CN102065600B - 一种led调光驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED调光驱动系统，该驱动系统包含PFC级和LED驱动器级，其中LED驱动器级包含一个隔离式变换器和控制器。控制器接收调光信号对背光LED组进行调光，同时控制隔离式变换器的输出电流。本发明简化了控制系统，将三级控制简化为两级控制，减少了系统部件，同时提高了效率。

Description

一种LED调光驱动系统
技术领域
本发明涉及LED电源，具体涉及LED电源的控制和LED的调光控制。
背景技术
白光发光二极管（LED）灯条组可作为液晶显示器（LCD）板的背光，可应用于电脑、电视等场合，其应用越来越广泛。
现有的LED背光电源普遍使用三级式驱动系统，见图1所示。该驱动系统包括功率因素校正（PFC）级11、隔离式直流-直流（DC-DC）电压变换器级12和LED升压驱动级13。PFC级11将交流电如220伏特（V）交流市电整流成400V直流线电压。隔离式直流-直流变换器级12包含隔离式电压变换器，将线电压转换成另一有效值的直流电压--如120V的电压用于给LED升压驱动级13提供输入电压。LED升压驱动级13包含1至多个非隔离式升压变换器（boost电路），接收隔离式电压变换器级12输出的直流电压，经升压变换，用于为LED液晶板背光组14提供稳定的电流，其中每个boost电路为一组串联的LED—即一个LED灯条提供电源。此外，隔离式直流-直流电压变换器级12还用于将线电压变压成更低有效值的直流电压如18V直流电压，经系统电源转换器15的变换输出多路直流电压，如12V、5V直流电压用于为控制芯片等提供系统电源。
从上可见，图1所示的现有LED驱动系统包含了隔离式变换器、非隔离式变换器和提供系统电源的低压变换器等多个变换器，每个变换器都需要通过控制器来控制，因此，电路元件较多，体积大，成本高，同时耗能也较高。
发明内容
本发明公开了用于LED的二级式的调光驱动系统，包含功率因数校正级和隔离式电压变换器驱动级，其中隔离式电压变换器驱动级包含隔离式电压变换器以及控制器。隔离式电压变换器对LED灯条进行供电，控制器接收来自外部的调光信号对所述LED灯条进行调光，并控制所述隔离式电压变换器的输出电流恒定。
在一个实施方式里，控制器位于所述隔离式电压变换器的副边，所述隔离式电压变换器为反激式电压变换器。隔离式电压变换器的原边可包含限流电路限制所述隔离式电压变换器的原边峰值电流。其中所述限流电路包含电阻和三极管，其中电阻一端连接所述原边开关的输出端，另一端接原边地；三极管的基极连接所述原边开关的输出端，集电极连接所述原边开关的门极，射极通过另一电阻连接原边地。
本发明采用上述结构，可以更简单、成本更低、元件更少的电路结构实现LED的驱动和调光。
附图说明
图1示出了现有技术的三级式的LED背光驱动系统。
图2示出了本发明的一个二级式的LED调光驱动系统实施例，包括PFC级和隔离式电压变换器驱动级。
图3示出了本发明的一个调光驱动系统模块图实施例。
图4示出了一个隔离式电压变换器驱动级模块的具体实施例。
图5示出了本发明的一个控制器模块图实施例。
图6示出了对应图5控制方式的系统工作波形图实施例。
图7示出了本发明的一个采用半桥式隔离式电压变换器的实施例。
图8示出了一个位于原边的限流电路实施例，用于限制原边峰值电流。
具体实施方式
图2示出了本发明的用于背光领域的LED驱动系统实施例。该LED液晶板背光组23采用两级式驱动系统，包含PFC级21和隔离式电压变换器驱动级22。PFC级21将交流电整流成直流线电压，如将交流市电整流成约400V的直流线电压。隔离式电压变换器驱动级22将线电压转换成另一直流电压用于为LED背光组23提供稳定的电源，其不包含非隔离式的升压变换器（如Boost电路）。所述LED液晶板背光组23为一至多个LED灯条。每个灯条为串联的一至多个LED。此外，该驱动系统还包括系统电源转换器24，将线电压转换成多个低值直流电压，为隔离式电压变换器驱动级22提供工作电源，其中系统电源转换器24可以为隔离式电压变换器。
图3示出了本发明的一个调光驱动系统实施例。该驱动系统采用两级驱动，包括PFC级31和隔离式电压变换器驱动级32。其中隔离式电压变换器驱动级32包含一至多个隔离式电压变换器模块（模块1、模块2…），每个模块为一个LED灯条33提供电源。每个隔离式电压变换器模块包含一个隔离式电压变换器321和控制器322。在图中所示的实施例中，该隔离式电压变换器为反激式电压变换器321。控制器322接收来自系统外部的调光信号对LED灯条33进行调光，并且通过控制反激式电压变换器321的原边开关控制反激式电压变换器321的输出。图3中横向点划线所示为隔离式电压变换器驱动级的隔离线，隔离线以上所示为原边，隔离线以下所示为副边。在图示的实施例中，控制器322位于隔离式电压变换器321的副边，因此控制器322通过一隔离式变压器T1将控制信号输入反激式电压变换器321的原边。控制器322还可通过光耦将控制信号输入反激式电压变换器321的原边。控制器322还接收来自系统电源转换器34提供的系统电源（如图中所示的5V和12V）进行工作。在图示的实施例中，系统电源转换器34为反激式电压变换器。外部电路还可输入其它控制信号如开/关信号至控制器322控制系统的工作方式。
图4示出了一个隔离式电压变换器模块实施例。反激式电压变换器41的原边包含原边绕组L1和原边开关Q，其中通过调节原边开关Q的工作占空比调节反激式电压变换器41输出的能量。在图示的实施例中，原边开关Q为MOSFET器件。反激式电压变换器41的副边包含副边绕组L2、整流器件D和滤波电容C。LED灯条43由反激式电压变换器41的输出端供电，并和调光开关K串联。在图示的实施例中，调光开关K为MOSFET器件。控制器42接收外部调光信号并产生调光PWM信号控制K的门极，通过调节调光PWM信号的占空比调节LED灯条的明暗度。副边包含一LED电流反馈电路，该反馈电路为一电流检测电阻R1，R1一端连接调光开关K的源极，另一端接副边地，输出反馈信号FB至控制器42。在图示的实施例中，反馈电路通过另一电阻R2输出FB信号。FB电压VFB用于反映调光开关K开通时流过LED灯条43的电流。其中VFB=ILED*R1。控制器42接收FB信号并根据FB信号输出门极驱动信号。在图示的实施例中，控制器42输出门极驱动信号GR和GL用于调节原边开关Q的占空比，其中VGR-VGL为一PWM信号，门极驱动信号经变压器T1耦合到原边电路，形成驱动PWM信号至原边开关Q的门极，控制Q的占空比，实现LED灯条43的电流恒定。在另外一种实施方式中，控制器也可以采用光耦将门极驱动信号耦合至原边开关。
此外，控制器42还可具有过流保护和无负载保护。其中副边绕组L2和一电阻R3串联，R3另一端接副边地。R3两端电压V3输入至控制器42，当副边绕组电流过大时，V3升高至超过一过流参考值，此时，控制器42的门极驱动信号占空比为零，使原边开关Q停止工作。副边滤波电容C两端电压VOUT即隔离式电压变换器41的输出电压通过由R4、R5组成的电阻分压器采集V4至控制器42。当副边LED负载断路即无负载时或其它情况导致VOUT升高至超过一过压参考值时，控制器42的门极驱动信号占空比为零，使原边开关Q停止工作。
图5示出了本发明的一个控制器51实施例，该控制器51带有调光和LED电流调节功能。在该实施例中，控制器51包括误差放大器510、PWM发生模块511和调光控制模块512。其中误差放大器510和PWM发生模块作为驱动模块，接收LED灯条的电流反馈信号，输出门极驱动信号--即驱动PWM信号至原边开关的门极控制它的导通和关断。
调光控制模块512接收调光信号，产生调光PWM信号至调光开关K的门极，控制LED灯条的亮度。其中LED灯条的亮度正比于调光PWM信号的占空比。输入至隔离式电压变换器驱动级50或控制器51的调光信号可以为PWM信号、直流模拟信号或直流模拟信号与频率信号的复合信号。当调光信号为PWM信号时，调光控制模块512产生与输入的PWM信号波形一致即占空比与频率一致的调光PWM信号。当调光信号为直流模拟信号时，调光控制模块512包含三角波发生器和比较器，将直流模拟信号与内部发生的三角波进行比较产生调光PWM信号。其中调光PWM信号占空比正比于直流模拟信号的幅值，频率与三角波频率一致。当调光信号为直流模拟信号与频率信号的复合信号时，调光控制模块512产生的调光PWM信号占空比与输入的直流模拟信号幅值相同，频率与输入的频率信号频率一致。
流过LED灯条53的电流ILED通过电流检测电阻R1检测，反映为电流检测电阻R1上的电压，产生一电流反馈信号FB，其中VFB=ILED*R1。该FB信号和驱动调光开关K的调光PWM波形一致，即占空比和频率相同。其中误差放大器510比较反馈电压VFB和参考电压Vref，输出差值放大信号COMP。
控制器还可包含一电压保持模块513，输出V1电压，其第一输入端耦接电流反馈电路，第二输入端耦接调光控制模块512的输出端，其输出端耦接误差放大器510的第一输入端。在调光开关K开通时，即调光PWM为高电平时，电压保持模块513产生和VFB成正比的电压V1。当调光PWM为低电平时，V1电压保持不变。V1电压在误差放大器510和参考电压Vref比较，产生差值放大信号COMP。 
PWM发生模块接收COMP信号，产生门极驱动信号--驱动PWM信号用于驱动原边开关。其中PWM发生模块可采用传统的PWM发生方式产生门极驱动信号，将COMP信号和PWM发生模块内部产生的一频率的三角波进行比较产生PWM信号，可采用双边触发、上升沿触发或下降沿触发方式。原边开关在门极驱动信号的作用下使得隔离式电压变换器52产生稳定的输出电流IOUT用于驱动LED灯条53。
图6所示为对应图5中调光驱动系统的工作波形图实施例。其中，FB波形和调光PWM信号波形一致。在稳定的供电过程中，差值放大信号COMP和隔离式电压变换器输出电流IOUT近似于直流信号。当调光PWM为高电平时，FB信号为高，V1=VFB，LED灯条中有电流ILED。当调光PWM为低电平时，调光开关K关断，FB信号为零电平，V1保持原有的高电平，因此COMP信号亦保持直流信号状态，原边开关的驱动PWM信号保持稳定，隔离式电压变换器的输出电流IOUT也保持恒定。
虽然图3所示的隔离式电压变换器为反激式电压变换器，隔离式电压变换器也可以采用其它的拓扑结构，如正激式电压变换器、半桥式、全桥式或其它类型的拓扑结构。如图7所示，该调光驱动系统采用了半桥式电压变换器71。由于上述实施例中控制器位于隔离式电压变换器的副边，原边电路没有常规的峰值电流控制单元，流过原边绕组的电流可能过大从而导致变压器电流达到饱和而影响系统正常工作。针对控制器位于隔离式电压变换器副边的实施例，原边可进一步包含一限流电路，用于防止在系统启动时或负载短路时隔离式电压变换器的变压器达到饱和状态。图8示出了一个原边电路的限流电路实施例。该限流电路包含由三极管Q2、电阻R6和电阻R7组成的闭环电路。其中R6一端连接原边开关Q的源极端，另一端接原边地。Q2的基极连接Q的源极端，集电极连接Q的门极，射极通过另一电阻R7连接原边地。当流过原边开关Q的电流过大时，Q2基极电压变大，Q2导通，从而原边开关Q的门极电压被拉低，使得流过Q的电流变低。该闭环电路将变压器的原边电流钳制在一个由Q、Q2、R6和R7参数确定的合理范围内，从而达到限制原边峰值电流过大的目的。应当知道，上面描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
本发明中的隔离式电压变换器包括直流-直流反激式变换器、交流-直流反激式变换器或其它类型的变换器。

Claims (16)

1. 一种LED调光驱动系统，包含：
功率因数校正级；
隔离式电压变换器驱动级，与所述功率因数校正级耦接，包含隔离式电压变换器以及控制器，其中所述隔离式电压变换器的原边包含串联的原边绕组和原边开关；
LED灯条，包含一至多个串联的LED，由所述隔离式电压变换器进行供电；以及
调光开关，和作为负载的LED灯条串联；
其中所述控制器接收系统外调光信号对所述LED灯条进行调光，并与隔离式电压变换器耦接，输出控制信号控制隔离式电压变换器, 其中所述控制器包括：
驱动模块，接收所述LED灯条的电流反馈信号，输出驱动PWM信号至所述原边开关的门极控制它的导通和关断；
调光控制模块，接收所述调光信号，输出调光PWM信号至所述调光开关的门极，控制所述LED灯条的亮度；
其中所述驱动模块包括：
误差放大器，具有第一输入端，并接收参考值，输出差值放大信号；
PWM发生模块，接收所述差值放大信号，输出所述驱动PWM信号至所述原边开关的门极；以及
电压保持模块，其第一输入端接收电流反馈信号，第二输入端耦接调光控制模块的输出端，其输出端耦接误差放大器的第一输入端，当所述调光PWM为高电平时，输出正比于所述电流反馈信号的信号至所述误差放大器；当所述调光PWM为低电平时，输出信号保持不变。
2. 如权利要求1 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述控制器位于所述隔离式电压变换器的副边。
3. 如权利要求2 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述隔离式电压变换器为反激式电压变换器。
4. 如权利要求2 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述隔离式电压变换器为半桥式或全桥式电压变换器。
5. 如权利要求2 所述的调光驱动系统，其特征在于包含多个隔离式电压变换器和多个LED灯条，每个所述隔离式电压变换器分别串联一个LED 灯条后并联。
6. 如权利要求2 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述原边开关和所述调光开关为MOSFET 器件。
7. 如权利要求6 所述的调光驱动系统，其特征在于，进一步包含检测电阻，一端连接所述调光开关的源极端，另一端接地，所述电流反馈信号为所述检测电阻两端的电压。
8. 如权利要求6 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述调光信号为PWM 信号、直流模拟信号或直流模拟信号与频率信号的复合信号之中的一种。
9. 如权利要求6 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述控制器进一步包含过流保护模块，采集所述隔离式电压变换器的副边绕组电流信号并在所述副边绕组电流大于过流参考值时关断所述原边开关。
10. 如权利要求9 所述的调光驱动系统，其特征在于，进一步包含电阻，一端和所述隔离式电压变换器的副边绕组连接，另一端接副边地，所述过流保护模块采集所述电阻两端电压获得所述副边绕组电流信号。
11. 如权利要求6 所述的调光驱动系统，其特征在于，所述控制器进一步包含无负载保护模块，采集所述隔离式电压变换器的输出电压并在所述输出电压大于过压参考值时关断所述原边开关。
12. 如权利要求11 所述的调光驱动系统，其特征在于，进一步包含电阻分压器，一端连接所述隔离式电压变换器的输出端，另一端接副边地，所述无负载保护模块采集所述电阻分压器输出电压获得所述隔离式电压变换器的输出电压。
13. 如权利要求2-12 之一所述的调光驱动系统，其特征在于，所述隔离式电压变换器的原边耦接有限流电路，限制所述隔离式电压变换器的原边峰值电流。
14. 如权利要求13 所述的调光驱动系统，其中所述限流电路包含：
第一电阻，一端连接所述原边开关的源极端，另一端接原边地；
三极管，基极连接所述原边开关的源极端，集电极连接所述原边开关的门极，射极通过第二电阻连接原边地。
15. 一种用于LED 调光的控制器，其特征在于接收外部调光信号和LED 的电流反馈信号，输出调光PWM 信号对所述LED 进行调光，并输出驱动PWM 信号控制隔离式电压变换器的输出电流，其中所述控制器包含：
误差放大器，具有第一输入端，并接收参考值，输出差值放大信号；
PWM 发生模块，接收所述差值放大信号，输出驱动PWM 信号；
调光控制模块，接收所述调光信号，输出调光PWM 信号；以及
电压保持模块，其第一输入端接收电流反馈信号，第二输入端耦接调光控制模块的输出端，其输出端耦接误差放大器的第一输入端，当所述调光PWM 为高电平时，输出正比于所述电流反馈信号的信号至所述误差放大器；当所述调光PWM 为低电平时，输出信号保持不变。
16. 如权利要求15 所述的控制器，其特征在于，所述调光信号为PWM 信号、直流模拟信号或直流模拟信号与频率的复合信号之中的一种。
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