CN105530725A - 基于scc自动反馈控制的多路led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路，包括：相互连接的半桥逆变单元、多路LED精确均流驱动单元和输出反馈自动控制系统；所述半桥逆变单元包括：第一开关MOS管、第二开关MOS管、第一电容、第二电容和变压器；所述第一开关MOS管的漏极和第一电容的正极均与电源的正极相连接；所述第一电容的负极与第二电容的正极相连接；第一开关MOS管的源极和第二开关MOS管的漏极相连接；第二开关MOS管的源极和第二电容的负极均与电源负极相连接；变压器的原边正极与第一开关MOS管的源极相连接；所述变压器的原边负极与第一电容的负极相连接。本发明具有结构简单、易于实现和转换效率高等优点。

Description

基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路

技术领域

本发明涉及一种多路LED均流及调光技术，特别涉及一种基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路。

背景技术

高亮度发光二极管(HighBrightnessLightEmittingDiode,HB-LED，以下简称LED)具有发光能效高、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。由于单只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。考虑安规要求及可靠性，多只LED(如12～15只)串联后再多串并联(如4～6串)是常用的方案。但由于LED自身的导通压降离散性大，即使同一产品箱中的LED在额定电流工作时其导通压降差别也通常在15％以上；另外LED的导通压降还随着工作结温以及工作电流的不同有很大差异，因此考虑各种工作状况LED导通压降的差别约为30％，采用单个电源给多个并联的LED串供电也将引起电压降较低的一路承担很大的电流，且由于LED的导通压降为负温度系数，将加剧该不均流程度，严重降低LED的可靠性，因此将LED模块进行串并联组合时必须引入均流技术。

各种均流方案中：利用耦合电感进行均流的无源均流方案在当电路拓展到更多路输出的应用场合时,对藕合电感的数量要求更多,均流表现将会遇到两个问题,一是:电路面临结构复杂,控制电路复杂等共同的问题。二是,电感容易受到漏感以及励磁电流的影响,进而导致均流效果不佳。

利用电容的交流阻抗特性,其工作受到一定限制；一是负载仅工作在正常工作周期的半个周期内发光,导致了电路对LED利用率较低。二是电路通过电容容量控制了负载电流大小,从而使得工作效率不理想。

现有方案中无源均流方案中基于电容的电荷平衡原理设计的两路均流方案具有高效,低价,简单的优势。特别适用于双端拓扑的整流结构。其主要设计原理是利用电容的伏秒平衡特性,在双端拓扑的变压器副边正负交替输出时,实现电荷平衡进而达到精确,可靠的控制负载电流的目的。利用平衡电容进行多路均流的方案中,通过在整流桥变压器副边串联平衡电容保证模块内两路LED负载输出的电流平衡,多个模块间电流通过选取精确匹配的电容实现均衡。以为器件的不确定性使得其均衡特性较差。同时对均流精度的要求也将提高器件选取的成本。使其应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路，该LED驱动电路适用于多路可精确均流LED驱动电路。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路，包括：相互连接的半桥逆变单元X、多路LED精确均流驱动单元Y和输出反馈自动控制系统Z，所述多路LED精确均流驱动单元Y具有均流可控开关电容SCC；

所述半桥逆变单元X包括：第一开关MOS管Q₁、第二开关MOS管Q₂、第一电容C₁和第二电容C₂、变压器T；其中，第一开关MOS管Q₁的漏极与第一电容C₁的正极均与直流电源正极相连接；第一电容C₁的负极与第二电容C₂的正极相连接；第一开关MOS管Q₁的源极和第二开关MOS管Q₂的漏极相连接；第二开关MOS管Q₂的源极与第二电容C₂的负极均与电源负极相连接；变压器T的原边正极与第一开关MOS管Q₁的源极相连接；变压器T的原边负极与第一电容C₁的负极相连接。

所述的多路LED精确均流驱动单元Y包括以下的(1)部分和(2)部分：

(1)第一变压器副边T₁、第一电感L₁、第一可控开关电容SCC₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一输出滤波电容C_o1、第二输出滤波电容C_o2、第一隔直电容C_b1、第一开关电容C_s1和第一开关管S₁、LED串1、LED串2。第一隔直电容C_b1和第一开关电容C_s1的正极均与X中第一变压器副边T1正极相连接；第一开关管S₁的漏极与第一开关电容C_s1的负极相连接；第一开关管S₁的源极和第一隔直电容C_b1的负极均与第一电感L₁首端相连接；第一电感L₁末端和第一二极管D₁的正极均与第二二极管D₂的负极相连接；第一二极管D₁的负极和第一输出滤波电容C_o1的正极均与LED串1的正极相连接；第一LED串1的负极、第二LED串2的负极、第一输出滤波电容C_o1的负极、第二输出滤波电容C_o2的负极、第二二极管D₂的正极和第四二极管D₄的正极均接地。第三二极管D₃的负极和与第二输出滤波电容C_o2的正极均与第二LED串2的正极相连接；第三二极管D₃的正极和第四二极管的负极均与第一变压器副边T1的负极相连接。

(2)第二变压器副边T₂、第二可控开关电容SCC₂、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第三输出滤波电容C_o3、第四输出滤波电容C_o4、第三LED串3、第四LED串4；其中第二可控开关电容SCC₂单元包括：第二隔直电容C_b2、第二开关电容C_s2和第二开关管S₂。第二隔直电容C_b2和第二开关电容C_s2的正极均与第二变压器副边T₂正极相连接；第二开关管S₂的漏极和第二开关电容C_s2的负极相连接；第二开关管S₂的源极和第二隔直电容C_b2的负极和第五二极管D₅的正极均与第六二极管D₆的负极相连接；第五二极管D₅的负极和第三输出滤波电容C_o3的正极均与第三LED串3的正极相连接；第三LED串3的负极、第四LED串4的负极、第三输出滤波电容C_o3的负极、第四输出滤波电容C_o4的负极、第六二极管D₆的正极和第八二极管D₈的正极均接地。第七二极管D₇的负极和与第四输出滤波电容C_o4的正极均与第四LED串4的正极相连接；第七二极管D₇的正极和第八二极管D₈的负极均与第一变压器副边T₁的负极相连接。

所述的输出反馈自动控制系统Z包括：第一电流感应器、第一比较器、第一PID控制器、第一PWM控制器、第一门极驱动、电流感应器、第二比较器、第二PID控制器、第二PWM控制器、第二门极驱动、参考电流I_ref；其中第一电流感应器感应第一LED串1的电流后和参考电流I_ref传送数据给第一比较器；第一比较器比较后传输运算结果给第一PID控制器，再传给第一PWM控制，然后是第一门极驱动，最后信号传递给多路LED精确均流驱动单元Y中的第一开关管S₁实现反馈自动控制。电流感应器感应第三LED串3的电流后和参考电流I_ref传送数据给第二比较器；第二比较器比较后传输运算结果给第二PID控制器，再传给第二PWM控制器，然后是第二门极驱动，最后信号传递给多路LED精确均流驱动单元Y中的第二开关管S₂实现反馈自动控制。

通过所述半桥逆变单元X为固定开关频率f_s、50％占空比驱动，产生固定频率方波电压；由多路LED精确均流驱动单元Y对所述方波电压进行滤波、隔直与均衡；由输出反馈自动控制系统Z实现四路LED串间的精确均流。

所述的半桥开关频率f_s大于第一电感L₁与可控开关电容SCC等效电容C_eq的谐振频率，以实现半桥电路原边电流工作在电流连续状态CCM。

所述的多路LED精确均流驱动单元Y包含有可控开关电容SCC，SCC中第一开关管S₁和第二开关管S₂驱动信号采取均与半桥第二开关MOS管Q₂驱动信号同相位，变占空比D控制。

所述输出反馈自动控制系统Z控制可控开关电容SCC的驱动信号，改变占空比D以调节等效电容C_eq的值，调节LED驱动电流的大小从而实现精确均流。

所述半桥逆变单元X在固定开关频率下发出恒定50％占空比方波由变压器T原边传递到副边供给所述的多路LED精确均流驱动单元Y。由于均流可控开关电容SCC的存在，由电容的伏秒平衡特性，可以实现每一变压器副边两路LED串驱动电流的自动均衡。随着均流可控开关电容SCC等效电容值的不同，LED串驱动均衡电流值也将改变。

本发明的原理：本发明的基于可控开关电容自动反馈控制的多路可精确均流LED驱动电路，包括：相互连接的半桥逆变单元X、多路LED精确均流驱动单元Y和输出反馈自动控制系统Z；所述多路LED精确均流驱动单元Y具有均流可控开关电容SCC；所述半桥逆变单元X半桥采用固定频率恒定50％占空比控制；可控开关电容的存在使同一变压器副边的两路LED串电流自动均衡；不同变压器副边通过输出反馈自动控制系统Z来实现精确均流。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明中半桥逆变单元X驱动采用固定频率固定占空比的驱动方式，控制简单有利于磁性元件的设计和优化。

(2)本发明基于可控开关电容自动反馈控制的多路LED均流驱动电路，通过电流反馈自动控制调控开关电容SCC，改变等效电容的值，从而调节LED均衡电流的值，实现了多路LED驱动电流的精确均流。

(3)本发明中半桥逆变单元X及可控开关电容SCC使用的开关管均能实现软开关，本发明的结构简单，易于实现，很好的实现了多路路LED串的精确均流和半桥开关管和均流可控开关电容开关管的ZVS软开关，其开关损耗小，转换效率高。

附图说明

图1是基于可控开关电容自动反馈控制的多路可精确均流LED驱动电路拓扑结构图。

图2是可控开关电容SCC工作周期波形图。

图3是多路LED精确均流驱动单元Y中第一变压器副边T₁侧电路稳态工作波形图。

图4是电压感应器型反馈自动控制简化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，是本发明所述的一种基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路，该多路LED驱动电路包括：相互连接的半桥逆变单元X、多路LED精确均流驱动单元Y和输出反馈自动控制系统Z，所述多路LED精确均流驱动单元Y具有均流可控开关电容SCC；

所述半桥逆变单元X包括：第一开关MOS管Q₁、第二开关MOS管Q₂、第一电容C₁和第二电容C₂、变压器T；其中，第一开关MOS管Q₁的漏极与第一电容C₁的正极均与直流电源正极相连接；第一电容C₁的负极与第二电容C₂的正极相连接；第一开关MOS管Q₁的源极和第二开关MOS管Q₂的漏极相连接；第二开关MOS管Q₂的源极与第二电容C₂的负极均与电源负极相连接；变压器T的原边正极与第一开关MOS管Q₁的源极相连接；变压器T的原边负极与第一电容C₁的负极相连接。

所述的多路LED精确均流驱动单元Y包括以下的(1)部分和(2)部分：

(1)第一变压器副边T₁、第一电感L₁、第一可控开关电容SCC₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一输出滤波电容C_o1、第二输出滤波电容C_o2、第一隔直电容C_b1、第一开关电容C_s1和第一开关管S₁、LED串1、LED串2。第一隔直电容C_b1和第一开关电容C_s1的正极均与X中第一变压器副边T₁正极相连接；第一开关管S₁的漏极与第一开关电容C_s1的负极相连接；第一开关管S₁的源极和第一隔直电容C_b1的负极均与第一电感L₁首端相连接；第一电感L₁末端和第一二极管D₁的正极均与第二二极管D₂的负极相连接；第一二极管D₁的负极和第一输出滤波电容C_o1的正极均与LED串1的正极相连接；第一LED串1的负极、第二LED串2的负极、第一输出滤波电容C_o1的负极、第二输出滤波电容C_o2的负极、第二二极管D₂的正极和第四二极管D₄的正极均接地。第三二极管D₃的负极和与第二输出滤波电容C_o2的正极均与第二LED串2的正极相连接；第三二极管D₃的正极和第四二极管的负极均与第一变压器副边T₁的负极相连接。

(2)第二变压器副边T₂、第二可控开关电容SCC₂、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第三输出滤波电容C_o3、第四输出滤波电容C_o4、第三LED串3、第四LED串4；其中第二可控开关电容SCC₂单元包括：第二隔直电容C_b2、第二开关电容C_s2和第二开关管S₂。第二隔直电容C_b2和第二开关电容C_s2的正极均与第二变压器副边T₂正极相连接；第二开关管S₂的漏极和第二开关电容C_s2的负极相连接；第二开关管S₂的源极和第二隔直电容C_b2的负极和第五二极管D₅的正极均与第六二极管D₆的负极相连接；第五二极管D₅的负极和第三输出滤波电容C_o3的正极均与第三LED串3的正极相连接；第三LED串3的负极、第四LED串4的负极、第三输出滤波电容C_o3的负极、第四输出滤波电容C_o4的负极、第六二极管D₆的正极和第八二极管D₈的正极均接地。第七二极管D₇的负极和与第四输出滤波电容C_o4的正极均与第四LED串4的正极相连接；第七二极管D₇的正极和第八二极管D₈的负极均与第一变压器副边T₁的负极相连接。

所述的输出反馈自动控制系统Z包括：第一电流感应器、第一比较器、第一PID控制器、第一PWM控制器、第一门极驱动、第二电流感应器、第二比较器、第二PID控制器、第二PWM控制器、第二门极驱动、参考电流I_ref。其中第一电流感应器感应第一LED串1的电流后和参考电流I_ref传送数据给第一比较器；第一比较器比较后传输运算结果给第一PID控制器，再传给第一PWM控制，然后是第一门极驱动，最后信号传递给多路LED精确均流驱动单元Y中的第一开关管S₁实现反馈自动控制。第二电流感应器感应第三LED串3的电流后和参考电流I_ref传送数据给第二比较器；第二比较器比较后传输运算结果给第二PID控制器，再传给第二PWM控制器，然后是第二门极驱动，最后信号传递给多路LED精确均流驱动单元Y中的第二开关管S₂实现反馈自动控制。

从图1中可以看到，两个第一变压器副边T₁和第二变压器副边T₂侧的两路结构是完全一样的，所以接下以第一变压器副边T₁侧电路为例分析。

如图2所示，SCC等效电容值与电容一个周期内的电荷量Q成正比，开关电容SCC的等效电容公式如式(1)，占空比D的控制范围是：[δ，0.5+δ]。等效电容最大值C_eqmax＝C_b1+C_s1，最小值C_eq1min＝C_b1。δ角为电压v_s1相角超前于输出电流i_s1角度。

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{s1}^{`}=\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{cs}}{Q_{cs}}=\frac{1-\cos (2D\mathrm{\π}-\mathrm{\δ})}{2}{C}_{s1}\\ C_{eq1}=C_{b1}+C_{s1}^{`}=C_{b1}+\frac{1-\cos (2D\mathrm{\π}-\mathrm{\δ})}{2}{C}_{s1}\end{array}\right.,---\left(1\right)$

其中，Q_cs为第一电容C_s1在正常同等条件完整半个周期下的电荷量，ΔQ_cs为第一开关电容C_s1半个周期的电荷量；C_b1为第一隔直电容电容值；C_s1为第一开关电容电容值；δ角为电压v_s1相角超前于输出电流i_s1角度。

以下分析把均流可控开关电容等效替换为等效电容C_eq1分析，如图3所示，可得变压器T₁侧电路具体模态分析如下：

1)模态1(t₀-t₁)：在此模态内，第一二极管D₁、第四二极管D₄导通，电流is1给输出第一滤波电容C_o1充电及给第一LED串1供电；第二二极管D₂、第三二极管D₃关断，第二LED串2由输出第二滤波电容C_o2供电驱动。

2)模态2(t₁-t₂)：在此模态内，第二二极管D₂、第三二极管D₃导通，电流is1给输出第二滤波电容C_o2充电及给第二LED串2供电；第一二极管D₁、第四D₄关断，第一LED串1由输出第一滤波电容C_o1供电驱动。

由电容的安秒平衡特性，电容在一个工作周期内充放电平衡，即正负半周期通过的电容C_eq1的电荷量相等(Q₁＝Q₂)。两路LED串输出电流如式(2)所示，可以实现输出电流的自动均衡，式中T_s为半桥开关周期。

$Q_1={\∫}_{t_0}^{t_1}{i}_{s1}dt={\∫}_{t_1}^{t_2}{i}_{s1}dt=Q_2,---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{LED1}=\frac{Q_1}{T_s}\\ I_{LED2}=\frac{Q_2}{T_s}\\ I_{LED1}=I_{LED2}\end{array}\right.,---\left(3\right)$

其中，I_LED1为第一LED串1的电流；I_LED2为第二LED串2的电流；T_s为半桥开关周期；Q₁为电容在一个工作周期内正半周期的电荷量；Q₂为电容在一个工作周期内负半周期的电荷量。

两变压器副边间电流的均衡，则靠输出反馈自动控制系统Z的控制调控各自可控开关电容SCC的占空比，以实现四路LED电流的精确均流。

对于所应用的输出反馈自动控制系统Z，其应用的是电流感应器来检测电路的LED驱动电流，此外应用电压感应器来检测LED驱动电流也是其中一种变形，也在保护当中，其示意图如图4所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路，包括：相互连接的半桥逆变单元(X)、多路LED精确均流驱动单元(Y)和输出反馈自动控制系统(Z)；

所述半桥逆变单元(X)包括：第一开关MOS管(Q₁)、第二开关MOS管(Q₂)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)和变压器(T)；所述第一开关MOS管(Q₁)的漏极和第一电容(C₁)的正极均与电源的正极相连接；所述第一电容(C₁)的负极与第二电容(C₂)的正极相连接；第一开关MOS管(Q₁)的源极和第二开关MOS管(Q₂)的漏极相连接；第二开关MOS管(Q₂)的源极和第二电容(C₂)的负极均与电源负极相连接；变压器(T)的原边正极与第一开关MOS管(Q₁)的源极相连接；所述变压器(T)的原边负极与第一电容(C₁)的负极相连接；

所述的多路LED精确均流驱动单元(Y)包括：

第一变压器副边(T₁)、第一电感(L₁)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一输出滤波电容(C_o1)、第二输出滤波电容(C_o2)、第一隔直电容(C_b1)、第一开关电容(C_s1)、第一开关管(S₁)、第一LED串(1)、第二LED串(2)、第二变压器副边(T₂)、第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)、第七二极管(D₇)、第八二极管(D₈)、第三输出滤波电容(C_o3)、第四输出滤波电容(C_o4)、第三LED串(3)、第四LED串(4)和均流可控开关电容(SCC)，所述均流可控开关电容(SCC)包括第一可控开关电容(SCC₁)和第二可控开关电容(SCC₂)；所述第一隔直电容(C_b1)和第一开关电容(C_s1)的正极均与半桥逆变单元(X)中第一变压器副边(T₁)的正极相连接；所述第一开关管(S₁)的漏极与第一开关电容(C_s1)的负极相连接；第一开关管(S₁)的源极和第一隔直电容(C_b1)的负极均与第一电感(L₁)首端相连接；第一电感(L₁)末端和第一二极管(D₁)的正极均与第二二极管(D₂)的负极相连接；第一二极管(D₁)的负极和第一输出滤波电容(C_o1)的正极均与第一LED串(1)的正极相连接；第一LED串(1)的负极、第二LED串(2)的负极、第一输出滤波电容(C_o1)的负极、第二输出滤波电容(C_o2)的负极、第二二极管(D₂)的正极和第四二极管(D₄)的正极均接地；第三二极管(D₃)的负极和与第二输出滤波电容(C_o2)的正极均与第二LED串(2)的正极相连接；第三二极管(D₃)的正极和第四二极管(D₄)的负极均与第一变压器副边(T₁)的负极相连接；

所述第二可控开关电容(SCC₂)包括：第二隔直电容(C_b2)、第二开关电容(C_s2)和第二开关管(S₂)；第二隔直电容(C_b2)和第二开关电容(C_s2)的正极均与第二变压器副边(T₂)正极相连接；第二开关管(S₂)的漏极和第二开关电容(C_s2)的负极相连接；第二开关管(S₂)的源极、第二隔直电容(C_b2)的负极和第五二极管(D₅)的正极均与第六二极管(D₆)的负极相连接；第五二极管(D₅)的负极和第三输出滤波电容(C_o3)的正极均与第三LED串(3)的正极相连接；第三LED串(3)的负极、第四LED串(4)的负极、第三输出滤波电容(C_o3)的负极、第四输出滤波电容(C_o4)的负极、第六二极管(D₆)的正极和第八二极管(D₈)的正极均接地；第七二极管(D₇)的负极和第四输出滤波电容(C_o4)的正极均与第四LED串(4)的正极相连接；第七二极管(D₇)的正极和第八二极管(D₈)的负极均与第二变压器副边(T₂)的负极相连接；

所述的输出反馈自动控制系统(Z)包括：第一电流感应器、第一比较器、第一PID控制器、第一PWM控制器、第一门极驱动、第一电流感应器、第二比较器、第二PID控制器、第二PWM控制器、第二门极驱动和参考电流I_ref；第一电流感应器感应第一LED串(1)的电流后的数据与参考电流I_ref一起传送给第一比较器；第一比较器比较后依次把运算结果传输给第一PID控制器、第一PWM控制和第一门极驱动，最后信号传递给多路LED精确均流驱动单元(Y)中的第一开关管(S₁)进行反馈自动控制；第二电流感应器感应第三LED串(3)的电流后的数据与参考电流I_ref一起传送给第二比较器；第二比较器比较后把运算结果依次传输给第二PID控制器、第二PWM控制器和第二门极驱动，最后信号传递给多路LED精确均流驱动单元(Y)中的第二开关管(S₂)实现反馈自动控制。

2.根据权利要求1所述的基于SCC自动反馈控制的多路LED驱动电路，其特征在于，通过第一电流感应器和第二电流感应器反馈自动控制调控均流开关电容(SCC)，改变等效电容C_eq的值，对第一LED串(1)、第二LED串(2)、第三LED串(3)和第四LED串(4)的驱动电流进行均流。