CN102149239B - 一种led串均流电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种发光二极管串驱动器及其串电流控制方法，属于电力电子变换器。本发明驱动器包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制变换器。本发明方法通过DC-DC变换器的控制完成每串LED的电流调节；将多余的能量回馈到每串LED的输入端。多个并联后的DC-DC变换器输出端可以接负载，当接有负载时，双向DC-DC变换器可给该负载提供能量。由于低压器件便于实现集成，本发明提供了能量回馈式LED串并联方案，避免现有方案成本高或损耗大的缺陷。

Description

一种LED串均流电路及控制方法

技术领域

发明涉及一种发光二极管串驱动器及其串电流控制方法，属电力电子变换器领域。 

背景技术

高亮度发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是新一代照明光源，具有长寿命、高效率、无污染等优点。LED驱动器是指为其提供供电电压或电流的功率变换装置，多为电力电子变换装置，是LED照明光源的核心部件之一。 

为降低对电网的谐波污染，以交流电供电的LED驱动器多要求其具有功率因数校正功能。目前主要有技术为：(1)功率因数校正器(Power Factor Correction Converter，下称PFCC)+DC-DC变换器+恒流驱动控制器的三级结构；(2)单级功率因数校正器(完成功率因数校正与DC电压调节两个功能)+恒流驱动控制器的两级结构。当交流输入电流、电压同相位且畸变较小时，输入功率含有较大成分的交流脉动。LED驱动器的输出端为为恒定功率。因此，需要较大容量的电容(多采用电解电容)来处理输入功率与输出功率的差值。通常，电解电容寿命较短，是LED驱动器及照明光源的寿命瓶颈。因此，无电解电容的方案对提高寿命具有重要价值。目前主要有三种减小电解电容的方案。(1)直接减小PFCC的输出电容，允许由其产生较大的脉动，此种做法较大幅度地减小了输出电容，对50或60Hz的交流输入电源来说，通常可以选择0.1μF/W的电容；但此电容值仍然偏大。(2)在输入电流中注入3次或(3次和5次)谐波，减小输入功率的脉动，因此输出电容上的脉动功率减小，从而在允许同样脉动电压的情况下，减小了PFCC输出电容值。输入电流中注入故意注入了3次谐波，人为带来了电网污染。(3)输出电流基准正比于输入功率，从而在输出电压接近为恒定直流的情况下，维持了输出功率与输入功率瞬时值相等，减小了PFCC输出电容(储能电容)。采用此种方案的输出电流峰值与平均值的比例(下文称为峰均比)为2，作为负载的元器件必须降额使用。 

LED为半导体器件，其伏安特性与普通的稳压二极管类似。由于生产工艺等原因，在特定电流工作点上，即使同一批次的LED产品其两端电压降落亦有较大的离散性，并且它们的电压降的温度系数也不同。因此，多个LED并联，或者多个LED串联后再并联时，由于端电压的不一致，容易引起某个LED或某串LED中流过的电流过大而烧毁的问题。但单个LED为小功率、低光通量输出的元件，在要求大的光通量输出的场合，多个或多串并联LED并联的应用是无法避免的。目前主要的解决方案有：(1)每串LED单独采用一个DC-DC变换器，调节其端电压或输出电流；但在需要3串以上的结构并联时，需要3台以上的较大功率的DC-DC变换器，成本较高。(2)每串串联一个三极管或MOSFET等，该三极管或MOSFET承担LED供电源与LED串之间的电压差值，完成LED串的电流调节；但由于三极管或MOSFET上承担了较大的线性压降，因此损耗较大。 

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种能量回馈式发光二极管串驱动器及其串电流控制方法，避免现有方案成本高或损耗大的缺陷。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

本发明发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于： 

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的正输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端，其中 所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。 

发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于： 

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、第n+1发光二极管串、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端，双向DC-DC变换器的另一端串接第n+1发光二极管串后接地，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。 

所述的发光二极管串驱动器，其特征在于所述支路DC-DC变换器为非隔离式或隔离式的升压型Boost、降压型Buck、升降压型Buck-Boost变换器。 

所述的发光二极管串驱动器，其特征在于所述主电路DC-DC变换器为非隔离式或隔离式的升压型Boost、降压型Buck、升降压型Buck-Boost型双向变换器。 

所述的发光二极管串驱动器的串电流控制方法，其特征在于： 

(1)双向DC-DC变换器将能量回馈到主电路DC-DC变换器的正输出端，双向DC-DC变换器单向工作，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现支路DC-DC变换器输出端电压的稳定。 

(2)双向DC-DC变换器将能量回馈到主电路DC-DC变换器的正输出端，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现支路DC-DC变换器输出端电压正比于减小功率因数校正器PFCC输出端的电容，其中k_i为绝对值小于1的常数，α_i为电角度，i为介于2与30的正整数，其中k_i满足：ω为输入交流电的角频率，t为时间。 

所述的发光二极管串驱动器的串电流控制方法，其特征在于：通过双向DC-DC变换器将能量回馈到主电路DC-DC变换器的正输出端实现第n+1发光二极管串电流的稳定，支路DC-DC变换器输出的能量的一部分给LED串215供电，另一部分通过双向DC-DC变换器回馈到主电路DC-DC变换器的正输出端。 

所述的发光二极管串驱动器的串电流控制方法，其特征在于：直接采用直流电供电，无功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器，n个发光二极管串的输入端分别接直流电，即主电路DC-DC变换器正输出端为直流供电源的正极。 

所述的发光二极管串驱动器的串电流控制方法，其特征在于：双向DC-DC变换器的输出端与主电路DC-DC变换器正输出端断开，与功率因数校正器PFCC的正输出端相连，将能量回馈功率因数校正器PFCC的正输出端。 

本发明提供了一种能量回馈式发光二极管串驱动器及其串电流控制方法，二极管串电流控制器功率容量大幅度降低，因此降低了成本；且所发明方案中，二极管串电流控制器由低压器件构成，便于集成到单个芯片中，进一步降低成本和减小尺寸。由于二极管串电流控制器处理的功率较小，因此LED驱动器的整机效率高。在带有功率因数校正器PFCC的场合所发明的减小电流基准控制方案，可使用长寿命的薄膜电容取代短寿命的电解电容，提高了LED驱动器的预期寿命。 

附图说明

图1为带有功率因数校正功能的可用于多串LED并联的LED驱动器。 

图2带有功率因数校正功能的可用于多串LED并联的LED驱动器。 

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，其中：203为功率因数校正器201的正、负输出端；205为DC-DC变换器204的输出电容；206为DC-DC变换器204的输出端，213为DC-DC变换器208，210，212的并联输出端；214为双向DC-DC变换器。 

701为时钟与三角波发生器；702为电流基准；703为通道电流检测；704、705、706为集成的DC-DC变换器；707为通道电流分配；708为双向DC-DC变换器214的控制器；709、710、711、712为通道电流检测输入端；713、714为双向DC-DC变换器的输出控制信号；715为704、705、706的输出端正极。 

如图1所示，本发明发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于： 

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的正输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。 

发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于： 

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、第n+1发光二极管串、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的正输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端，双向DC-DC变换器的另一端串接第n+1发光二极管串后接地，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。 

DC-DC变换器208、210、212分别用于控制LED串207、209、211的支路电流；DC-DC变换器208、210、212的输出端正极相连，该输出端为213，其电压经过双向DC-DC变换器214变换后接到DC-DC变换器204的输出端正极206，完成能量回馈功能。输出端213与地之间，可以选择性的联结LED串215。本发明中LED驱动器的电流控制器由208和214两个级联构成，使得208的电压应力大幅度降低，可集成在控制芯片中，图2为集成芯片的管脚分布示例。 

图1中，DC-DC变换器208、210、212用于电流调节，该变换器的主电路拓扑可以为非隔离式或隔离式的Boost(升压)型、Buck(降压)型、Buck-Boost(升降压)型。双向DC-DC变换器214用于将DC-DC变换器208、210、212输出的能量回馈到206端，该变换器的主电路拓扑可以为非隔离式或隔离式的Boost(升压)型、Buck(降压)型、Buck-Boost(升降压)型双向变换器。该方案有五种实施形式。(1)无LED串215；此时双向DC-DC变换器将能量回馈到206端，双向DC-DC变换器214只需要单向工作，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现213端电压的稳定。(2)无LED串215；此时双向DC-DC变换器将能量回馈到206端，为减小功率因数校正器201输出端电容，可以通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现213端输出电压正比于使213端电容(未在图中标出)承担一部分输入与输出功率的不平衡。(3)有LED串215；此时通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现LED串215电流的稳定。DC-DC变换器208、210、212输出的能量的一部分给LED串215供电，另一部分通过双向DC-DC变换器214回馈到206端。(4)该方案直接应用于直流电供电的应用中。该实施方案中，无201、202、203、204，多个LED串并联的结构直接由直流电供电，即206端为直流供电源的正极。(5)双向DC-DC变换器的输出端与206端断开，与203端相连，将能量回馈功率因数校正器的输出端。 

Claims (6)

1.一种发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于：

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的正输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现支路DC-DC变换器的输出端电压正比于使支路DC-DC变换器输出电容承担一部分输入与输出功率的不平衡从而减小输出母线电容，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数，k_i为绝对值小于1的常数，α_i为电角度，i为介于2与30的正整数，其中k_i满足：ω为输入交流电的角频率，t为时间。

2.一种发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于：

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、第n+1发光二极管串、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的正输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端，双向DC-DC变换器的另一端串接第n+1发光二极管串后接地，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现第n+1发光二极管串电流的稳定；每个支路DC-DC变换器输出的能量的一部分给串接的发光二极管串供电，另一部分通过双向DC-DC变换器回馈到主电路DC-DC变换器正输出端，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。

3.一种发光二极管串驱动器，包括功率因数校正器PFCC、输出母线电容、变换器输出电容、主电路DC-DC变换器和电流控制器，功率因数校正器的正输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的正输入端，功率因数校正器的负输出端分别接输出母线电容和主电路DC-DC变换器的负输入端，主电路DC-DC变换器的正输出端接变换器输出电容的正输入端，主电路DC-DC变换器的负输出端与变换器输出电容的负输入端连接接地，其特征在于：

所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、第n+1发光二极管串、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接主电路DC-DC变换器的正输出端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的一端后串接第n+1发光二极管串接地，双向DC-DC变换器的另一端接功率因数校正器的正输出端，将能量回馈功率因数校正器PFCC的正输出端，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现第n+1发光二极管串电流的稳定；每个支路DC-DC变换器输出的能量的一部分给串接的发光二极管串供电，另一部分通过双向DC-DC变换器回馈到功率因数校正器的正输出端，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。

4.一种发光二极管串驱动器，包括直流电压源、电流控制器以及输出电容，输出电容并联在直流电压源两端，其特征在于：所述电流控制器包括n条结构相同的控制支路、第n+1发光二极管串、一个双向DC-DC变换器，每条控制支路都由一个支路DC-DC变换器构成，每个支路DC-DC变换器的输入端串接发光二极管串后分别接直流电压源的正输出端和双向DC-DC变换器的一端，每个支路DC-DC变换器的输出端接双向DC-DC变换器的另一端后串接第n+1发光二极管串后接地，通过双向DC-DC变换器的反馈控制实现第n+1发光二极管串电流的稳定；每个支路DC-DC变换器输出的能量的一部分给串接的发光二极管串供电，另一部分通过双向DC-DC变换器回馈到直流电压源的正输出端，其中所述发光二极管串由m个发光二极管依次串接构成，n和m都为大于零的自然数。

5.根据权利要求1至4任一项所述的发光二极管串驱动器，其特征在于所述支路DC-DC变换器为升压型Boost、降压型Buck、升降压型Buck-Boost变换器，上述变换器可以为隔离式或非隔离式。

6.根据权利要求1至4任一项所述的发光二极管串驱动器，其特征在于所述双向DC-DC变换器为升压型Boost、降压型Buck、升降压型Buck-Boost型双向变换器，上述变换器可以为隔离式或非隔离式。