CN103415103B - 一种高光效可独立调光的led均流电路 - Google Patents

一种高光效可独立调光的led均流电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高光效可独立调光的LED均流电路，包括LED主功率电路、N条多个LED串联负载、N个均流开关管、N个采样电阻、功率控制环路和N个均流控制环路。在功率控制环路中引入最小电流检测和控制电路，在均流条件下，使得N条LED负载中至少有一条支路的均流开关管的占空比为1，其它支路的占空比尽可能的大，保证了N条LED光源的高光效输出。N个均流控制环路通过控制N个均流开关管的导通时间来实现各条支路的精确均流，在不增加成本的条件下，还可以实现独立调光控制。

Description

一种高光效可独立调光的LED均流电路
技术领域
本发明涉及一种的高光效可独立调光的LED均流电路，适用于以LED光源为负载的照明场合。
背景技术
随着半导体发光二极管（Light-emitting-diode,LED）技术的发展，LED照明广泛应用于各种照明场合。由于单颗LED输出光流明小，大部分照明场合采用LED多灯串并联相结合的连接方式。LED是电流型器件，其导通压降和驱动电流呈指数关系，导通电压的微小变化会造成驱动电流的明显改变。此外，LED的伏安特性随温度和个体差异变化而变化。因此，当多串LED负载相并联时，若每串LED负载的伏安特性不一致，相同的并联压降会造成各串LED驱动电流不同，造成LED光色不一致、个别支路提前老化、寿命减小等现象，影响了LED的发光质量、发光效率和使用寿命。此外，大部分照明场合需要LED灯具有调光功能，实现节能和个性化照明需求。常见的调光方式是脉宽调制和幅值调制，但均需要额外增加控制电路，增加了成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了克服上述LED应用中出现的多灯并联不均流，设计一种可以实现LED高光效的LED均流电路，该电路在不增加成本的前提下，可实现各串LED独立调光。
技术方案：本发明采用如下技术方案加以实现：
一种高光效可独立调光的LED均流电路，包括LED主功率电路、N条多个LED串联负载、N个均流开关管、N个采样电阻、1个功率控制环路和N个均流控制环路，其中N=2、3、4…，LED主功率电路输出端口连接N条并联的LED负载支路，每条负载支路连接一只均流开关管和采样电阻，通过采样电阻检测到的电流信号接入功率控制环路及均流控制环路中，从功率控制环路输出的信号接入LED主功率电路中，从均流控制环路中输出的信号接入均流开关管中。
所述的功率控制环路的输入信号是N条LED串联支路的采样电流iS1、iS2…iSN，每支采样电流连接峰值电流检测电路，其输出为每条支路的最大导通电流iP1、iP2…iPN，最大导通电流分别与N只二极管的阴极相串联，二极管的阳极连接于同一点，该点通过电阻与辅助电源Vcc相连，并且与电流环运算放大器的反相端相连，iP1、iP2…iPN中最小电流所在支路的二极管导通，得到N条支路中导通电流最小值iMIN，iMIN与电流环基准信号IREF通过电流环运算放大器相比较，比较得到的结果通过电流环运算放大器的输出接入PWM产生器得到占空比为DPOWER的脉冲信号，驱动LED主功率电路。
所述峰值电流检测电路包括运算放大器、二极管、放电电阻及滤波电容，运算放大器的同相端连接N条LED串联支路中任意一条支路的采样电流iSj，j∈N，运算放大器的输出端连接二极管的阳极，二极管的阴极与放电电阻和滤波电容并联连接，同时二极管的阴极连接运算放大器的反相端形成反馈，峰值电流检测电路的输出为采样到的峰值电流iPj。
均流控制环路的输入信号是N条LED串联支路的采样电流iS1、iS2…iSN，每个采样电流连接低通滤波器，得到滤波后的平均电流，平均电流与基准电流ISHARE1、ISHARE2…ISHAREN通过电流环运算放大器相比较，将比较后的结果通过电流环运算放大器的输出端接入PWM产生器得到vG1、vG2…vGN的脉冲信号，驱动N条LED负载支路上的均流开关管。
将功率环电流运算放大器基准信号IREF和N条均流环电流运算放大器的基准信号ISHARE1、ISHARE2…ISHAREN相比较，若IREF=ISHARE1=ISHARE2=…=ISHAREN，则N条LED负载支路自动实现均流，且存在至少一条LED负载支路的均流开关管（3）的占空比为1，其他支路的均流占空比尽可能大，保证每条LED负载支路尽可能小的导通电流，实现高输出光效；若IREF<ISHARE1=ISHARE2=…=ISHAREN，则N条支路实现均流加调光功能；若IREF<ISHARE1≠ISHARE2≠…≠ISHAREN，则N条支路实现独立调光功能，其调光效果取决于各自基准电流ISHARE1、ISHARE2…ISHAREN的大小。
有益效果：本发明的高光效可独立调光的LED均流电路，通过设定均流信号等于N条LED负载的最小导通电流方式，使得至少一条LED负载支路以占空比为1恒流输出，其他支路以尽可能大占空比输出PWM电流，在相同的平均电流输出下，占空比大的PWM电流的导通电流值小，保证了LED负载的高光效特性。通过设定每条均流环的电流基准信号，实现各条LED负载的独立调光控制，调光控制与均流控制电路结合，简单可行，不增加成本。
附图说明
图1是本发明的高光效可独立调光的LED均流电路示意图；
图2是第j条LED负载支路对应的峰值电流检测电路；
图3是N条PWM电流的LED负载支路电流示意图；
图4是LED负载等效模型图；
图5是三条负载支路的均流效果图；
图6是三条负载支路的峰值电流检测波形图；
图7是三个均流环和一个功率环的PWM产生器的反相端口PWM信号和同相端口信号波形图；
图8是三条负载支路独立调光的电流波形图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：
本发明涉及的高光效可独立调光的LED均流电路，包括LED主功率电路、N条LED并联负载、N个均流开关管、N个采样电阻、1个功率控制环路和N个均流控制环路。主功率电路实现DC/DC功率变换，输入电压为vIN，输出电压为vO，功率控制反馈环路提供占空比为DPOWER的PWM信号控制主电路功率输出，所述N条LED负载并联支路的每条支路由M个LED串联得到，并与一只均流开关管和采样电阻RS串联，通过采样电阻检测到的电流信号作为功率环和均流环的输入信号。每条LED负载支路串联一只均流开关管，开关管通过均流环生成控制信号来实现均流和调光。
图1是本发明所提出的高光效可独立调光的LED均流电路示意图，从图中可以看到，N条LED并联支路，需要N个均流控制环实现均流和调光，功率控制环控制主电路实现LED高光效输出。
图2是附图1中提到的峰值电流检测电路，以第j条LED负载支路（j∈N）为例，第j条LED负载支路的电流值为ij，其峰值电流检测电路的输入信号为从LED负载支路检测到的电路信号iSj，那么
iSj=ij·RS               （1）
iSj接入运算放大器的同相端，若iSj增大，运算放大器的反相端iPj不变，则运算放大器的输出端增大，二极管导通，反相端与二极管阴极相连，则反相端跟随增大，直至增大到iSj，则运算放大器达到新的平衡，二极管关断。只要iSj增大，运算放大器的反相端iPj必然跟随iSj变化而变化，输出iSj的峰值，实现峰值电流检测，输出端接入电容用以滤波。该电路用以检测LED负载PWM电流的导通电流大小。为避免PWM电流导通时的电流尖峰影响，在运算放大器输出端接入电阻，将尖峰电流的能量释放。
图3是在均流条件下，不同占空比的PWM电流波形图。由图中可知，在均流条件ILED下，即每条LED负载的平均电流相等，即
ILED=I1·D1=I2·D2=...=IN·DN          （2）
由（2）知，占空比大的LED支路其导通电流小，对于LED灯输出光特性来说，导通电流大，发光效率反而变小，这是因为过高的电流造成了热损耗，从而降低了发光效率。因此，对于相同的均流电流，占空比大的支路LED发光效率高，为了整个LED负载发光效率高，应采取措施保证每条支路的占空比尽可能大，本发明中，最大的占空比为1。
下面结合图1、2和3将该发明的高光效可独立调光的LED均流电路的原理进行介绍。为了保证每条LED支路的占空比尽可能大，同时每条支路可调，在功率环中加入峰值电流检测电路和最小电流检测电路，以得到LED支路最小的导通电流iMIN，令
ILED=IREF             （3）
则iMIN通过电流运算放大器与IREF比较，调整PWM的占空比DPOWER，使得VO输出让导通电流为iMIN的LED支路满足
iMIN=ILED                （4）
这样，iMIN支路的均流开关管占空比为1，其他支路的导通电流虽大于iMIN，但占空比会尽可能大，这样其他支路的导通电流会减小，提高LED光源的发光效率。
LED支路的均流占空比从理论上可以通过式（2）得到，但实际控制是通过每条支路对应的均流环闭环反馈实现的。均流环的输入为采样的每条LED支路电流信号iSj，iSj通过低频滤波器，滤除高频成分，得到其平均电流值，与基准信号ISHAREj（j∈N）通过电流运算放大器比较，得到各自的均流驱动信号。若
ILED=ISHAER1=ISHAER2=...=ISHAERN            （5）
则每条支路的平均电流等于均流电流，由于功率环的控制，会使得iMIN支路的均流开关管占空比为1，其他支路占空比通过均流环自动得到。
在需要调光场合，若N条LED支路同时调光，则
ILED<ISHAER1=ISHAER2=...=ISHAERN            （6）
此时，由于调光作用，占空比按调光需求生成。
在N条支路独立调光场合，通过控制每条支路的均流信号ISHAREj（j=1,2..N），调光效果取决于各自基准电流ISHARE1、ISHARE2…ISHAREN的大小，简单实现。即
ILED<ISHAER1≠ISHAER2≠...≠ISHAERN            （7）
图5-8是以3条LED负载为例，N=3，分别验证该均流电路的均流效果和调光效果。采用的LED负载等效模型如图4所示，3条LED负载的等效参数为：
#1:VTH1=16V r1=3Ω
#2:VTH2=17V r2=2Ω            （8）
#3:VTH3=18V r3=1Ω
图5是三条支路在均流信号ILED=0.5A下的电流波形图，由图可见，#3支路导通电流最小，因此是满占空比输出，#2和#1支路通过PWM调制，达到均流效果。由于此时三条支路的占空比尽可能大，所以其导通电流小，保证了LED的高光效输出。
图6是3条LED负载支路的采样电流信号通过峰值电流检测电路后的波形，通过该电路，得到三条LED负载的导通电流大小，为功率控制环路中的最小电流检测提供信号。
图7是三条均流环和功率环的PWM产生器的反相端口PWM信号和同相端口信号，图中可以看出三条均流环共用同一锯齿波信号，简化控制电路，此处功率环和均流环的开关频率分别是100kHz和10kHz。
图8是三条支路独立调光示意图。图中可示，调整三条均流环路的ISHARE1=0.4A、ISHARE2=0.25A和ISHARE3=0.5A，三条LED均流环输出各自的驱动占空比信号，使得三条支路的平均电流达到各自的调光效果。

Claims (4)

1.一种高光效可独立调光的LED均流电路，其特征在于：包括LED主功率电路（1）、N条多个LED串联负载（2）、N个均流开关管（3）、N个采样电阻（4）、1个功率控制环路（5）和N个均流控制环路（6），其中N=2、3、4…；
LED主功率电路（1）输出端口连接N条并联的LED负载（2），每条负载支路连接一只均流开关管（3）和采样电阻（4），通过采样电阻检测到的电流信号接入功率控制环路（5）及均流控制环路（6）中，从功率控制环路（5）输出的信号接入LED主功率电路（1）中，从均流控制环路（6）中输出的信号接入均流开关管（3）中；
所述的功率控制环路（5）通过峰值检测电路及最小导通电流检测电路，得到N条支路中导通电流最小值i MIN ，i MIN 与电流环基准信号I REF 分别连接电流环运算放大器的反相和同相端，使得i MIN =I REF ，电流环运算放大器的输出接入PWM产生器得到占空比为D POWER 的脉冲信号，驱动LED主功率电路；
将功率环电流运算放大器基准信号I REF 和N条均流环（6）中的电流运算放大器的基准信号I SHARE1 、I SHARE2…I SHAREN 相比较，其中，I SHARE1，2..N 即为每条LED负载需实现的平均电流：
若I REF =I SHARE1 =I SHARE2 =…=I SHAREN ，则N 条LED负载支路自动实现均流，存在至少一条LED负载支路的均流开关管（3）的占空比为1，即导通电流为i MIN 的支路，其他支路的均流占空比尽可能大，保证D POWER 尽可能小，即每条LED负载支路流过尽可能小的导通电流，实现高输出光效；
若I REF <I SHARE1 =I SHARE2  =…=I SHAREN ，则N条支路实现均流加调光功能；
若I REF <I SHARE1  ≠I SHARE2 ≠…≠I SHAREN ，则N条支路实现独立调光功能，其调光效果取决于各自基准电流I SHARE1 、I SHARE2…I SHAREN 的大小。
2.如权利要求1所述的均流电路，其特征在于：所述峰值电流检测电路包括运算放大器、二极管、放电电阻及滤波电容，运算放大器的同相端连接N条LED串联支路中任意一条支路的采样电流i Sj ，j∈N，运算放大器的输出端连接二极管的阳极，二极管的阴极与放电电阻和滤波电容并联连接，同时二极管的阴极连接运算放大器的反相端形成反馈，峰值电流检测电路的输出为采样到的峰值电流i Pj 。
3.如权利要求1所述的LED均流电路，其特征在于：所述的最小导通电流检测电路的输入为每条支路峰值电流i P1、i P2…i PN，将其分别与N只二极管的阴极相串联，二极管的阳极连接于同一点，该点通过电阻与辅助电源Vcc相连，并且与电流环运算放大器的反相端相连，i P1、i P2…i PN中最小电流所在支路的二极管导通，得到N条支路中导通电流最小值i MIN 。
4.如权利要求1所述的均流电路，其特征在于：均流控制环路（6）的输入信号是N条LED串联支路的采样电流i S1、i S2…i SN，每个采样电流连接低通滤波器，滤波后得到其平均电流，平均电流与基准电流I SHARE1 、I SHARE2…I SHAREN 通过电流环运算放大器相比较，将比较后的结果通过电流环运算放大器的输出端接入PWM产生器得到v G1 、v G2 …v GN的脉冲信号，驱动N条LED负载支路上的均流开关管（3）。
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