入阻抗的电路图；

图4为现有LED电压差波形图；

图5为本发明的高电源利用率无闪烁LED驱动电路的电路图；

图6为本发明的有效输入阻抗的电路图；

图7为本发明的显示单元上的电压差的波形图；

图8为本发明的带有温度补偿的基准电流源电路图。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

实施例1

如图5所示，为本实施例提供的一种带有温度补偿的高电源利用率的无死区时间LED驱动电路的电路图，所述驱动电路包括交流-直流转换电路、脉冲控制传输门、显示单元、补偿电容模块及温度补偿电流源电路；其中，所述交流-直流转换电路的输入端与交流电源连接，并通过传输门的开关将交流电转换成脉冲直流电源，显示单元与传输门的输出端并联，构成电源回路。

所述显示单元包括多个LED光源串联或并联，并且连接到传输门的输出端以构成电源回路。在本实施例中，LED光源在连接到传输门的输出端之前，可以是并联、串联或同时串联和并联，以构成功率回路。在这种情况下，交流直流转换器后的传输门输出的脉冲直流电源可以驱动显示单元发光；

所述补偿电容模块包括与显示单元并联的至少一个电容的电容阵列，其中等效电容的大小受死区时间以及输入交流电压大小控制；

所述驱动电路还包括低通滤波器，所述低通滤波器与带有温度补偿的基准电流源电路串联，用于将产生的电流信号进行去噪处理，以稳定电源回路的电路电流。

所述带有温度补偿的基准电流源电路包括电阻分压式DAC及运算放大器；所述电阻分压式DAC包含两个具有不同温度系数的电阻阵列，用于温度补偿，电阻分压式DAC产生的基准电压Vref作为运算放大器的一个输入，运算放大器的另一个输入则为输出的反馈信号；运算放大器的输出到一个MOS管的栅级，经过电压到电流的转换得到了带有温度补偿的基准电流源的输出。

所述带有温度补偿的基准电流源电路与显示单元及低通滤波器串联连接，以产生不受温度影响的精准的PTAT电流为驱动电路供电。

请参考图7，当交流-直流转换电路输出的脉冲直流电源Va大于LED的导通电压Vth时，基准电流源电路将电路电流稳定到默认值，使LED模组发光同时稳定地对补偿电容模块进行充电。当脉冲直流电源Va的瞬时电压小于其接点电压Vth时，补偿电容与显示单元并联并为其供电，使得Va继续上升，在此期间LED亮度变暗当兵不会熄灭，死区时间不会形成。由于人眼的余晖效应，对显示效果不会有影响。

请参考图6，电容模块的输入阻抗为Zin＝(ZC//R

由于带温度补偿的基准电流源的有效内阻R

请参考图8，带有温度补偿的基准电流源运用电阻分压是DAC的电阻正负温度系数相抵消，从而得到了受温度影响很小的PTAT基准电流，经过低通滤波器整波的精准PTAT电流在为电路供电时大大提高了LED点亮频率的准确度。左侧的DAC电阻阵列具有正温度系数TC>0，右侧的DAC电阻阵列则具有负温度系数TC<0,本发明通过列出基准电流公式并对温度求导使得结果＝0便可确认电阻阵列的数值，这样便可以消除温度对基准电流的影响，大大地增加了LED驱动电路对温度的抗干扰能力。

由电路可推

由此可以确定电阻R1及R2的值。

综上所述，本发明通过所提出的结构可以有效解决死区时间内LED熄灭的问题，完全避免了传统电路中交流-直流转换电路与电容并联时电源利用率下降的问题。同时还增强了LED驱动电路的抗温度干扰性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。