CN105263235B - 用于led驱动电源的多维度比较型电流控制方法及led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED驱动电源的多维度比较型电流控制方法及LED驱动电路，其中，用于LED驱动电源的多维度比较型电流控制方法包括：在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。通过引入多维度变化比较参考值的方式来达到电流控制的目的，本发明能够解决现有技术中存在难题，同时满足输出功率调节、镇定中间级DC电压和维护电子变压器稳定工作等三个要求。

Description

用于LED驱动电源的多维度比较型电流控制方法及LED驱动电路

技术领域

本发明涉及LED驱动技术，尤其是一种用于LED驱动电源的多维度比较型电流控制方法及LED驱动电路。

背景技术

LED灯具有显著的优势，近年来的市场份额不断增大。在LED灯应用中，仍存在着长期未能解决的技术问题，详述如下。

电子变压器通常由一个频率在40KHz~100 KHz的自振荡功率变换器构成，它能把工频交流电（120V/60Hz或230V/50Hz）转变为12V电压。但其与LED驱动器这种非线性负载相连会产生很大问题：当电子变压器输出接到LED灯具上时，灯光不稳定甚至严重闪烁，反映出LED功率不定，驱动电路中直流母线电压波动和电子变压器工作异常。

申请人经研究后发现：现有的解决方法主要有两种，即电流控制模式和电压控制模式。这两种方法都是通过控制电源中的主开关以达到稳定中间级直流电压和调节输出光通量（电流）的目标。

电流模式控制通常设置在每个开关周期初始时刻，控制器接通开关，使输出电流上升。同时一直监测输入电流，当它达到固定峰值时，开关打开使得电流向零下降。一旦电流下降为零，控制器保持开关的断开状态直至下一个周期开始。这种方法虽然可以稳定中间级电压但无法提供稳定的输出。

电压模式控制采取中间级电压检测并反馈到控制器。在每个开关周期的开始，主开关导通来增加输入电流，控制器不断比较反馈信号和预设值，并计算当前周期的导通时间。主开关在算出的导通时间结束后关断。这种控制方法虽然能得到稳定的中间电压，但不能提供稳定的输出功率。此外，目前的方法都面临电子变压器异常工作的现象而带来的LED灯光闪烁的问题。

发明内容

发明目的：提供一种用于LED驱动电源的多维度比较型电流控制方法，以解决现有技术存在的上述问题。进一步的目的是提供基于上述控制方法的LED驱动电路。

技术方案：一种用于LED驱动电源的多维度比较型电流控制方法，在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。

进一步的，以时间为横轴，输入电流为纵轴，构建输入电流波形图和输入电流峰值二维查询表。

进一步的，获取反馈母线电压并计算传输功率，从二维查询表中选择一条曲线作为高电平值，通过PWM方式调整直流电压。

一种LED驱动电路，包括依次连接的电子变压器、整流桥、升压变换器、中间级电压反馈网络和降压变换器，其中：

所述升压变换器包括第一电感L1、第一控制开关Q1、第三电阻R3、第一二极管D1和第一电容C1；所述第一电感L1的两端分别接整流桥的输出端和第一控制开关Q1的漏极，所述第三电阻的两端分别与地、第一控制开关Q1的源极连接，所述第一二极管D1的正极与第一控制开关Q1的漏极连接，第一二极管的负极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；

所述中间级电压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第一二极管D1的负极连接，所述第二电阻R2的一端接地；

所述降压变换器包括第二控制开关Q2、第二二极管D2、第四电阻R4、第二电感L2和第二电容C2；所述第二控制开关Q2的源极连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地，所述第二控制开关Q2的漏极与第二二极管D2的正极和第二电容C2的一端连接，所述第二电感L2的两端分别与第二二极管D2的负极和第二电容C2的另一端连接；

通过第一控制开关调整输入电流波形：在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。

进一步的，以时间为横轴，输入电流为纵轴，构建输入电流波形图和输入电流峰值二维查询表。

进一步的，通过中间级电压反馈网络获取反馈母线电压并计算传输功率，从二维查询表中选择一条曲线作为高电平值，通过PWM方式调整直流电压。

优选的，在每个开关周期中，电流峰值点对应的高电平位于一平滑曲线上。

优选的，所述平滑曲线为圆锥曲线。

优选的，各开关周期中，电流峰值点对应的高电平形成的平滑曲线具有相似的弧度，端点相同，腹部谷点不同。

优选的，所述圆锥曲线经过两相同的点，离心率不同。

一种电流波形，在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。

进一步的，每个开关周期中电流峰值点LH对应的高电平值与时间成一定的函数关系，优选的，高电平值位于一平滑的曲线，进一步优选为圆锥曲线。

一种电路模块，用于生成下述电流波形：在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。

进一步的，每个开关周期中电流峰值点LH对应的高电平值与时间成一定的函数关系，优选的，高电平值位于一平滑的曲线，进一步优选为圆锥曲线。

有益效果：通过引入多维度变化比较参考值的方式来达到电流控制的目的，本发明能够解决现有技术中存在难题，同时实现输出功率调节、镇定中间级DC电压和维护电子变压器稳定工作，详细的优点通过下文的实施例和工作原理进行描述。

附图说明

图1是实施例一的结构示意图。

图2是半个开关周期的电流波形示意图。

图3是电流峰值的二维查询表示意图。

图4是电压环控制器的结构框图。

图5和图6是本发明的实验结果示意图。

图7和图8是现有技术的实验结果示意图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的思想和原理。为了解决现有技术存在的难题，申请人对现有技术进行了详细的研究和对比分析，付出了大量的劳动，具体参考背景技术。通过对现有技术的研究，申请人创造性地提出了以下方案。

针对可调光低压LED照明驱动应用中的难题（即同时实现输出功率调节、镇定中间级DC电压和维护电子变压器稳定工作）。提出了一种新型的多维度比较型电流控制方法，在检测输入电流的基础上，通过和一系列参考量比较的方式控制电源中的主开关器件，使得系统同时达到上述三个要求。具体地，在每个开关周期中，反馈电流值持续与高电平及低电平作比较，如果检测电流值低于低电平，则闭合开关以增加电流；当检测电流超过高电平，则断开开关以减小电流。

为了达到通过引入多维度变化比较参考值的方式来实现电流控制的目的。通过相关电路进行验证，在验证中，利用时间和直流母线电压作为输入，通过二维表查询动态地选择每个开关周期中的高低电平值，以达到电流控制的目标。比较参考值的维度不限于二维，可以扩展到大于一的任何维度。

如图1所示，采用该实施例作为优选案例，其结构主要包括二极管整流桥，升压变换器，中间级直流母线的电压反馈网络,浮置降压变换器及LED灯珠串。在该实施例中，把降压变换器及LED灯珠串作为一个整体功率负载，对升压变换器进行控制。

参见图1，该实施例中元件的具体连接关系为：

升压变换器包括第一电感L1、第一控制开关Q1、第三电阻R3、第一二极管D1和第一电容C1；所述第一电感L1的两端分别接整流桥的输出端和第一控制开关Q1的漏极，所述第三电阻的两端分别与地、第一控制开关Q1的源极连接，所述第一二极管D1的正极与第一控制开关Q1的漏极连接，第一二极管的负极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；

所述中间级电压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第一二极管D1的负极连接，所述第二电阻R2的一端接地；

所述降压变换器包括第二控制开关Q2、第二二极管D2、第四电阻R4、第二电感L2和第二电容C2；所述第二控制开关Q2的源极连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地，所述第二控制开关Q2的漏极与第二二极管D2的正极和第二电容C2的一端连接，所述第二电感L2的两端分别与第二二极管D2的负极和第二电容C2的另一端连接。

通过第一控制开关Q1实现对输入电流波形的控制，进而实现本发明的目的。

如图2所示，为保证电子变压器的正常启动，输入电流形状应在变压器点燃时刻产生一个高电流峰值，然后随输入电压的增加而不断减小顶点值，直至输入电压达到顶点。为了维持电子变压器的导通，输入电流在半周期结束前不断增加。每个开关周期中电流峰值点LH对应的高电平值与时间成一定的函数关系，例如各高电平值位于某圆锥曲线的一部上。该曲线具有不同的离心率，但经过相同的两点（端点）。在其他实施例中，该曲线具有相似的弧度，端点相同但腹部谷点不同。在图2中，水平轴线代表时间，纵轴表示输入电流。很明显，输入电流在一个固定的低值LB和变化的高值中间来回移动。上升斜线时间对应功率开关导通状态，下降斜线对应功率开关断开状态。

通过上述方法，获取如图3所示的二维查询表。每条弯曲的实线代表一组电流峰值，它们定义了每个开关周期中输入电流达到的顶点值。通过图3可以直观的发现这类些曲线对应在一个半周期中不同的平均电流值以及输出功率。它提供了不同时间（横轴）所需功率（纵轴）对应的电流峰值，这是二维的输入。每个开关周期中的电流顶峰值从多维表中实现查询。

当电子变压器确立正常工作后，输出功率也可以稳定下来。利用上述开关方案，电子变压器可以正常点燃并在半周其余的时间里保持导通。经实验，未发现有电子变压器意外关闭的现象发生。只要输入交流电压稳定，本发明的开关策略本质上能保障稳定的功率传输到负载侧。

转到图4，当从输入交流侧向输出负载侧获得稳定功率输出后，面临精确控制的问题。

为了在负载变化和输入电压扰动情况下还能有效调节功率流动，结合上述开关策略，设计电压控制外环：环路得到反馈母线电压并计算相应传输功率；然后在二维表中查询并从高电平数据族中挑出一条曲线来作为高电平值。电压控制外环为调节输出功率和实现直流电压精确控制提供了有效的工具。

结合图3和图4可知，通过利用二维查询表可以确定正确的峰值曲线，从而达到精确控制直流母线电压/电流。

通过比较图5至图8可知，本发明具有良好的性能，而且本发明适用于各种功率变换器拓扑结构，单级或双级低压LED照明系统，包含可调光或不调光，电子变压器或传统变压器。除了它对LED照明的广泛适用性，这种控制方法也可用在开关电源方案中而且查询表的维度可以是大于一的任何自然数（即多输入变量）。

总之，通过上述实施例可知，本发明构建了一个具有固定低值和变化高值的比较型电流调制策略，；建立了用于电流调制策略的多维度查询表；通过对单一变量（主开关）的控制实现三个控制目标。而且通过电压控制环和多维比较式电流调制策略的组合，能够更加精确地调整系统的电压、电流等参数，达到更好的技术效果。本发明的其他优点包括：设置了用于维持电子变压器导通用的固定电流底限值；能在每个工频半周期中点燃电子变压器；能在自然关断或输入交流电压过零点之前保持电子变压器的导通；消除电子变压器意外关闭，并最大程度延展导通角；为实现稳定系统运行提供一致和光滑的输入电流形状轮廓；为交流输入LED灯提供了一种新的无需外接调光器的调光方法；产生了干净的导通角指示信号，为无闪烁调光器操作提供基础条件；对电子变压器及传统变压器均适用的控制方法，去除LED灯光闪烁和跳动。

以上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等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED驱动电路，其特征在于，包括依次连接的电子变压器、整流桥、升压变换器、中间级电压反馈网络和降压变换器，其中：

所述升压变换器包括第一电感L1、第一控制开关Q1、第三电阻R3、第一二极管D1和第一电容C1；所述第一电感L1的两端分别接整流桥的输出端和第一控制开关Q1的漏极，所述第三电阻的两端分别与地、第一控制开关Q1的源极连接，所述第一二极管D1的正极与第一控制开关Q1的漏极连接，第一二极管的负极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；

所述中间级电压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第一二极管D1的负极连接，所述第二电阻R2的一端接地；

所述降压变换器包括第二控制开关Q2、第二二极管D2、第四电阻R4、第二电感L2和第二电容C2；所述第二控制开关Q2的源极连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地，所述第二控制开关Q2的漏极与第二二极管D2的正极和第二电容C2的一端连接，所述第二电感L2的两端分别与第二二极管D2的负极和第二电容C2的另一端连接；

通过第一控制开关调整输入电流波形：在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。

2.如权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，以时间为横轴，输入电流为纵轴，构建输入电流波形图和输入电流峰值二维查询表。

3.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，通过中间级电压反馈网络获取反馈母线电压并计算传输功率，从二维查询表中选择一条曲线作为高电平值，通过PWM方式调整直流电压/电流。

4.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，在每个开关周期中，电流峰值点对应的高电平位于一平滑曲线上。

5.如权利要求4所述的LED驱动电路，其特征在于，所述平滑曲线为圆锥曲线。

6.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，各开关周期中，电流峰值点对应的高电平形成的平滑曲线具有相似的弧度，端点相同，腹部谷点不同。

7.如权利要求5所述的LED驱动电路，其特征在于，所述圆锥曲线经过两相同的点，离心率不同。

8.一种用于如权利要求1所述的LED驱动电路的多维度比较型电流控制方法，其特征在于，在任一开关周期中，首先在电子变压器点燃时刻，产生一高电流峰值，以使电子变压器正常启动；随着输入电压的增加，输入电流的峰值逐渐减小，直至到达预定谷点值；随后输入电流的峰值逐渐增加，以维持电子变压器的导通。

9.如权利要求8所述的多维度比较型电流控制方法，其特征在于，以时间为横轴，输入电流为纵轴，构建输入电流波形图和输入电流峰值二维查询表。

10.如权利要求9所述的多维度比较型电流控制方法，其特征在于，获取反馈母线电压并计算传输功率，从二维查询表中选择一条曲线作为高电平值，通过PWM方式调整直流电压/电流。