CN103052203B - Led控制电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

用于控制LED照明装置的LED控制电路，LED照明装置包括至少两个串联连接的负载组，LED控制电路包括：转换模块(1)，将输入电压(Vin)转换为用于负载组的输出电压(Vout)，并输出负载组的工作电流，其被采样获得采样电流(Isense)；基准电压发生模块(2)，产生一基准电压(Vref)；控制模块(3)，将相应于采样电流的采样电压(Vsense)与基准电压比较，并根据比较结果向转换模块输出控制信号(BUCK_PWM)；以及负载短路模块(4)，包括多个与各自的负载组并联的开关，开关根据切换信号对相应的负载组进行短路控制，LED控制电路包括基准电压补偿模块(5)，该模块响应切换信号产生补偿基准电压的补偿电压(Vcomp)。本发明还涉及控制上述类型的LED控制电路的方法。

Description

LED控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱动LED照明装置的LED控制电路。此外，本发明还涉及一种用于控制上述类型的LED控制电路的方法。
背景技术
目前，颜色混合的构思已经被广泛地应用以用于获得具有预期的CCT(色温)和CRI(显色性)的白光。同时，对于电子驱动器的设计提出了很高的要求。电子驱动器应当能够驱动多个LED灯串。但是，驱动多个LED灯串的电子驱动器应该对动负载有良好的响应。在现有技术中常常使用的峰值电流控制降压型拓扑电路对于多灯串驱动是一个良好的选择，这是因为其能够良好地响应动态电压的变化。
图1中示出了用于多灯串驱动的典型的固定频率峰值电流控制降压型拓扑电路。通过以下公式可以得知输出电压与流过灯串的电流之间的关系。
公式(1) 其中，D为控制信号占空比，Vout为灯串的输出电压，Vin为输入电压；
公式(2) 其中，ΔI为在电感器L1上的电流纹波，Fs为控制信号，Ipk为流过电感器L1的受控的峰值电流；
公式(3) 其中Io为流过灯串的电流，由公式(1)，(2)和(3)可以推导出公式(4)Io＝K1(Vout 2-Vin·Vout)+Ipk，其中， 由以上公式(4)可以简单地获得图2中示出的电流-电压图表。从图2中可见，在利用该电路驱动多灯串时，在输出电压发生变化时，流过灯串的电流也动态地发生变化。
图3通过波形图示出了上述问题。假设图1中示出的电路中的晶体管Q2一直断开并且转换器的占空比设定为50％。那么在t1阶段，晶体管Q3断开，那么输出电压Vout为所有三个灯串的电压之和，即Vout＝V_str1+V_str2+V_str3。在t2阶段，晶体管Q3接通，那么输出电压为Vout＝V_str1+V_str3。在Q3接通期间，输出电压Vout减小，导致电感器L1上的电流纹波ΔI减小。由于流过电感器L1的受控的峰值电流Ipk一直通过电流控制回路保持恒定，因此从公式(2)中可知，流过灯串的电流Io增大。而电流Io增大是我们所不希望的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于控制LED照明装置的LED控制电路，该LED控制电路能够良好地响应负载的输出电压的动态变化，以保持流过负载的电流的恒定。此外，本发明还提出了一种用于控制上述类型的LED控制电路的方法。
本发明的第一个目的通过一种用于控制LED照明装置的LED控制电路由此实现，即该LED照明装置包括至少两个串联连接的负载组，LED控制电路包括：转换模块，用于将输入电压转换为用于负载组的输出电压，并输出负载组的工作电流，该工作电流被采样以获得采样电流；基准电压发生模块，产生一基准电压；控制模块，将相应于采样电流的采样电压与 基准电压进行比较，并根据比较结果向转换模块输出控制信号；以及负载短路模块，包括多个与各自的负载组并联的开关，该开关根据切换信号对相应的负载组进行短路控制，其中，LED控制电路还包括基准电压补偿模块，该基准电压补偿模块响应于切换信号产生对基准电压进行补偿的补偿电压。在根据本发明的设计方案中，通过对参考电压进行补偿，改变了控制模块输出的控制信号的占空比，由此控制了峰值电流的大小，从而确保流过负载组的电流保持恒定。因此，利用根据本发明的LED控制电路能够良好地响应负载的输出电压的动态变化，以保持流过负载的电流的恒定。
优选的是，控制模块包括：比较器，用于对采样电压和基准电压进行比较；脉宽调制器，连接至所述比较器的输出端，用于根据比较结果生成作为控制信号的脉宽调制信号。由于对基准电压进行了补偿，因此相应地改变了控制信号的占空比，由此控制了峰值电流的大小，从而确保流过负载组的电流保持恒定。
进一步优选的是，基准电压补偿模块包括多个彼此并联的基准电压补偿子模块，其中，每个所述基准电压补偿子模块对应于负载短路模块的一个开关，并且基准电压补偿子模块和其对应的开关均通过同一切换信号控制。通过这种方式能够良好地响应负载的输出电压的动态变化。
根据本发明的一个优选的设计方案提出，基准电压补偿子模块包括第二晶体管和补偿电阻，其中第二晶体管的控制电极接收切换信号，工作电极通过补偿电阻连接至比较器的反相输入端，参考电极接地。在该设计方案中，在向负载短路模块的一个开关发出切换信号时，由于切换信号的高电位水平，开关接通，从而使一个负载组短路，进而造成负载组的输出电压的变化。而此时，切换信号也提供给第二晶体管，从而导致第二晶体管导通，进而拉低了基准电压，实现了对基准电压的补偿。
在本发明的另一个优选的设计方案中，基准电压补偿子模块包括第二晶体管和补偿电阻，其中第二晶体管的控制电极接收负载短路模块的切换信号，工作电极通过补偿电阻连接至比较器的反相输入端，参考电极连接至直流电压源。在该设计方案中，在向负载短路模块的一个开关发出切换信号时，由于切换信号的高电位水平，开关接通，从而使一个负载组短路，进而造成负载组的输出电压的变化。而此时，切换信号也提供给第二晶体管，从而导致第二晶体管导通，进而接通了直流电压源，从而提高了基准电压，实现了对基准电压的补偿。
优选的是，转换模块包括第一晶体管、电感器和二极管，其中，第一晶体管的控制电极接收控制信号，参考电极通过基准电阻接地，工作电极连接至二极管的正极和电感器的一端之间的节点上，二极管的负极和串联的负载组的输入端分别接入输入电压，电感器的另一端连接至串联的所述负载组的输出端。该转换模块将输入电压转换成用于负载组的输出电压。
进一步优选的是，基准电压发生模块包括直流电压源、第一电阻和第二电阻，其中所述第一电阻的一端连接至直流电压源，并且另一端连接至比较器的反相输入端，第二电阻的一端连接在反相输入端和第一电阻的一端之间的节点上，并且另一端接地，并且比较器的同相输入端连接在第一晶体管的参考电极和基准电阻之间的节点上，采样电流流过基准电阻后产生采样电压。
进一步优选的是，负载短路模块的开关设计为第三晶体管，其中，第三晶体管的控制电极接收切换信号，工作电极连接至一个负载组的输入端，参考电极连接至一个负载组的输出端。在本发明的设计方案中，每个负载组都对应有一个用于对其进行短路控制的开关。
本发明的设计方案中提及的开关和晶体管都可设计成MOSFET管。
本发明的另一目的通过一种用于控制上述类型的LED控制电路的方法由此实现，即该方法包括以下步骤：a)利用转换模块将输入电压转换为用于负载组的输出电压，并输出负载组的工作电流，该工作电流被采样以获得作为采样电流；利用负载短路模块的切换信号控制负载短路模块的开关对负载组中一个或多个进行短路控制；c)通过基准电压发生模块产生基准电压；d)利用切换信号控制基准电压补偿模块产生对基准电压进行补偿的补偿电压；e)利用控制模块对采样电压和补偿后的基准电压进行比较，控制模块根据比较结果调整其发出的控制信号的占空比，以控制流过负载组的峰值电流的大小，进而确保流过所述负载组的工作电流保持恒定。根据之前描述的公式(4)可获知，在输出电压发生动态变化时，通过根据本发明的控制方法可动态地调整峰值电流大小，进而确保流过负载组的工作电流保持恒定。
优选的是，在步骤d)中，利用切换信号接通基准电压补偿模块的、连接至地的第二晶体管，进而产生减小基准电压的补偿电压。
可选的是，在步骤d)中，利用切换信号接通所述基准电压补偿模块的、连接至直流电压源的第二晶体管，进而产生增加基准电压的补偿电压。
根据图2中示出的图表可知，在实际的输入电压位于在图表中示出的横轴的0至1/2处之间时，流过负载组的工作电流是呈下降趋势的，当实际的输入电压超过1/2处时，工作电流是呈上升趋势的。为此，在本发明的一个设计方案中，输入电压位于在图表中示出的横轴的0至1/2处之间，通过接通连接至直流电压源的第二晶体管来产生增大基准电压的补偿电压，从而确保流过负载组的工作电流保持恒定。而在另一个设计方案中，输入电压超过在图表中示出的横轴的1/2处，通过接通连接至地的第二晶体管来产生减小基准电压的补偿电压，从而确保流过负载组的工作电流保持恒定。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：
图1是根据现有技术的LED控制电路的电路图；
图2是根据现有技术的LED控制电路电流和电压的关系图表；
图3是根据现有技术的LED控制电路的波形图；
图4是根据本发明的LED控制电路的原理框图；
图5是根据本发明的LED控制电路的第一实施例的电路图；
图6是根据本发明的LED控制电路的第二实施例的电路图。
具体实施方式
图4示出了根据本发明的LED控制电路的原理框图，从图中可见，根据本发明的LED控制电路包括：转换模块(1)，用于将输入电压Vin转换为用于负载组str1，...，strn的输出电压Vout，并输出负载组str1，...，strn的工作电流Io作为采样电流Isense；基准电压发生模块2，产生一基准电压Vref；控制模块3，将相应于采样电流Isense的采样电压Vsense与所述基准电压Vref进行比较，并根据比较结果向转换模块1输出控制信号BUCK_PWM；负载短路模块4，包括多个与各自的负载组str1，...，strn并联的开关，开关根据切换信号PWM_str1，...，PWM_strn对相应的负载组str1，...，strn进行短路控制；以及基准电压补偿模块5，基准电压补偿模块5响应于切换信号PWM_str1，...，PWM_strn产生对基准电压Vref进行补偿的补偿电压Vcomp。在本发明的设计方案中，开关可以设计为MOSFET管。根据之前描述的公式(4)可获知，在输出电压发生动态变 化时，调整峰值电流Ipk大小，即可确保流过负载组str1，...，strn的工作电流保持恒定。因此，在本发明的设计方案中，利用控制模块3对采样电压Vsense和补偿后的基准电压Vref进行比较，控制模块3根据比较结果调整其发出的控制信号BUCK_PWM的占空比，以控制流过负载组str1，...，strn的峰值电流Ipk的大小，进而确保流过负载组str1，...，strn的工作电流Io保持恒定。
图5示出了根据本发明的LED控制电路的第一实施例的电路图。根据图2示出的图表可知，假设实际的输入电压小于在图表中示出的输入电压的1/2时，流过负载组的工作电流是呈下降趋势的，当实际的输入电压大于在图表中示出的输入电压的1/2时，流过负载组的工作电流是呈上升趋势的。在图5示出的第一实施例对应于实际的输入电压大于在图表中示出的输入电压的1/2时的状况，流过负载组的工作电流呈上升趋势，结合公式(4)可知，减小峰值电流能够确保负载组str1，...，strn的工作电流Io保持恒定。
从图5中可见，根据本发明的LED控制电路的控制模块3包括：比较器3a，用于对采样电压Vsense和基准电压Vref进行比较；脉宽调制器3b，连接至比较器3a的输出端，用于根据比较结果生成作为控制信号BUCK_PWM的脉宽调制信号。基准电压补偿模块5包括多个彼此并联的基准电压补偿子模块，其中，每个所述基准电压补偿子模块对应于负载短路模块4的一个开关(在本实施例中，该开关设计成MOSFET管)，并且基准电压补偿子模块和其对应的开关均通过同一切换信号控制。
从图中进一步可见，每个基准电压补偿子模块均包括一个第二晶体管Q2和一个补偿电阻Rcomp，其中第二晶体管Q2的控制电极接收负载短路模块4的切换信号PWM_str1，...，PWM_strn，工作电极通过补偿电阻Rcomp连接至比较器3a的反相输入端，参考电极接地。在通过切换信号 PWM_str1，...，PWM_strn接通第二晶体管Q2时拉低了基准电压Vref，峰值电流Ipk也降低，从而实现了补偿，确保了流过负载的工作电流的恒定。
此外，根据本发明的LED控制电路的转换模块1包括第一晶体管Q1、电感器L1和二极管D1，其中，第一晶体管Q1的控制电极接收控制信号BUCK_PWM，参考电极通过基准电阻Rs接地，工作电极连接至二极管D1的正极和电感器L1的一端之间的节点上，二极管(D1)的负极和串联的负载组str1，...，strn的输入端分别接入输入电压Vin，电感器L1的另一端连接至串联的负载组str1，...，strn的输出端。
另外，根据本发明的LED控制电路的基准电压发生模块2包括直流电压源Vcc、第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1的一端连接至直流电压源Vcc，并且另一端连接至比较器3a的反相输入端，第二电阻R2的一端连接在反相输入端和第一电阻R1的一端之间的节点上，并且另一端接地，并且比较器3a的同相输入端连接在第一晶体管Q1的参考电极和基准电阻RS之间的节点上，采样电流Isense流过基准电阻RS后产生采样电压Vsense。同时，根据本发明的LED控制电路的负载短路模块4的开关设计为第三晶体管Q3，其中，第三晶体管Q3的控制电极接收切换信号PWM_str1，...，PWM_strn，工作电极连接至一个所述负载组str1，...，strn的输入端，参考电极连接至一个负载组str1，...，strn的输出端。
而图6示出了根据本发明的LED控制电路的第二实施例的电路图，在该实施例中，实际的输入电压小于在图表中示出的输入电压的1/2，流过负载组的工作电流是呈下降趋势的，同样结合公式(4)可知，增大峰值电流能够确保负载组str1，...，strn的工作电流Io保持恒定。图6中示出的第二实施例与图5中的第一实施例的唯一区别在于基准电压补偿模块。在第二实施例中，基准电压补偿模块5的每个基准电压补偿子模块均包括一个第二晶体管Q2和一个补偿电阻Rcomp，其中第二晶体管Q2的控制电极接收负载短路模块4的切换信号PWM_str1，...，PWM_strn，工作电极 通过补偿电阻Rcomp连接至比较器(3a)的反相输入端，参考电极连接至直流电压源Vcc。在通过切换信号PWM_str1，...，PWM_strn接通第二晶体管Q2时直流电压源Vcc对基准电压Vref进行补充，峰值电流Ipk也增大，从而实现了补偿，确保了流过负载的工作电流的恒定。
在本发明的设计方案中，负载组设计成LED灯串，其中LED灯串可通过设计成MOSFET管的开关进行短路控制。在本发明的设计方案中，使用了三组LED灯串，其中两组并联有对其进行短路控制的MOSFET管。但是根据本发明的设计原理，也可以使用多组LED灯串，并且每组都可以并联有对其进行短路控制的MOSFET管。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
参考标号
1                     转换模块
2                     基准电压发生模块
3                     控制模块
3a                    比较器
3b                    脉宽调制器
4                     负载短路模块
5                     基准电压补偿模块
str1，...，strn       负载组
Vin                   输入电压
Vout                  输出电压
Vsense                采样电压
Vref                  基准电压
Vcomp                 补偿电压
Isense                采样电流
Io                    工作电流
Ipk                       峰值电流
BUCK_PWM                  控制信号
PWM_str1，...，PWM_strn   切换信号
Q1                        第一晶体管
Q2                        第二晶体管
Q3                        第三晶体管
L1                        电感器
D1                        二极管
Rs                        基准电阻
Rcomp                     补偿电阻
R1                        第一电阻
R2                        第二电阻
Vcc                       直流电压源。

Claims (11)

1.一种用于控制LED照明装置的LED控制电路，所述LED照明装置包括至少两个串联连接的负载组(str1，…，strn)，所述LED控制电路包括：
-转换模块(1)，用于将输入电压(Vin)转换为用于所述负载组(str1，…，strn)的输出电压(Vout)，并输出所述负载组(str1，…，strn)的工作电流(Io)，所述工作电流(Io)被采样以获得采样电流(Isense)；
-基准电压发生模块(2)，产生一基准电压(Vref)；
-控制模块(3)，所述控制模块(3)将相应于所述采样电流(Isense)的采样电压(Vsense)与所述基准电压(Vref)进行比较，并根据比较结果向所述转换模块(1)输出控制信号(BUCK_PWM)；以及
-负载短路模块(4)，包括多个与各自的负载组(str1，…，strn)并联的开关，所述开关根据切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)对相应的所述负载组(str1，…，strn)进行短路控制，
其特征在于，所述LED控制电路还包括基准电压补偿模块(5)，所述基准电压补偿模块(5)响应于所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)产生对所述基准电压(Vref)进行补偿的补偿电压(Vcomp)。
2.根据权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，所述控制模块(3)包括：
-比较器(3a)，用于对所述采样电压(Vsense)和所述基准电压(Vref)进行比较；以及
-脉宽调制器(3b)，连接至所述比较器(3a)的输出端，用于根据所述比较结果生成作为所述控制信号(BUCK_PWM)的脉宽调制信号。
3.根据权利要求2所述的LED控制电路，其特征在于，所述基准电压补偿模块(5)包括多个彼此并联的基准电压补偿子模块，其中，每个所述基准电压补偿子模块对应于所述负载短路模块(4)的一个开关，并且所述基准电压补偿子模块和其对应的所述开关均通过同一所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)控制。
4.根据权利要求3所述的LED控制电路，其特征在于，每个所述基准电压补偿子模块均包括一个第二晶体管(Q2)和一个补偿电阻(Rcomp)，其中所述第二晶体管(Q2)的控制电极接收所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)，工作电极通过所述补偿电阻(Rcomp)连接至所述比较器(3a)的反相输入端，参考电极接地。
5.根据权利要求3所述的LED控制电路，其特征在于，所述基准电压补偿子模块包括第二晶体管(Q2)和补偿电阻(Rcomp)，其中所述第二晶体管(Q2)的控制电极接收所述切换信号，工作电极通过所述补偿电阻(Rcomp)连接至所述比较器(3a)的反相输入端，参考电极连接至直流电压源(Vcc)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的LED控制电路，其特征在于，转换模块(1)包括第一晶体管(Q1)、电感器(L1)和二极管(D1)，其中，所述第一晶体管(Q1)的控制电极接收所述控制信号(BUCK_PWM)，参考电极通过基准电阻(Rs)接地，工作电极连接至所述二极管(D1)的正极和所述电感器(L1)的一端之间的节点上，所述二极管(D1)的负极和串联的所述负载组(str1，…，strn)的输入端分别接入所述输入电压(Vin)，所述电感器(L1)的另一端连接至串联的所述负载组(str1，…，strn)的输出端。
7.根据权利要求6所述的LED控制电路，其特征在于，所述基准电压发生模块(2)包括直流电压源(Vcc)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，其中所述第一电阻(R1)的一端连接至所述直流电压源(Vcc)，并且另一端连接至所述比较器(3a)的反相输入端，所述第二电阻(R2)的一端连接在所述反相输入端和所述第一电阻(R1)的一端之间的节点上，并且另一端接地，并且所述比较器(3a)的同相输入端连接在所述第一晶体管(Q1)的参考电极和所述基准电阻(RS)之间的节点上，所述采样电流(Isense)流过所述基准电阻(RS)后产生所述采样电压(Vsense)。
8.根据权利要求2至5中任一项所述的LED控制电路，其特征在于，所述负载短路模块(4)的开关设计为第三晶体管(Q3)，其中，所述第三晶体管(Q3)的控制电极接收所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)，工作电极连接至一个所述负载组(str1，…，strn)的输入端，参考电极连接至一个所述负载组(str1，…，strn)的输出端。
9.一种LED控制电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)利用转换模块(1)将输入电压(Vin)转换为用于负载组(str1，…，strn)的输出电压(Vout)，并输出所述负载组(str1，…，strn)的工作电流(Io)，所述工作电流(Io)被采样以获得采样电流(Isense)；
b)利用切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)控制所述负载短路模块(4)的开关对所述负载组(str1，…，strn)中一个或多个进行短路控制；
c)通过基准电压发生模块(2)产生基准电压(Vref)；
d)利用所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)控制基准电压补偿模块(5)产生对所述基准电压(Vref)进行补偿的补偿电压(Vcomp)；
e)利用控制模块(3)对所述采样电压(Vsense)和补偿后的基准电压(Vref)进行比较，所述控制模块(3)根据比较结果调整其发出的控制信号(BUCK_PWM)的占空比，以控制流过所述负载组(str1，…，strn)的峰值电流(Ipk)的大小，进而输出恒定的工作电流(Io)。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤d)中，利用所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)接通所述基准电压补偿模块(5)的、连接至地的第二晶体管(Q2)，进而产生减小所述基准电压(Vref)的补偿电压(Vcomp)。
11.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤d)中，利用所述切换信号(PWM_str1，…，PWM_strn)接通所述基准电压补偿模块(5)的、连接至直流电压源(Vcc)的第二晶体管(Q2)，进而产生增加所述基准电压(Vref)的补偿电压(Vcomp)。
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