CN103516212A - 能馈式的led阵列接口电路 - Google Patents

Abstract

一种能馈式的LED阵列接口电路由n个通道电路以及1个具有调光功能的多通道电流控制器组成。通道电路j（j=1,...,n）由输入电容Cij、电感Lj、N-MOS管Mj、二极管Dj、电容Caj、耦合电感Laj和Lbj、N-MOS管Maj、二极管Daj、输出电容Coj构成。与通道电路j匹配，具有调光功能的多通道电流控制器拥有端口vc、端口vs、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vsenj、端口vpj。本发明通过自身的调节作用来解决LED阵列中各支路的不一致性问题，同时通过自身的多余能量收集及回馈作用来实现高效率的LED阵列驱动，适用于任意LED阵列（规则或不规则）的驱动系统。

Description

能馈式的LED阵列接口电路

技术领域

本发明涉及单输入多输出的直流-直流（DC-DC）接口电路，应用于规则或不规则的LED阵列驱动系统，尤其是一种能馈式的LED阵列接口电路。

背景技术

LED（发光二极管）是一种能将电能转换成光能的固体半导体器件。在大功率照明应用中，最常见的是多个串并联的LED以阵列的形式工作。因阵列结构、器件制造及老化等原因，即使是规则阵列中相同规格的LED，个体之间也存在着不一致性的问题。因此，性能优越的LED阵列驱动系统既要克服规则或不规则LED阵列中存在的不一致性问题，又要实现较高的LED阵列驱动效率。目前，普遍采用的低成本LED阵列驱动系统方案是可调直流电压源级联多个输入并联的线性调整恒流电路。在“可调直流电压源级联多个输入并联的线性调整恒流电路”的方案中，可调直流电压源的输出电压跟随LED阵列中导通压降最大的支路变化，虽然能满足整个LED阵列驱动的需要，但仅能保证LED阵列中导通压降最大的支路实现损耗最低。当LED阵列中各支路的导通压降存在较大差异时，尤其当LED阵列不规则时，该“可调直流电压源级联多个输入并联的线性调整恒流电路”的方案将无法实现高效率。

发明内容

为克服现有“可调直流电压源级联多个输入并联的线性调整恒流电路”的方案的不足，本发明提供一种能馈式的LED阵列接口电路，目的在于提高任意LED阵列（规则或不规则）的驱动效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种能馈式的LED阵列接口电路由n个通道电路（通道电路1至通道电路n）以及1个具有调光功能的多通道电流控制器组成。

所述通道电路j（j=1,...,n）由输入电容Cij、电感Lj、N-MOS管Mj、二极管Dj、电容Caj、耦合电感Laj和Lbj、N-MOS管Maj、二极管Daj、输出电容Coj构成，其特征在于：直流电源Vi的正端与输入电容Cij的一端、电感Lj的一端以及耦合电感Lbj的一端相连，电感Lj的另一端与N-MOS管Mj的漏极以及二极管Dj的阳极相连，二极管Dj的阴极与电容Caj的一端以及耦合电感Laj的一端（与所述耦合电感Lbj的一端是异名端关系）相连，耦合电感Laj的另一端与N-MOS管Maj的漏极相连，N-MOS管Maj的源极与N-MOS管Mj的源极、电容Caj的另一端、输出电容Coj的一端、输出电压Voj的正端以及LED串j的阳极相连，LED串j的阴极与直流电源Vi的负端、二极管Daj的阳极、输入电容Cij的另一端、输出电容Coj的另一端以及输出电压Voj的负端相连，二极管Daj的阴极与耦合电感Lbj的另一端（与所述耦合电感Laj的另一端是异名端关系）相连，耦合电感Lbj与二极管Daj的接点和耦合电感Laj与二极管Dj的接点是同名端关系。

因为电感Lj和由输出电容Coj与LED串j组成的并联支路以及由N-MOS管Mj、二极管Dj、电容Caj、耦合电感Laj、N-MOS管Maj组成的组合支路是串联关系，所以上述三者的位置可以互换。

所述通道电路j（j=1,...,n）还与所述具有调光功能的多通道电流控制器（简称：电流控制器）相连，所述具有调光功能的多通道电流控制器拥有端口vc、端口vs、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vsenj、端口vpj，其特征在于：直流电源Vi的正端与电流控制器的端口vc相连，直流电源Vi的负端与电流控制器的端口vs相连，N-MOS管Mj的门极与电流控制器的端口vgj相连，N-MOS管Mj的源极与电流控制器的端口vsj相连，N-MOS管Maj的门极与电流控制器的端口vgaj相连，电流控制器的端口vsenj接收LED串j的工作电流ioj的检测信号，电流控制器的端口vpj接收外部的PWM调光信号。

进一步，所述具有调光功能的多通道电流控制器包括辅助电源单元、电流控制单元、PWM调光单元和MOS管驱动单元，其特征在于：所述辅助电源单元能把直流电源Vi转换成所述电流控制单元、所述PWM调光单元和所述MOS管驱动单元工作所需的电源电压，

所述电流控制单元能根据LED串j（j=1,...,n）的工作电流ioj的检测信号vsenj输出N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj，

所述PWM调光单元能根据外部的PWM调光信号vpj以及N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj输出N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj，

所述MOS管驱动单元能把N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj转换成由所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vgj、端口vsj和端口vgaj输出的差分驱动信号。

更进一步，所述具有调光功能的多通道电流控制器的电流控制单元包括放大器1j（j=1,...,n）、放大器2j、减法器j、参考电压源1j、参考电压源2j、三角波发生器1j、三角波发生器2j、比较器1j、比较器2j，其特征在于：所述放大器1j的输入端与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vsenj相连，放大器1j的输出端与减法器j的正输入端相连，参考电压源1j的输出端与减法器j的负输入端相连，减法器j的输出端与放大器2j的输入端相连，放大器2j的输出端与比较器1j的反相输入端相连，三角波发生器1j的输出端与比较器1j的正相输入端相连，比较器1j的输出端vgcj输出所述N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj，三角波发生器2j的输出端与比较器2j的正相输入端相连，参考电压源2j的输出端与比较器2j的负相输入端相连，比较器2j的输出端vacj输出所述N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj。

所述具有调光功能的多通道电流控制器的PWM调光单元包括与门电路1j（j=1,...,n）和与门电路2j，其特征在于：所述与门电路1j的一个输入端接收所述N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj，所述与门电路2j的一个输入端接收所述N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj，与门电路1j的另一个输入端与与门电路2j的另一个输入端以及所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vpj相连，与门电路1j输出所述N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj，与门电路2j输出所述N-MOS管Maj的调制控制信号vapj。

本发明的技术构思为：在规则和不规则LED阵列驱动系统中采用能馈式的LED阵列接口电路，能馈式的LED阵列接口电路位于（不可调）直流电压源和LED阵列之间，利用能馈式的LED阵列接口电路的调节作用解决LED阵列中各支路的不一致性问题，再利用能馈式的LED阵列接口电路的多余能量收集及回馈作用实现高效率的LED阵列驱动。

本发明的有益效果主要表现在：能馈式的LED阵列接口电路能为任意LED阵列（规则或不规则）提供高效率的驱动，电路简单、成本低、LED驱动电流控制精确、LED调光范围宽。

附图说明

图1是本发明实施例的电路图。

图2是本发明实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的功能框图。

图3是本发明实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的电流控制单元的电路图。

图4是本发明实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的PWM调光单元的电路图。

图5是本发明实施例在非调光状态下电感Lj（j=1,...,n）以及耦合电感Laj和Lbj都处于电流连续状态时通道电路j的典型工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例

参考图1、图2、图3、图4和图5，实施例由通道电路1至通道电路n以及具有调光功能的多通道电流控制器组成。

如图1所示，实施例的通道电路j（j=1,...,n）由输入电容Cij、电感Lj、N-MOS管Mj、二极管Dj、电容Caj、耦合电感Laj和Lbj、N-MOS管Maj、二极管Daj、输出电容Coj构成，直流电源Vi的正端与电容Cij的一端、电感Lj的一端以及耦合电感Lbj的一端相连，电感Lj的另一端与N-MOS管Mj的漏极以及二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与电容Caj的一端以及耦合电感Laj的一端（与所述耦合电感Lbj的一端是异名端关系）相连，耦合电感Laj的另一端与N-MOS管Maj的漏极相连，N-MOS管Maj的源极与N-MOS管Mj的源极、电容Caj的另一端、输出电容Coj的一端、输出电压Voj的正端以及LED串j的阳极相连，LED串j的阴极与直流电源Vi的负端、二极管Daj的阳极、输入电容Cij的另一端、输出电容Coj的另一端以及输出电压Voj的负端相连，二极管Daj的阴极与耦合电感Lbj的另一端（与所述耦合电感Laj的另一端是异名端关系）相连，耦合电感Lbj与二极管Daj的接点和耦合电感Laj与二极管Dj的接点是同名端关系。

如图1所示，实施例的通道电路j（j=1,...,n）与实施例的具有调光功能的多通道电流控制器（简称：电流控制器）相连，直流电源Vi的正端与电流控制器的端口vc相连，直流电源Vi的负端与电流控制器的端口vs相连，N-MOS管Mj的门极与电流控制器的端口vgj相连，N-MOS管Mj的源极与电流控制器的端口vsj相连，N-MOS管Maj的门极与电流控制器的端口vgaj相连，电流控制器的端口vsenj接收LED串j的工作电流ioj的检测信号，电流控制器的端口vpj接收外部的PWM调光信号。

如图2所示，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器包括辅助电源单元、电流控制单元、PWM调光单元和MOS管驱动单元。所述辅助电源单元能把直流电源Vi转换成所述电流控制单元、所述PWM调光单元和所述MOS管驱动单元工作所需的电源电压。所述电流控制单元能根据LED串j（j=1,...,n）的工作电流ioj的检测信号vsenj输出N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj。所述PWM调光单元能根据外部的PWM调光信号vpj以及N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj输出N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj。所述MOS管驱动单元能把N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj转换成由端口vgj、端口vsj和端口vgaj输出的差分驱动信号。

如图3所示，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的电流控制单元包括放大器1j（j=1,...,n）、放大器2j、减法器j、参考电压源1j、参考电压源2j、三角波发生器1j、三角波发生器2j、比较器1j、比较器2j。所述放大器1j的输入端与实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的端口vsenj相连，放大器1j的输出端与减法器j的正输入端相连，参考电压源1j的输出端与减法器j的负输入端相连，减法器j的输出端与放大器2j的输入端相连，放大器2j的输出端与比较器1j的反相输入端相连，三角波发生器1j的输出端与比较器1j的正相输入端相连，比较器1j的输出端vgcj输出所述N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj，三角波发生器2j的输出端与比较器2j的正相输入端相连，参考电压源2j的输出端与比较器2j的负相输入端相连，比较器2j的输出端vacj输出所述N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj。

如图4所示，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的PWM调光单元包括与门电路1j（j=1,...,n）和与门电路2j。所述与门电路1j的一个输入端接收所述N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj，所述与门电路2j的一个输入端接收所述N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj，与门电路1j的另一个输入端与与门电路2j的另一个输入端以及实施例的具有调光功能的多通道电流控制器的端口vpj相连，与门电路1j输出所述N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj，与门电路2j输出所述N-MOS管Maj的调制控制信号vapj。

图5是实施例在非调光状态（外部的PWM调光信号vpj为高电平）下电感Lj（j=1,...,n）以及耦合电感Laj和Lbj都处于电流连续状态时通道电路j的典型工作波形图。

在非调光状态（外部的PWM调光信号vpj为高电平）下电感Lj（j=1,...,n）以及耦合电感Laj和Lbj都处于电流连续状态时，实施例的通道电路j的稳态工作过程包含以下4个阶段。

阶段1：N-MOS管Mj（j=1,...,n）导通，N-MOS管Maj导通。直流电源Vi、输入电容Cij、电感Lj、N-MOS管Mj、输出电容Coj和LED串j形成一个回路。此时，电感Lj两端的电压vLj=Vi-Voj>0，电感Lj充电，电流iLj和电流iMj均增加。二极管Dj截止，电流iDj=0。电容Caj、耦合电感Laj、N-MOS管Maj形成另一个回路。此时，电容Caj放电，耦合电感Laj充电，电流iLaj增加，将多余的电能转化为磁能并保存。二极管Daj截止，耦合电感Lbj的电流iLbj=0。

阶段2：N-MOS管Mj（j=1,...,n）关断（电流iMj=0），N-MOS管Maj导通。二极管Dj导通，直流电源Vi、输入电容Cij、电感Lj、二极管Dj、电容Caj、输出电容Coj和LED串j形成一个回路。此时，电感Lj两端的电压vLj=Vi–vCaj–Voj<0，电感Lj放电，电流iLj和电流iDj均减小。直流电源Vi、输入电容Cij、电感Lj、二极管Dj、耦合电感Laj、N-MOS管Maj、输出电容Coj和LED串j形成另一个回路。此时，耦合电感Laj充电，电流iLaj增加，将多余的电能转化为磁能并保存。二极管Daj截止，耦合电感Lbj的电流iLbj=0。

阶段3：N-MOS管Mj（j=1,...,n）关断（电流iMj=0），N-MOS管Maj关断（耦合电感Laj的电流iLaj=0）。二极管Dj导通，直流电源Vi、输入电容Cij、电感Lj、二极管Dj、电容Caj、输出电容Coj、LED串j形成一个回路。此时，电感Lj两端的电压vLj=Vi–vCaj–Voj<0，电感Lj放电，电流iLj和电感iDj均减少，电容Caj充电，保存多余的电能。二极管Daj导通，二极管Daj、耦合电感Lbj、直流电源Vi形成另一个回路。此时，耦合电感Lbj放电，电流iLbj减小，将保存的磁能回馈给直流电源Vi。

阶段4：N-MOS管Mj（j=1,...,n）导通，N-MOS管Maj关断（耦合电感Laj的电流iLaj=0）。直流电源Vi、输入电容Cij、电感Lj、N-MOS管Mj、输出电容Coj和LED串j形成一个回路。此时，电感Lj两端的电压vLj=Vi-Voj>0，电感Lj充电，电流iLj和电流iMj均增加。二极管Dj截止，电流iDj=0。二极管Daj导通，二极管Daj、耦合电感Lbj、直流电源Vi形成另一个回路。此时，耦合电感Lbj放电，电流iLbj减小，将保存的磁能回馈给直流电源Vi。

在非调光状态（外部的PWM调光信号vpj为高电平）下，当直流电源Vi或LED串j（j=1,...,n）发生变化时，LED串j的工作电流ioj及其检测信号vsenj也会随之变化。当LED串j的工作电流ioj及其检测信号vsenj变大时，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器会缩短N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj（j=1,...,n）的高电平时间，通过减小电感Lj的电流iLj来实现LED串j的工作电流ioj的减小。当LED串j的工作电流ioj及其检测信号vsenj变小时，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器会延长N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj（j=1,...,n）的高电平时间，通过增加电感Lj的电流iLj来实现LED串j的工作电流ioj的增加。

在调光状态（外部的PWM调光信号vpj为脉冲信号）下，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器对N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj（j=1,...,n）和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj进行调制。当外部的PWM调光信号vpj为低电平时，N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj（j=1,...,n）和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj均为低电平，实施例的具有调光功能的多通道电流控制器直接关断N-MOS管Mj和N-MOS管Maj。当外部的PWM调光信号vpj为高电平时，N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj（j=1,...,n）和N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj保持一致，N-MOS管Maj的调制控制信号vapj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj保持一致，此时的N-MOS管Mj和N-MOS管Maj的工作状态均与非调光状态下的工作状态一致。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种能馈式的LED阵列接口电路，其特征在于：所述能馈式的LED阵列接口电路由n个通道电路（通道电路1至通道电路n）以及1个具有调光功能的多通道电流控制器组成，所述通道电路j（j=1,...,n）由输入电容Cij、电感Lj、N-MOS管Mj、二极管Dj、电容Caj、耦合电感Laj和Lbj、N-MOS管Maj、二极管Daj、输出电容Coj构成，所述具有调光功能的多通道电流控制器拥有端口vc、端口vs、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vsenj、端口vpj，直流电源Vi的正端与输入电容Cij的一端、电感Lj的一端以及耦合电感Lbj的一端相连，电感Lj的另一端与N-MOS管Mj的漏极以及二极管Dj的阳极相连，二极管Dj的阴极与电容Caj的一端以及耦合电感Laj的一端（与所述耦合电感Lbj的一端是异名端关系）相连，耦合电感Laj的另一端与N-MOS管Maj的漏极相连，N-MOS管Maj的源极与N-MOS管Mj的源极、电容Caj的另一端、输出电容Coj的一端、输出电压Voj的正端以及LED串j的阳极相连，LED串j的阴极与直流电源Vi的负端、二极管Daj的阳极、输入电容Cij的另一端、输出电容Coj的另一端以及输出电压Voj的负端相连，二极管Daj的阴极与耦合电感Lbj的另一端（与所述耦合电感Laj的另一端是异名端关系）相连，耦合电感Lbj与二极管Daj的接点和耦合电感Laj与二极管Dj的接点是同名端关系，

所述具有调光功能的多通道电流控制器拥有端口vc、端口vs、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vsenj、端口vpj，所述直流电源Vi的正端与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vc相连，直流电源Vi的负端与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vs相连，所述N-MOS管Mj的门极与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vgj相连，所述N-MOS管Mj的源极和所述N-MOS管Maj的源极都与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vsj相连，所述N-MOS管Maj的门极与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vgaj相连，所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vsenj接收所述LED串j的工作电流ioj的检测信号，所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vpj接收外部的PWM调光信号。

2.如权利要求1所述的能馈式的LED阵列接口电路，其特征在于：所述通道电路j（j=1,...,n）中的电感Lj和由输出电容Coj与LED串j组成的并联支路以及由N-MOS管Mj、二极管Dj、电容Caj、耦合电感Laj、N-MOS管Maj组成的组合支路的位置可以互换。

3.如权利要求1和2之一所述的能馈式的LED阵列接口电路，其特征在于：所述具有调光功能的多通道电流控制器包括辅助电源单元、电流控制单元、PWM调光单元和MOS管驱动单元，

所述辅助电源单元能把直流电源Vi转换成所述电流控制单元、所述PWM调光单元和所述MOS管驱动单元工作所需的电源电压，

所述电流控制单元能根据LED串j（j=1,...,n）的工作电流ioj的检测信号vsenj输出N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj，

所述PWM调光单元能根据外部的PWM调光信号vpj以及N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj和N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj输出N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj，

所述MOS管驱动单元能把N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj和N-MOS管Maj的调制控制信号vapj转换成由所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vgj、端口vsj和端口vgaj输出的差分驱动信号。

4.如权利要求3所述的能馈式的LED阵列接口电路，其特征在于：所述具有调光功能的多通道电流控制器的电流控制单元包括放大器1j（j=1,...,n）、放大器2j、减法器j、参考电压源1j、参考电压源2j、三角波发生器1j、三角波发生器2j、比较器1j、比较器2j，所述放大器1j的输入端与所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vsenj相连，放大器1j的输出端与减法器j的正输入端相连，参考电压源1j的输出端与减法器j的负输入端相连，减法器j的输出端与放大器2j的输入端相连，放大器2j的输出端与比较器1j的反相输入端相连，三角波发生器1j的输出端与比较器1j的正相输入端相连，比较器1j的输出端vgcj输出所述N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj，三角波发生器2j的输出端与比较器2j的正相输入端相连，参考电压源2j的输出端与比较器2j的负相输入端相连，比较器2j的输出端vacj输出所述N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj。

5.如权利要求3和4之一所述的能馈式的LED阵列接口电路，其特征在于：所述具有调光功能的多通道电流控制器的PWM调光单元包括与门电路1j（j=1,...,n）和与门电路2j，所述与门电路1j的一个输入端接收所述N-MOS管Mj的未经调制的控制信号vgcj，所述与门电路2j的一个输入端接收所述N-MOS管Maj的未经调制的控制信号vacj，与门电路1j的另一个输入端与与门电路2j的另一个输入端以及所述具有调光功能的多通道电流控制器的端口vpj相连，与门电路1j输出所述N-MOS管Mj的调制控制信号vgpj，与门电路2j输出所述N-MOS管Maj的调制控制信号vapj。

Images