CN102348302A - 高效率led平衡驱动及调光控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一系列高效率的LED电流平衡方法和通过脉宽补偿对LED调光操作进行高效率、高精度控制的方法。在本发明的原理中所使用的平衡器件可以在没有直流偏磁的情况下对LED的电流进行有效的平衡控制，调光控制也可以在基本没有损耗的情况下，通过对LED电流差异的脉宽补偿来实现高精度的调光控制。

Description

高效率LED平衡驱动及调光控制方法

背景介绍

发明所属领域

本专利是属于发光二极管(LED)驱动控制领域里的一项发明，更具体地说是提供了一种高效率地平衡驱动多路LED的控制方式。

相关的领域描述

LED正在给照明领域带来一场革命性的变化。效率高，体积小，寿命长，无污染，容易调光，以及伴随固体发光特性而来的机械可靠性，便携性和设计的灵活性等使得它在许多领域成为发光器件的最佳选择。LCD显示器的背光照明和普通照明是其中最具有发展潜力的两大领域。

在较大尺寸的显示器背光照明和较大功率的普通照明应用中通常都采用多组LED串。每个LED串由几个到几十个LED串联组成。单个LED正向压降为3.3伏左右，所以LED串的工作电压一般为几十伏到一两百伏。多组LED串的做法一方面可以保证整个发光面亮度均匀，同时也由于普通的单个发光二极管功率有限，而大功率的LED价格又较昂贵。这些LED串可以采用每串单独供电或多串并联公用电源。因每串单独供电成本比较高，大多数应用都采用多串并联公用电源的方式，如图1所示。

由于LED的正向导通压降有相当大的离散性，而且LED的正向电流电压特性为较陡的指数曲线，多串直接并联时各串电流会出现较大的差异以至于造成各串发光不均匀并导致寿命不一致。因此多串并联时需要加均流控制措施。目前最常用的做法是串联线性调节线路的闭环控制，如图1所示。图1中的MOSFET管Q1，Q2，......等是调节控制元件，R1，R2，......Rk等为电流检测元件。检测到的电流信号I_SNS1......I_SNSk等反馈到误差放大器EA1，EA2，......EAk等的输入端，并通过和参考信号IREF进行比较来实现闭环控制。LED串的供电电压由另一个环路通过电流反馈信号进行控制。控制目标是保持能使最大正向压降的LED串维持给定电流的最小电压值。这样通过调节控制管来维持各串LED的电流相等。而背光系统的调光一般以脉宽控制方式为主，也即用改变LED导通的占空比来控制亮度。在整体调光应用中各串LED都工作在相同的占空比，而在局部调光应用中各串LED则可能工作在不同的占空比。

很显然这种做法是把正向压降较低的LED串回路里多余的电压消耗在调节控制管上边。因此效率上会受损失。而且调节控制管上的功耗造成器件温度上升以及相应的散热要求，从而增加系统成本及机内温度并降低系统可靠性。从上述可见LED驱动方案的效率是提高系统性能和可靠性以及降低系统成本的关键因素之一。

在LED电流较大时，图1方案的效率和散热问题就更为突出。为了克服这些缺点人们通常对每一串LED使用一个单独的开关电源来供电。这种做法虽然效率高，功耗小，但成本显然比较高。这在大规模产品的应用中是一个关键性的问题。

本发明的总结

综上所述，本发明的目的就是要提供一种高性能、高效率、电路简单而且成本低廉的多组LED平衡驱动及调光控制方案。本方案突破了传统的利用调节控制管的线性管压降来平衡LED串的瞬时电流和用多组开关电源对LED串一对一供电的电流控制方式，采用无损耗平衡网络和非耗能式电流控制来实现LED电流的平衡和调光控制，从而使得LED驱动系统的效率得到大幅度的提高，成本则大为降低。

附图说明

图1显示了一种典型的传统线性降压调节式LED驱动方案。图2显示了本发明的一种LED变压器平衡驱动电路的电路结构概念。图3显示了图2所示的平衡电路概念的另一种实施方法。图4显示了另一种平衡驱动的电路结构概念。图5显示了一种在交流输入情况下使用电感来平衡驱动多串LED的电路结构概念。图6显示了一种使用电感和非耗能式电流控制在交流输入情况下来实现LED电流的平衡和调光控制的电路结构概念。图7显示了一种使用电感和非耗能式电流控制在直流输入情况下来实现LED电流的平衡和调光控制的电路结构概念。

发明的详细描述

图2为一组用平衡变压器来平衡驱动两串LED的原理图。如图2中所示，TB1为平衡变压器，TB1的两个基绕组都有中心抽头，左边绕组每半边圈数为N1，而右边绕组每半边圈数为N2。两个绕组的极性相反，左边绕组上端为同相端，而右边绕组上端则为反相端。两个绕组的上端通过整流二极管D1从供电变压器TX1的次级绕组上端供电，而下端则通过整流二极管D2从供电变压器TX1的次级绕组下端供电。供电变压器TX1的次级绕组也有中心抽头，两个LED串LED1和LED2分别接在TB1的两个绕组的中心抽头和供电变压器TX1的次级绕组的中心抽头之间。LED串和整流二极管在电流流通回路中为顺极性关系。在图2所示的接法中当TX1次级绕组电压极性为上正下负时(这里定义为正半周)，D1和LED1、LED2同时导通，两个LED串的电流ILED1和ILED2分别流经TB1的左边和右边绕组的上半边形成回路流通，而当TX1次级绕组电压极性为上负下正时(这里定义为负半周)，D2和LED1、LED2同时导通，两个LED串的电流ILED1和ILED2分别流经TB1的左边和右边绕组的下半边形成回路流通。无论在正半周或负半周的情况下两个LED串的电流都遵从下列公式的关系：N1·ILED1＝N2·ILED2                (EQU.1)当左右两边绕组使用相同的圈数时，两个LED串的电流自然相等，也即当N1＝N2＝N时，则ILED1＝ILED2.这样通过TB1绕组的均流作用，两个LED串的电流就可以自然地得到均衡。在某种特殊应用情况下如果需要，LED串的电流也可以通过两个绕组圈数比的调整形成一定的比例分配。在这种情况下LED串的电流和驱动它们的绕组圈数成反比，也即ILED1∶ILED2＝N2∶N1。值得注意的是在这种方法中流过LED串的是直流电流，但平衡变压器的磁路所受到的却是交流激励，因而没有直流偏磁和由此而引起的磁路饱和或平衡误差等问题。

在图2中TB1的两个绕组共用整流二极管D1和D2来供电。在某些应用中也可以各用单独的整流二极管供电，如图3中电路所示。在图3中TB1的两个绕组的上端分别通过整流二极管D1和D3从供电变压器TX1的次级绕组上端供电，而两个绕组的下端则分别通过整流二极管D2和D4从供电变压器TX1的次级绕组下端供电。这种做法同样可以保证两个LED串电流的精确平衡，而且能够为两个LED驱动支路提供更好的隔离。特别是当TX1次级绕组所提供的是不连续的电压波形而且LED1和LED2有并联电容C1和C2存在时，图3中的电路能够有效地防止在TX1次级绕组电压为零期间各电容之间的电流流通回路，从而保证在上述不连续电压波形情况下的平衡驱动功能。

图2和图3中所示电路中的整流二极管和LED串也可以把极性同时反过来。这样同样满足[0009]段中所描述的顺极性连接原则，所不同的只是在电压正半周期间电流从TX1次级绕组的下半边流过，而在电压负半周期间电流从TX1次级绕组的上半边流过。上述做法不难为本专业的人士所理解，所以这里不再赘述。

当LED串数多于两串时，图2和图3中所描述的平衡变压器TB1可以改用另一种形式，如图4中所示。在图4中平衡变压器TB1，TB2，TB3，和TBK只有一边有中心抽头(这里我们叫做初级绕组)，另一边没有中心抽头的绕组则叫做次级绕组。如图4所示，TB1......TBk的次级绕组顺向连接成一个闭合回路，在这种顺向连接下各绕组中的感应电流在工作时在闭合回路中沿相同的方向流动。平衡变压器的初级绕组在电路中的接法和图2、图3一样，各相应的LED串接在平衡变压器的初级绕组的中心抽头和供电变压器TX1的次级绕组的中心抽头之间，初级绕组的另两个端口则分别通过整流二极管D1和D2从供电变压器TX1的次级绕组上端和下端供电。因为所有的平衡变压器的次级绕组构成一个单闭环回路，所以其次级电流都相等，这里以I2来表示。基于和[0009]段所描述的同样的道理，各平衡变压器的处、次级电流有如下关系：N1·ILED1＝N2·I2，......N1·ILEDK＝N2·12  (EQU.2)很显然因为各平衡变压器的初、次级绕组采用相同的圈数比，各LED串的电流也由于(EQU.2)所描述的关系而保持相等。这里需要注意平衡变压器初级绕组的两半边一般取相同的圈数，但初级绕组和次级绕组的圈数不需要相等。LED的电流平衡关系是由各个平衡变压器采用相同的圈数比来决定的。和[0010]及[0011]段所描述的相同，图4所描述的电路中的整流二极管D1、D2也可以改为每个平衡变压器初级绕组的左右两个端口各分别使用一个整流二极管来实现各LED电路间的完全隔离；整流二极管和LED串在电路中的极性也可以同时反转，LED电流平衡的驱动功能仍维持不变。

上述平衡驱动网络本质上是利用变压器的电磁耦合原理在平衡变压器的绕组中自动产生校正电压来保持各路LED电流的动态平衡。由于这种校正电压本质上是无功的，所以除了绕组直流电阻所引起的导通损耗和少量的磁芯损耗外，几乎没有其它的有功损耗，效率要比图1所示的传统平衡驱动电路高许多。同时某一组LED串开路或某一串中个别LED短路时，平衡变压器的初级绕组会自动产生相应的补偿电压来维持LED电流的平衡，整个电路仍可以正常工作而不会出现局部元器件过热的问题，因而可靠性相当高。另外，在图4所示电路中，当LED串出现异常，特别是某一串LED开路时，其相应的平衡变压器的次初级绕组电压会高于正常值，这时如果把次级绕组的电压信号反馈到故障检测电路，则可以很容易地监测到LED串的故障情况。同时因为平衡变压器的初次级绕组是相互隔离的，并且次级绕组的电压可以通过圈数比来控制在安全的低电压水平，所以整个故障检测电路包括其中的集成电路元件等，可以使用低电压低成本的器件或制程。从而提供了一个既简便易行，又成本低廉的解决方案。

上述的使用平衡变压器的平衡原理也可以推广到使用电感来平衡LED的电流。图5所示的电路使用有中心抽头的电感作为平衡器件。如图所示，平衡电感L1、L2、L3......LK的左右两个端口分别通过整流二极管D1和D2从供电变压器TX1的次级绕组的两个端口供电，LED串LED1、LED2、LED3......LEDK则分别接在其相应的平衡电感的中心抽头和供电变压器TX1的次级绕组的中心抽头之间。这样当TX1次级绕组电压极性为上正下负时(正半周)，D1和LED1、LED2、LED3......LEDK同时导通，电流ILED1、ILED2、LED3......分别流经其相应的平衡电感L1、L2、L3......LK的左半边形成回路流通；而当TX1次级绕组电压极性为上负下正时(负半周)，D2和LED1、LED2、LED3......LEDK同时导通，电流ILED1、ILED2、LED3......ILEDK分别流经其相应的平衡电感L1、L2、L3......LK的右半边形成回路流通。如果来自TX1的电压正负两半周对称而且平衡电感的两半边也对称，则平衡电感在工作时磁路为对称交流激励，没有直流偏磁或磁路饱和等问题。这时如果所有的平衡电感取相同的电感量而且电感量足够大，在工作时所产生的电压降远大于LED串的正向工作电压的离散性偏差，各LED串的电流就会由于平衡电感的作用而近似相等。这种平衡方法本质上是利用平衡电感的交流阻抗来平衡LED串的电流。因为电感的阻抗为无功阻抗，所以这种做法同样也是一种无损耗的平衡方式。图5所描述的电路中的整流二极管D1、D2也可以改为每个平衡电感的左右两个端口各分别使用一个整流二极管来实现各LED电路间的完全隔离；整流二极管和LED串在电路中的极性也可以同时反转，LED电流平衡的驱动功能仍维持不变。

图5所示电感式平衡电路在LED电流平衡精度要求在5％到5％以上时是一种实用面又低成本的解决方案。当电流平衡精度要求好于5％左右时，可以增加有源调节器件来满足所要求的精度。图6及图7所示电路中每个LED串使用一个调节开关Q1、Q2、Q3......QK，分别串联在各LED串的负端和地之间来提供进一步的调节功能。应该注意这里所使用的调节开关工作在开关状态，而不是图一中所示的线性工作状态，所以功耗大大降低。因为各个电感之间没有耦合关系，所以有了调节开关后各个LED串的工作时序可以进行独立控制，不需要同时起动工作或关断。这样就给调光控制带来了更大的灵活性，可以同时满足整体式调光和局部式调光要求，而且在实际工作中可以进一步用LED导通工作的占空比来补偿工作电流的差异。比如说，对于电流较高的LED串，可以利用调节开关使其工作在较小的占空比，而只要使得每串LED的电流和占空比的乘积相等，则各串LED的发光强度就相等。在这种用调节占空比来补偿电流差异的做法中，调节开关工作在开关状态，故而其操作损耗大大地低于传统的线性电流调节方法。

在图7所示电路中各LED串通过一个电感连接到直流输入上。每个LED串的负端和一个调节开关串联后到地。每个LED串的正端和地之间并联一个电容(如图中所示，C1、C2、C3......CK等)。在这种接法中串联调节开关Q1、Q2、Q3......QK可以起到电流调节和占空比补偿的双重控制功能。在实际工作时这些调节开关的工作由两个频率来控制。其中一个是高频操作频率，一般在几十到几百千赫之间。各个调节开关可以在这个工作频率上通过开关占空比的调节来把LED串的电流维持在给定值，或者在特定的占空比下通过调节工作频率来把LED串的电流维持在给定值。除此以外调节开关的操作还可以迭加上一个低频工作频率，通常在50到几百赫兹之间。各个LED串的电流可以在这个频率上进行开启和关断，而通过控制在这个较低频率上操作的占空比来调节LED串的发光亮度。在这种情形下当LED串在低频操作的开启状态时，调节开关进行高频开关操作并通过高频开关操作的占空比控制来调节LED串的工作电流；而在低频操作的关断状态期间调节开关的高频开关操作停止，LED串没有电流和光输出。LED串的发光亮度由其电流大小和低频操作的占空比共同决定。如果LED的电流设定在一个特定的恒定值，则LED串发光亮度由低频操作的占空比来控制，叫做脉宽(PWM)调光。这里需要注意图7所示电路中没有和LED串和电感反并联的续流二极管，当调节开关关断时电感L1、L2、L3......LK的储能分别对并联滤波电容C1、C2、C3......Ck进行充电。在实用中这些并联滤波电容可以取比较大的电容量，从而使得在这个过程中电容上的电压上升幅值控制在很小的范围内。

为了节约成本，图7中的电感L1、L2、L3......LK可以直接用印刷电路板(PCB)上的导体绕组来形成。在需要较大的电感量时在PCB绕组中可以嵌入磁芯，这种做法和分立电感元件相比成本可以大大地降低。另一方面由于种种原因，例如在调节开关关断时滤波电容电压由于电感储能的转移而产生的上升，或LED电流在启动和关断时的上升/下降时间等，LED串的电流在导通工作期间可能对理想设定值有所偏离。在这种情况下为了保证调光控制的精度，可以通过对PWM调光控制的脉宽进行调节来补偿LED电流的偏差。在具体实施中一种做法是在LED串导通期间把LED电流对时间进行积分运算，当LED电流对时间的积分和给定电流值对时间的积分相等时，LED的发光量也就等于调光控制信号所要求的发光量，用这个时间点所决定的脉冲宽度来控制LED的PWM调光操作的实际脉宽就实现了对LED的电流偏差的精确补偿。使用这种操作方法的价值在于它既能够保证精确的调光控制，又因为调节开关始终工作在开关状态而保持最低的功耗。

上述把LED电流对时间进行积分运算的操作可以用多种方法来实现。既可以用模拟电路的方法，也可以用数字电路的方法或模拟和数字混合的方法。这些方法为本专业的人士所熟知，因而不再赘述。如果LED电流在上升或下降沿的波形崎变可以忽略不计，上述积分运算也可以简化为电流和时间的乘法运算。再者，如果调光控制的响应速度可以比较慢，也可以用电流平均值来进行调光补偿。在这种情况下，在PWM操作模式下的LED电流可以通过一个低通滤波器来取得平均值，理想的调光平均值也可以通过对给定的LED电流值和给定的PWM脉宽进行低通滤波来获得。通过控制线路使得LED电流的平均值在一个特定的操作脉宽下和理想的调光平均值相等就实现了对调光的精确控制，而且调节开关始终工作在开关状态，从而保持功耗最低。同样上述低通滤波可以用模拟或数字等多种方法来实现。这里同时需要注意在图6和图7所示电路中各个调节开关的操作可以相互独立，所以上述的脉宽补偿调光控制可以在各个LED串独立进行，因而既可以应用在整体式调光，也可以应用在局部式调光等多种调光模式中。

以上所描述的电路操作公开了一系列高效率的LED电流平衡和高效率、低功耗的调光控制概念。以上所述系通过具体例子来解释了本发明的原理，但并不在任何意义上限制本发明的原理的应用范围和本发明的原理的其他实施方法。

Claims (7)

1.一种用平衡变压器来平衡LED或其它直流负载的电流的方法，该方法使用具有两个绕组的平衡变压器，两个绕组都有中心抽头，两个绕组的相位相反的一组端口通过二极管接到一个交流电源的一个输出端，两个绕组的另一组相位相反的端口也通过二极管接到上述交流电源的另一个输出端，该交流电源具有电位中点，平衡变压器的两个绕组的中心抽头各和一串LED的一端相连，LED串的另一端和交流电源的电位中点相连形成回路，LED串和二极管的连接极性使得它们在和平衡变压器的两个绕组的半边以及交流电源的相应的输出端和其电位中点所形成的回路中能够同时正偏置或反偏置，两个绕组的圈数相等时，两串LED的电流也相等，两个绕组圈数不相等时，和这两个绕组中心抽头相连的LED串的电流和相应绕组的圈数成反比。

2.把声明1中的平衡变压器的其中一个绕组改为没有中心抽头作为次级绕组，另一个绕组仍然保留中心抽头作为初级绕组，当N大于或等于2时，用N个平衡变压器来驱动N个LED串，各平衡变压器的次级绕组绕组顺向连接成一个闭合回路，各次级绕组在闭合回路中的接法使得它们在工作时的感应电流在回路中沿同一个方向流动，初级绕组的两端通过二极管分别和一个交流电源的两个输出端口相连，该交流电源具有电位中点，各个LED串连接于相应的平衡变压器的初级绕组的中心抽头和交流电源的电位中点，二极管和LED串的连接极性使得它们在和平衡变压器的初级绕组的一个半边以及交流电源的相应的输出端和其电位中点所形成的回路中能够同时正偏置或反偏置，当各个平衡变压器的初、次级圈数比相等时，各LED串的电流也相等，当各个平衡变压器的初、次级圈数比不相等时，相应的LED串的电流和圈数比成反比。

3.使用有中心抽头的电感来平衡LED的电流，当N大于或等于2时，用N个电感来驱动N串LED，每个电感的两端通过二极管分别接到一个交流电源的两个输出端，交流电源具有电位中点，每个LED串接在相应的电感的中心抽头和交流电源的电位中点之间，二极管和LED串的连接极性使得它们在和电感的一个半边以及交流电源的相应的输出端和其电位中点所形成的回路中能够同时正偏置或反偏置，在交流电源的作用下，电感的磁路承受交流激厉，而从中心抽头向LED串提供直流电流，电感的交流阻抗被用来平衡LED的电流。

4.利用调节开关的开关操作模式来达到精确的LED调光控制，当N大于或等于2时，把N个调节开关和N个LED串分别串联连接，，各个调节开关在大约几十到几千赫兹的频率下工作在开关操作模式，并通过占空比的调节来使得各LED串的发光亮度精确地跟随由给定电流和给定占空比来确定的亮度给定值，当LED串的电流值偏离给定值时，通过改变调节开关的工作占空比来补偿LED串电流的偏差来维持发光亮度的精确度，补偿原则是使得各LED串的实际工作电流在每个开关操作周期中对时间的积分值等于其电流給定值在相应的开关操作周期中在给定的调光脉宽下的积分，或LED串的实际工作电流经过低通滤波后的平均值等于其给定电流值在给定的调光脉宽占空比下经过低通滤波所产生的平均值，或LED串的实际工作电流和经补偿后的实际工作脉宽或脉宽占空比的乘积等于其给定电流值和给定的调光脉宽或脉宽占空比的乘积。

5.在声明4的操作中，调节开关的操作再迭加一个较高频率的操作，在声明4中的低频脉宽调光操作每个周期的有效工作期间调节开关进行这一较高频率的开关操作，在低频脉宽调光操作每个周期的停止工作期间调节开关停止开关操作，在有效工作期间调节开关通过改变较高频率的开关操作的脉宽占空比或工作频率来控制LED串的电流使其尽量跟随或接近目标值。

6.在对LED串的电流进行开关式操作控制时只使用一个调节开关、一个电感、和一个电容，电感的第一端口接到直流输入的正端，电感的第二端口接到LED串的正端，调节开关串联在LED串的负端和直流输入的负端之间，电容的一个端口和电感的第二端口及LED串的正端相连，电容的另一个端口接到直流输入的负端，在调节开关关断瞬间电感的储能由电容来吸收。

7.在声明6的实施中，电感用印刷电路板(PCB)上的导体来形成，当需要增大电感量时在上述PCB电感中嵌入导磁率大于1的磁性材料。

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