CN104918387B - 一种交流驱动的led照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流驱动的LED照明装置，其包括整流单元、采样单元、开关单元和至少一个LED模组。所述整流单元的第一输出端连接所述采样单元和第一LED模组，所述开关单元的第一输入端连接对应的LED模组的输出端，第二输入端连接所述采样单元的分压端。所述开关单元的输出端和所述整流单元的第二输出端接地。所述开关单元包括第三至第五电阻，第一和第二稳压二极管以及第一和第二场效应管。本发明适用于交流电直接驱动，具有电路简单，体积小、重量轻、成本低的优点。同时，通过预置适当的关断电压和接通电压，避免了LED照明装置随交流电压波动而出现闪烁。

Description

一种交流驱动的LED照明装置

本发明为原申请号为201110457843.0、原申请日为2011年12月31日、原发明名称为交流电直接驱动的LED发光装置的分案申请。

技术领域

本发明涉及LED(发光二极管)照明领域，尤其涉及一种交流驱动的LED照明装置。

背景技术

LED作为一种新型固态光源，以其节能、环保、寿命长等优点有望成为新一代照明光源。众所周知，现有LED几乎都是用直流电驱动的，而我们的生产生活用电却是交流电。因此，在目前使用的LED产品中，需要一个电源转换器，将交流电转换为直流电。电源转换器的引入，带来很多负面效应。其一，电源转换器的寿命远远低于LED自身的寿命，使得照明装置的使用寿命变短；其二，电源转换器会降低发光装置的效率；其三，在小功率应用中，电源转换器会引起功率因数的下降和电流总谐波失真的增加。为了充分发挥半导体照明的优势，可以用交流电直接驱动的LED发光装置成为当前的研究热点。

在已有的交流LED公开技术中，大多是使用多颗LED组件按照反向并联或者桥式整流的电路拓扑结构连接而成，以满足交流电力的驱动要求。但是，交流电是按照一定的频率周期性波动的，由于LED自身开启电压的存在，在瞬时电压超过开启电压时，LED才会导通并发光。反之，LED是截止不发光的。这种电路使得LED的发光效率很低，并且随着交流电压波动出现发光闪烁现象。

国际专利WO 2004/023568A1“LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTINGELEMENTS”中，提出了在蓝宝石衬底上集成LED芯片阵列，从而提供一种交流电力驱动的发光装置，但没有解决LED的发光闪烁问题。

美国专利US 7,489,086B2“AC LIGHT EITTING DIODE AND AC LED DRIVEMETHODS AND APPARATUS”提供了一种交流LED器件，该发明是一种将多个LED集成封装的器件，利用人眼的视觉暂留效应来弥补交流电引起的LED发光闪烁现象。该专利没有从根本上解决交流电压周期性波动造成的发光闪烁现象。

可见，在已公开LED交流驱动技术中，都存在一个缺点：LED的驱动电流会随着交流电压的波动而波动，导致LED发光时出现亮度变化，产生发光闪烁的现象。同时，LED器件的核心是一个PN结二极管，其I-V特性为近似的指数函数，当LED两端的电压大于开启电压后，流过PN结的电流呈指数增长。现有技术的交流驱动方法，当交流电压意外升高时，可能直接损坏LED器件。

中国专利CN 102202441A公开了一种LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路，其包括EMI电路、整流电路、功率因数校正电路和恒流驱动电路。其工作方式为：功率因数校正电路根据输入交流电压的大小区间来改变功率因数控制电路31和32的导通状态，使得LED照明灯的点亮数量发生改变，从而提高功率因数。在实际工作时，功率因数控制电路31、32等效的开关只要达到1/3、2/3峰值电压时就会立即切换，以此提高功率因数。参见图1，功率因数控制电路31、32中K1、K2的导通状态仅受对应的偏置电阻R6、R7或者R8、R9组成的电路上的电压的影响。进一步地，由于采用了常用的开关切换拓扑电路，功率因数控制电路31、32等效的开关只要达到1/3、2/3峰值电压时就会立即切换，从而导致切换时会出现闪烁情况。

本发明中的每个开关单元经对应的LED光源模组接收开启电压并且经采样单元的分压端接收关断电压，开关单元的通断状态受到开启电压和关断电压的共同影响。进一步地，本发明未采用如D1所公开的常用的开关切换拓扑电路，而是采用开关单元从对应的LED光源模组的负端和采样单元分压端接收开启电压和关断电压。开关单元接收到达到阈值的开启电压而导通，并维持导通状态直到接收的关断电压达到设定的阈值使其关断。每个开关单元按照需要能维持特定的导通时间，从而避免了多级LED模组在根据输入电压的大小直接切换时会出现的闪烁现象。

本发明的开关单元两个输入端的连接方式与对比文件中的恒流电路输入端的连接方式存在明显区别，并且开关单元与对比文件中恒流单元的具体电路结构也存在区别：恒流源42中MOS管V2的栅极连接R3与R4的分压端，本发明中开关单元M2的栅极连接R5。这些结构上的区别导致了本发明和对比文件的工作方式存在前述的不同。

综上所述，前述对比文件解决的技术问题为如何提高交流驱动LED的功率因数，本发明解决的技术问题为如何克服交流电直接驱动的多级LED模组随电压波动而出现的闪烁情况。两者解决的技术问题不同，并且采用的技术手段，驱动电路的工作方式也不同。因此，前述对比文件对本发明没有技术启示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术交流电直接驱动LED发光装置造成的发光闪烁的缺点，提供一种交流电直接驱动的LED发光装置，克服交流电引起的LED闪烁现象，并提高LED发光装置的效率，延长LED的使用寿命。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，交流电直接驱动的LED发光装置，包括交流输入端、保护单元和整流单元，其特征在于，所述整流单元的第一输出端通过n个LED模组和一个开关单元连接到第二输出端，其中n≥1，且为整数；当n≥2时，每两个LED模组之间还有开关单元构成的通道与第二输出端连接，每一个开关单元都与采样单元连接；

所述交流输入端用于连接交流电，为装置提供工作电流；

所述保护单元与交流输入端连接，为装置提供保护功能；

所述整流单元与保护单元连接，对保护单元输出的交流电进行整流；

所述采样单元用于对整流单元的输出电压进行采样，并输出控制信号到各个开关单元；

所述开关单元与采样单元连接，根据采样单元输出的控制信号关断或接通。

本发明的LED发光装置电路，由n级LED模组级联构成，通过采样单元适当预置每一级LED模组对应开关单元的关断和接通电压，可以避免交流电压波动的时候出现闪烁现象。增加LED模组的数量，相当于降低了每一级LED模组的导通电压，提高了电源的利用率。多级LED模组应用时，当交流电压波动时，每个LED模组受到的影响相对采用单个模组的影响更小，LED工作的稳定性也更好，更可靠，抗交流电压波动的能力更强。

具体的，所述n个LED模组由LED阵列组成。

采用LED阵列可以组成大功率的LED模组。

进一步的，所述LED阵列由布置在同一印制电路板上的至少1个LED构成；或者集成封装在同一基板上的至少1个LED构成；或者集成在同一半导体衬底上的至少1个LED构成。

将LED模组中所有的LED布置在同一印制电路板上，是目前工艺条件下最简单最经济的封装方法；或者将LED模组中所有的LED集成封装在同一基板上，即将LED模组中所有的LED进行二次封装，集成在同一散热基板上；或者集成在同一半导体衬底上，这是采用半导体集成电路工艺，在同一半导体基片上实现LED的集成。这些技术还可以将各个LED模组中的LED交错布置，提高照明装置发光亮度的均匀性，并有利于克服闪烁现象，LED封装布线也更方便。

具体的，所述LED并联和/或串联连接。

LED模组中LED适当的连接组合，如并联、串联或混联等，更能够适应交流电直接驱动的使用环境，方便地调整各个LED模组的电流、电压参数。

具体的，所述保护单元包括保险丝和/或压敏电阻，所述保险丝串联在交流输入端，所述压敏电阻并联在交流输入端。

保险丝是常用的限流保护元件，压敏电阻则是常用的限压保护元件，他们的组合可以完成最基本的限流和限压保护，并且成本低，安装方便，便于进行二次集成。

进一步的，所述保护单元还包括共模扼流圈和/或气体放电管，所述共模扼流圈串联在交流输入端，所述气体放电管并联在交流输入端。

共模扼流圈可以抑制共模干扰，气体放电管可以保护照明装置不被雷电等伤害。

具体的，所述整流单元由整流二极管组成的全波整流或半波整流电路构成。

采用整流二极管作为整流元件，体积小重量轻，便于二次集成封装。

具体的，所述采样单元由电阻网络构成。

电阻网络非常适合采集直流参数，便于设定开关单元动作点。

具体的，所述开关单元由晶体管构成，所述晶体管控制极与采样单元连接。

晶体管作为开关元件，具有控制容易，无触点，长寿命的特点。

更具体的，所述晶体管为场效应晶体管或双极型晶体管，所述控制极为场效应晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。

晶体管开关元件，技术成熟，反应灵敏，动作可靠。

本发明的有益效果是，使用交流电力直接驱动LED模组，电路简单，体积小、重量轻，成本低。通过预置适当的关断电压，实现交流电力直接驱动LED装置在交流电压波动的时候不会闪烁。并且，在交流电瞬时电压过高时，开关单元关断，LED模组不发光，提高了电源的利用效率，降低了电力损耗。同时，也避免LED模组因电流过大而烧毁的情况，延长了装置的使用寿命。

附图说明

图1是实施例1的结构框图；

图2是实施例1的电路原理图；

图3是实施例2的结构框图；

图4是实施例3的结构框图；

图5是实施例3的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的交流电直接驱动的LED发光装置，包括交流输入端、保护单元、整流单元、采样单元、开关单元和n个LED模组，其中n≥1，且为整数。本发明发光装置中，整流单元的第一输出端(一般为直流输出正端)通过n个LED模组和一个开关单元连接到第二输出端(直流输出负端)。当LED模组数量超过2个时，每两个LED模组之间还有开关单元构成的通道与第二输出端连接。每一个开关单元都与采样单元连接，受其控制。本发明的LED发光装置电路，由n级LED模组级联构成，通过采样单元适当预置每一级LED模组对应开关单元的关断和接通电压，可以避免交流电压波动的时候出现闪烁现象。增加LED模组的数量，相当于降低了每一级LED模组的导通电压，提高了电源的利用率。多级LED模组应用时，当交流电压波动时，每个LED模组受到的影响相对采用单个模组的影响更小，LED工作的稳定性也更好，更可靠，抗交流电压波动的能力更强。

实施例1

参见图1和图2，本例发光装置包括交流输入端1、保护单元2、整流单元3、采样单元4、开关单元6和LED模组5，本例LED模组5的数量为1(即n＝1)。本例整流单元的第一输出端为直流输出正端31，该正端31通过LED模组5开关单元6连接到第二输出端直流输出负端32。参见图1。交流输入端1与交流电L端(相线)和N端(零线)连接，将交流电引入保护单元2。保护单元2对整个装置提供基本的保护功能，由压敏电阻VR和保险丝F构成，保险丝F串联在相线上，压敏电阻并联在相线和零线之间，见图2。对于应用于特殊环境的，保护单元2还可包括共模扼流圈以及气体放电管。共模扼流圈串联在相线和零线上，气体放电管一般并联在相线和零线之间。本例整流单元3由整流二极管构成的全波整流电路D组成，对交流电进行全波整流。本例电压采样单元4，由采样电阻R1和R2组成的电阻网络构成，通过采样整流电路D输出的直流电压，控制开关单元6。如图2所示。本例开关单元6由MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，简称场效应管)M1和M2及稳压二极管DZ1、DZ2、电阻R3、R4和R5构成。本例LED模组5由多颗串联、并联或者混联的LED组成的阵列构成，可以是布置在同一印制电路板上的多个LED，或者集成封装在同一散热基板上的多个LED，又或者集成在同一半导体衬底上的多个LED构成的集成电路。

当交流电的瞬时电压达到LED模组5的开启电压时，开关单元6在采样单元4的驱动下导通，LED模组5开始发光；当交流电的瞬时电压超过预设的关断电压时，开关单元6关断，LED模组5停止发光；当交流电出现波动时，在正常的工作电压范围以内，即在LED模组5的开启电压与预设的关断电压之间时，发生变化的只是开关单元6的导通和关断的时间点，LED模组5的发光不会闪烁。

如图2所示，整流电路D输出正端和电阻R1的一端连接，同时连接到LED模组的正端，整流电路D的输出负端作为地。电阻R1的另一端与电阻R2的一端、稳压二极管DZ1的负端、电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端与场效应管M1的栅极连接，场效应管M1的漏极、电阻R4的一端、电阻R5的一端、稳压二极管DZ2的负端连接。电阻R5的另一端与场效应管M2的栅极连接，场效应管M2的漏极、电阻R4的另一端、LED模组的负端连接。电阻R2的另一端、稳压管DZ1的正端、稳压管DZ2的正端、场效应管M1的源极、场效应管M2的源极连接到地(直流输出负端)。

当交流输入端1与电网连接，本照明装置获得交流电力，经过保护单元2，并由整流单元3，整流成直流电，提供给采样单元4、开关单元6和LED模组5。在每个交流周期中，整流电路D输出电压从零开始上升，当电压升高到开关单元的开启电压时，场效应管M1关断，M2导通，LED模组5开始发光；随着输入电压升高LED模组通过的电流增大，在电压低于预设的关断电压阶段，采样单元4输出的电压不足以使场效应管M1导通，M1保持关断，M2保持导通，LED模组5持续发光；当电压意外升高，超过预设的关断电压时，M1开始导通，M2关断，LED模组不发光，保护LED模组5免受大电流的冲击。

实施例2

如图3所示，本例发光装置LED模组5有2个，开关单元6也是2个，整流单元3正端31通过2个LED模组和第2开关单元6(图中标注为开关单元2，其他开关单元标注与此类似)与整流单元3负端32连接，在第1个LED模组5和第2个LED模组5之间有第1个开关单元6构成的通道与整流单元3负端32连接。本例所有开关单元6均与采样单元4连接。

实施例3

如图4所示，本例发光装置LED模组5有3个，开关单元6也是3个，整流单元3正端31通过3个LED模组和第3个开关单元6与整流单元3负端32连接，在第1个LED模组5(图中标注为LED模组1，其他LED模组标注与此类似)和第2个LED模组5之间有第1个开关单元6构成的通道与整流单元3负端32连接。在第2个LED模组5和第3个LED模组5之间还有第2个开关单元6构成的通道与整流单元3负端32连接。本例所有开关单元6均与采样单元4连接。

本例装置的电路原理图如图5所示，其工作原理和具体电路结构与实施例1类似，此处不在赘述。本例采样单元4由电阻R1、R2，R6、R7，R11、R12构成，三个开关单元6，和3个LED模组组5成三级电路，三个开关单元6分别控制三个LED模组，通过采样单元4分别设置每一级开关的关断时间，并对相应的LED模组5进行保护。随着LED模组数量的增加，相当于降低了每一个LED模组的导通电压，提高了电源的利用率。多级LED模组应用时，当交流电压波动时，每个LED模组受到的影响相对采用单个模组的影响更小，LED工作的稳定性也更好，更可靠，抗交流电压波动的能力更强。

经上述详细的阐释，可以看出，本发明的电压采样单元监测输入电压，同时还具有对LED模组的保护功能。当交流电压出现大的波动的时候，开关单元也能及时断开，保护LED模组不因电流过大而损坏。

需要说明的是：虽然上述实施例已经详细描述了本发明的结构，但本发明并不限于上述实施例，凡是本领域技术人员根据上述描述进行的常规的替换结构，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种交流驱动的LED照明装置，其包括整流单元、采样单元、N个开关单元和N个LED模组，所述整流单元的第一输出端连接所述采样单元的输入端和所述N个LED模组，其特征在于，每个开关单元的第一输入端连接对应的LED模组的输出端，第二输入端连接所述采样单元的分压端，所述每个开关单元的输出端、所述采样单元的输出端和所述整流单元的第二输出端接地；其中,N为大于等于2的整数；

所述每个开关单元包括第三至第五电阻，第一和第二稳压二极管以及第一和第二场效应管，其中

第三电阻的一端连接到所述采样单元的分压端；

第一稳压二极管的负端与所述采样单元的分压端连接，正端接地；

第一场效应管的栅极连接到第三电阻的另一端，源极接地；

第一场效应管的漏极、第四电阻的一端、第五电阻的一端和第二稳压二极管的负端连接；

第五电阻的另一端与第二场效应管的栅极连接；第二场效应管的漏极、第四电阻的另一端和对应的LED模组的输出端连接；

第二稳压二极管的正端和第二场效应管的源极接地；

其中，每个LED模组由多颗串联、并联或者混联的LED组成的阵列构成；

所述采样单元由采样电阻组成的电阻网络构成。

2.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，其中，每个所述LED模组为多级LED模组中的一级LED模组；

通过所述采样单元预置与每一级LED模组对应的开关单元的关断电压和接通电压以避免交流电压波动时出现闪烁；

其中，所述波动是指交流电压正弦的变化。

3.如权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，所述整流单元由整流二极管组成的全波整流电路或半波整流电路构成。

4.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED阵列由布置在同一印制电路板上的多个LED构成。

5.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED阵列由集成封装在同一基板上的多个LED构成。

6.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED阵列由集成在同一半导体衬底上的多个LED构成。

7.如权利要求1至6之一所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED照明装置还包括保护单元,所述保护单元包括保险丝和/或压敏电阻，所述保险丝串联在交流输入端，所述压敏电阻并联在交流输入端。

8.如权利要求7所述的LED照明装置，其特征在于，所述保护单元还包括共模扼流圈和/或气体放电管，所述共模扼流圈串联在交流输入端，所述气体放电管并联在交流输入端。