CN103493594A

CN103493594A - 用于两个或多个并联led灯串的驱动器

Info

Publication number: CN103493594A
Application number: CN201080071063.6A
Authority: CN
Inventors: W·陈; 树源·R·许
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
Current assignee: City University of Hong Kong CityU
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2014-01-01
Also published as: US9313846B2; US20130293126A1; WO2012059778A1

Abstract

一种用于多个LED灯串的LED驱动器，其具有公共节点和用于连接多个LED灯串的多个驱动器输出节点。提供主功率电路，该主功率电路具有与公共节点连接的主输出。提供多个从属功率电路，所述从属功率电路分别具有与相应的其中一个驱动器输出节点连接的从属输出。

Description

用于两个或多个并联LED灯串的驱动器

技术领域

本发明涉及LED驱动器电路，且具体地涉及用于并联LED灯串的驱动器电路及驱动并联LED灯串的方法。

背景技术

由于固态照明技术上的快速发展，发光二极管（LEDs）已在液晶显示器、标牌及通用照明中获得广泛应用。与现有的普通发光源（诸如白炽灯和荧光灯）相比，由于不存在灯丝的高场溅射，LEDs具有80,000-100,000小时的相对较长的工作寿命。市场上销售的LEDs现在用较少的玻璃密封，这使得对于操纵者而言它们的可靠性和安全性得到明显改善。由于不含有毒的汞，LED在其寿命尽头可以被安全地处置。其它的诸如无闪烁、平滑调光、低压工作和现色性良好等有利特点使得LED成为一项新兴的技术，其在不久的将来会在照明市场上占据主要地位。

广义的光－电－热（PET）理论指出，与单芯片高功率设计相比，使用低功率芯片的设备级多芯片设计具有功效更高和结温更低等有利特点。类似地，在系统级上，与系统功率相同的由数量较少的高功率LEDs构成的集中式系统相比，基于多个功率相对低的LED的分布式LED系统具有类似的优点。由于LED为电流驱动的设备且其发光强度与施加的正向电流直接相关，因此在驱动多个LED时，串联结构要优于并联结构，因为串联灯串中的所有LED可以在相同电流下工作，而不存在电流共用和色品变化问题。然而，串联连接的LED数量在很大程度上受到电源提供的输出低压的限制，因此并联的LED灯串特别适用于高功率应用（即>25W）。由于LED的制造公差、老化和温度变化，这种并联LED灯串结构会引发电流失衡问题，从而导致发光强度和颜色变化。此外，当在无电流共用装置的情况下使用并联LED灯串时，即使各个LED灯串的平均电流小于额定电流，某个或多个LED灯串也可能超出其最大绝对额定电流。

存在数种用于驱动并联连接的多串LED的电流共用法。一种直接的方式是使用与各LED灯串串联的镇流电阻器以使电流差最小。这种方式非常简单；然而，它的工作效率很差，因为在使用的镇流电阻器上会产生非常大的功耗。可以使用无损耗的电容器来替代有损耗的镇流电阻器，以在LED用AC交流电源驱动或者与整流器耦联时减少不必要的损耗。这些方法的主要缺陷在于不能精确控制各LED灯串的正向电流。目前，已在各个灯串上使用线性电流调节器来确保良好的电流共用效果，但是电流调节器上要耗费相当大的功耗。另一种方式是为各个LED灯串设立单独的电压源。可以使用一种基于并联或串联输入连接的转换器的模块式功率转换器结构，其中所述转换器具有独立的LED灯串负载。独立检测和控制各LED灯串的电流以遵循相同基准。由于不存在有损耗的镇流电阻器或线性电流调节器，这两种LED驱动器结构具有相对更高的转换效率。然而，这种结构复杂且昂贵，因为每个LED灯串都需要一套主电路和控制器。

发明内容

本发明提供了一种用于驱动多个并联LED灯串的LED驱动器，其具有公共的主功率转换器和并联级联的从属功率转换器。主功率转换器被用于提供驱动器电压的绝大部分，具有电压调节的多个从属转换器模块提供剩余的平衡电压以分别控制各个LED灯串电流。主功率转换器可以受到PWM控制以对LED灯串进行调光。主功率转换器应提供总输出电压的绝大部分，同时从属功率转换器提供这种电压的剩余少量部分。优选但非必要地，主功率转换器提供LED灯串的标称供电电压的百分之九十（90%）。关于各LED灯串的电压的剩余百分之十（10%）由从属功率转换器之一提供。从属功率转换器调节剩余电压以平衡各并联LED灯串上的电流。从属转换器可以使用半导体开关（诸如功率MOSFET）或磁放大器以进行开关控制。

本发明还提供了通过从单个主功率转换器电路提供灯串供电电压的第一部分和从独立的从属功率转换器提供各个LED灯串的电压的第二剩余部分来驱动两个或多个并联LED灯串的方法。独立的从属功率转换器用于各个LED灯串，且该方法包括独立调节剩余的电压部分以平衡各LED灯串中的电流。

因此，此处公开了一种LED驱动器，该驱动器包括公共节点，多个驱动器输出节点，其中在使用中，多个LED灯串被连接在相应的驱动器输出节点和公共节点之间，具有与公共节点连接的主输出的主功率电路，以及多个从属功率电路，各个从属功率电路具有与相应的其中一个驱动器输出节点连接的从属输出。

此处还公开了一种LED驱动器，该驱动器包括公共节点，至少两个输出节点，生成与公共节点连接的主电压输出的主功率电路，至少两个从属功率电路，每个从属功率电路生成经调节的电压输出，经调节的电压输出与相应的其中一个输出节点相连，其中公共节点和其中一个驱动器输出节点之间的驱动器电压包括主电压和相应的其中一个从属电压之和。

各从属输出可以与主输出串联连接。主功率电路和从属功率电路优选被设置成主电压大于任何从属电压，且更优选地比任何从属电压大大约9倍，但是本领域技术人员将认识到，在优选方面，次级电路是独立调节的，因此电压比在使用中可以发生改变。

主功率电路和/或从属功率电路优选为开关模式的功率源。更优选地，功率电路包括具有变压器的正向转换器，所述变压器具有第一和第二次级绕组，其中主功率电路连接第一次级绕组，各从属功率电路连接第二次级绕组。各从属功率电路可以具有半导体开关（诸如功率MOSFET）或磁放大器，以及反馈电路以独立调节各从属功率电路。初级电路连接变压器的初级绕组，且包括PWM控制开关以调节初级绕组的功率。

本发明的其它方面将从下面描述中变得显而易见，所述描述只是以举例方式给出以说明本发明的具体实施例。

附图说明

现在将参见附图描述本发明，其中：

图1a、1b和1c是用于减少并联LED灯串中电流失衡的三种现有技术方法的示意图；

图2a是根据本发明的LED驱动器的示意图；

图2b是LED驱动器的电压输出的图示；

图3是LED驱动器的电路图；

图4示出了LED驱动器的Lf－Vm曲线；

图5是具有PWM调光的、根据本发明的LED驱动器的第二实施例的电路图；

图6是具有PSPWM调光的、根据本发明的LED驱动器的第三实施例的电路图；

图7示出了对于（a）匹配的LED灯串和（b）失配的LED灯串，以根据本发明的LED驱动器为例的初级开关电流Ip和次级整流器电压Vr、Vr1、Vr2和Vr3的波形；

图8示出了在（a）100%、（b）80%、（c）50％和（d）20％的传统PWM调光操作下，测量得到的关于根据本发明的LED驱动器实例的LED灯串电流波形；

图9示出了在（a）80%、（b）50％和（c）20％的PSPWM调光操作下，测量得到的关于根据本发明的LED驱动器实例的LED灯串电流波形；

图10示出了根据本发明的LED驱动器实例与现有技术的多输出磁放大器调节的驱动器之间的效率比较；以及

图11是用于与红色、绿色和蓝色（RGB）LED灯串一同使用的根据本发明的LED驱动器的第三实施例的电路图。

具体实施方式

在详细描述本发明的实施例之前，应认识到本发明的应用不限于下列描述中提出或附图中示出的结构细节。本发明能够具有其它实施例，并且可以以各种方式实施或实现。还应认识到，此处使用的用语和术语是描述性的，不应被视为限制性的。

本发明提供了一种用于并联LED灯串的驱动器，其具有用于所有LED灯串的“公共”主电压源（Vm）和用于各LED灯串（S1,S2..Sn）以进行电流调节的独立从属电压源（Vs1-Vsn），如图2a中所示。参见图2a和图2b，各灯串中消耗的功率的大部分由“主”电压源（Vm）馈送，而相应的从属电压源（Vs1，Vs2…Vsn）用于调节各LED灯串（S1，S2…Sn）中的电流以便电流平衡。为避免更大的功耗，所有主直流源和从属直流源应为开关模式的转换器。这对于具有宽的设备参数公差的LED而言是非常重要的。例如，在45mA下，8个LED灯串的正向电压会在21.9V－31.7V之间变化。如果使用线性电流调节器，正向电压最小的灯串的线性电流调节器两侧的压降将高达9.8V，在正向电流较大的情况下，电流调节器上的功耗是不可接受的。例如，典型的0.3A的灯串电流将在各个灯串上导致约3W的功耗。根据所提出的LED驱动器结构，可以在各个灯串中建立为所有8个灯串公用的20V主源和覆盖并联LED灯串之间压差的独立低压从属电压源。因此，大部分功率由主源提供，只有剩余功率由相应的从属源提供。

在本发明中可以使用各种具有多个独立输出的布局。然而，对于商业应用而言，驱动器应优选满足以下技术要求：

1）电隔离：在主源和从属源之间需要电隔离，因为它们的终端不能共用相同的接地。然而，在从属源之间不必进行电隔离。

2）经调节的输出：LED灯串两端的电压应进行调节以适应不同正向电流和环境温度。因此，优选经独立和精确调节的多个输出；

3）模块化：这种布局优选是容易扩展的，因此优选模块式方式。

4）功率分配：大部分的LED功率应由主源提供，且剩余功率由从属源提供。该电路的实施方式应实现这种功率分配。

基于这些考虑，图3中示出了LED驱动器布局的第一实施例，其具有磁放大器（mag-amp）后级调节器。磁放大器后级调节器布局具有效率高、稳定性高、功率密度高、控制简单和电磁干扰低等特点。然而应注意到，基于功率半导体开关（诸如MOSFET而非磁放大器）的标准开关模式功率调节器也可以用于图3中的从属后级调节器。只需要变压器的两个次级绕组Ns1和Ns2来生成多个（两个以上）输出。一个次级绕组Ns1的输出用于主源Vm，其受到初级侧上的功率转换器的PWM控制。另一次级绕组Ns2的输出被用于通过检测LED正向电流基于具有反馈回路v1、v2的独立磁放大器调节器Lm1、Lm2生成多个从属源Vs1，Vs2…，Vsn（图3中只示出两个从属源，但是更多的源可以被用于更多的LED灯串）。值得注意的是，本发明的结构的两个优点是：首先，只需要两个次级绕组来生成多个输出，从而形成更为简单的变压器结构、更低的生产成本和更少的漏感；其次，各个磁放大器调节器Lm1、Lm2只被用于处理各个LED灯串上的小部分功率，因此磁放大器芯的尺寸要小很多并且其功耗较低。

磁放大器调节器为各LED灯串上的部分功率提供功率调节功能。如果灯串电流Io1大于参考电流Iref，则磁放大器电感Lm1的阻断持续时间将通过调节重置电路的输出而增加，使得Vs1下降及Io1相应减小以符合Iref。如图3中所示，可以看到为各LED灯串提供的功率由两部分构成，即主源和独立的从属源。如果LED灯串的正向压降恒定，则在主源和从属源之间存在无数种分布组合。因此，在此将定性分析如何找到最佳的分布。

A.功率分布

首先，在所有工作状态下，主源的电压必须低于LED灯串的所有正向压降，因为主源应提供所有LED灯串的功率的绝大部分（但非全部），即Vm<Vled_min。从属源应当能够调节LED灯串两端电压部分以调节它们的正向电流。

其次，主源越低，从属源则越高，因为它们的总和应等于整个LED灯串两端的电压。在极端情况下，如果主源电压为零，则所提出的电路简化成常规的具有多个输出的转换器，在这种情况下，各LED灯串完全由单个源供电。在这种极端情况下存在两个缺点。各个源中的整流二极管的电压压力将明显增大，因此必须使用压降相对较高的高压二极管。第二个缺点是，在各个源中需要更大的输出滤波器电感来满足输出电流纹波要求。除此之外，磁放大器上的功耗将增大，因为它必须阻断对于整个LED灯串而言足够高的电压。在本发明中，公共功率源为所有LED灯串提供主要电压。因此，可以为从属源选择诸如Schottky二极管的具有低额定电压和低正向压降的功率二极管，以及更小的输出滤波器电感。

在该分析中，假定所有LED灯串共用相同电流和具有相同的正向压降VF，且所有灯串电流的总和为IF。所有输出滤波器电感电流被假设具有相同的纹波电流因子γ。对于各LED灯串完全由单个源提供功率的场合而言，每个输出中需要的输出滤波器电感为：

L_{fpi} = \frac{V_{F} (1 - D) T_{s}}{γ \cdot I_{F} / n} = \frac{V_{F} (1 - D) T_{s}}{{ΔI}_{F - slave}} = α

(i=1,…n)（1）

其中D为次级绕组中电压脉冲的占空度，Ts为次级绕组中电压脉冲的开关周期，n为LED灯串的数量。为方便起见，式（1）中的

的值被定义为α。

于是对于所提出的驱动器，主源所要求的输出滤波器电感为

L_{fm} = \frac{V_{m} (1 - D) T_{s}}{γ \cdot I_{F}} = \frac{V_{m}}{n \cdot V_{F}} \cdot α - - - (2)

各从属源所要求的输出滤波器电感为：

L_{fsi} = \frac{(V_{F} - V_{m}) (1 - D) T_{s}}{γ \cdot I_{F} / n} = \frac{V_{F} - V_{m}}{V_{F}} \cdot α

（i=1,…n）（3）

然后可以获得Lf对Vm的曲线，如图4所示。如果负载具有三个LED灯串，即n=3，设定Vm=0.9VF（即共用的功率源提供输出电压的90%），则在所提出的驱动器中需要一个关于Vm为0.3α的电感，以及三个关于Vs1－Vs3分别为0.1α的电感。

磁放大器芯上的芯损为：

P_core＝(9.93×10^-6)·(f^1.57)·(B^1.70)（4）

方程（4）表明芯损与磁通密度成正比。在我们的提议中，使用磁放大器芯的从属源的电压远低于LED灯串两端的整个电压。因此，方程（4）从理论上证实在此建议中，磁放大器的功耗也减少了。

B.调光方法

传统上具有两种用于驱动LED的调光技术：幅度模式和PWM模式。然而，PWM调光法已在高性能应用（诸如显示屏面）中得到更好地接受，因为LED的电流水平且因而色温可以被保持，而幅度模式则为普通的公共照明应用所接受。

在本发明中，可以通过传统的PWM方案和相移PWM（PSPWM）方案来实现调光。图5（只示出两个LED灯串）中示出了所提出的具有传统PWM调光功能的LED驱动器系统的电路图，其中Rs1和Rs2分别为LED灯串S1和S2的电流检测电阻，Q为PWM调光开关，点线方框中的电路为磁放大器的重置电路。不同于与线性电流调节器一同使用的传统PWM调光法，在该建议中，所有的LED灯串只需要一个MOSFET（调光开关），且它不在线性阻抗区工作，而是在饱和区工作。因此，该调光过程中的电导功耗可以减少。然而，需要差分放大器（DA1）来检测LED电流信号，因为所有的电流检测电阻不共用公共接地（由于只使用一个调光开关Q）。将检测的电流信号与Iref作比较以调节磁放大器的重置电流。齐纳二极管Zd1的特殊用途是充当电压变换器，因为转换器的多个输出电压不会与误差信号放大器的电压水平相同。在Q关闭期间，初级主开关的高频开关操作可以被停止以进一步降低开关损耗。如果调光开关Q被短路，则可以通过调节电流参考值Iref来实现幅度模式调光。

为避免传统PWM调光的缺陷（诸如颤动较大的输入/输出电流和退化的EMI性能），可以采用PSPWM调光功能。图6中示出了所提出的具有PSPWM调光功能的LED驱动器系统，其中每个LED灯串使用一个调光开关。在图6的重置电路中，PNP晶体管（Qr1）被添加到误差信号放大器的输出上。它的作用将在下面解释。以LED灯串S1为例。在Q关闭期间，如果不使用Qr1，则检测到的电流为0且EA1的输出电压较高。这种情形将导致重置电流对于可饱和的电抗器Lm1而言过小，Lm1将失去其磁放大器功能，Vs1将升高至远高于其期望值。即，Vs1失去控制。当添加Qr1时，EA1的输出电压近似为0，则Lm1的重置电流将增大以阻止来自次级绕组Ns2的电压脉冲。因此，可饱和的电抗器必须被设计成能够承受输入波形的全部伏秒数。在所有PWM调光信号同时较低的情况下，变压器的初级侧上的主开关将被关闭以降低开关损耗。所有PWM调光信号通过Dr1－Drn进行或运算以检测该信号。

所提出的LED驱动器的性能通过具有120kHz单端正向转换器的原型来验证，所述转换器具有由20-30V的电压源工作的第三变压器重置绕组。利用三个并联的CREE冷白LED（型号为XREWHT-L1-WG-Q5-0-04）灯串来评估所提出的LED驱动器的性能，其中每个灯串上串联有6个LED。在350mA下，各个LED的典型正向电压为3.3V，且期望的Vm被设为17V。电路的关键部件在表1中列出。电感值通过(1)－(3)确定。

表1

初级主开关	IRF540N
		变压器的匝数比	Np:Nr:Ns1:Ns2=12:12:24:5
主源的整流器	BYW51-200
		从属源的整流器	42CTQ030S
主源的滤波器电感	530μH
		从属源的滤波器电感	170μH
PWM控制器	SG3525A（120kHz）
		Lm1～Lm2	AMG-12S,16T
Zd1～Zd3	1N5349B
		Qd1～Qd3	TIP127
EA1～EA3	LM358

图7示出了LED驱动器的主要波形。图7(a)示出了初级开关电流Ip和次级整流器电压Vr、Vr1、Vr2和Vr3的波形。可以看到脉冲宽度不一致。Vr3的脉冲宽度略短于Vr1和Vr2的。测量的电压为Vm=17.06V，Vs1=1.87V，Vs2=1.88V，Vs3=1.72V。为了证实所提出的LED驱动器能够调节驱动电压以减少电流失衡，分别向第2和第3个LED灯串添加2.2Ω和3.9Ω的电阻，以便在3个LED灯串之中建立夸大的失配状态。图7(b)示出了这种状态下的新波形。如所期望的那样，Vr3的脉冲宽度最宽，因为第3个灯串具有最高的附加电阻；Vr2的脉冲宽度比Vr1的宽，其中Vr1的保持不变。新测得的电压为Vm=17.06V，Vs1=1.87V，Vs2=2.52V，Vs3=2.94V。

图8示出了不同占空度下使用传统PWM调光法（参见图5）测得的LED灯串电流。当只具有一个调光开关时，通过调节三个从属源的电压能够在不同占空度下关于三个LED灯串获得相同的幅值300mA。图9示出了不同占空度下利用PSPWM调光法（参见图6）所提出的LED驱动器的波形。同样，实际上在所有这些条件下均获得良好的电流平衡。

为进行比较，建立C.-C.Chen，C.-Y.Wu和T.-F.Wu在Proc.IEEE PESC,2006,2949-2955页的“Fast transition current-type burst-mode dimming controlfor the LED back-light driving system of LCD TV”（其全部内容以参考的方式并入本文）中描述的传统LED磁放大器调节的驱动器。图10示出了在不同输入电压下，测得的所提出的LED驱动器和传统驱动器的总效率。由于使用公共的功率源和磁放大器后级调节器的相对较低的功率处理要求，因此所提出的方案可以实现更高的能量效率。

对于LCD背光应用，常常使用RGB LEDs以将三种颜色的光混成白光。然而，红色、绿色和蓝色LED的标称正向电压不同。相同制造商的红色LED的正向电压低于绿色和蓝色LED的，绿色LED的正向电压与蓝色LED的大致相同。考虑到这些因素，所提出的LED驱动器适于RGB LED应用。所提出的电路可以被用于这种应用。在图11中，红色LED灯串由主源提供功率，绿色和蓝色LED灯串由主源和相应的从属源结合起来提供功率。绿色和蓝色LED的电流分别由相应合适的从属电压源单独进行调节以便电流共用；然而，红色LED灯串的电流仅由主电压源调节以便电流共用。

Claims

1.一种用于多个LED灯串的LED驱动器，该驱动器包括：

公共节点；

多个驱动器输出节点，其中在使用中，多个LED灯串被连接在相应的驱动器输出节点和公共节点之间；

具有与公共节点连接的主输出的主功率电路，以及

多个从属功率电路，各个从属功率电路具有与相应驱动器输出节点连接的从属输出。

2.如权利要求1所述的LED驱动器，其中各从属输出与主输出串联连接。

3.如权利要求1所述的LED驱动器，其中主输出具有主电压，各从属输出具有从属电压，公共节点和驱动器输出节点之间的驱动器电压包括主电压和相应的其中一个从属电压之和。

4.如权利要求3所述的LED驱动器，其中主功率电路和从属功率电路被设置成主电压大于任一从属电压。

5.如权利要求4所述的LED驱动器，其中主功率电路和从属功率电路被设置成主电压比任一从属电压大大约9倍。

6.如权利要求1所述的LED驱动器，其中主功率电路包括开关模式的功率源。

7.如权利要求1所述的LED驱动器，其中各从属功率电路包括开关模式的功率源。

8.如权利要求1所述的LED驱动器，其中功率电路包括具有变压器的功率转换器，所述变压器具有第一次级绕组和第二次级绕组，其中主功率电路连接第一次级绕组，各从属功率电路连接第二次级绕组。

9.如权利要求8所述的LED驱动器，其中功率电路包括倒转转换器或正向转换器之一。

10.如权利要求8所述的LED驱动器，其中各从属功率电路包括磁放大器或功率半导体开关之一以独立调节各从属功率电路。

11.如权利要求10所述的LED驱动器，其还包括用于控制至少一个从属功率电路的饱和的反馈电路。

12.如权利要求8所述的LED驱动器，其中LED驱动器包括连接变压器的初级绕组的初级电路，该初级电路包括PWM控制开关以调节初级绕组的功率。

13.一种用于多个LED灯串的LED驱动器，该驱动器包括：

公共节点；

至少两个输出节点；

生成与公共节点连接的主电压输出的主功率电路；

至少两个从属功率电路，每个从属功率电路生成经调节的电压输出，经调节的电压输出与相应的其中一个输出节点相连，其中

公共节点和其中一个驱动器输出节点之间的驱动器电压包括主电压和相应的其中一个从属电压之和。

14.如权利要求13所述的LED驱动器，其中主功率电路和从属功率电路被设置成主电压大于任一从属电压。

15.如权利要求14所述的LED驱动器，其中主功率电路和从属功率电路被设置成主电压比任一从属电压大大约9倍。

16.如权利要求13所述的LED驱动器，其中主功率电路包括开关模式的功率源。

17.如权利要求13所述的LED驱动器，其中各从属功率电路包括开关模式的功率源。

18.如权利要求12所述的LED驱动器，其中功率电路包括具有变压器的功率转换器，所述变压器具有第一次级绕组和第二次级绕组，其中主功率电路连接第一次级绕组，各从属功率电路连接第二次级绕组。

19.如权利要求18所述的LED驱动器，其中各从属功率电路包括磁放大器或功率半导体开关之一以独立调节各从属功率电路。

20.如权利要求19所述的LED驱动器，其还包括用于控制至少一个从属功率电路的饱和的反馈电路。

21.如权利要求18所述的LED驱动器，其中LED驱动器包括连接变压器的初级绕组的初级电路，该初级电路包括PWM控制开关以调节初级绕组的功率。