CN104010426B - 一种适用于多路并联的led串之间的自主均流电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于多路并联的LED串之间的自主均流电路，该自主均流电路包括电容C1、C2，电感L，二极管D1、D2，开关管Q1、Q2，以及开关管控制器K1、K2，所述开关管Q1与二极管D1构成串联支路，开关管Q1一端与电容C1连接，另一端连接二极管D1阳极，二极管D1的阴极连接电感L并与二极管D2阴极相连，D2与Q2串联，D2的阳极与开关一端连接，Q2另一端与C2连接，C1、L、C2的空闲端子相互连接，构成公共端口；Q1、Q2的控制引脚分别与开关管控制器K1、K2相连。它功率部分由双向Buck-Boost电路构成，可以实现两路(组)并联的LED串之间的自主均流，大大增强LED工作可靠性。

Description

一种适用于多路并联的LED串之间的自主均流电路

技术领域

本发明涉及一种适用于多路并联的LED串之间的自主均流电路单元，属于照明与电能变换领域。

背景技术

发光二极管（LED）具有发光能效好、光学性能好、寿命长及环境友好等优点，是极具发展前景的新一代绿色照明光源。

由于LED功率小，亮度低，在亮度要求高的场合，多只LED串、并联是必然采取的措施。为保证多颗LED的亮度一致，通常将它们串联起来，串联LED数目受LED驱动电压的影响，故在需要较多LED的应用中一般采用串并连接方式。但是由于不同LED串的V-I特性不同，简单地将它们并联起来会产生多路不均流的问题，至今已经有许多均流方案，大致分为有源均流和无源均流两种。

无源均流方案是指利用电感、电容等无源元件实现电路均流，通常无源方案电路较为简单，但均流精度无法保证，均流效果易受器件参数变化的影响。有源均流方案是指运用开关管或运算放大器等有源器件构成电流调节器，这些电流调节器工作在线型状态或开关状态，由于线型状态开关管一直处于导通状态，其导通损耗比较大，效率较低；而开关状态的调节器使用DC-DC变换器调节每一路电流，能够对各串电流进行准确的调节，效率较高，是一种较为理想的方案。

目前，有源均流的方案多采用反馈控制，可以精准控制每路电流，但所需元器件较多，控制电路复杂，因此需要一种结构较为简单，可以自主实现均流的电路方案。

发明内容

本发明是为了实现多路并联LED串之间的自主均流，解决由于多路LED串V-I特性不相同造成的电流不均现象，而现有的均流方案无法实现电路的自主均流。

本发明提供了一种利用Buck-Boost变换器在占空比D=0.5时的均流特性，提供一种适用于多路并联的LED串之间的自主均流电路，以实现的LED的自主均流。

本发明通过以下方案实施：

一种适用于多路并联的LED串之间的自主均流电路，该自主均流电路包括电容C1、C2，电感L，二极管D1、D2，开关管Q1、Q2，以及开关管控制器K1、K2，所述开关管Q1与二极管D1构成串联支路，开关管Q1一端与电容C1连接，另一端连接二极管D1阳极，二极管D1的阴极连接电感L并与二极管D2阴极相连，二极管D2与开关管Q2串联，D2的阳极与开关管Q2一端连接，开关管Q2另一端与电容C2连接，电容C1、电感L、电容C2的空闲端子相互连接，构成公共端口；开关管Q1、Q2的控制引脚分别与开关管控制器K1、K2相连。

电路工作时，当电容C1两端作为电压输入端时，电容C2两端作为电压输出端；反之，电容C2两端作为电压输入端时，电容C1两端作为电压输出端。

该自主均流电路还包括在跨接在电容C1和C2间的电路，该电路包括电容C3与二极管D3串联支路，和二极管D4与电容C4串联支路，两串联支路相并联，其中二极管D3的阴极与电容C3一端相连，二极管D3的阳极与电容C4一端及电容C1相连，电容C3另一端与二极管D4阳极及电容C2相连，二极管D4的阴极与电容C4另一端相连。

该自主均流电路还包括电压比较器，电容C1与开关管Q1的连接端接入电压比较器的一输入端；电容C2与开关管Q2的连接端接入电压比较器的另一输入端，电压比较器的输出端同时与开关管控制器K1、K2相连。

多路并联的LED串为2n路，n为正整数；每两路LED串之间设计有所述自主均流电路。

本发明与现有技术相比的主要技术特点是：

本发明的主要方法是利用Buck-Boost变换器实现LED自主均流电路，借助变换器自身特性及外部元件的合理使用，自主地调节了各LED支路电流，结构简单，精确、高效地实现了LED自主均流。

附图说明

附图1是LED自主均流电路原理图；

附图2是传统Buck-Boost电路原理图；

附图3是LED自主均流电路实施案例一；

附图4是LED自主均流电路实施案例二；

附图5是LED自主均流电路实施案例三；

附图6是现有LED串的V-I特性曲线；

附图7是LED自主均流电路实施案例四；

附图8是LED自主均流电路实施案例四。

上述附图中的主要符号名称：V _in —输入直流电源；V _o1 ，V _o2 —LED串压降；I _in —输入电流；I ₁ ，I ₂ ，I ₃ ，I ₄ ，I ₅ ，I ₆ —支路电流；I ₁ ’，I ₂ ’，I ₃ ’，I ₄ ’，I ₅ ’，I ₆ ’—支路电流；C ₁ ，C ₂ —储能电容；L—储能电感；C ₃ ，C ₄ —检测电容；i ₁ ，i ₂ —变换器端口电流；Q ₁，Q ₂—开关管；D ₁，D ₂，D ₃，D ₄—开关二极管；K ₁，K ₂—开关管控制器。

具体实施方式

实施例一：

本发明自主均流电路原理图如附图1、3所示：

1）对附图1所示电路，当两路电流不均时，A、B之间必定存在电位差（此时无自主均流电路控制时，两路LED串V-I特性曲线示意图如附图6所示）。附图1中A、B两点电位分别对应附图3中端口A、B电位；

2）本发明在传统Buck-Boost电路附图2的基础上进行了改进，图2的自主均流电路由电容C1、C2，电感L，二极管D2及开关管Q1组成，只能实现一端口输入，一端口输出的单向功率传输功能，根据该工作原理，如果在D2支路串联开关管Q2，在Q1支路串联二极管D1，得到本发明附图3所示自主均流电路，通过适当控制，可以实现双向Buck-Boost电路；

3）在图3的双向Buck-Boost电路中，Q1、D1构成串联支路，Q1一端与C1连接，另一端连接D1阳极，D1的阴极连接L并且与D2阴极相连，相同的，D2与Q2串联，D2的阳极与Q2一端连接，Q2另一端与C2连接，然后，C1、L、C2的空闲端子相互连接，构成公共端口，C1、C2的两端作为电压输入或输出端，此处，Q1、Q2的控制引脚分别与K1、K2开关管控制器相连，开关管控制器中包含驱动模块或控制软件等。

4）本发明图3设计中，主功率部分电路为双向Buck-Boost电路，假定此时A端口电位较高，则开关管控制器K1运行内部控制单元与驱动模块，驱动Q1工作在开关状态，占空比D=0.5，同时开关管控制器K2控制Q2常开，此时A端口作为Buck-Boost电路输入端，由公式I₁=D*I_L，I₂=(1-D)*I_L，D=0.5，此时I₁=I₂，实现两路LED串自主均流；

5）同理，当B端口电位较高时，控制端口B作为Buck-Boost电路输入端，由于I₂=D*I_L，I₁=(1-D)*I_L，而D=0.5，则I₁=I₂，实现自主均流。

双向Buck-Boost电路工作于CCM模态，变换器一端口作为输入端，提供一定输出电压，从而同时调节两路LED工作电压，实现两路均流。

附图6所示V-I特性曲线，在图1中电路未采用自主均流电路时，由于LED的结温等因素的影响，LED串之间具有不同的V-I特性曲线，电路工作时两路电流不均，则A、B间必存在电位差；

如附图3所示在A、B两端接适当的测量电路，测量电路将信息发送给K1、K2开关管控制器，开关管控制器控制开关管驱动，使得Q1、Q2工作在不同的状态；

当A点电位较高时，开关管控制器K1控制Q1占空比D=0.5，K2控制Q2常开，使得端口A作为Buck-Boost电路输入端，由于I₁=D*I_L，I₂=(1-D)*I_L，而D=0.5，则I₁=I₂，电路实现自主均流；

反之则端口B作为输入端，此时Q1常开，Q2的占空比D=0.5，I₁=(1-D)*I_L，I₂=D*I_L，那么I₁=I₂，电路实现自主均流。

实施例二：

本发明也可以采用如附图4所示的电路设计，为了控制Buck-Boost电路工作状态，实现两路均流，需要同时测量C3、C4电容两端的电压。

1）该实例在附图3电路基础上，为了采集端口A、B的电位信息，在两端口之间跨接一电路，其中，C3、D3串联，D4、C4串联，两串联支路并联构成该电路，如附图4所示，电路工作时，以C3、C4两端电压为参考量控制电路工作状态；

2）如附图3所示，当端口A电位较高时，则D3导通，D4关断，C3储能，C3两端电压为正，开关管控制器K1检测到该信号，运行内部驱动单元，驱动Q1工作在开关状态，D=0.5，同时控制Q2常开，此时A端口为Buck-Boost电路输入端；

3）变换器自主调节两路LED串的工作电压，由于I₁=D*I_L，I₂=(1-D)*I_L，而D=0.5，则I₁=I₂，实现两路均流；

4）反之，当B点电位较高时，Q2工作在开关状态，D=0.5，Q1常开，此时B端口为Buck-Boost电路输入端，I₁=(1-D)*I_L，I₂=D*I_L，则I₁=I_2，实现自主均流。

实施例三：

本发明还可以采用如附图5所示的自主均流电路，通过采集Buck-Boost电路两端口电位，可以实现自主均流。

1）与实施例二不同，该自主均流电路工作时可直接采集端口A、B的电位进行比较，两端口分别与电压比较器输入端相连，电压比较器产生电平信号给K1、K2开关管控制器，开关管控制器最终运行驱动单元，从而控制Q1、Q2的工作状态；

2）当两路电流不均时，电压信号必定有高低，当测得A端电位较高时，电压比较器向控制器K1发出信号，开关管控制器K1控制Q1工作于开关状态，占空比为0.5，同时K2控制Q2常开，使得端口A作为Buck-Boost电路输入端，由于I₁=D*I_L，I₂=(1-D)*I_L，而D=0.5，则I₁=I₂，实现两路均流；

3）同样，B端电位较高时，端口B作为Buck-Boost电路输入端，此时Q1常开，Q2工作于开关状态，D=0.5，而I₁=(1-D)*I_L，I₂=D*I_L，则I₁=I₂，从而实现两路均流。

实施例四：

对于2n路LED串并联电路，通过在LED电路中连接多个自主均流模块，可以实现多个双路LED串的自主均流。

1）如附图7所示四路LED串并联电路，其中自主均流电路1和自主均流电流2的工作方式与上述三例完全相同，使得电流I₁=I₂，I₃=I₄，从而实现两个双路LED串的自主均流；

2）如附图8所示六路LED串并联电路，其中自主均流电路1~3的工作方式与上述三例所述原理完全相同，使得电流I₁=I₂，I₃=I₄，I₅=I₆，实现三个双路LED串的自主均流；

3）因此，对于2n路LED串并联电路，通过增加n个自主均流模块，可以实现N个双路LED串的自主均流。

Claims (5)

1.一种适用于多路并联的LED串之间的自主均流电路，其特征是：该自主均流电路包括电容C1、C2，电感L，二极管D1、D2，开关管Q1、Q2，以及开关管控制器K1、K2，所述开关管Q1与二极管D1构成串联支路，开关管Q1一端与电容C1连接，另一端连接二极管D1阳极，二极管D1的阴极连接电感L并与二极管D2阴极相连，二极管D2与开关管Q2串联，D2的阳极与开关管Q2一端连接，开关管Q2另一端与电容C2连接，电容C1、电感L、电容C2的空闲端子相互连接，构成公共端口；开关管Q1、Q2的控制引脚分别与开关管控制器K1、K2相连；在开关管Q1和电容C1的公共端口电位高于开关管Q2和电容C2的公共端口电位时，开关管控制器K1运行内部控制单元与驱动模块，驱动Q1工作在开关状态，占空比为D＝0.5，同时开关管控制器K2控制Q2常开；反之，当开关管Q2和电容C2的公共端口电位高于开关管Q1和电容C1的公共端口电位时，此时Q1常开，Q2工作在开关状态，Q2的占空比D＝0.5。

2.根据权利要求1所述的自主均流电路，其特征是：电路工作时，当电容C1两端作为电压输入端时，电容C2两端作为电压输出端；反之，电容C2两端作为电压输入端时，电容C1两端作为电压输出端。

3.根据权利要求1所述的自主均流电路，其特征是：该自主均流电路还包括在跨接在电容C1和C2间的电路，该电路包括电容C3与二极管D3串联支路，和二极管D4与电容C4串联支路，两串联支路相并联，其中二极管D3的阴极与电容C3一端相连，二极管D3的阳极与电容C4一端及电容C1相连，电容C3另一端与二极管D4阳极及电容C2相连，二极管D4的阴极与电容C4另一端相连。

4.根据权利要求1所述的自主均流电路，其特征是：该自主均流电路还包括电压比较器，电容C1与开关管Q1的连接端接入电压比较器的一输入端；电容C2与开关管Q2的连接端接入电压比较器的另一输入端，电压比较器的输出端同时与开关管控制器K1、K2相连。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的自主均流电路，其特征是：多路并联的LED串为2n路，n为正整数；每两路LED串之间设计有一组所述自主均流电路。