CN104125692A - 多路led恒流控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多路LED恒流控制器及控制方法。所述多路LED恒流控制器用于向外部的功率级电路中的功率开关管提供开关控制信号以控制功率开关管的开关状态,使得功率级电路产生用于驱动多路LED灯串的恒定电流,多路LED恒流控制器包括:控制环路,接收多路LED灯串的电流反馈信号,并且根据电流反馈信号产生第一控制信号,其中,控制环路包括由多个补偿信号保持元件组成的环路补偿网络,并且多路LED恒流控制器根据负载状态将相应的补偿信号保持元件接入控制环路,使得多个补偿信号保持元件分别用于保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号,并且在负载状态变化时设置控制环路的稳态补偿信号。该多路LED恒流控制器及控制方法可以提高负载状态变化时的瞬态响应速度。

Description

多路LED恒流控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及LED恒流控制器,更具体地,涉及多路LED恒流控制器及控制方法。
背景技术
在照明和背光源应用中,经常将多路LED灯串联或并联使用。每路LED灯包括一个或多个串联连接的LED灯。LED的发光强度由流过LED的电流确定。因此,采用LED恒流控制器控制每路LED的电流恒定,从而维持稳定的发光强度。
现有技术的LED恒流控制器主要适合于驱动单路LED灯。在一种多路LED恒流驱动方案中,每路LED灯分别由各自的LED恒流控制器进行恒流驱动,分别产生恒定的驱动电流。在另一种多路LED恒流驱动方案中,将多路LED灯并联连接,如图1所示。每路LED灯分别串联各自的线性调节电路进行恒流驱动。
由于使用多个独立的LED恒流控制器或线性调节电路,现有技术的多路LED恒流驱动方案成本高,芯片体积大,整体效率低,并且功率限制大。
如果将多路LED灯串联连接,采用一个LED恒流控制器来提供驱动电流,那么可以减少LED恒流控制器的数量和降低成本。然而,由于多路LED灯一起作为一个LED恒流控制器的负载,每路LED灯的点亮和熄灭导致负载状态变化。现有技术的LED恒流控制器的环路响应速度不能适应负载状态的需求。结果,恒流控制精度和效率受到负载状态的影响,甚至由于LED电流过冲而导致LED灯的损坏。
因此,现有技术的LED恒流控制器并不适合于串联连接的多路LED灯的恒流控制。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种可以快速响应负载状态变化的多路LED恒流控制器及控制方法。
根据本发明的一方面,提供一种多路LED恒流控制器,用于向外部的功率级电路中的功率开关管提供开关控制信号以控制所述功率开关管的开关状态,使得功率级电路产生用于驱动多路LED灯串的恒定电流,所述多路LED恒流控制器包括:控制环路,所述控制环路接收所述多路LED灯串的电流反馈信号,并且根据电流反馈信号产生第一控制信号,其中,所述控制环路包括由多个补偿信号保持元件组成的环路补偿网络,并且所述多路LED恒流控制器根据负载状态将相应的补偿信号保持元件接入控制环路,所述多个补偿信号保持元件分别用于保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号,并且在负载状态变化时设置控制环路的稳态补偿信号。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述多路LED灯串根据多路PWM调光信号控制每路LED灯串的电流平均值,以实现相应的LED灯串的调光。
优选地,所述多路LED恒流控制器还包括开关解码器,所述开关解码器与所述环路补偿网络相连接,所述开关解码器根据所述多路PWM调光信号产生补偿选择信号,使得与负载状态相对应的补偿信号保持元件接入控制环路。
优选地,所述多路LED恒流控制器还包括:或门,用于接收所述多路PWM调光信号,以及输出第二控制信号;以及与门,用于接收第一控制信号和第二控制信号,以及输出所述开关控制信号。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述控制环路还包括:跨导放大器,用于接收负载的电流反馈信号和参考电压,并且输出误差电流信号,其中,所述环路补偿网络与跨导放大器的输出端相连,用于接收误差电流信号以产生补偿信号;第一比较器,用于接收补偿信号和电流反馈信号,并且输出第一比较信号;以及RS触发器,所述RS触发器的复位端接收第一比较信号,置位端接收时钟信号,并且输出所述第一控制信号。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述多个补偿信号保持元件为多个并联连接的补偿电容,每个补偿电路均串联一个开关电路,其中所述补偿选择信号控制所述开关电路的闭合或断开,使得与负载状态相对应的补偿电容接入控制环路。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,在从控制环路断开时,所述多个补偿电容分别保持各自的负载状态下的所述补偿信号的电压值,作为所述控制环路在相应的负载状态下的稳态补偿信号。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述控制环路还包括:跨导放大器,用于接收负载的电流反馈信号和参考电压,并且输出误差电流信号;误差补偿电路,用于接收误差电流信号以产生补偿信号;第一比较器,用于接收补偿信号和电流反馈信号,并且输出第一比较信号;恒定时间发生电路,所述恒定时间发生电路接收所述开关控制信号,并且输出第二比较信号;以及RS触发器,所述RS触发器的复位端接收第一比较信号,置位端接收第二比较信号,并且输出所述第一控制信号,其中,所述恒定时间发生电路控制所述开关功率管的关断时间为固定时间值。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述恒定时间发生电路包括:斜坡信号发生模块,用于接收所述开关控制信号并输出斜坡信号;基准电压模块,用于产生基准电压;第二比较器,用于接收斜坡信号和基准电压,并且产生所述第二比较信号。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述环路补偿网络作为所述基准电压模块的一部分,并且所述多个补偿信号保持元件为多个电压源,每个电压源均串联一开关电路,其中所述补偿选择信号控制所述开关电路的闭合或断开,使得与负载状态相对应的电压源接入控制环路。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述控制环路的稳态补偿信号是所述基准电压模块在不同关断时间下的稳定电压值。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述基准电压模块包括:在第一公共端和第二公共端之间并联在一起的恒流源、晶体管、第一电阻,第一公共端接地;以及由第二电阻和所述环路补偿网络组成的RC滤波网络,第二公共端经由RC滤波网络连接至第二比较器的反相端。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述多个补偿信号保持元件为多个补偿电容,每个补偿电容均串联一开关电路,其中所述补偿选择信号控制所述开关电路的闭合或断开,使得与负载状态相对应的补偿电容接入控制环路。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,在从控制环路断开时,所述多个补偿电容分别保持各自的负载状态下的滤波补偿电压的电压值,作为所述控制环路在相应的负载状态下的稳态补偿信号。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,在负载全部断开的状态,所述多路LED恒流控制器断开功率开关管,并且将所述跨导放大器与所述控制环路断开。
优选地,在所述多路LED恒流控制器中,所述多路LED灯串的组数为M,所述补偿信号保持元件的数量为N,则符合以下等式:N=1~2M,N和M分别为自然数。
根据本发明的另一方面,提供一种多路LED恒流控制方法,用于向外部的功率级电路中的功率开关管提供开关控制信号以控制所述功率开关管的开关状态,使得功率级电路产生用于驱动多路LED灯串的恒定电流,所述多路LED恒流控制方法包括:采用控制环路,根据所述多路LED灯串的电流反馈信号产生第一控制信号;采用多个补偿信号保持元件,分别保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号;以及根据负载状态将相应的补偿信号保持元件接入控制环路,使得所述多个补偿信号保持元件分别用于保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号,并且在负载状态变化时设置控制环路的稳态补偿信号。
优选地,在所述方法中,所述多路LED灯串根据多路PWM调光信号控制每路LED灯串的电流平均值,以实现相应的LED灯串的调光。
优选地,在所述方法中,所述控制环路工作于峰值电流控制方式,其中,根据电流反馈信号和参考电压产生误差电流信号,利用所述多个补偿信号保持元件中的一个补偿信号保持元件,从误差电流信号产生补偿信号。
优选地,在所述方法中,所述多个补偿信号保持元件是多个补偿电容,每个补偿电容串联一个开关电路,并且所述稳态补偿信号为所述多个补偿电容分别保持的补偿信号的电压值。
优选地,在所述方法中,所述控制环路工作于恒定关断时间控制方式,其中,根据所述开关控制信号产生第二比较信号,以控制所述功率开关管的关断时间为固定时间值。
优选地,在所述方法中,所述多个补偿信号保持元件是多个电压源,每个电压源均串联一个开关电路,并且所述控制环路的稳态补偿信号是所述基准电压模块在不同关断时间下的稳定电压值。
优选地,在所述方法中,所述多个补偿信号保持元件是多个补偿电容,每个补偿电容均串联一个开关电路,并且所述控制环路的稳态补偿信号是恒定时间发生电路中基准电压模块的滤波补偿电压在不同关断时间下的稳定电压值。
本发明的多路LED恒流控制器根据负载状态变化控制环路补偿,从而加快了环路响应速度。在负载状态变化时可以快速恢复稳态,提高了瞬态响应速度。
在优选的实施例中,根据多路调光信号判断判断负载状态的变化。在多路调光信号均为低电平时,多路LED恒流控制器将外部的功率开关管断开,停止向负载提供驱动电流,从而可以显著减小轻负载时的稳态损耗。
采用上述的多路LED恒流控制器,多路LED恒流驱动电路只需采用一个多路LED恒流控制器可实现多路LED的控制,功率级电路只需一个功率开关管、一个电感和一二极管即可,成本低,体积小。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述,本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚,在附图中:
图1为根据现有技术的LED恒流驱动电路的示意性电路图。
图2为根据现有技术的采用滞环控制方式的LED恒流控制器的示意性电路图。
图3为根据现有技术的采用恒定频率控制方式的LED恒流控制器的示意性电路图。
图4为根据现有技术的采用恒定关断时间控制方式的LED恒流控制器的示意性电路图。
图5为根据本发明的LED恒流驱动电路的示意性电路图。
图6为根据本发明的LED恒流驱动电路的波形图。
图7为根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器的示意性电路图,其中采用恒定频率控制方式。
图8为在根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器中采用的环路补偿网络的一个实例。
图9为根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器的示意性电路图,其中采用恒定关断时间控制方式。
图10为在根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器中采用的恒定时间发生电路的一个实例。
图11为在根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器中采用的恒定时间发生电路的另一个实例。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中,相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见,附图中的各个部分没有按比例绘制。
参考图2,其中示出根据现有技术的采用滞环控制方式的LED恒流控制器100的示意性电路图。LED恒流控制器100包括滞环比较器101和触发器102。滞环比较器101的同相端连接至外部的电流采样单元(例如采样电阻),接收电流反馈信号VFB,反相端接收参考电压Vref。滞环比较器101的输出端连接至触发器102。触发器102的输出端连接至外部的功率开关管,向其提供开关控制信号。
在LED恒流控制器100工作时,当电流反馈信号VFB小于参考电压Vref时,滞环比较器101的输出端为高电平,触发器102的输出端也为高电平,外部的功率开关管导通,电感充电,从而电感电流增大,电流反馈信号VFB上升。当电流反馈信号VFB上升到等于或大于参考电压Vref时,由于滞环比较器101的特点,滞环比较器101还将继续保持原来的状态。直到电流反馈信号VFB上升到固定电压VH时,滞环比较器101才翻转,触发器102的输出端为低电平,外部的功率开关管关断,电感放电,从而电感电流下降,电流反馈信号VFB下降,从而完成一个开关周期。LED恒流控制器100重复开关周期,根据电流反馈信号VFB的控制实现恒流输出。
虽然上述的电流滞环控制方式广泛地用于LED恒流驱动,但由于整个控制系统的延时,在输入电压以及输出电压变化时,LED平均输出电流会有误差,恒流效果不好。此外,还存在以下缺点:当负载很轻的时候,进入DCM模式,恒流精度不好;随着负载状态变化,频率变化很大,效率不好。
参见图3,其中示出根据现有技术的采用恒定频率控制方式的LED恒流控制器200的示意性电路图。LED恒流控制器200包括跨导放大器201及其补偿电路、比较器202、RS触发器203。跨导放大器201的反相端连接至外部的电流采样单元(例如采样电阻),接收电流反馈信号VFB,同相端接收参考电压Vref。跨导放大器201的输出端输出误差电流信号。电容C21和电阻R21串联连接在跨导放大器201的输出端和地之间,组成补偿电路。误差电流信号经补偿电路补偿后形成补偿信号。比较器202的同相端接收电流反馈信号VFB,反相端接收补偿信号。比较器202的输出端连接至RS触发器203的复位端。RS触发器203的置位端接收时钟信号CLK。RS触发器203输出端连接至外部的功率开关管,向其提供开关控制信号。在替代的实施例中,补偿电路可以仅包括电容,利用电容将误差电流信号转换为补偿信号。
在LED恒流控制器200工作时,时钟信号CLK通过RS触发器203使得外部的功率开关管导通,从而开始一个开关周期。跨导放大器201作为误差放大器,其输出的误差电流信号始终与参考电压Vref和电流反馈信号VFB的差值成比例。误差电流信号经所述补偿电路补偿后形成补偿信号。在比较器202中,电流反馈信号VFB与补偿信号相比较。
当电流反馈信号VFB小于补偿信号时,比较器202的输出端为高电平。当电流反馈信号VFB上升到等于或大于补偿信号时,比较器202翻转。RS触发器202的输出端的信号电平取决于比较器202的输出信号和时钟信号CLK二者。在RS触发器202的输出端为高电平时,外部的功率开关管导通,电感充电,从而电感电流增大,电流反馈信号VFB上升。RS触发器202的输出端为低电平,外部的功率开关管关断,电感放电,从而电感电流下降,电流反馈信号VFB下降,从而完成一个开关周期。LED恒流控制器200重复开关周期,根据电流反馈信号VFB的控制实现恒流输出。
在上述的峰值电流控制方式中,没有直接控制PWM脉冲宽度,而是直接控制输出侧的峰值电感电流大小,从而间接地控制PWM脉冲宽度。由于输出电压变化,LED电流具有较大的过冲,这对LED造成较大的损坏。在调光信号很小的情形下,LED电流过冲有可能闪烁。此外,在轻负载(例如,在负载短路时)的情形下,存在着较大的稳态损耗。
参见图4,其中示出根据现有技术的采用恒定关断时间控制方式的LED恒流控制器300的示意性电路图。LED恒流控制器300包括跨导放大器301及其补偿电路、比较器302、RS触发器303、以及恒定时间发生电路304。跨导放大器301的反相端连接至外部的电流采样单元(例如采样电阻),接收电流反馈信号VFB,同相端接收参考电压Vref。跨导放大器301的输出端输出误差电流信号。电容C21和电阻R21串联连接在跨导放大器301的输出端和地之间,组成补偿电路。误差电流信号经补偿电路补偿后形成补偿信号。比较器302的同相端接收电流反馈信号VFB,反相端接收补偿信号。比较器302的输出端连接至RS触发器303的复位端。RS触发器303的置位端连接至恒定时间发生电路304,用于接收长度固定的时间段的定时信号。RS触发器303输出端连接至外部的功率开关管,向其提供开关控制信号。在替代的实施例中,补偿电路可以仅包括电容,利用电容将误差电流信号转换为补偿信号。
在LED恒流控制器300工作时,由于系统上电,RS触发器303使得外部的功率开关管导通,从而开始一个开关周期。跨导放大器301作为误差放大器,其输出的误差电流信号始终与参考电压Vref和电流反馈信号VFB的差值成比例。误差电流信号经所述补偿电路补偿后形成补偿信号。该补偿信号例如是峰值代表输出电感电流峰值的三角波形或梯形波形。在比较器302中,电流反馈信号VFB与补偿信号相比较。
当电流反馈信号VFB小于补偿信号时,比较器302的输出端为高电平。当电流反馈信号VFB上升到等于或大于补偿信号时,比较器302翻转。RS触发器302的输出端的信号电平取决于比较器302的输出信号和恒定时间发生电路304的输出信号二者。在RS触发器302的输出端为高电平时,外部的功率开关管导通,电感充电,从而电感电流增大,电流反馈信号VFB上升。RS触发器302的输出端为低电平,外部的功率开关管关断,并且延时由恒定时间发生电路304所产生的一段长度固定的时间段,电感放电,从而电感电流下降,电流反馈信号VFB下降,从而完成一个开关周期。在该延时的时间段之后,外部的功率开关管继续导通。LED恒流控制器300重复开关周期,根据电流反馈信号VFB的控制实现恒流输出。
与滞环控制方式相比,上述的恒定关断时间控制方式不产生分谐波振荡,提高了瞬态响应速度,从而在负载状态变化时可以快速恢复稳态。然而,在负载状态变化时,PWM控制信号的频率变化很大。结果,恒流控制精度和效率仍然受到负载状态变化的影响。
参见图5和6,其中示出根据本发明的LED恒流驱动电路的示意性电路图和波形图。在本实施例中,所述多路LED负载以三路为例,如图5所示,所述三路LED灯串串联连接。所述恒流驱动电路接收一直流母线电压VBUS,以驱动多路LED负载稳定工作,如图5所示,所述恒流驱动电路包括由功率开关管Q、电感L和整流管组成的功率级电路,这里,所述整流管具体包括整流管二极D,所述功率开关管Q、电感L和整流管二极D构成Buck拓扑,并且,在本实施方式中,所述功率开关管Q和电感L依次串联连接在直流母线电压的输入端和所述多路LED灯串的正极之间,整流管二极D连接在所述功率开关管Q和电感L的公共连接点和地之间。
进一步地,所述恒流驱动电路还包括多路LED恒流控制器U1,多路LED恒流控制器U1接收表征所述多路LED灯串的电流反馈信号VFB并据此控制所述功率开关管Q的开关状态,以控制所述功率级电路的输出电信号恒定,这里,所述输出电信号为输出电流信号,以下均相同,所述输出电流信号的大小要满足所述多路LED灯串的驱动电流要求;并且,所述多路LED恒流控制器U1接收多路PWM调光信号,以根据所述多路PWM调光信号控制所述多路LED灯串的电流平均值,以获得与所述PWM调光信号相对应的亮度。具体的,所述多路PWM调光信号与所述多路LED灯串一一对应,其对应方式可以但不限于为:PWM1调光信号用以控制第一路LED1灯串的亮度,PWM2调光信号用以控制第二路LED2灯串的亮度,PWM3调光信号用以控制第三路LED3灯串的亮度。
进一步地,本发明实施例的恒流驱动电路还包括多路开关电路。在一个实施方式中,所述多路开关电路的每一路均由开关管组成。如图5所示,开关管Q1构成第一路开关电路,开关管Q2构成第二路开关电路,
开关管Q3构成第三路开关电路。所述开关管Q1与第一路LED1灯串并联连接,开关管Q2与第二路LED1灯串并联连接,开关管Q3与第三路LED1灯串并联连接。所述开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3的控制端连接至多路LED恒流控制器U1,并通过多路LED恒流控制器U1控制其开关状态,具体地,多路LED恒流控制器U1根据所述多路PWM调光信号控制所述晶体管的开关状态,以周期性的点亮和熄灭对应的LED灯串。
具体地,在本发明实施方式中,所述电流反馈信号通过电流采样电路获得,所述电流采样电路具体为采样电阻Rs,所述采样电阻Rs连接在所述多路LED灯串的负极与地之间,所述采样电阻Rs与所述多路LED灯串的共接点处的信号作为所述多路LED灯串的电流反馈信号VFB。当然,本领域技术人员容易理解,还可以采用其它的等同替代方式实现对负载电流的采样。
此外,在本实施方式中,所述多路LED恒流控制器U1还接收一PWM控制信号,所述PWM控制信号用以调节电流参考信号的值,所述电流控制单元根据所述电流参考信号和所述电流反馈信号控制功率级电路的输出电流信号。作为本实施例的示意,所述电流参考信号的值与所述多路LED负载的期望驱动电流相一致,在不同场合,由于不同的LED负载的期望驱动电流不同,所述功率级电路的输出电流的大小需要根据实际进行调整。用户可根据需要使用PWM控制信号来调节电流参考信号的值,然后将调整后的电流参考信号和所述电流反馈信号进行比较以获得所需要的输出电流大小。
再次参考图5,在本实施例中,所述恒流驱动电路还包括滤波电容C1,以及由电阻Rc和电容C2组成的供电电路。所述电阻Rc的第一端接所述直流母线电压的输入端,第二端接所述电容C2的第一端,所述电容C2的第二端接地。所述电阻Rc和电容C2的公共连接点的电压VA作为所述多路LED恒流控制器U1的供电电压。如图5中所示,所述电流控制单元的IN端接收所述电压VA以作为其供电电压。
根据上述的电路容易理解本发明的电流控制方案,此处以三路LED灯串为例进行详细说明:当LED1灯串、LED2灯串和LED3灯串的驱动电流确定后,所述PWM控制信号控制电流参考信号为合适的值,多路LED恒流控制器U1根据电流反馈信号VFB和电流参考信号控制功率开关管Q的开关状态,以使功率级电路的输出电流信号能满足LED1灯串、LED2灯串和LED3的驱动电流要求。之后,根据实际要求,例如在一些需要冷暖灯的场合,要求LED1灯串、LED2灯串和LED3的亮度不同,因此,本发明实施例中输入至多路LED恒流控制器U1的PWM调光信号会根据不同的亮度要求控制多路PWM调光信号的有效脉冲宽度,多路LED恒流控制器U1根据PWM调光信号控制相应的开关管的开关状态,这样可控制每一路对应的LED灯串的电流平均值为需要的值,即是可获得相应的灯亮度。参考图6,其中示出图5中电路图所对应的工作波形图。当在一个工作周期T时间内,PWM1调光信号的有效脉冲宽度为T1,则对应的LED1灯串在T1时间内有电流通过,PWM2调光信号的有效脉冲宽度为T2,则对应的LED2灯串在T2时间内有电流通过,PWM2调光信号的有效脉冲宽度为T3,则对应的LED3灯串在T3时间内有电流通过,这样,LED1灯串、LED2灯串和LED3的电流平均值就会不相同,表现出的LED灯串亮度相应就不同,实现了光颜色不同的控制,因此,通过上述控制方案三路LED灯串就形成了不同亮度的冷暖灯。
由上可见,采用本发明实施例的恒流驱动电路,只需通过一个驱动电路就可驱动多路LED灯串,如图5中的功率开关管Q、电感L和二极管组成的Buck拓扑驱动电路,然后通过不同的PWM调光信号控制相应的LED灯串的亮度,满足对多路LED灯串光亮度不同的控制要求。
根据本发明实施例的恒流驱动电路一方面可实现恒流驱动;另一方面可实现亮度调节,而其控制方案相比于现有技术,整体结构大大简化,器件少,成本和体积都减小,提高了电源转换效率,同时能做成更大的输出功率,满足广泛的市场应用需求。
以下将进一步描述在图5所示的LED恒流驱动电路中使用的多路LED恒流控制器U1的不同实施例。在下文的实施例中,所述多路LED恒流控制器用于驱动串联连接的三路负载(例如,三路LED灯串)。正如下文将描述的那样,可以很容易地将所述多路LED恒流控制器修改为用于驱动两路或更多路负载。
参见图7,其中示出根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器400的示意性电路图,其中采用恒定频率控制方式。LED恒流控制器400包括跨导放大器401及其环路补偿网络404、比较器402、RS触发器403。跨导放大器401的反相端连接至外部的电流采样单元(例如采样电阻),接收电流反馈信号VFB,同相端接收参考电压Vref。跨导放大器401的输出端输出误差电流信号。环路补偿网络404串联连接在跨导放大器401的输出端和地之间。该误差电流信号经环路补偿网络404补偿后形成补偿信号。比较器402的同相端接收电流反馈信号VFB,反相端接收补偿信号。比较器402的输出端连接至RS触发器403的复位端。RS触发器403的置位端接收时钟信号CLK。RS触发器403输出端连接至外部的功率开关管,向其提供开关控制信号。
在LED恒流控制器400工作时,时钟信号CLK通过RS触发器403使得外部的功率开关管导通,从而开始一个开关周期。跨导放大器401作为误差放大器,其输出的误差电流信号始终与参考电压Vref和电流反馈信号VFB的差值成比例。该误差电流信号经环路补偿网络404补偿后形成补偿信号。该补偿信号的稳态补偿信号随着负载的变化而变化。在比较器402中,电流反馈信号VFB与补偿信号相比较。
当电流反馈信号VFB小于补偿信号时,比较器402的输出端为高电平。当电流反馈信号VFB上升到等于或大于补偿信号时,比较器402翻转。RS触发器402的输出端的信号电平取决于比较器402的输出信号和时钟信号CLK二者。在RS触发器402的输出端为高电平时,外部的功率开关管导通,电感充电,从而电感电流增大,电流反馈信号VFB上升。RS触发器402的输出端为低电平,外部的功率开关管关断,电感放电,从而电感电流下降,电流反馈信号VFB下降,从而完成一个开关周期。LED恒流控制器400重复开关周期,根据电流反馈信号VFB的控制实现恒流输出。
与图3所示的根据现有技术的采用恒定频率控制方式的LED恒流控制器200不同,在根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器400中,根据负载状态变化选择环路补偿网络404中相应的补偿信号保持元件,从而直接设置环路补偿网络的的稳态补偿信号。当负载发生变化时,如果是首次出现的负载状态,多路LED恒流控制器400的控制环路通过多次周期调整以达到稳态值,并通过所述补偿信号保持元件保留稳定后的补偿电压值。随后,当再次出现相同的负载状态时,则直接采用上一次保留的补偿电压值,使系统迅速达到稳定状态。为此,在根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器400中,将开关解码器405与环路补偿网络404相连接,根据PWM1调光信号、PWM2调光信号和PWM3调光信号来设置环路补偿网络的稳态补偿信号。
图8为在根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器400中采用的环路补偿网络404的一个实例。针对外部的三路负载,环路补偿网络404包括7个并联的补偿信号保持元件。补偿信号保持元件可以是选自电容、电感、信号保持电路的一种,并且可以是用于保持动态信号的任何器件或电路。在该实施例中,补偿信号保持元件为补偿电容。补偿电容的电容值可以相同或不同,只要满足在期望的时钟周期内可以达到稳态的要求即可。每个补偿电容的两端各自串联一个开关。在替代的实施例中,环路补偿网络404中的每个补偿电容还可以串联电阻。
开关解码器405接收PWM1调光信号、PWM2调光信号和PWM3调光信号,将三路调光信号解码成补偿选择信号,并提供至环路补偿网络404。根据补偿选择信号,环路补偿网络404将相应的补偿电容两端的开关闭合。
开关解码器405的输入信号和输出信号的关系如下表所示,其中PWM1-PWM3表示三路调光信号,S1-S7表示环路补偿网络404中的开关控制信号,ON表示调光信号为高电平,OFF表示调光信号为低电平,在本发明实施例中,调光信号为高电平时表征对应的LED灯串中有电流通过,调光信号为低电平时表征对应的LED灯串中无电流通过。
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
PWM1 ON ON ON ON OFF OFF OFF
PWM2 ON ON OFF OFF ON ON OFF
PWM3 ON OFF OFF ON ON OFF ON
在多路LED恒流控制器400的工作期间,如果各路负载均接入并且分别采用PWM调光,则三路调光信号的电平组合均为23=8种电平模式。相应地,存在着8种负载状态。
在8种负载状态中,除了负载全部断开的负载状态,对于其余的7种负载状态,环路补偿网络404中的相应补偿电容接入控制环路。当某种负载状态在首次出现后,则环路补偿网络404中的补偿电容会保留相应负载状态下的稳态补偿信号。
当该种负载状态再次出现时,在之前的工作周期中,已经采用补偿电容保留了对应负载状态下的稳态补偿信号。因此,对于每个负载状态出现时,将环路补偿网络404中的相应补偿电容接入控制环路,即直接设置环路补偿网络404的稳态补偿信号。
在上述的第一实施例中,采用开关解码器405和环路补偿网络404,根据外部调光信号设置环路补偿网络404的电参数。环路补偿网络404中的补偿元件(例如,电容)的数量N与多路负载的组数M相关,其中,N=1~2M,N和M分别为自然数。也即,针对至少一种负载状态,环路补偿网络404可以在负载状态变化时提供新的负载状态下的稳态补偿信号。在优选的实施例中,N=2M-1,即,针对除负载全部断开的状态以外的所有负载状态,环路补偿网络404可以在负载状态变化时提供新的负载状态下的稳态补偿信号。在进一步优选的实施例中,N=2M,即,针对所有负载状态,环路补偿网络404可以在负载状态变化时提供新的负载状态下的稳态补偿信号。
开关解码器405的信号输出端的数量N与补偿元件(例如,电容)的数量N相等,信号输入端的数量M与多路负载的组数M和外部调光信号的数量M相等。
在外部的调光信号PWM1-PWM3点亮和熄灭外部的LED灯串的同时,根据前一时刻的调光信号PWM1-PWM3变化LED恒流控制器400的环路补偿,从而加快了环路响应速度。所述多路LED恒流控制器400在负载状态变化时可以快速恢复稳态,提高了瞬态响应速度。
在优选的实施例中,根据本发明的第一实施例的多路LED恒流控制器400还包括附加的或门406和与门407。或门406的输入端接收外部的调光信号PWM1-PWM3。或门406的输出端连接至与门407的一个输入端。RS触发器403的输出端连接至与门407的另一个输入端
在调光信号PWM1-PWM3均为低电平时,外部的负载均处于短路状态。不管来自反馈环路的PWM控制信号的电平如何,多路LED恒流控制器400的与门407的输出端均为低电平,使得外部的功率开关管断开,停止向负载提供驱动电流,从而可以显著减小轻负载时的稳态损耗。
参见图9,其中示出根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器500的示意性电路图,其中采用恒定关断时间控制方式。LED恒流控制器500包括跨导放大器501及其补偿电路、比较器502、RS触发器503。跨导放大器501的反相端连接至外部的电流采样单元(例如采样电阻),接收电流反馈信号VFB,同相端接收参考电压Vref。跨导放大器501的输出端输出误差电流信号。电容C51和电阻R51串联连接在跨导放大器501的输出端和地之间,组成补偿电路。该误差电流信号经补偿电路补偿后形成补偿信号。比较器502的同相端接收电流反馈信号VFB,反相端接收补偿信号。比较器502的输出端连接至RS触发器503的复位端。RS触发器503的置位端接收时钟信号CLK。RS触发器503输出端连接至外部的功率开关管,向其提供开关控制信号。在替代的实施例中,补偿电路可以仅包括电容,利用电容将误差电流信号转换为补偿信号。
在LED恒流控制器500工作时,由于系统上电,RS触发器503使得外部的功率开关管导通,从而开始一个开关周期。跨导放大器501作为误差放大器,其输出的误差电流信号始终与参考电压Vref和电流反馈信号VFB的差值成比例。误差电流信号经所述补偿电路补偿后形成补偿信号。该补偿信号的稳态值随着负载的变化而变化。在比较器502中,电流反馈信号VFB与补偿信号相比较。
当电流反馈信号VFB小于补偿信号时,比较器502的输出端为高电平。当电流反馈信号VFB上升到等于或大于补偿信号时,比较器502翻转。RS触发器502的输出端的信号电平取决于比较器502的输出信号和恒定时间发生电路504的输出信号二者。在RS触发器502的输出端为高电平时,外部的功率开关管导通,电感充电,从而电感电流增大,电流反馈信号VFB上升。RS触发器502的输出端为低电平,外部的功率开关管关断,并且延时由恒定时间发生电路504所产生的一段长度固定的时间段,电感放电,从而电感电流下降,电流反馈信号VFB下降,从而完成一个开关周期。在该延时的时间段之后,外部的功率开关管继续导通。LED恒流控制器500重复开关周期,根据电流反馈信号VFB的控制实现恒流输出。
在RS触发器503的输出端从高电平转变为低电平时,外部的功率开关管关断,恒定时间发生电路504将功率开关管的关断时间延时一段长度固定的时间段。
图10为在根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器500中采用的恒定时间发生电路504的实例。
恒定时间发生电路504包括:用以产生基准电压信号的基准电压模块5043、用以产生固定斜率的斜坡信号的斜坡信号发生模块5042和比较器5041。基准电压模块5043的输出端连接至比较器5041的反相端。斜坡信号发生模块5042的输出端连接至比较器的同相端。参见图9,在多路LED恒流控制器500中,比较器5041的输出端连接至RS触发器503的置位端。
斜坡信号发生模块5042例如包括恒流源I1、电容C1和晶体管Q1。在斜坡信号发生模块5042中,晶体管Q1的栅极接收内部PWM控制信号。恒流源I1和电容C1的公共节点连接至比较器5041的同相端。在内部PWM控制信号为低电平时,晶体管Q1断开,电流源I1向电容C1充电,电容C1两端的电压逐渐增加。在内部PWM控制信号为低电平时,晶体管Q1闭合,电容C1两端的电压为零。结果,斜坡信号发生模块5042在内部PWM控制信号的控制下产生斜坡信号。
基准电压模块5043例如包括电压源,并且形成环路补偿网络。针对外部的三路负载,基准电压模块5043包括7个并联的电压源,每个电压源的两端各自串联一个开关。各个电压源的输出电压可以相同或不同,分别对应于其中一种负载瞬间状态下的基准电压近态稳态值。
比较器5041接收所述基准电压信号和斜坡信号,用以产生固定时间长度的延时。
此外,在跨导放大器501的输出端和比较器502的反相端之间串联连接开关S8。在负载未全部断开的负载瞬间状态,开关S8闭合,将跨导放大器501连接至控制环路中,实现恒定时间控制方式。在负载全部断开的负载瞬间状态,开关S8断开,跨导放大器501从控制环路中断开,以减小电路中的待机损耗。
图11为在根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器500中采用的恒定时间发生电路504的另一个实例。
恒定时间发生电路504包括:用以产生基准电压信号的基准电压模块5045、用以产生固定斜率的斜坡信号的斜坡信号发生模块5042和比较器5041。基准电压模块5045的输出端连接至比较器5041的反相端。斜坡信号发生模块5042的输出端连接至比较器的同相端。参见图9,在多路LED恒流控制器500中,比较器5041的输出端连接至RS触发器503的置位端。
斜坡信号发生模块5042例如包括恒流源I1、电容C1和晶体管Q1。在斜坡信号发生模块5042中,晶体管Q1的栅极接收内部PWM控制信号。恒流源I1和电容C1的公共节点连接至比较器5041的同相端。
在斜坡信号发生模块5042中,在内部PWM控制信号为低电平时,晶体管Q1断开,电流源I1向电容C1充电,电容C1两端的电压逐渐增加。在内部PWM控制信号为低电平时,晶体管Q1闭合,电容C1两端的电压为零。结果,斜坡信号发生模块5042在内部PWM控制信号的控制下产生斜坡信号。
基准电压模块5045例如包括恒流源I2、晶体管Q2、电阻R1、电阻R2和环路补偿网络5044。电阻R1和环路补偿网络5044组成RC滤波电路。恒流源I2、晶体管Q2、电阻R2并联在一起,第一公共端接地,第二公共端经由RC滤波电路连接至比较器5041的反相端。针对外部的三路负载,环路补偿网络5044包括7个并联的补偿电容.每个补偿电容的两端各自串联一个开关。补偿电容的电容值可以相同或不同,只要满足在期望的时钟周期内可以达到稳态以及RC滤波的要求即可。
在基准电压模块5045中,在内部PWM控制信号为低电平时,晶体管Q2断开,电流源I2的电流流经电阻R2,在电阻R2的两端产生预定电压。在内部PWM控制信号为高电平时,晶体管Q2闭合,使得电阻R2两端的电压为零。因此,在第二公共端产生的电压波形为矩形波。经过RC滤波电路,将该矩形波平均化为恒定的基准电压。
比较器5041接收所述基准电压信号和斜坡信号,用以产生固定时间长度且固定频率的延时。
与图4所示的根据现有技术的采用恒定关断时间控制方式的LED恒流控制器300不同,在根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器500中,根据负载的变化选择恒定时间发生电路504中相应的补偿信号保持元件,从而直接设置恒定时间发生电路的的近似稳态值。在负载发生变化的瞬间,多路LED恒流控制器500的控制环路从近似稳态值开始调整,从而可以在尽可能少的时钟周期内重新达到稳态值。为此,在根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器500中,将开关解码器505与恒定时间发生电路504相连接,根据PWM1调光信号、PWM2调光信号和PWM3调光信号来设置恒定时间发生电路的近似稳态值。
开关解码器505接收PWM1调光信号、PWM2调光信号和PWM3,将三路调光信号解码成关断时间选择信号,并提供至恒定时间发生电路504。根据关断时间选择信号,恒定时间发生电路504将相应的电压源两端的开关闭合,从而变化恒定时间发生电路504的基准电压。结果,恒定时间发生电路504可以根据不同的负载设置不同的关断时间。
开关解码器505的输入信号和输出信号的关系如下表所示,其中PWM1-PWM3表示三路调光信号,S1-S7表示恒定时间发生电路504中的开关闭合信号,S8表示跨导放大器501的输出端和比较器502的反相端之间,ON表示调光信号为高电平,OFF表示调光信号为低电平。
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
PWM1 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF
PWM2 ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF
PWM3 ON OFF OFF ON ON OFF ON OFF
在多路LED恒流控制器500的工作期间,如果各路负载均接入并且分别采用PWM调光,则三路调光信号的电平组合均为23=8种电平模式。相应地,存在着8种负载瞬间状态。
在8种负载瞬间状态中,除了负载全部断开的负载瞬间状态,对于其余的7种负载瞬间状态,环路补偿网络中的相应电压源或相应补偿电容接入控制环路。在多个时钟周期之后,环路补偿网络中的每一个电压源或补偿电容均保持相应负载接入状态下的稳定电压值。
在负载发生变化(例如某路负载接入或断开)时,三路调光信号的电平组合仍然是8种电平模式的集合或其子集。负载的变化仅仅导致调光过程中的电平组合的数量变化,也即负载瞬间状态的数量变化。
然而,在先前的环路控制中,已经采用电压源或补偿电容保持所有负载状态下的稳定电压值。因此,对于每个负载瞬间状态,将环路补偿网络中的相应电压源或补偿电容接入控制环路,即直接设置环路补偿网络的稳定补偿信号。
在上述的第二实施例中,采用开关解码器505和恒定时间发生电路504,根据外部调光信号设置恒定时间发生电路504的关断时间。恒定时间发生电路504中的电压源的数量N与多路负载的组数M相关,其中,N=1~2M,N和M分别为自然数。也即,针对至少一种负载状态,环路补偿网络404可以在负载状态变化时提供新的负载状态下的稳态补偿信号。
开关解码器505的信号输出端的数量N与电压源的数量N相等,信号输入端的数量M与多路负载的组数M和外部调光信号的数量M相等。
在外部的调光信号PWM1-PWM3点亮和熄灭外部的LED灯串的同时,根据调光信号PWM1-PWM3变化LED恒流控制器500中的恒定时间发生电路504的关断时间,使得LED恒流控制器500可以根据负载状态快速达到稳态关断时间,从而加快了环路响应速度。所述多路LED恒流控制器500在负载状态变化时可以快速恢复稳态,提高了瞬态响应速度。
在优选的实施例中,根据本发明的第二实施例的多路LED恒流控制器500还包括附加的或门506和与门507。或门506的输出端连接至与门507的一个输入端,RS触发器503的输出端连接至与门507的另一个输入端。此外,或门506的输入端接收外部的调光信号PWM1-PWM3。在调光信号PWM1-PWM3均为低电平时,外部的负载均处于短路状态。不管来自反馈环路的PWM控制信号的电平如何,多路LED恒流控制器500的与门507的输出端均为低电平,从而使得外部的功率开关管断开,停止向负载提供驱动电流,从而可以显著减小轻负载时的稳态损耗。
以上对依据本发明的优选实施例的多路LED恒流驱动电路、驱动方法及LED驱动电路进行了详尽描述,本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述,这些实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然,根据以上描述,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (23)

1.一种多路LED恒流控制器,用于向外部的功率级电路中的功率开关管提供开关控制信号以控制所述功率开关管的开关状态,使得功率级电路产生用于驱动多路LED灯串的恒定电流,所述多路LED恒流控制器包括:
控制环路,所述控制环路接收所述多路LED灯串的电流反馈信号,并且根据电流反馈信号产生第一控制信号,
其中,所述控制环路包括由多个补偿信号保持元件组成的环路补偿网络,并且
所述多路LED恒流控制器根据负载状态将相应的补偿信号保持元件接入控制环路,所述多个补偿信号保持元件分别用于保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号,并且在负载状态变化时设置控制环路的稳态补偿信号。
2.根据权利要求1所述的多路LED恒流控制器,其中所述多路LED灯串根据多路PWM调光信号控制每路LED灯串的电流平均值,以实现相应的LED灯串的调光。
3.根据权利要求2所述的多路LED恒流控制器,还包括开关解码器,所述开关解码器与所述环路补偿网络相连接,所述开关解码器根据所述多路PWM调光信号产生补偿选择信号,使得与负载状态相对应的补偿信号保持元件接入控制环路。
4.根据权利要求3所述的多路LED恒流控制器,还包括:
或门,用于接收所述多路PWM调光信号,以及输出第二控制信号;以及
与门,用于接收第一控制信号和第二控制信号,以及输出所述开关控制信号。
5.根据权利要求3所述的多路LED恒流控制器,其中所述控制环路还包括:
跨导放大器,用于接收负载的电流反馈信号和参考电压,并且输出误差电流信号,其中,所述环路补偿网络与跨导放大器的输出端相连,用于接收误差电流信号以产生补偿信号;
第一比较器,用于接收补偿信号和电流反馈信号,并且输出第一比较信号;以及
RS触发器,所述RS触发器的复位端接收第一比较信号,置位端接收时钟信号,并且输出所述第一控制信号。
6.根据权利要求5所述的多路LED恒流控制器,其中所述多个补偿信号保持元件为多个并联连接的补偿电容,每个补偿电路均串联一个开关电路,其中所述补偿选择信号控制所述开关电路的闭合或断开,使得与负载状态相对应的补偿电容接入控制环路。
7.根据权利要求6所述的多路LED恒流控制器,其中在从控制环路断开时,所述多个补偿电容分别保持各自的负载状态下的所述补偿信号的电压值,作为所述控制环路在相应的负载状态下的稳态补偿信号。
8.根据权利要求3所述的多路LED恒流控制器,其中所述控制环路还包括:
跨导放大器,用于接收负载的电流反馈信号和参考电压,并且输出误差电流信号;
误差补偿电路,用于接收误差电流信号以产生补偿信号;
第一比较器,用于接收补偿信号和电流反馈信号,并且输出第一比较信号;
恒定时间发生电路,所述恒定时间发生电路接收所述开关控制信号,并且输出第二比较信号;以及
RS触发器,所述RS触发器的复位端接收第一比较信号,置位端接收第二比较信号,并且输出所述第一控制信号,
其中,所述恒定时间发生电路控制所述开关功率管的关断时间为固定时间值。
9.根据权利要求8所述的多路LED恒流控制器,其中所述恒定时间发生电路包括:
斜坡信号发生模块,用于接收所述开关控制信号并输出斜坡信号;
基准电压模块,用于产生基准电压;
第二比较器,用于接收斜坡信号和基准电压,并且产生所述第二比较信号。
10.根据权利要求9所述的多路LED恒流控制器,其中所述环路补偿网络作为所述基准电压模块的一部分,并且所述多个补偿信号保持元件为多个电压源,每个电压源均串联一开关电路,其中所述补偿选择信号控制所述开关电路的闭合或断开,使得与负载状态相对应的电压源接入控制环路。
11.根据权利要求10所述的多路LED恒流控制器,其中所述控制环路的稳态补偿信号是所述基准电压模块在不同关断时间下的稳定电压值。
12.根据权利要求9所述的多路LED恒流控制器,其中所述基准电压模块包括:
在第一公共端和第二公共端之间并联在一起的恒流源、晶体管、第一电阻,第一公共端接地;以及
由第二电阻和所述环路补偿网络组成的RC滤波网络,第二公共端经由RC滤波网络连接至第二比较器的反相端。
13.根据权利要求12所述的多路LED恒流控制器,其中所述多个补偿信号保持元件为多个补偿电容,每个补偿电容均串联一开关电路,其中所述补偿选择信号控制所述开关电路的闭合或断开,使得与负载状态相对应的补偿电容接入控制环路。
14.根据权利要求13所述的多路LED恒流控制器,其中在从控制环路断开时,所述多个补偿电容分别保持各自的负载状态下的滤波补偿电压的电压值,作为所述控制环路在相应的负载状态下的稳态补偿信号。
15.根据权利要求8所述的多路LED恒流控制器,其中在负载全部断开的状态,所述多路LED恒流控制器断开功率开关管,并且将所述跨导放大器与所述控制环路断开。
16.根据权利要求1所述的多路LED恒流控制器,其中所述多路LED灯串的组数为M,所述补偿信号保持元件的数量为N,则符合以下等式:N=1~2M,N和M分别为自然数。
17.一种多路LED恒流控制方法,用于向外部的功率级电路中的功率开关管提供开关控制信号以控制所述功率开关管的开关状态,使得功率级电路产生用于驱动多路LED灯串的恒定电流,所述多路LED恒流控制方法包括:
采用控制环路,根据所述多路LED灯串的电流反馈信号产生第一控制信号;
采用多个补偿信号保持元件,分别保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号;以及
根据负载状态将相应的补偿信号保持元件接入控制环路,使得所述多个补偿信号保持元件分别用于保持控制环路在不同的负载状态下的稳态补偿信号,并且在负载状态变化时设置控制环路的稳态补偿信号。
18.根据权利要求17所述的多路LED恒流控制方法,所述多路LED灯串根据多路PWM调光信号控制每路LED灯串的电流平均值,以实现相应的LED灯串的调光。
19.根据权利要求18所述的多路LED恒流控制方法,其中,所述控制环路工作于峰值电流控制方式,其中,根据电流反馈信号和参考电压产生误差电流信号,利用所述多个补偿信号保持元件中的一个补偿信号保持元件,从误差电流信号产生补偿信号。
20.根据权利要求19所述的多路LED恒流控制方法,其中,所述多个补偿信号保持元件是多个补偿电容,每个补偿电容串联一个开关电路,并且所述稳态补偿信号为所述多个补偿电容分别保持的补偿信号的电压值。
21.根据权利要求18所述的多路LED恒流控制方法,其中,所述控制环路工作于恒定关断时间控制方式,其中,根据所述开关控制信号产生第二比较信号,以控制所述功率开关管的关断时间为固定时间值。
22.根据权利要求21所述的多路LED恒流控制方法,其中,所述多个补偿信号保持元件是多个电压源,每个电压源均串联一个开关电路,并且所述控制环路的稳态补偿信号是所述基准电压模块在不同关断时间下的稳定电压值。
23.根据权利要求21所述的多路LED恒流控制方法,其中,所述多个补偿信号保持元件是多个补偿电容,每个补偿电容均串联一个开关电路,并且所述控制环路的稳态补偿信号是恒定时间发生电路中基准电压模块的滤波补偿电压在不同关断时间下的稳定电压值。
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