CN101578003B - 一种大功率led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率LED驱动器，包括以电感的第一极端和第二极端作为输出端的升降压型开关变换器；用于检测开关变换器中电感的电流值的电流检测器以及用于接收电流检测器信号的控制器。升降压型开关变换器中设有周期控制电路，接收控制器的控制信号使电感电流保持在一定门限内；周期控制电路包括连接在电感的第二极端与接地端之间的第一功率开关管和连接在电感的第一极端和第二极端之间的第二功率开关管；控制器带有第一控制端和第二控制端分别控制第一功率开关管和第二功率开关管的导通与断开。本发明所述的LED驱动器比传统驱动器减少一个功率元件，能为LED提供稳定的电流，通过配合相应控制策略，能达到比传统结构更高的调光比。

Description

一种大功率LED驱动器

技术领域

本发明涉及电力电子设计领域，特别涉及一种大功率发光二极管(LED)驱动器。

背景技术

白光LED因其寿命长、节能等突出优点，被称为“21世纪的新光源”。另外由于其三波长全彩、高流明的特点，十分适合作为显示器背光源使用。

为了令LED能够高效稳定地工作，必须由专用的驱动控制器为其提供电能。由于LED本身特性，目前LED驱动器通常采用电流控制，即通过恒定流过LED的平均电流来维持稳定的亮度和色彩。因此LED驱动器的总体发展趋势是：在保证输出电流控制精度的前提下进一步提高转换效率及输出功率；减少外围元件数目，趋向高度集成化；宽的输入输出电压范围。为了实现上述目标，通常可以采用图1中所示的浮动式升降压变换器电路，包括：带有第一极端和第二极端的电感L；与电感L形成一个回路的发光二极管LED和功率二极管PD；连接在发光二极管LED两端的电容C；连接在电感L的第一极端和接地端之间的电压源；连接在电感L的第二极端和接地端之间的功率开关管S。

此外，提高调光比也是一个研究重点。调光比，即驱动器控制LED输出最高和最低亮度间的比例。在作为背光源使用时，较高的调光比意味着较高的动态对比度以及更能适应周围环境光线变化；当被用于RGB三色点阵显示时，较高的调光比意味着更丰富的色彩表现以及明暗层次。要实现调光，目前通行的办法是在发光二极管支路增加一个开关管S1，如图2所示。  通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制该开关管，即以PWM频率用额定电流接通和断开LED。人眼察觉闪烁的阈值为每秒60帧，通过提高PWM频率(例如提高到80Hz至100Hz)，人眼就感觉脉冲光源是连续稳定的。随后，通过调制占空比(“接通时间”的长度)，可以控制LED的光强。这种调光方法不会令LED发生色偏，因为流经LED的电流值在零与额定值间交替变换，过程如图3所示。

但是这种调光方式存在缺陷，如图4所示，首先当PWM调光信号控制“接通”时，如果采用峰值电流型控制，受控制环路影响，LED电流需要经过若干开关周期(即控制功率开关管的信号周期)才能达到额定电流值；其次开关信号与PWM调光信号不同步。由于以上两个问题的存在，使得PWM调光信号最小“接通时间”为3-5个开关周期，这样便限制了调光比和调光频率。

发明内容

本发明提供一种大功率LED驱动器，该驱动器能够根据应用环境提供一个高于或者低于输入电压的输出电压(即若LED需要15V电压才能工作，在输入电压小于15V时，驱动器升压工作；在输入电压大于15V时，驱动器降压工作)，并为LED提供稳定的电流，LED即为发光二极管。

一种大功率LED驱动器，包括以电感L的第一极端和第二极端作为输出端的升降压型开关变换器，用于将输入电压转换为合适的LED驱动电压；电感L的第一极端用于接入电压信号；所述的大功率LED驱动器设有用于检测开关变换器中电感L的电流值的电流检测器以及用于接收电流检测器信号的控制器；所述的升降压型开关变换器中设有周期控制电路，周期控制电路接收控制器的控制信号使电感L电流保持在一定门限内，所述的周期控制电路同时具备调光功能。

所述的周期控制电路包括连接在电感L的第二极端与接地端之间的第一功率开关管s1和连接在电感L的第一极端和第二极端之间的第二功率开关管s2；所述的控制器带有第一控制端M1和第二控制端M2分别控制第一功率开关管s1和第二功率开关管s2的导通与断开。

所述的第一功率开关管s1的漏极与电感L的第二极端相连，第一功率开关管s1的源极接地，第一功率开关管s1的栅极与第一控制端M1相连；所述的第二功率开关管s2的漏极与电感L的第二极端相连，第二功率开关管s2的源极与电感L的第一极端相连，第二功率开关管s2的栅极与第二控制端M2相连。

由电感L的第一极端和第二极端组成的输出端接发光二极管；所述的第一极端接发光二极管的阴极，所述的第二极端接发光二极管的阳极。

电感L的第一极端用于接入电压信号，即电感(L)的第一极端与接地端之间的电压源，用于提供输入电压。

所述的LED驱动器具有一般开关变换器的特点，其中电感L为主要储能元件。当第一功率开关管s1导通，第二功率开关管s2断开时，电感L的第二极端接地，输入电压源的电流通过电感L流回接地端，这一过程中电感电流逐渐上升，能量被存储在电感L中。此时LED阳极电压为低电位(即接地)，阴极为输入电压，阳极电压低于阴极电压，所以反向截至，无电流流过LED。唯一的电流从输入端经过电感和第一功率开关管S1流至地。

用户设置电感电流的上门限I_max、下门限I_min、输入电压源的输入电压V_in、输出电压V_out，目标开关频率fs，即开关周期Ts。

当电感电流上升到预设定的上门限I_max时，第一功率开关管断开，第二功率开关管维持断开状态，由于电感电流不能突变，原先存储在电感L中的电流通过LED流回电感L的第一极端，点亮LED。

当电感电流下降到控制器设定的下门限I_min时，第一功率开关管s1维持断开状态，第二功率开关管s2导通，发光二极管LED的阳极与阴极短接，无电流流过发光二极管LED，电感电流在第二功率开关管s2与电感L中循环，并维持在第二功率开关管s2刚导通那一刻的电流值。

对于一定范围内变化的输入电压V_in，控制器通过动态地调整第二功率开关管的导通时间，使得在一个开关周期内，第一功率开关管与第二功率开关管的导通时间之和等于一个预设的时间，令开关周期Ts的长度恒定。

该LED驱动器适合作为平板显示中的背光源使用。如应用在家用液晶电视机中，当室内光线随时间季节等发生变化时，通过改变背光亮度，使得显示与环境光强相适应，不会令人眼感觉显示亮度太高或太低。本发明的调光采用维持LED峰值电流，跳过若干开关周期的方式调光，并能实现在单个开关周期内令LED峰值电流达到预设值，因此相较传统的带调光功能的LED驱动器，不仅能实现在调光时LED的发光颜色保持不变，更能达到比传统驱动器高得多的调光比。

此外，由于本发明的电路利用了LED单向导电的特性，因此可以在同样实现调光功能的前提下，比传统驱动器减少使用一个功率二极管，降低了制造成本。

附图说明

图1是浮动式升降压变换器的结构示意图；

图2是可调光浮动式升降压变换器的结构示意图；

图3是传统PWM调光示意图；

图4是传统PWM调光的缺陷示意图；

图5是本发明大功率LED驱动器结构示意图；

图6是本发明大功率LED驱动器非调光模式下控制策略示意图；

图7是本发明大功率LED驱动器调光模式下控制策略示意图。

具体实施方式

本发明的一种大功率LED驱动器，如图5所示，包括：

包括电感L的升降压型开关变换器：用于将输入电压转换为合适的LED驱动电压；该升降压型开关变换器以电感L的第一极端和第二极端作为输出端，开关变换器的电感L的第一极端接发光二极管LED的阴极，第二极端接发光二极管LED的阳极。电感L的第一极端用于接入电压信号，即电感L的第一极端与接地端之间的电压源V_in，用于提供输入电压。

电流检测器：用于检测开关变换器中电感L的电流值，并将检测得到的电流值提供给控制器。

控制器：根据电流检测器检测得到的电流值，控制开关变换器使电感电流保持在一定门限内，同时控制器也具备调光功能。

升降压型开关变换器中设有周期控制电路，周期控制电路接收控制器的控制信号使电感L电流保持在一定门限内，周期控制电路同时具备调光功能。周期控制电路包括连接在电感L的第二极端与接地端之间的第一功率开关管s1和连接在电感L的第一极端和第二极端之间的第二功率开关管s2；控制器带有第一控制端M1和第二控制端M2分别控制第一功率开关管s1和第二功率开关管s2的导通与断开。

控制器设有控制端M1和控制端M2；控制端M1控制第一功率开关管s1的导通与断开，控制端M2控制第二功率开关管s2的导通与断开。

当第一功率开关管s1导通时，电感电流上升；当第一功率开关管s1断开时，电感电流下降并同时流过发光二极管。由于电感电流上升斜率为V_in/L，同输入电压大小有关，即输入电压越高，电感电流斜率越大；输入电压越低，电感电流斜率越小，而电感电流下降斜率为-V_D/L，同发光二极管正向导通电压有关(V_D为发光二极管正向导通电压)，发光二极管正向导通电压为一定值，所以电感电流下降斜率可以看作是恒定值。这就意味着输入电压的变化会引起开关周期的变化，反映在发光二极管上就是亮度和色彩的变化。

为了消除这种影响，本发明增加一个第二功率开关管s2，当本发明的一种大功率LED驱动器处于非调光工作模式下时，具体工作流程如下：

控制策略参见图6，首先用户设置电感电流的上门限I_max为2.1A、下门限I_min为1.9A、输入电压V_in的范围是20-26V、输出电压V_out为21V(该电压大约为6只白光LED的导通电压)，目标开关频率fs为500kHz，即开关周期Ts为2μs。

设计参数时，先忽略第二功率开关管作用，即假设其始终断开。由电力电子学理论分析可知，输入输出电压关系满足 $V_{\mathrm{out}}=\frac{D}{1-D}{V}_{\mathrm{in}},$ 其中D为占空比。将最小输入电压V_in(min)＝20V作为V_in代入，可得D约为0.5。设定固定蓄能时间Ta＝D×Ts＝1μs。

根据之前设定，电流纹波ID(ripple)为I_max-I_min＝0.2A。

根据公式I_D(ripple)＝V_IN(min)/L×D×1/f_s，可得满足设计所需的电感L大小为100μH。

周期开始，第一功率开关管s1导通，第二功率开关管s2断开，输入电压源对电感上电，电流检测器监视电感的电流。当电流检测器检测到电感电流达到上门限I_max时，控制端M1控制第一功率开关管s1断开，电感中储存的电流经发光二极管(LED)流回电感，同时电流值下降。该发光二极管(LED)能够同时实现功率二极管的功能。

当电流检测器检测到电感电流下降至下门限I_min时，控制端M2控制第二功率开关管s2导通，电感电流在电感与第二功率开关管s2中循环。随后第二功率开关管s2断开，第一功率开关管s1导通，电感电流上升至上门限，完成一个开关周期Ts。

由于电感电流上升时间同输入电压V_in有关，输入电压V_in越高，电感电流上升时间越短；输入电压V_in越低，电感电流上升时间越长。控制器通过控制第二功率开关管s2的导通时间使得第一功率开关管s1与第二功率开关管s2的导通时间之和等于预设的蓄能时间Ta；由于电感电流下降斜率是一个固定值为-V_D/L，电感电流上下门限分别为I_max和I_min也为固定值，所以电感电流下降时间也为一固定值Tb。因此，整个开关周期长度为一固定值Ts＝Ta+Tb。这样发光二极管(LED)的亮度和色彩均能维持稳定。

当本发明的一种大功率LED驱动器处于调光工作模式下时，具体工作流程如下：

控制策略参见图7，首先用户设置电感电流的上门限I_max、下门限I_min、最大调光比以及最小输入电压V_in(min)，输出电压V_out确定一个固定的蓄能时间Ta。

输入电压对电感上电，电流检测器监视电感电流。

在调光工作模式下，LED驱动器的基本控制方式同非调光工作模式下类似。当调光比为3∶1时，LED驱动器跳过2个工作周期，当LED驱动器在跳过前两个工作周期中时，控制端M1控制第一功率开关管s1断开，控制端M2控制第二功率开关管s2导通，使电流始终在电感L和第二功率开关管s2中连续流动，当LED驱动器在第三个周期来到时，电流检测器对电感电流进行检测，当检测到电感电流下降至下门限I_min时，控制端M1控制第一功率开关管s1导通，控制端M2控制第二功率开关管s2断开，电感电流上升至上门限I_max，控制端M1和控制端M2控制第一功率开关管s1和第二功率开关管s2均断开，电感L中储存的电流经发光二极管(LED)流回电感，同时电流值下降，直至下降到下门限I_min，完成一个调光周期。

控制器通过控制第二功率开关管s2的导通时间，使得在一个调光周期内，第一功率开关管s1与第二功率开关管s2的导通时间之和等于预设的蓄能时间Ta加上跳过周期的总时长。

由于发光二极管中电流能够在一个开关周期内达到预设值，因此可以在不超过人眼察觉闪烁阈值的前提下获得更高的调光比。

Claims (1)

1.一种大功率LED驱动器，包括以电感（L）的第一极端和第二极端作为输出端的升降压型开关变换器，电感（L）的第一极端用于接入电压信号，其特征在于，设有用于检测开关变换器中电感（L）的电流值的电流检测器以及用于接收电流检测器信号的控制器；所述的升降压型开关变换器中设有周期控制电路，周期控制电路接收控制器的控制信号使电感（L）电流保持在一定门限内；

所述的周期控制电路包括连接在电感（L）的第二极端与接地端之间的第一功率开关管和连接在电感（L）的第一极端和第二极端之间的第二功率开关管；所述的控制器带有第一控制端（M1）和第二控制端（M2）分别控制第一功率开关管和第二功率开关管的导通与断开；

所述的电流检测器连接并采样自电感（L）的第一极端。

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