CN101480105B - 利用恒定电流来驱动负载的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动负载(3)的驱动电路(1)，该电路包括：开关模式电源(10)，其用于在所述输出端(2a，2b)处提供开关输出电流(IL)；控制器(20)，其用于控制所述电源；电流传感器(15)，其用于生成表示所述输出电流(IL)的电流感测信号(V15)；电压传感器(30)，其用于生成表示所述电路的输出电压(VF；VF+V15)的电压感测信号(SV)。所述控制器接收所述电流感测信号，并且基于所述电流感测信号生成用于所述开关模式电源(10)的开关时间控制信号(SC)。所述控制器还接收所述电压感测信号。响应于所述电压感测信号的改变，所述控制器改变所述开关时间控制信号，以便有效地补偿所述输出电压改变对所述输出电流的平均值的影响。

Description

利用恒定电流来驱动负载的驱动电路
技术领域
本发明总体上涉及一种用于负载(特别是用于LED应用)的驱动电路。更具体来说，本发明涉及一种包括开关模式电源的驱动电路。
背景技术
LED在传统上是作为信号指示设备而为人所知的。随着高功率LED的发展，LED现在也被用于照明应用。在这种应用中，很重要的是把LED电流精确地保持在恒定的目标值下，这是因为光输出(光强度)与所述电流成比例。这一点在所谓的多色应用中特别适用，在所述应用中使用具有不同颜色的多个LED来生成可变的混合色，所述混合色取决于对应的LED的对应强度：一个LED的光强度的变化可能导致所得到的混合色的不合希望的变化。
用于以基本上恒定的电流来驱动LED的设置的驱动器电路是已知的。一般来说，这种恒定电流驱动器电路包括用于感测所述LED电流的电流传感器，传感器信号被反馈到一个控制器，该控制器控制电源，从而把所感测的电流基本上恒定地保持在一个预定电平下。
虽然这种控制系统通常可以令人满意地运作，但是一个问题在于，在所述LED上产生的电压可能会变化，其结果是所述电源可能给出不正确的电流。特别在所述电源是开关模式电源的情况下会发生这一问题。
本发明旨在提供一种能够克服或者至少减轻上述问题的驱动电路。更具体来说，本发明旨在提供一种对于所述LED的正向电压不那么敏感的驱动电路。
发明内容
根据本发明的一个重要方面，所述驱动电路还包括用于感测所述LED电压的电压传感器，电压感测信号也被返回到所述控制器。响应于所感测到的电压变化，所述控制器适当地适配其对所述电源的控制，从而把实际的LED电流保持恒定。在一个特定的实施例中，通过把所感测到的电流信号与参考信号进行比较来执行电流控制，并且响应于所感测到的电压变化来适当地修正所述参考信号。
应当注意到，US-2003/0.117.087公开了一种用于LED的驱动电路，其中所述LED电流和所述LED电压都被测量，并且全部两个测量信号都被用于控制所述LED驱动器。但是在所述公开中所描述的系统中，所述控制旨在把所述电流感测信号和所述电压感测信号保持恒定。与此相对，根据本发明，所述电压感测信号的变化被接受，并且作为响应在所述电流感测信号中实施相应的变化，从而使得实际的LED电流保持恒定。
附图说明
下面将参照附图来进一步描述本发明的上述以及其他方面、特征和优点，在附图中，相同的附图标记指代完全相同的或类似的部件，其中：
图1是示意性地示出了驱动器电路的方框图；
图2是示意性地示出了由图1的驱动器电路提供的输出电流的波形的曲线图；
图3-6是示意性地示出了根据本发明的控制器的优选细节的方框图。
具体实施方式
图1是示意性地示出了驱动器电路1的方框图，该驱动器电路1包括用于连接到LED设置3的输出端子2a、2b。应当注意到，所述LED设置3可以包括仅仅一个LED，但是所述LED设置也有可能包括串联和/或并联设置的多个LED。所述驱动器电路1还包括可控开关模式电源10以及用于控制该电源10的控制器20。
开关模式电源本身是已知的，因此对于图1中示出的示例性开关模式电源10的描述将较为简短。如果由市电电源(mains supply)馈电，则所述电源10包括用于把交流电压转换成直流电压的转换器11。可控开关12(比如晶体管)耦合到所述转换器11的第一输出端子。电感器13(通常是线圈)与所述可控开关12串联耦合。在所述开关12与所述电感器13的结点处，二极管14耦合到所述转换器11的第二输出端子，而所述电感器13的另一端则耦合到所述驱动器电路1的第一输出端子2a。所述驱动器电路1的第二输出端子2b耦合到所述转换器11的第二输出端子。
所述控制器20的控制输出端21耦合到所述开关12的控制端子，从而提供开关时间控制信号Sc，该信号决定所述开关12的操作状态，更具体来说是决定所述开关12的开关时刻。所述控制输出信号Sc通常是块信号，其或者为高或者为低。所述控制输出信号Sc的一个值例如为高，其导致所述开关12闭合(即导通)：电流从所述转换器11经过所述电感器13和所述LED设置3流回该转换器，同时电流量值随着时间增大。所述电感器13被充电。所述控制输出信号Sc的另一个值例如为低，其导致所述开关12打开(即非导通)。所述电感器13尝试保持所述电流，该电流现在在由所述电感器13、所述LED设置3以及所述二极管14所限定的环路内流动，同时电流量值随着时间减小。所述电感器13被放电。
图2是示出了上述操作的曲线图。在时间t1和t3处，所述控制输出信号Sc变为高，并且流经所述LED的输出电流IL开始升高。在时间t2和t4处，所述控制输出信号Sc变为低，并且流经所述LED的电流IL开始减小。从t1到t2的时间间隔将被表示为接通持续时间tON。从t2到t3的时间间隔将被表示为关断持续时间tOFF。tON与tOFF的和就是电流周期T。
在时间t1和t3处，所述输出电流IL具有最小量值I1，而在时间t2和t4处，所述输出电流IL具有最大量值I2。平均输出电流IAV是I1与I2之间的一个值，其取决于tON与tOFF的比值，或者取决于被定义为tON/T的占空比Δ。假设所述电流量值随着时间线性地升高及下落，则由下式给出所述平均输出电流IAV：
IAV＝(I1+I2)/2          (1)
一般来说，所述控制输出信号Sc变为高的时间(比如t1和t3)将被表示为接通时间tSON，所述控制输出信号Sc变为低的时间(比如t2和t4)将被表示为关断时间tSOFF。所述控制器20基于所述LED电流IL的瞬时值来决定所述接通时间tSON和关断时间tSOFF。为此，所述驱动器电路1包括电流传感器15，其在图1的示例性实施例中被实现为在所述第二输出端子2b与地(mass)之间的与所述LED设置3串联连接的电阻器。所述LED电流IL导致所述电流感测电阻器上的电压降V15，所述电压降与所述LED电流IL成比例。所述电压V15构成电流测量信号，其在电流感测输入端22处被提供给所述控制器20。该控制器20还包括比较器23和阈值电压源24。所述比较器23的第一输入端接收来自所述阈值电压源24的阈值电压VTH，其第二输入端接收来自电流感测输入端22的所述电流感测信号V15。来自所述比较器23的输出信号Scomp被耦合到单脉冲发生器25，其输出可能在进一步的放大之后构成所述开关控制信号Sc。
对于所述控制器23可能有几种类型的操作。所述控制器23可能在所述电流测量信号V15变得高于所述阈值电压VTH时使其开关控制信号Sc为低，并且所述关断持续时间tOFF可能具有固定值。在这种情况下，所述单脉冲发生器25的输出信号通常为高，并且该单脉冲发生器25在触发时生成具有持续时间tOFF的低脉冲。所述控制器23还有可能在所述电流感测信号V15变得低于所述阈值电压VTH时使其开关控制信号Sc为高，并且所述接通持续时间tON可能具有固定值。在这种情况下，所述单脉冲发生器25的输出信号通常为低，并且该单脉冲发生器25在触发时生成具有持续时间tON的高脉冲。所述控制器23还有可能配备有两个比较器以及具有互不相同的阈值电压的两个阈值电压源，其中一个比较器把所述电流感测信号与一个阈值电压进行比较，另一个比较器把所述电流感测信号与另一个阈值电压进行比较，其中所述控制器23在所述电流感测信号V15变得低于所述最低阈值电压时使其开关控制信号Sc为高，并且在所述电流感测信号V15变得高于所述最高阈值电压时使其开关控制信号Sc为低(滞后控制)。所有这些操作类型都导致如图2所示的电流波形。
在利用LED电流IL驱动LED时，在所述LED上出现一个电压降，该电压降被表示为正向电压VF。所述正向电压的量值是所述LED的设备属性，并且基本上独立于所述LED电流IL的量值。但是这一设备属性可能会随着时间而改变，例如作为老化的结果或者作为温度的函数。此外，所述设备属性在不同的LED中可能不同。此外，可能期望改变所述LED设置中的LED的数目，这也将导致正向电压VF的改变。一个问题在于，所述平均LED电流IAV取决于所述正向电压VF，因此所述正向电压VF的改变可能导致所述平均LED电流的改变，所述控制器20无法通过监控所述电流传感器15注意到这一改变。对于以恒定的tOFF持续时间的操作的控制器的情况可以如下理解这一点。
当所测量的电流信号V15等于所述阈值VTH时，开关12被接通，从而有：
I2＝VTH/Rsense                              (2)
其中Rsense是所述感测电阻器15的电阻值。
在关断间隔期间，所述LED电流由所述电感器13提供。所述电感器13上的电压将被表示为V13。忽略所述二极管14上的电压降，V13等于VF与V15的和：
V13＝VF+V15                                 (3)
流经所述电感器的电流将根据下面的公式作为时间的函数而减小：
ΔIL＝-V13·Δt/L                            (4)
其中，L表示所述电感器13的电感。
在第一近似中，对于较短的tOFF可以假设V13是恒定的。从而可以根据下面的公式来近似I1的值：
I1＝I2+ΔIL＝VTH/Rsense-V13·tOFF/L           (5)
利用公式(1)和(3)，可以如下表示所述平均电流IAV：
IAV＝VTH/Rsense-VTH·tOFF/2L-VF·tOFF/2L      (6)
对于以恒定的tON持续时间操作的控制器的情况或者对于以两个阈值电压操作的控制器的情况可以导出类似的公式。
在所有情况下，在第一近似中都可以如下表示所述平均电流与所述正向电压VF之间的关系：
IAV＝I(0)+c·VF                              (7)
其中I(0)是不取决于VF的恒定值，
并且c是一个常数，其值可以为正或为负，并且可以被事先确定。
从公式(7)可以导出下面的关系：
dIAV/dVF＝c                       (8)
根据本发明，所述驱动器电路1被设计成补偿公式(8)的相关性。为此，所述驱动器电路1还包括被设置成提供测量信号SV的电压传感器30，所述测量信号SV表示所述正向电压VF，该测量信号SV在电压感测输入端26处被所述控制器20接收。在图1中示出的示例性实施例中，所述电压传感器30被实现为连接在第一输出端子2a与地之间的两个电阻器31、32的串联设置，所述测量信号SV是从所述两个电阻器31、32之间的节点处取得的。应当注意到，该测量信号SV实际上表示VF+V15，但是所述控制器20已经从在其电流感测输入端22处接收到的信号知道V15，因此该控制器可以很容易地通过执行减法操作VF＝SV-V15(如图3中的减法器27所示)来导出VF。可替换地，可以很容易找到用于设置实际测量所述输出端子2a与2b之间的电压的电压传感器的不同可能性，比如连接在所述输出端子2a与2b之间的传感器，但是所示出的实施例具有简单的优点。
另一方面，参照公式(5)应当注意到可以实际如下表示所述平均电流IAV：
IAV＝VTH/Rsense-(VF+V15)·tOFF/2L         (9)
＝I(0)+c′·Sv                          (10)
响应于所述测量信号SV，所述控制器20被设计成适配其控制信号Sc的定时，从而使得所述实际平均电流IAV保持不受影响。对于实现这种补偿动作存在几种可能性。
在一个可能的实施例中，如果所述关断持续时间tOFF是恒定的，则所述控制器20被设计成响应于所述正向电压VF的变化来改变所述关断持续时间tOFF。从公式(6)或(9)可以很容易看出能够通过减小tOFF来抵抗VF的增大，并且可以通过增大tOFF来抵抗VF的减小。同样地，如果所述接通持续时间tON是恒定的，则所述控制器20可以被设计成响应于所述正向电压VF的变化来改变所述接通持续时间tON。在图3中示出了这些实施例，其中所述单脉冲发生器25被显示为可控发生器，其受到从所述电压感测信号Sv导出的定时控制信号Stc的控制。
还有可能改变所述比较器输出信号Scomp的定时。从上面的公式可以很容易看出，可以通过增大I2来抵抗VF的增大，这可以通过向所述比较器输出信号Scomp添加延迟来实施。图4是可与图3相比的方框图，其中示出了一个实施例，在该实施例中，所述控制器20包括被设置在所述比较器23的输出端与所述单脉冲发生器25之间的可控延迟41，该可控延迟41受到从所述电压感测信号Sv导出的延迟控制信号Sdc的控制。这种方法也可以被用在包括两个阈值电压源和两个比较器的实施例中以用于进行滞后控制。应当注意到，上面的描述适用于在公式(7)或(10)中的c或c’分别为负的情况；如果c或c’分别为正，则可以通过减小I2来抵抗VF的增大，这可以通过减少所述比较器输出信号Scomp中的延迟来实施。
还有可能通过改变所述比较器的输入信号来改变其定时。从公式(6)或(9)可以明显看出，可以通过增大VTH(从而还导致I2的增大)来抵抗VF的增大。可以通过减小所述电流感测信号V15获得类似的效果。应当注意到，上面的描述适用于在公式(7)或(10)中的c或c’分别为负的情况；如果c或c’分别为正，则可以通过减小VTH和/或增大所述电流感测信号V15来抵抗VF的增大。在图5和6的方框图中示出了可能的实施例。
图5示出了这样一个实施例：其中所述控制器20包括加法器51和补偿块52，所述补偿块52接收所述电压感测信号Sv并且从所述电压感测信号Sv中导出补偿信号S5，所述补偿信号S5(是正的或是负的)被提供到所述加法器51的其中一个输入端子，而另一个输入端子则接收来自所述阈值电压发生器24的阈值电压VTH。可替换地，所述阈值电压发生器24可以是可控发生器，其受到所述补偿信号S5的控制以便改变所述阈值电压VTH。
图6示出了这样一个实施例：其中所述控制器20包括减法器61和补偿块62，所述补偿块62接收所述电压感测信号Sv并且从所述电压感测信号Sv导出补偿信号S6，所述补偿信号S6(是正的或是负的)被提供到所述减法器61的其中一个输入端子，而另一个输入端子则接收来自电流感测输入端22的电流感测信号V15。
在上面的实施例中，所述控制器20控制关断所述开关12的时刻，而所述关断持续时间tOFF则是恒定的。在其中所述控制器20控制接通所述开关12的时刻并且所述接通持续时间tON是恒定的实施例中，还应当通过被延迟的开关时刻来补偿增大的输出电压，现在这是通过减小所述阈值电压或者增大所述电流感测信号而实现的。
参照上面的公式，应当注意到所述补偿信号S5或S6可以分别被视为按照线性的方式取决于所述电压感测信号Sv。即使所述电路不是完全线性的，线性补偿在实践中通常也将是足够的。在适当确定规格的情况下，所述电压感测信号Sv可以被直接施加到加法器51或减法器61，从而可以省略所述补偿块。
本领域技术人员应当认识到，本发明不限于上面讨论的示例性实施例，在由所附权利要求书所限定的本发明的保护范围内可能有几种变型和修改。
例如，在上面通过举例的方式描述了几种类型的控制器，但是也可以利用不同类型的控制器来实现本发明，例如，可以利用峰值检测PWM控制器来实现本发明。在一般的解决方案中，可以通过向电流感测信号或者参考阈值电平加上或者从中减去一个与负载输出电压成比例的信号来进行补偿。
上面参照方框图解释了本发明，所述方框图示出了根据本发明的设备的各功能块。应当理解的是，这些功能块当中的一个或多个可以用硬件来实现，其中通过单独的硬件组件来执行这种功能块的功能，但是也有可能用软件来实现这些功能块当中的一个或多个，从而通过计算机程序或者可编程设备(比如微处理器、微控制器、数字信号处理器等等)的一个或多个程序行来执行这种功能块的功能。

Claims (14)

1.用于驱动LED负载(3)的驱动电路(1)，该电路包括：
输出端(2a，2b)，其用于连接要被驱动的负载(3)；
开关模式电源(10)，其用于在所述输出端(2a，2b)处提供开关输出电流(IL)，所述开关输出电流(IL)在接通间隔期间增大并且在关断间隔期间减小；
控制器(20)，其用于控制所述开关模式电源(10)；
电流传感器(15)，其用于生成表示输出电流(IL)的电流感测信号(V15)；
电压传感器(30)，其用于生成表示所述电路的输出电压(VF；VF+V15)的电压感测信号(SV)；
其中，所述控制器(20)具有：
接收所述电流感测信号(V15)的电流感测输入端(22)，
用于接收所述电压感测信号(SV)的电压感测输入端(26)；
至少一个阈值电压发生器(24)，用于生成阈值电压(VTH)；
至少一个比较器(23)，所述比较器的第一输入端接收等于所述阈值电压(VTH)或者从中导出的信号，并且所述比较器的第二输入端接收等于所述电流感测信号(V15)或者从中导出的信号；
其中，所述控制器(20)被设计成基于所述比较器(23)的输出信号(SCOMP)生成开关时间控制信号(SC)，以便指示从接通间隔到关断间隔的过渡时刻(t2；t4)；
其中，所述控制器(20)被设计成响应于所接收的电压感测信号(SV)的改变而改变所述开关时间控制信号(SC)，以便有效地补偿输出电压改变对输出电流(IL)的平均值的影响，其中所接收的电压感测信号(SV)的改变表示输出电压(VF；VF+V15)中的改变。
2.根据权利要求1的驱动电路，其中，所述控制器(20)被设计成与所接收到的电压感测信号(SV)中的改变成比例地改变所述过渡时刻(t2；t4)。
3.根据权利要求2的驱动电路，其中，所述关断间隔的持续时间(tOFF)是恒定的。
4.根据权利要求2的驱动电路，其中，所述控制器(20)被设计成在所接收到的电压感测信号(SV)增大时延迟所述过渡时刻(t2；t4)，并且在所接收到的电压感测信号(SV)减小时提前所述过渡时刻(t2；t4)。
5.根据权利要求4的驱动电路，其中，所述控制器(20)包括所述比较器(23)与控制输出端(21)之间的可控延迟(25)，所述可控延迟(25)受到等于所接收到的电压感测信号(SV)或者从中导出的信号的控制。
6.根据权利要求4的驱动电路，其中，所述控制器(20)包括被设置在所述阈值电压发生器(24)与所述比较器(23)之间的加法器(51)，所述加法器(51)还接收等于所接收到的电压感测信号(SV)或者从中导出的信号。
7.根据权利要求4的驱动电路，其中，所述控制器(20)包括被设置在所述电流感测输入端(22)与所述比较器(23)之间的减法器(61)，所述减法器(61)还接收等于所接收到的电压感测信号(SV)或者从中导出的信号。
8.根据权利要求1的驱动电路，其中，所述控制器(20)基于所述比较器(23)的输出信号(SCOMP)所生成的所述开关时间控制信号(SC)进一步适用于指示从关断间隔到接通间隔的过渡时刻(t1；t3)；
并且其中，所述控制器(20)被设计成与所接收到的电压感测信号(SV)中的改变成比例地改变所述过渡时刻(t1；t3)。
9.根据权利要求8的驱动电路，其中，所述接通间隔的持续时间(tON)是恒定的。
10.根据权利要求8的驱动电路，其中，所述控制器(20)被设计成在所接收到的电压感测信号(SV)增大时延迟所述过渡时刻(t1；t3)，并且在所接收到的电压感测信号(SV)减小时提前所述过渡时刻(t1；t3)。
11.根据权利要求10的驱动电路，其中，所述控制器(20)包括所述比较器(23)与控制输出端(21)之间的可控延迟(25)，所述可控延迟(25)受到等于所接收到的电压感测信号(SV)或者从中导出的信号的控制。
12.根据权利要求10的驱动电路，其中，所述控制器(20)包括被设置在所述阈值电压发生器(24)与所述比较器(23)之间的减法器，所述减法器还接收等于所接收到的电压感测信号(SV)或者从中导出的信号。
13.根据权利要求10的驱动电路，其中，所述控制器(20)包括被设置在所述电流感测输入端(22)与所述比较器(23)之间的加法器，所述加法器还接收等于所接收到的电压感测信号(SV)或者从中导出的信号。
14.用于补偿输出电压改变对开关模式电源(10)生成的用于LED负载(3)的开关输出电流(IL)的影响的方法，其中，感测输出电流并且把电流感测信号与参考阈值电平(VTH)进行比较；所述补偿方法包括以下步骤：
生成与负载输出电压(VF)成比例的补偿信号；
其特征在于，在执行所述补偿之前，把所述补偿信号加到所述电流感测信号或所述参考阈值电平上，或者从所述电流感测信号或所述参考阈值电平中减去所述补偿信号，并且基于所述比较的结果来控制所述开关模式电源，以便有效地补偿输出电压改变对所述输出电流(IL)的平均值的影响。
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