CN105530728A - 一种母线电流同步式分时复用多路恒流输出led驱动器拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑及其控制方法。恒流母线为各支路LED提供总电流，通过同步调节各支路分时复用开关管的占空比来调节流过各支路LED的平均电流，从而实现各支路LED的平均电流均流。在各支路平均电流均流的情况下，峰值电流最低的LED支路的分时复用控制开关管的占空比将被自动调节成1，因此，流过该支路的电流为直流。其它高峰值电流LED支路通过降低该支路分时复用控制开关管的占空比，仍可使该支路的平均电流与峰值电流最低的LED支路的平均电流相等。本发明具有电路控制简单，体积小，效率高，成本低以及母线电压自适应调节的特点，为需要多路均流的LED驱动应用提供了一种高性能、低成本的解决方案。

Description

一种母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑及其控制方法

技术领域

本发明涉及照明电子电路控制，尤其是多串LED均流技术领域。

背景技术

随着全球能源短缺及环境污染问题的日益突出，节能降耗成为全世界共同关注的话题。国际能源机构调查指出，全球超过20％的电能用于照明。与传统的白炽灯和日光灯相比，LED具有体积小、效率高、寿命长、环保、节能等特性，因此在全球能源短缺的背景下，LED已成为照明行业的一个研究热点。近年来，随着LED技术的进步，使其在路灯照明、LCD背光、医疗照明、汽车照明等诸多领域也得到了越来越广泛的应用。LED的光通量、发光强度、色温等光学性能与流过LED的平均电流基本呈线性关系，为了保证LED的照明品质，需要对其进行恒流驱动。

受单颗LED功率以及光照均匀度的限制，在许多高流明应用场合，需要同时使用多颗LED实现大功率输出。此外，LED属于点光源，在LED背光等应用中，为了获得均匀的光通量，需要多颗LED均匀分布。多颗LED直接串联将导致驱动电源电压应力高，可靠性差，因而多采用LED串并联的连接方式，但随之而来的问题是需要对各路LED进行均流控制。LED驱动电源主要有两大类均流控制方法：无源均流和有源均流。

无源均流仅使用电阻、电容、耦合电感等无源器件实现各支路电流均衡，具有控制简单的特点。使用电阻的无源均流方法精度不高，使用耦合电感的无源均流体积大，而利用电容的充放电平衡的无源均流需使用较多的二极管实现电流的双向流动，从而使得变换器的效率有所下降。有源均流使用开关管等有源器件以及控制电路组成电流调节器，实现各支路LED电流的调节。有源均流通常分为线性模式均流和开关模式均流，线性模式均流效率较低，只适用于小功率场合；开关模式均流效率高，但电路元件数目多，电路控制复杂，体积大，成本高。

发明内容

本发明提出的控制方法，克服了现有有源开关式多路恒流输出技术电路元件数目多，电路控制复杂，体积大，成本高等缺点。

本发明所采用的技术方案是：

一种母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑,前级开关变换器的输出端并联N个LED负载支路，各LED负载支路由LED元件与一个分时复用控制开关管及一个采样电阻串联构成；母线电流控制器控制前级开关变换器输出恒流为各LED负载支路提供总的电流，各LED负载支路分时复用控制开关管控制流过各支路的平均电流；母线电流同步式分时复用控制器的输入端口和输出端口分别与支路采样电阻和各LED负载支路的分时复用控制开关管连接，所构成的N个控制环路控制各输出支路的平均电流均流；母线电流同步式分时复用控制器中的每一个控制环路包含一个PWM模块以及一个“或非”门和一个“或”门。

进一步地,单级结构恒流输出变换器的输出端连接了一个滤波电容。

此外,前级变换器可以为任意拓扑的单级结构恒流输出开关变换器，也可以是任意拓扑的DC-DC变换器。

这样,整个拓扑结构为两部分，一部分为母线电流控制器控制单级结构恒流输出开关变换器输出恒流，另一部分为母线电流同步式分时复用控制器控制各输出支路电流，即控制LED峰值电流最低支路的电流为直流量，其它高峰值电流的LED支路通过调节PWM占空比来控制其输出平均电流，从而实现各输出支路的均流功能。此外，两部分为独立的控制环路，便于电路的模块化。

本发明的另一个目的是为上述拓扑结构提供控制方法.其具体方案为:

采样如上所述LED驱动器拓扑的母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器的控制方法，控制器自动寻找峰值电流最低的LED支路且将其流过的电流控制为直流量，其它高峰值电流LED支路通过调节该支路分时复用控制开关管的占空比来控制其输出平均电流；在各支路LED差异不大的情况下，各支路分时复用控制开关管的占空比均接近或等于1，从而提高了各支路LED的利用率。

实现各输出支路均流的具体做法是：

对一个恒流母线用PWM的方式进行分时复用控制，其母线电流由单级结构单路输出AC-DC变换器或单路输出DC-DC变换器提供，由分时复用控制开关管对母线电流进行同步式分时复用控制，从而实现控制每个输出支路的平均电流均流。其中同步式分时复用母线电流控制器由N个控制环路构成，每一个控制环路包含一个PWM模块以及一个“或非”门和一个“或”门。根据分时复用开关管所在支路的输出电流情况同步调节其导通时间，在各支路LED差异不大的情况下，各支路分时复用控制开关管的占空比接近1；当各支路LED不同时，控制环路会自动控制峰值电流最低的LED支路的分时复用控制开关管“长通”，其它支路进行PWM调节。

与现有控制技术相比，本发明的有益效果是：

一、与现有的开关均流控制相比，本发明的本质是对一个恒流输出变换器的输出进行同步式分时复用控制，相对于传统的控制母线电压恒定的多路有源均流方案，该控制方式的母线电压根据各支路LED情况实现了自适应控制，从而达到了通过控制母线电流与各支路电流来限制母线电压的目的，简化了控制；

二、与现有的开关均流技术相比，本发明仅使用常用的PWM模块和简单的逻辑电路组合即可实现多路输出均流，具有控制电路简单的优点；

三、与现有的PWM均流技术相比，本发明具有LED高利用率的优点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑及控制框图。

图2为本发明的等效电路图。

图3为本发明的各支路电流工作时序图。

图4为本发明的分时复用控制环路及其控制时序图。

图5为本发明以理想恒流源为母线的三路输出实施例的电路拓扑图。

图6为图5实施例在三条LED支路等效动态电阻及等效正向压降相同时的主要时域仿真波形图(闭环)。

图7为图5实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同时的主要时域仿真波形图(闭环)。

图8为本发明对由高效率的单级CRMBuckPFC提供的恒流母线的三路输出为实施例的电路拓扑图。

图9为图8实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同且输入电压为110Vac时的主要时域仿真波形图(闭环)。

图10为图8实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同且输入电压为220Vac时的主要时域仿真波形图(闭环)。

具体实施方式

下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，该发明对一个恒流母线用PWM的方式进行分时复用控制，其恒流母线电流由单级结构恒流输出开关变换器提供，由分时复用控制开关管对母线电流进行同步式分时复用控制，从而实现对每个输出支路的平均电流进行控制。其中电容C_bus是为了防止分时复用控制开关管均不导通而导致母线电压过高的情况发生。

图2给出了母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑及其控制方法的等效电路图。其中各支路LED负载等效成一个正向电压源V_F[k](k＝1,2,…,N)和一个动态等效电阻R_e[k](k＝1,2,…,N)串联的形式，其恒流母线等效成一个恒流源，各支路LED电流的工作时序如图3所示。为了简化分析，基于图2所示的等效电路，假设V_F1>V_F2>…>V_FN，当各支路LED平均电流通过控制已经实现相等，每个支路LED压降可表示为vLED[k]＝V_F[k]+I_P[k]×R_e[k](k＝1,2,…,N)。由于恒流源的输出端连接了一个滤波电容C_bus，假设滤波电容无限大，根据图3，LED峰值电流最低支路的占空比将设置成1，因此，母线电压可以再次表示为v_bus＝V_F1+i_bus/N×R_e1。为了使各支路电流的平均值相等，由i_o[k]-av＝i_bus/N＝I_P[k]D_[k](k＝1,2,…,N)可知，峰值电流大的支路将被环路调节到比较小的占空比。由以上分析可知母线LED峰值电流最低支路的占空比为1，其峰值电流等于平均电流，LED的利用率达到最高，在各支路LED差异不大的情况下，其他高峰值LED支路的占空比接近于1，LED的利用率同样较高。

图4给出了基于母线电流同步式分时复用控制技术的控制环路及其各支路开关管的控制逻辑。为了简化分析，假设I_p1<I_p2<…<I_pN。由图4(a)可知，基于母线电流同步式分时复用控制技术的控制环路由N个PWM模块组成，每个PWM模块对连接在相应支路的电流进行采样并进行PWM调节，其中每个PWM模块中的v_saw和CLK为同一信号以确保每个分时复用控制开关管同步分时复用控制母线电流，每个环路的输出V_P[k](k＝1,2,…,N)进行逻辑运算后产生各支路分时复用控制开关管的控制信号。控制环路中的逻辑运算部分可由下式表达k＝1,2,...,N,j＝1,2,...,N,j≠k。由表达式可知，当V_Pk为1时，无论V_Pj为何值，V_Gk等于1；当V_Pk为0时，只要V_Pj中有一个值为1，则V_Gk等于0；当V_Pk为0时，而V_Pj全为0，则V_Gk等于1。每个支路分时复用控制开关管的控制信号为该支路PWM输出信号与其它支路PWM输出信号的“或非”再“或”的逻辑具有如下特性：

(1)若某一支路PWM输出的占空比最大，即该支路LED峰值电流最低，那么该控制逻辑自动地将该支路开关管的控制信号置高电平，即该支路分时复用控制开关管的控制占空比为1，如图4(b)所示。一旦该支路分时复用控制开关管的控制占空比被调节成1，就意味着该支路为LED峰值电流最低的支路，因而该支路分时复用控制开关管得到了“长通”。

(2)假设各支路LED特性相同，由控制逻辑可知，各支路分时复用控制开关管的控制信号均实现了“长通”，各支路LED实现了并联。

由以上分析可知，当各支路LED差异不大时，PWM环路的占空比接近1；当各支路LED压降不同时，控制环路会自动选择峰值电流最低LED支路的分时复用控制开关管“长通”，其它支路进行PWM调节。两种情况下的各支路LED利用率均较高。

仿真结果分析：

图6为图5实施例在三条LED支路等效动态电阻及等效正向压降相同时的仿真波形，其仿真参数为：输入恒流源i_bus＝150mA,电容C_bus＝10μF，分时复用控制开关周期T_s＝20μs，LEDs1、LEDs2与LEDs3的动态等效电阻R_e1＝R_e2＝R_e3＝84Ω，LEDs1、LEDs2与LEDs3的等效正向电压源V_F1＝V_F2＝V_F3＝35V。由图6可知，当三个LED支路等效正向压降及等效动态电阻相同时，三个LED支路的峰值电流相同，均为50mA，且三个支路PWM的占空比均为1，三个分时复用控制开关管均实现了“长通”，其母线电压被自动调节到39.2V。在实际的一批LED产品中，不同LED个体的等效动态电阻参数的变化量很小，可以近似为一个常数，因此，不同LED个体的差异主要由正向压降V_F决定。图7为图5实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同时的仿真波形，其中，V_F1＝35V，V_F2＝34V，V_F3＝33V，其他仿真参数与图6基本一致。由图7可知，当三个LED支路等效正向压降不同时，三个LED支路的峰值电流不再相同，其中I_P1＝50mA，I_P2＝62mA，I_P3＝75mA。验证了此种控制方式LED峰值电流低的特性，即支路1分时复用控制开关管实现了“长通”，LED利用率达到了最高。通过调节各支路的占空比，三个支路的平均电流被调节到近似相等，母线电压被自动调节到约39.2V。

为了模拟实际系统，仿真中恒流母线由高效率的单级CRMBuckPFC提供，其电路拓扑图如图8所示。图9、图10为图8在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同时的仿真波形，其电路具体参数为：输入电压V_in＝110Vac、220Vac,恒流母线电流i_bus＝150mA，BuckPFC功率电感感量L_m＝1.1mH，BuckPFC输出滤波电容C_bus＝220μF，分时复用控制开关周期T_s＝20μs，LEDs1、LEDs2、LEDs3的等效动态电阻为R_e1＝R_e2＝R_e3＝84Ω，LEDs1、LEDs2、LEDs3的等效正向电压源V_F1＝35V、V_F2＝34V、V_F3＝33V。当恒流母线由单级CRMBuckPFC提供且稳态时，输出电流包络含有2倍工频分量，但是各支路平均电流在110Vac及220Vac输入时均实现了较好的均流特性，且该变换器的输入电流跟随输入电压，实现了功率因数校正功能。

综上，本发明所提出的母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑及其控制方法，通过同步调节各路PWM的占空比来调节流过各支路LED的平均电流相等。在各支路均流情况下，峰值电流最低LED支路的电流为直流量，通过降低高峰值电流LED支路的分时复用开关管的占空比，仍可使该支路的平均电流与峰值电流最低LED支路的平均电流相同。理论上，在各支路LED差异不大的情况下，该控制方法中的各支路LED利用率均较高。该发明提供的控制方法只采用了一个大的滤波电容，具有电路控制简单，体积小，效率高，成本低以及母线电压自适应调节的特点，为需要多路均流的应用提供了一种高性能、低成本的解决方案。

Claims (4)

1.一种母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑，其特征在于，前级开关变换器的输出端并联N个LED负载支路，各LED负载支路由LED元件与一个分时复用控制开关管及一个采样电阻串联构成；母线电流控制器控制前级开关变换器输出恒流为各LED负载支路提供总的电流，各LED负载支路分时复用控制开关管控制流过各支路的平均电流；母线电流同步式分时复用控制器的输入端口和输出端口分别与支路采样电阻和各LED负载支路的分时复用控制开关管连接，所构成的N个控制环路控制各输出支路的平均电流均流；母线电流同步式分时复用控制器中的每一个控制环路包含一个PWM模块以及一个“或非”门和一个“或”门。

2.如权利要求1所述的母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑，其特征在于，驱动器拓扑分为两部分，一部分为母线电流恒流控制部分，另一部分为母线电流同步式分时复用控制部分，两部分为独立的控制环路，以便于电路的模块化。

3.如权利要求1所述的母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑，其特征在于，所述前级变换器可以为任意拓扑的单级结构恒流输出开关变换器，如图1所示，也可以是任意拓扑的DC-DC变换器。

4.采样权利要求1或2或3所述LED驱动器拓扑的母线电流同式步分时复用多路恒流输出LED驱动器的控制方法，其特征在于，控制器自动寻找峰值电流最低的LED支路且将其流过的电流控制为直流量，其它高峰值电流LED支路通过调节该支路分时复用控制开关管的占空比来控制其输出平均电流；在各支路LED差异不大的情况下，各支路分时复用控制开关管的占空比均接近或等于1，从而提高了各支路LED的利用率。