CN103260296B - 一种多支路led线性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多支路LED线性驱动器，随着供电电压的变化，多支路中的一条支路开启而其他支路关闭，所述驱动器包括：多个串联LED，当支路开启时，电流经导通的一个或多个LED从开启支路上流过；反馈控制模块，其以开启支路上流过的支路电流为输入，通过结合低通滤波的反馈控制，输出针对开启支路的反馈控制信号，其中，低通滤波使得支路电流趋于恒定，反馈使得各支路电流之和趋于一个预定值；多个电流调节模块，用于分别通过反馈控制信号来调节各开启支路上的支路电流，调节后的支路电流流入所述反馈控制模块。本发明通过结合低通滤波的反馈，在支路开启时动态调整LED上流过的瞬时电流，对LED接入时间进行补偿，从而使得LED总的平均发光强度保持恒定。

Description

一种多支路LED线性驱动器

技术领域

本发明涉及发光二极管（LED）驱动，尤其涉及一种多支路LED线性驱动器。

背景技术

一般来说，LED的驱动方式包括线性驱动和开关驱动，其中，线性驱动是一种较为简单和直接的驱动方式。线性驱动具有结构简单，EMI小等优势，但同时也存在效率低、调节性差等问题。尤其在只有一个LED支路的情况下，在AC供电的情况下会由于电压变化范围较大而导致效率较低。因此，可以采用多支路LED串联的方式，该方式根据供电电压的变化，自适应的将不同LED串接入供电系统中，从而提高效率。但是，采用多支路LED串联的方式也存在其缺陷。在多支路LED方式下，LED灯串接入供电系统的时间会随着供电电压的改变而发生变化，从而导致LED的平均发光强度发生变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的多支路LED线性驱动器。

本发明提供了一种多支路LED线性驱动器，其中，随着供电电压的变化，所述多支路中的一条支路开启而其他支路关闭，所述驱动器包括：多个串联的LED，当支路开启时，电流经导通的一个或多个LED从开启支路上流过；反馈控制模块，其以开启支路上流过的支路电流为输入，通过结合低通滤波的反馈控制，输出针对所述开启支路的反馈控制信号，其中，所述低通滤波使得所述支路电流趋于恒定，所述反馈使得各支路电流之和趋于一个预定值；以及多个电流调节模块，用于分别通过所述反馈控制信号来调节各开启支路上的支路电流，调节后的支路电流流入所述反馈控制模块。

优选地，所述反馈控制模块包括：加权求和模块，用于通过分别针对各支路电流的各加权系数对各支路电流求加权和；以及误差放大与低通滤波模块，用于根据所述预定值和所述加权和进行误差放大和低通滤波，得到所述反馈控制信号。

优选地，所述反馈控制模块还包括：模数转换模块，用于在所述求加权和的步骤之前对所述各支路电流进行模数转换；以及数模转换模块，用于对所述误差放大和低通滤波的结果进行数模转换，得到所述反馈控制信号；其中，所述求加权和、所述误差放大和低通滤波在数字域下进行。

优选地，所述加权求和模块是电流镜。

优选地，所述各加权系数之比为各开启支路上导通的一个或多个LED的压降和之比。

优选地，所述各加权系数相等。

优选地，所述低通滤波的截止频率低于所述供电电压的变化频率。

优选地，所述电流调节模块是场效应晶体管，其栅极连接到所述反馈控制模块以接收所述反馈控制信号，所述支路电流从漏极流向源极。

优选地，所述电流调节模块包括场效应晶体管和运算放大器，其中：所述场效应晶体管的栅极连接到所述运算放大器的输出端，源极连接到所述运算放大器的负输入端，所述支路电流从漏极流向源极；所述运算放大器的正输入端连接到所述反馈控制模块以接收所述反馈控制信号。

优选地，所述驱动器还包括：整流桥，用于对所述供电电压进行整流后向所述驱动器供电。

本发明通过结合低通滤波的反馈，在支路开启时动态调整LED上流过的瞬时电流，对LED接入时间进行补偿，从而使得LED总的平均发光强度保持恒定。

附图说明

图1是一个三LED支路的LED驱动电路中各电路参数的关系示意图；

图2是根据本发明实施例的多支路LED线性驱动器的电路图；以及

图3是根据本发明实施例的多支路LED线性驱动器的控制模块的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1是一个三LED支路的驱动电路的中各电路参数的关系示意图。

如图1所示，VIN为经过整流的电源电压，其表现为一个半波正弦波形，其频率例如可以是100Hz。可见，在电源电压的一个变化周期内，随着时间t的增加，电源电压VIN逐渐升高，到达峰值后逐渐回落。V1、V2和V3分别为顺序串接的第一、第二和第三LED在正常工作时的压降，t1、t2和t3为一个周期内对应于三个LED支路的导通时间，I1、I2和I3分别为三个LED支路导通时该支路上流经的电流。

下面结合图1详细阐述在电源电压的一个变化周期内电源电压与流经各支路的电流以及各LED正常工作时的压降之间的关系。

在周期的起始阶段，当VIN<V1时，所有的LED均无法导通，所有支路无法开启。

在电源电压上升阶段：

当V1<VIN<（V1+V2）时，第一LED导通，第一支路开启，开启持续时间为t1，流经第一支路的电流为I1。

当（V1+V2）<VIN<（V1+V2+V3）时，第一和第二LED导通，第一支路关闭，第二支路开启，开启持续时间为t2，流经第二支路的电流为I2。

在电源电压的上升和下降同时存在的阶段：

当VIN>（V1+V2+V3）时，第一、第二和第三LED导通，第一和第二支路关闭，第三支路开启，开启持续时间为t3，流经第三支路的电流为I3。

在电源电压下降阶段：

当（V1+V2）<VIN<（V1+V2+V3）时，第一和第二LED导通，第三支路关闭，第二支路开启，开启持续时间为t2，流经第二支路的电流为I2。

当V1<VIN<（V1+V2）时，第一LED导通，第二支路关闭，第一支路开启，开启持续时间为t1，流经第一支路的电流为I1。

在周期的结束阶段，即当VIN<V1时，所有LED均无法导通，所有支路无法开启。

由此可以看出，支路开启与否只取决于LED的压降与电源电压的关系。当电源电压的整流正弦波的峰值发生变化时，开启电压对应的相位角就会发生改变，从而导致支路的开启时间发生变化。假定正常工作时各个支路的电流分别为I1、I2和I3，一个周期T内导通时间分别为t1、t2和t3，三个串接的LED的压降分别为V1、V2和V3。三个LED的功率分别为P1、P2和P3，其中，P1=V1*（I1*t1+I2*t2+I3*t3）/T，P2=V2*（I2*t2+I3*t3）/T，P3=V3*（I3*t3）/T，总功率为P=P1+P2+P3。可以看到，如果I1，I2，I3不变，由于t1，t2，t3发生变化，会使得P发生改变，从而导致多个LED的平均发光强度发生变化。但是，如果可以对各支路的电流进行动态调整，则可以补偿各个LED由于电源电压变化所导致的开启时间变化对总功率的影响，从而使多个LED的平均发光强度趋于稳定。

图2是根据本发明实施例的多支路LED线性驱动器的示意图。

交流电源（AC）经过整流器整流之后为整个电路供电，三个LED顺序串接在电路中，第一LED的正极连接到整流器的输出端。三个LED的负极分别连接到三个场效应管（FET）的漏极，三个FET的源级分别连接到负载电阻R1、R2和R3的一端，形成三条支路。三个FET的栅极连接到反馈控制电路，以接收其输出的反馈控制信号。电阻R1、R2和R3的另一端连接到控制电路，将各支路电流提供给反馈控制电路。反馈控制电路根据各支路电流的加权和，通过低通滤波和误差放大处理，产生针对各支路电流的低通滤波作用下的反馈控制信号。反馈控制信号被送到电流调节模块，在图2中实现为一个场效应晶体管。通过用该反馈控制信号去控制导通的FET的栅极电压，从而使得各支路中的瞬时电流发生变化。本领域普通技术人员应当理解，用控制信号调整支路电流的实现电路可以是多种多样的，只要该电路一端接控制信号，当控制信号发生变化时能使得LED上流过的电流发生变化就可以。例如，将该控制信号作为参考电平，驱动管的栅极由一个反馈形式的运算放大器驱动，该运算放大器的正输入端为该控制信号，负输入端为该驱动管的源极。

从而，在电源电压发生变化时，通过低通滤波作用下的反馈控制区调整开启支路中的电流，对支路开启时间的变化做出补偿，使得三个LED在一个电源电压变化周期内的总功率趋于恒定，从而使三个LED的平均发光强度也趋于恒定。

一条支路的开启或者关闭，由相关联的电路设计决定。为了最大限度的利用LED，可以将电路设计成具有下面的效果。在电源电压上升阶段，一般当电源电压稍高于当前支路上LED的压降，当前支路就会开启；而当电源电压高于下一支路上LED压降时，则当前支路关闭，下一支路开启，以此类推。在电源电压下降阶段，一般当电源电压稍低于当前支路的LED压降时，当前支路关闭，其前一支路开启，以此类推。例如，可以通过一个切换控制模块来实现上述的支路切换功能。该切换控制模块同时检测电源电压变化和各个led支路的工作状态，并根据内建的算法，在各个支路间进行切换。

本领域技术人员应当理解，根据本发明的LED线性驱动器并不限制于三支路，而是可以根据其原理扩展到其它数量的支路。

图3是根据本发明实施例的多支路LED线性驱动器的反馈控制模块的流程图。

在支路开启时，电流经各支路流向反馈控制模块，构成反馈控制模块的输入。对各支路电流I1、I2和I3进行加权求和，得出电流加权和，其中，各支路电流I1、I2和I3的加权系数分别为K1、K2和K3。对电流加权求和的过程可以用电流镜复制电流的方式实现，也可以将各支路电流通过电阻转化成电压，然后用对电压加权求和的方式实现，应当理解，电阻值也可以视为加权系数。另外，还可以将各支路电流经过A/D转换后在数字域直接用乘法器实现加权。例如，加权系数可以被设计成k1:k2:k3=V1:(V1+V2):(V1+V2+V3)，或者K1=K2=K3，等等。

对该加权电流和进行低通滤波和误差放大（LPF+EA），其中，误差放大的参考值为一个预定值REF，低通滤波的截止频率可以被设置成低于为电路供电的交流电的变化频率。低通滤波可以用各种各样具有低通滤波效果的等效电路来实现。将低通滤波后的加权电流和与一个预定的参考值进行比较，进行误差放大，得到最终的控制信号。

本领域技术人员应当理解，低通滤波和误差放大在电路中可以用不同的顺序串联起来或者结合在一起实现，从系统角度看并没有本质差别。例如，可以先对各支路电流加权求和，然后将加权和与预定的参考值比较进行误差放大，将误差放大的结果再进行低通滤波，从而产生最终的控制信号。

由于低通滤波器的作用，在一个周期内可以认为在支路导通时其电流基本为恒定值。整个系统构成的负反馈最终会使得长期平均的结果在一个周期T内I1*t1*k1+I2*t2*k2+I3*t3*k3趋于恒定，其中，I1、I2和I3分别为各支路的电流，t1、t2和t3分别为各支路的开启时间，k1、k2和k3分别为各支路电流的加权系数。

例如，加权系数设计成k1:k2:k3=V1:(V1+V2):(V1+V2+V3)，已知I1*t1*k1+I2*t2*k2+I3*t3*k3趋于恒定，那么

(I1p*t1*V1+I2p*t2*(V1+V2)+I3p*t3*(V1+V2+V3))/T也将趋于恒定，而该表达式正是供电电压变化周期中所有LED的总功率P，所以总功率P趋于恒定。例如，还可以使k1=k2=k3，P1=V1*（I1*t1+I2*t2+I3*t3）/T在这种情况下近似保持不变。由于在通常情况下P1>P2>P3，所以总功率P1+P2+P3的变化也很小,在这种情况下，总的平均输入电流也将趋于恒定。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多支路LED线性驱动器，其特征在于，随着供电电压的变化，所述多支路中的一条支路开启而其他支路关闭，所述驱动器包括：

多个串联的LED，当支路开启时，电流经导通的一个或多个LED从开启支路上流过；

反馈控制模块，其以开启支路上流过的支路电流为输入，通过结合低通滤波的反馈控制，输出针对所述开启支路的反馈控制信号，其中，所述低通滤波使得所述支路电流趋于恒定，所述反馈使得各支路电流加权和的长期结果的平均值趋于恒定，所述长期为多个周期；以及

多个电流调节模块，用于分别通过所述反馈控制信号来调节各开启支路上的支路电流，调节后的支路电流流入所述反馈控制模块。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述反馈控制模块包括：

加权求和模块，用于通过分别针对各支路电流的各加权系数对各支路电流求加权和；以及

误差放大与低通滤波模块，用于根据预定值和所述加权和进行误差放大和低通滤波，得到所述反馈控制信号。

3.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，所述反馈控制模块还包括：

模数转换模块，用于在所述求加权和的步骤之前对所述各支路电流进行模数转换；以及

数模转换模块，用于对所述误差放大和低通滤波的结果进行数模转换，得到所述反馈控制信号；

其中，所述求加权和、所述误差放大和低通滤波在数字域下进行。

4.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，所述加权求和模块是电流镜。

5.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，所述各加权系数之比为各开启支路上导通的一个或多个LED的压降和之比。

6.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，所述各加权系数相等。

7.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述低通滤波的截止频率低于所述供电电压的变化频率。

8.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述电流调节模块是场效应晶体管，其栅极连接到所述反馈控制模块以接收所述反馈控制信号，所述支路电流从漏极流向源极。

9.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述电流调节模块包括场效应晶体管和运算放大器，其中：

所述场效应晶体管的栅极连接到所述运算放大器的输出端，源极连接到所述运算放大器的负输入端，所述支路电流从漏极流向源极；

所述运算放大器的正输入端连接到所述反馈控制模块以接收所述反馈控制信号。

10.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述驱动器还包括：

整流桥，用于对所述供电电压进行整流后向所述驱动器供电。