交流供电LED光源驱动电路 一、技术领域：
本发明涉及半导体照明应用技术，具体提出了一种可以模块化的交流电源直接供电的LED光源驱动电路。
二、背景技术：
半导体照明灯具由于具有发光效率高、节电效果明显、寿命长、无污染、抗震动等显著优点，已日益受到世界各国的重视，有望在不久的将来取代传统的各种照明灯具。但是这种灯具通常都采用直流驱动电源供电，在灯具内必需安装将交流电变为直流电的恒流驱动电源，尽管开关式恒流源效率较高，但用于驱动LED灯具时电能利用效率降低10％左右；此外由于开关电源中常用的电解电容器的使用寿命一般都低于10000小时，虽然LED光源的寿命可达5～7万小时，但是电源电路损坏后，灯具即不能使用，需要购置新的灯具，形成目前的节能灯具节能不省钱的尴尬局面，不经济，严重影响其推广使用。
为了解决这一问题，申请号为200710172585.0(公开号为CN 101137261A)、发明名称为《用于驱动LED的装置以及方法》发明专利申请公开了一种结构比较简单并且功率效率高的交流电源驱动式LED点亮装置。将对交流电源进行整流后的信号的电压(整流电压)与规定的基准电压进行比较，根据其比较结果控制流入LED阵列中的各LED的驱动电流的导通和截止。根据该结构，当交流电源电压大时能使更多数目的LED点亮，当交流电压小时使更少数目的LED点亮，由此可提高LED点亮装置的功率效率。
图5为前述专利申请分段点亮控制法驱动LED数量与LED利用率和电源利用率关系图，曲线显示了电源效率和LED效率之间的关系，102为电源效率曲线，103为LED利用率曲线，图中可以看出，LED的数量越多，电源的效率越高。但是LED的利用率越低，同时如果数量一定时，电源电压不同其效率也不同，特别是当在电源电压为标准220条件下，按电源效率95％设计的LED数量，在电源电压为190V点亮时，将有部分LED不亮，当电压为270V时电源的效率会降低到80％，电流源上消耗的功率将增加6～7倍。图6为电压由190～260V变化时电源消耗与电流源消耗曲线。104为电源消耗功率，101为电流源消耗功率。一方面是价格昂贵的LED灯，另一方面是宝贵的能源，要提高能源利用率，必须牺牲LED灯，无法解决电能利用率和LED发光二极管发光效率的问题，另外采用图7-1、图7-2所示传统的无源恒流电流源电路，它的输入电压与通过电流虽然可以使电流基本保持在设定范围内，但当两端电压过高时，流过的电流也会随电压升高而稍微升高，当电源电压由190V～270V范围变化时，通过LED的平均电流会随电压升高而升高，恒流源上的功率消耗则随电压升高而成倍增加，电源效率下降。
三、发明内容：
本发明针对现有技术不足，提出一种交流供电LED光源驱动电路，通过合理的电压调节电路和合理控制LED发光二极管的数量和组数，使得通过发光二极管的电流控制在合理的范围内，解决了电源利用率和LED发光二极管发光效率二者之间不可调和的矛盾，并且可以据此组装生产出成本低、效率高、使用寿命长、便于大规模推广应用的交流电源直接供电的LED照明灯。
本发明所采用的技术方案：
一种交流供电LED光源驱动电路，含有桥式整流电路，电流调节电路以及LED分段点亮控制开关电路，桥式整流电路输入端连接交流电源，电流调节电路中电流调节器的电源输入端连接桥式整流电路的正极输出端，电流调节器的输出端与桥式整流电路的负极输出端之间设有连接N组LED发光二极管的连接节点，电流调节器和被分成N组的LED发光二极管串联在整流电路的正、负极输出端构成主回路，其中N为自然数，所述LED分段点亮控制开关电路对应设有N-1个电子开关，其中第一个电子开关的源极连接在第一组LED发光二极管和第二组LED发光二极管的连接节点处，第二个电子开关的源极连接在第二组LED发光二极管和第三组LED发光二极管的连接节点处，……，第N-1个电子开关的源极连接在第N-1组LED发光二极管和第N组LED发光二极管的连接节点处，所有电子开关的漏极连接整流电源的负极，各个电子开关的栅极分别连接一个比较器的输出端，各个比较器的正、反相输入端分别连接一个基准电压和取样电压输入信号。所述各取样电压信号的设置满足：当整流电源的输出电压不足以点亮所有地LED发光二极管时，比较器根据检测的电压信号，依次驱动电子开关闭合，将对应的LED发光二极管组从主回路短路。
所述的交流供电LED光源驱动电路，电流调节电路包括作为电流调节器的晶体管(Q0)，检流电阻(R10)以及比较器(A1)，检流电阻设在晶体管的漏极侧的主回路中，检流电阻与晶体管的连接节点接入比较器(A1)的反相输入端，所述比较器(A1)的同向输入端接与基准电压为同相输入端的运算放大器(A2)电路的输出端，比较器(A1)的输出端连接晶体管控制基极，所述运算放大器(A2)的反相输入端一路连接电流调节电路输入电压的采样点，另一路连接温度补偿电路中比较器(A3)的输出端，运算放大器(A2)的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻(R11)，电流调节电路输入电压的采样点一端通过第一取样电阻(R1)与稳压管(WZ1)串联后与桥式整流电路的电源输出端连接，另一端通过第二取样电阻(R3)连接检流电阻(R10)与LED灯的连接节点。
运算放大器(A2)的输出电压设置为：当输入到电流调节电路电压小于DW1的导通电压时输出为基准电压，当输入到电流调节电路电压大于DW1的导通电压时输出为小于基准电压；当晶体管(Q0)温度小于设定温度时A2输出基准电压，大于设定温度时A2输出小于基准电压。
所述的交流供电LED光源驱动电路，电流调节电路包括作为电流调节器的晶体管(Q0)，检流电阻(R10)以及比较器(A1)，检流电阻设在晶体管的漏极侧的主回路中，检流电阻与晶体管的连接节点接入比较器(A1)的反相输入端，所述比较器(A1)的同向输入端接与基准电压为同相输入端的运算放大器(A2)电路的输出端，比较器(A1)的输出端连接晶体管控制基极，所述运算放大器(A2)的反相输入端一路通过耦合电阻(R21)连接电流跟随器(A4)的输出端，另一路连接温度补偿电路中比较器(A3)的输出端，电流跟随器(A4)同相输入端连接电流调节电路输入电压的采样点，电流跟随器(A4)的反相输入端连接温度补偿电路的采样电压输出，所述运算放大器(A2)的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻(R11)，电流调节电路输入电压的采样点一端通过第一取样电阻(R1)与桥式整流电路的电源输出端连接，另一端通过第二取样电阻(R3)连接检流电阻(R10)与LED灯的连接节点。
所述的交流供电LED光源驱动电路，温度补偿电路包括热敏电阻RT，所述热敏电阻RT与限流电阻(R6)串联后上端接电流调节电路的电源端，下端连接检流电阻(R10)与晶体管(Q0)的连接节点，热敏电阻RT与限流电阻(R6)的连接节点接入比较器(A3)同相输入端，比较器(A3)反相输入端一路通过耦合电阻(R5)与基准电压连接，另一路通过反馈电阻(R8)与其输出端连接。
当晶体管温度小于设定温度时，运算放大器(A2)输出基准电压；当晶体管温度大于设定温度时，运算放大器(A2)输出小于基准电压。
所述的交流供电LED光源驱动电路，电流调节器的输出端与桥式整流电路的负极输出端之间连接的LED发光二极管的组数N为2～9的自然数，根据目前的技术条件，当每一个LED发光二极管的导通电压为3.1～3.3V时，LED发光二极管总个数M可以取为50～100的自然数，每组LED发光二极管至少含有一个LED发光二极管。
并且可以据此实现交流供电LED光源驱动电路的模块化和集成化生产，并根据实际情况，将一些体积大的或者根据LED发光二极管的数量需要进行参数调整的电阻、电容设置为外围元件，通过相应的管脚连接模块内部电路。
本发明的有益积极效果：
1、本发明交流供电LED光源驱动电路，采用合理的电压调节电流电路串联在LED灯主回路中，通过合理控制LED发光二极管的数量和组数，使得通过发光二极管的电流控制在合理的范围内，保证了LED发光二极管稳定工作状态，延长了照明灯的使用寿命，解决了LED发光二极管发光效率、电源利用率二者之间不可调和的矛盾，提高了电源利用率。
2、本发明交流供电LED光源驱动电路，电源模块只有整流电路而不用电容，特别是不使用寿命较短的大容量的电解电容，使用中对电网的冲击干扰小，同时，电压调节电路保证了通过LED光源照明灯的电流不会随电压升高和降低而变动，因此大大是提高了LED照明灯及电源模块的使用寿命，电源寿命可与LED发光二极管的使用寿命相当。
3、本发明交流供电LED光源驱动电路，从第一组半导体LED发光管到第N-1组半导体LED发光管，均设有一个电子开关串联在该组半导体LED发光管与所述电流调节器之间，即每前一组半导体LED发光管的电子开关与其后边各组半导体LED发光管组成的串联回路并联，通过电子开关分级控制导通各组半导体LED发光管，充分利用了电源波形特征，提高了电源效率，进一步提高了节能效果，其推广普及具有深远的经济效益和社会效益。
四、附图说明：
图1：本发明交流供电LED光源驱动电路结构原理示意图
图2：本发明交流供电LED光源驱动电路另外一种电流调节电路
图3：本发明以4组LED灯与3组电子开关为例的实施方式电路原理图
图4-1、图4-2：分别表示了一种图3所示LED光源驱动电路模块化、集成化后的应用实施方式
图5：采用无源的恒流电流源情况下LED发光二极管数量与LED发光二极管发光效率、电源效率之间的关系图
图6：现有技术中LED发光二极管数量固定的情况下采用无源的恒流电流源时其电源电压与电源效率、LED二极管发光率之间的关系图
图7-1、图7-2：分别为无源恒流电流源的一种电路原理图
图8：LED发光管数量在80、总导通电压为190V～270V时，本发明LED光源驱动电路与现有技术在不同电压条件下通过LED电流曲线比较图
五、具体实施方式：
实施例一：参见图1，本发明交流供电LED光源驱动电路，含有桥式整流电路1，电流调节电路2，LED发光二极管组3以及LED分段点亮控制开关电路4，桥式整流电路1输入端连接交流电源，电流调节电路2中电流调节器的电源输入端连接桥式整流电路1的正极输出端，电流调节器的输出端与桥式整流电路1的负极输出端之间设有连接N组LED发光二极管的连接节点，电流调节器和被分成N组的LED发光二极管串联在整流电路的正、负极输出端构成主回路，其中N为自然数，所述LED分段点亮控制开关电路4对应设有N-1个电子开关，其中第一个电子开关的源极连接在第一组LED发光二极管和第二组LED发光二极管的连接节点处，第二个电子开关的源极连接在第二组LED发光二极管和第三组LED发光二极管的连接节点处，……，第N-1个电子开关的源极连接在第N-1组LED发光二极管和第N组LED发光二极管的连接节点处，所有电子开关的漏极连接整流电源的负极，各个电子开关的栅极分别连接一个比较器的输出端，各个比较器的正、反相输入端分别连接一个基准电压和取样电压输入信号。
其中电流调节电路2包括作为电流调节器的晶体管Q0，检流电阻R10以及比较器A1，检流电阻R10设在晶体管Q0的漏极侧的主回路中，检流电阻R10与晶体管Q0的连接节点接入比较器A1的反相输入端，比较器A1的同向输入端接与基准电压为同相输入端的运算放大器A2电路的输出端，比较器A1的输出端连接晶体管Q0的控制基极，运算放大器A2的反相输入端一路连接电流调节电路输入电压的采样点，另一路连接温度补偿电路中比较器A3的输出端，运算放大器A2的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻R11，电流调节电路输入电压的采样点一端通过第一取样电阻R1与稳压管WZ1串联后与桥式整流电路的电源输出端连接，另一端通过第二取样电阻R3连接检流电阻R10与LED发光二极管的连接节点。
图1中限流电阻R12与稳压管DW2和电容C1构成电流调节源的直流控制电源，电阻R4、R9的连接点连接比较器A3基准电压输入端，限流电阻R13与稳压管DW3和电容C3构成电压控制开关电路的直流控制电源，电阻R20、R21的连接点连接电压比较器B1、B2、B3、…、Bn的基准电压。
实施例二：参见图3。本实施例的交流供电LED光源驱动电路，电路原理同实施例一，其与实施例一不同的是：采用4组LED发光二极管，压控分段驱动电路对应设有3组电子开关。图中，220V交流电通过桥式整流电路整流为峰值电压为311V、100Hz的脉冲直流电，其起点电压为零，此时Q1、Q2、Q3三个电子开关打开，电压由0开始上升，当上升到A组LED灯导通电压时，A组LED灯亮，电流经由桥式整流电路电源输出端正极、A组LED灯、电流调节器Q0、电子开关Q1、桥式整流电路电源输出端负极构成回路；当电压继续上升到A组LED灯加B组LED灯的导通电压时，电子开关Q1关闭，电流经由桥式整流电路电源输出端正极、A组LED灯和B组LED灯、电流调节器Q0、电子开关Q2、桥式整流电路电源输出端负极构成回路；当电压继续上升到A加B加C组LED灯的导通电压时，电子开关Q2关闭，电流经由桥式整流电路电源输出端正极、A组、B组和C组LED灯、电流调节器Q0、电子开关Q3、桥式整流电路电源输出端负极构成回路；当电压继续上升到A组加B组加C组加D组LED灯的导通电压时，电子开关Q3关闭，电流由整流电桥正极输出经过A组、B组、C组和D组LED灯、电流调节器Q0然后到整流电桥负极输出端构成回路，电流调节器保证了LED灯在通电工作时通过LED灯的电流，在规定的电压条件下有不同的电流通过，以保证LED流过的电流不超过额定电流。当整流电桥输出电压上升到最大，开始下降到A组、B组、C组和D组LED总导通电压时，电子开关Q3打开，当电压继续下降到A组、B组和C组LED总的导通电压时，电子开关Q2打开，当电压继续下降到A组、B组LED总的导通电压时，电子开关Q1打开，只剩A组灯亮，在电源一个周期内，开关工作两次，LED灯通电2次，由于周期为100HZ，LED灯无频闪现象。
实施例三：参见图2，本实施例与实施例一或实施例二不同的是：具体采用的电流调节电路稍有不同。本实施例交流供电LED光源驱动电路中的电流调节电路，包括作为电流调节器的晶体管Q0，检流电阻R10以及比较器A1，检流电阻设在晶体管的漏极侧的主回路中，检流电阻与晶体管的连接节点接入比较器A1的反相输入端，比较器A1的同向输入端连接以基准电压为同相输入端的运算放大器A2电路的输出端，比较器A1的输出端连接晶体管控制基极，运算放大器A2的反相输入端一路通过耦合电阻R21连接运算放大器A4的输出端，另一路通过R7连接温度补偿电路中运算放大器A3的输出端，运算放大器A4同相输入端连接电流调节电路输入电压的采样点，运算放大器A4的反相输入端通过R20与基准电压点连接，运算放大器A4反相输入端通过R2与输出端连接，运算放大器A2的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻R11，电流调节电路输入电压的采样点一端通过第一取样电阻R1与桥式整流电路的电源输出端连接，另一端通过第二取样电阻R3连接检流电阻R10与LED灯的连接节点。
实施例四、实施例五：分别参见图3和图4-1、图4-2，此两个实施例分别为图3所示LED光源驱动电路模块化集成化后的一种实施应用方式。按图3所示电路从其中引出对应连接点，将功耗大的Q0和检流电阻R10引出作为外围元件生产出本发明LED光源驱动电路的模块化集成电路。图4-1所示集成电路，外加电路调节元件Q0和检流电阻R10、LED发光二极管组组成LED灯具，调节R10阻值的大小和电流调节器Q0的电流能力可生产不同功率的LED灯具。图4-2所示集成电路，为更小型化的集成LED光源驱动电路，由于电阻R12、R13、电容C1、C2体积较大，均采用外接方式和LED发光二极管组组成LED灯具。
参见图8，为本发明交流供电LED光源驱动电路和现有技术在LED发光二极管的数量为80、导通电压为190V～270V时，在不同电压条件下的半个电源周期内通过LED发光二极管的电压、电流曲线图，其中105为电压曲线图，106为没有电流调节功能的无源电流源通过电流曲线图，107为本发明有电流调节功能的电流源电流曲线图，随电压变化由电流调节器通过的电流会随电压升高而降低。此时LED消耗的功率为图中107曲线所包含的面积109，随电压升高而基本不变，电流调节器Q0消耗的功率基本不变，因此电流调节器Q0上消耗功率(发热量)不会随其电压量增大而增大，从而保证其电源效率不会随电压升高而降低。而采用图7-1或图7-2所示无源的电流源时，当两端电压过高时，流过的电流也会随电压升高而稍微升高，但当电源电压由190V～270V范围变化时，通过LED发光二极管的平均电流会随电压升高而升高，此时LED发光二极管消耗的功率为图8中106曲线所包含的面积，电压由190V～270V变化时，106曲线所包含的面积随电压升高而增加。恒流源上的功率消耗则随电压升高而成倍增加，电源效率下降。由此可以看出，通过电流调节器控制的LED灯在电压在190V～270V之间变化时LED发光二极管的功率即图8中曲线107所包含的面积(电源效率)基本不变，可以实现恒功率运行。