CN105554965B - 一种母线电流互补式分时复用多路恒流输出led驱动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器及其控制方法。该拓扑由恒流输出变换器、LED负载、各支路分时复用控制开关管及相应采样电阻组成。通过分时复用控制各输出支路开关管依次交替导通，可以实现各输出支路的均流和PWM调光功能。相对于传统的多路输出控制方案，该发明提供的控制方法只采用了一个大的工频滤波电容,且只需要N‑1个控制环路就可以实现N路输出的均流及PWM调光功能，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。此方案尤其适用于冷暖调光调色LED驱动器，为需要多路均流和调光的应用提供了一种高性能、低成本的解决方案。

Description

一种母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器及其 控制方法

技术领域

本发明涉及多路输出应用，尤其是多串LED均流以及调光调色LED驱动技术领域。

背景技术

作为最有发展和应用前景的绿色光源之一，LED以节能，环保，寿命长和控制简单等特点，广泛应用于液晶背光，汽车照明，交通灯以及通用照明。而LED的非线性和对温度的敏感性，使其需采用恒流驱动。受单颗LED功率的限制，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。但随之而来的问题是需要对各路LED进行恒流控制。为了满足混联型LED的各支路恒流要求，近年来，学术界对多路恒流输出开关变换器技术做了大量研究。现有的LED多路恒流输出技术基本上可以分为两大类，即无源多路恒流输出技术和有源多路恒流输出技术。

无源多路恒流输出技术利用电阻、电感、变压器、电容等无源器件实现各输出支路均流，其特点是以实现各支路电流相同为目的，通过对各支路电流的恒流控制，实现每一输出支路的恒流控制。虽然无源多路恒流输出技术具有控制电路简单的优点，但是不能实现LED的调光功能。现有的调光方式主要有两种，一种为模拟调光，即改变LED的正向电流来改变LED的光通量。另一种方式为PWM调光。PWM调光方式由于具有低色差的特性广泛应用于LED背光等应用中。有源多路恒流输出技术通过有源开关和相应的控制电路组成多个电流调节器，电流调节器和各支路的LED串联在一起，进而实现各支路LED电流的独立调节。该电流调节器可以是线性模式，也可以是开关模式。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

本发明的目的是提供一种母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器，使之克服克服现有有源均流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：

一种母线电流互补式分时复用N路恒流输出LED驱动器,包括恒流输出开关变换器、N个LED负载以及各支路分时复用控制开关管及N-1个采样电阻；恒流输出开关变换器的输出端并联N个LED负载支路，第1至第N-1路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,第N路LED负载支路由LED元件与一个分时复用控制开关管构成；母线电流控制器控制恒流输出开关变换器输出恒流；母线电流分时复用控制器控制各输出支路电流；母线电流分时复用控制器由N-1个PWM模块和N-2个与门构成，除第N路，母线电流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；除第1路和第N路,每一个控制环路均包含一个PWM模块和一个与门；第N条输出支路的控制信号取自第N-1路PWM模块中的RS触发器的输出端

进一步地，恒流输出开关变换器输出端连接了一个滤波电容。

此外，恒流输出开关变换器部分可以是单级结构恒流输出开关变换器，也可以是恒流输出DC-DC开关变换器。

这样，整套驱动器拓扑分为两部分，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分时复用控制器控制各输出支路电流，即通过分时复用控制各输出支路开关管依次交替导通，可以实现各输出支路的均流和PWM调光功能。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驱动器提供控制方法实现各输出支路的均流和PWM调光，具体方案是：

母线电流互补式分时复用N路恒流输出LED驱动器的控制方法，通过控制各输出支路开关管依次交替导通实现分时复用母线电流控制，根据分时复用开关管所在支路的输出电流情况调节其导通时间，其逻辑电路确保了在任意时刻只有一个分时复用开关管开通，避免了恒流母线因无流通路径而导致母线电压过高的问题。

进一步地，通过改变母线电流分时复用控制器中各环路PWM模块中的参考电压，实现各输出支路的均流和PWM调光功能。

这样，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单路恒流输出PFC变换器或不具有功率因数校正功能的AC-DC变换器提供，由分时复用控制开关管对母线电流进行分时复用控制，从而实现控制每个输出支路电流相等或不同。其中母线电流分时复用控制器由N-1个PWM模块和N-2个与门构成，除第1路和第N路，每一个控制环路包含一个PWM模块和一个与门，此外第N条输出支路的控制信号即为第N-1路PWM模块中的RS触发器的输出端根据分时复用开关管所在支路的输出电流情况调节其导通时间，母线电流分时复用控制中的逻辑电路确保了在任意时刻只有一个分时复用开关管开通，即各输出支路开关管依次交替导通。通过改变母线电流分时复用控制器中各环路PWM模块中的参考电压，即可实现各输出支路的均流和PWM调光。

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，本发明只采用了一个大的工频滤波电容，其本质是对一个恒流输出变换器的输出进行分时复用控制，相对于传统的多路输出控制方案，省去了各输出支路的输出滤波电容，进一步减小了多路恒流输出开关变换器的体积与成本；

二、与现有的开关均流技术相比，本发明仅需使用N-1个控制环路即可实现N路输出支路的均流和PWM调光，且其母线电流分时复用控制中的逻辑电路也使得电路控制简单；

三、与现有的开关均流技术相比，本发明具有母线电压自适应调节的特性，简化了控制。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑及控制框图。

图2为本发明的分时复用控制过程示意图，其中(a)为控制环路图；(b)为控制时序图。

图3为本发明的等效电路图。

图4为本发明的各支路电流工作时序图。

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CRM Buck PFC提供的恒流母线的两路输出为实施例的电路拓扑图。

图9为图8实施例在两条LED支路等效动态电阻及等效正向压降相同且输入电压为110Vac时的主要时域仿真波形图(闭环)。

图10为图8实施例在两条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)。

图11为本发明以两条LED输出支路为例，通过调节第一个控制环路的参考电压Vdim,两个输出支路的平均电流及母线电流波形图。

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，该发明为对一个恒流母线用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分时复用控制，从而实现控制每个输出支路电流相等或不同。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，因而在恒流母线上加电容来抑制母线电压突变。

图2(a)给出了母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器控制方法中母线电流分时复用控制器的控制环路。由图可知，N路输出存在N-1个均流环路，根据电压型PWM控制的原理，每个支路均可把采样电流V_S[k]/R_S[k](k＝1,2,…,N-1)的平均值稳定在V_ref[k]/R_S[k](k＝1,2,…,N-1)附近，即前N-1个支路的平均电流可以被调节到i_o[k]-av＝V_ref[k]/R_S[k](k＝1,2,…,N-1)。那么第N条输出支路的电流可以被调节到前N-1个输出支路的电流可以被调节到相应的设置值，母线电流i_bus由单级结构恒流输出开关变换器控制，所以第N个输出支路的电流实际上也得到了控制。因此，如图2(a)所示，第N条输出支路不需要PWM环路控制，简化了均流电路的复杂性。若设置前N-1个支路的调节电流不等，则可以实现各支路LED的调光功能；若合理设置前N-1个支路的调节电流，则各支路电流可以达到均衡，从而实现各支路均流，即i_o[k]-av＝i_bus/N。图2(b)给出了各支路分时复用控制开关管的控制逻辑及其控制时序，图2(a)中的每个PWM模块中的v_saw和CLK一致以保证同步可以确保每个分时复用控制开关管依次交替打开，根据其所在支路的输出电流情况调节其导通时间，其逻辑电路确保了在任意时刻只有一个分时复用开关管开通，理论上避免了恒流母线因无流通路径而导致母线电压过高的问题。

为了简化分析，将图1的电路等效成如图3的形式，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4所示。假设各支路LED平均电流通过控制已经实现相等，那么，每个支路LED压降可表示为v_LED[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，则正向压降相对偏低的LED支路将流过较大的峰值电流，即I_P[k]＝(v_bus-V_F[k])/R_e[k](k＝1,2,…,N)。同时，由于前N-1个支路环路调节的作用，为了使各支路电流的平均值相等，则峰值电流大的支路，即LED正向压降小的支路将被环路调节到比较小的占空比，因为i_o[k]-av＝i_bus/N＝I_P[k]D_[k](k＝1,2,…,N)。其中D_[k](k＝1,2,…,N)为各支路PWM调节的占空比，各支路占空比的和为1，因此可得母线电压的表达式为由以上分析可知，当各支路LED特性确定，母线电压v_bus也相应确定，因而母线电压具有自适应调节的特性。

以上主要分析了各支路输出均流，而调光功能可以通过设置各主动调节支路的参考电压来使各输出支路均流。在某些应用场合，如LED调光调色等智能照明中，需要对各支路的色温进行调节，且LED总电流不变。通过调节各支路不同色温LED的电流分配，进而实现总色温的调节。常见的应用有LED冷暖色温调节，RGB混合色温调节等。而本发明提出的母线电流分时复用控制技术非常适合这些应用。对于LED冷暖色温调节，假设LEDs1与LEDs2为不同色温的LED，那么可以通过改变图8中误差放大器EA1的参考电压V_dim实现LEDs1与LEDs2的电流调节，进而实现两支路LED混合调色温的功能。

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150mA，三个支路PWM的占空比为33.3％，三个LED支路的平均电流被调节到50mA，而母线电压被自动调节到42.725V。在实际的一批LED产品中，不同LED个体的等效动态电阻的变化量很小，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，其仿真参数与图6基本一致，除了正向电压源不同，即V_F1＝35V，V_F2＝33V，V_F3＝31V。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＝129mA，I_P2＝152mA，I_P3＝176mA，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45.933V。

为了模拟实际系统，仿真中恒流母线由高效率的单级CRM Buck PFC提供，其电路拓扑图如图8所示。图9、图10为图8在两条LED支路等效动态电阻相同时的仿真波形，其电路参数为：输入电压V_in＝110Vac、220Vac,恒流母线电流i_bus＝150mA，Buck PFC功率电感感量L_m＝1.1mH，Buck PFC输出滤波电容C_bus＝220μF，分时复用控制开关周期T_s＝20μs，LEDs1与LEDs2的等效动态电阻为R_e1＝R_e2＝84Ω，LEDs1与LEDs2的等效正向电压源分别为V_F1＝V_F2＝35V、V_F1＝35V，V_F2＝32V，采样电阻R_S1＝1.67Ω。当恒流母线由单级CRM Buck PFC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，且输入电流跟随输入电压，实现了功率因数校正功能。

图11给出了分时复用控制母线电流的PFC变换器的调光曲线，由图可知，在母线电流不变的情况下，LEDs1与LEDs2可以以互补的方式进行调光，从而实现各支路LED的色温调节，通过两个支路LED色温的组合从而实现总的色温调节。

综上，本发明所提出的母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑及其控制方法，只采用了一个大的工频滤波电容且只需要N-1个控制环路就可以实现N路输出的均流和PWM调光功能，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，为需要多路均流和调光的应用提供了一种高性能、低成本的解决方案。

Claims (5)

1.一种母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器,其特征在于，包括恒流输出开关变换器、N个LED负载以及各支路分时复用控制开关管及N-1个采样电阻；恒流输出开关变换器的输出端并联N个LED负载支路，第1至第N-1路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,第N路LED负载支路由LED元件与一个分时复用控制开关管构成；母线电流控制器控制恒流输出开关变换器输出恒流；母线电流分时复用控制器控制各输出支路电流；母线电流分时复用控制器由N-1个PWM模块和N-2个与门构成，除第N路，母线电流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；除第1路和第N路,每一个控制环路均包含一个PWM模块和一个与门；第N条输出支路的控制信号取自第N-1路PWM模块中的RS触发器的输出端

2.如权利要求1所述的母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器，其特征在于，恒流输出开关变换器输出端连接了一个滤波电容。

3.如权利要求1所述的母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器，其特征在于，所述恒流输出开关变换器部分是单级结构恒流输出开关变换器，或者是恒流输出DC-DC开关变换器。

4.一种采用权利要求1或2或3所述的母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器的控制方法，其特征在于，通过控制各输出支路开关管依次交替导通实现分时复用母线电流控制，根据分时复用开关管所在支路的输出电流情况调节其导通时间，其逻辑电路确保了在任意时刻只有一个分时复用开关管开通，避免了恒流母线因无流通路径而导致母线电压过高的问题。

5.如权利要求4所述的母线电流互补式分时复用多路恒流输出LED驱动器的控制方法，其特征在于，通过改变母线电流分时复用控制器中各环路PWM模块中的参考电压，实现各输出支路的均流和PWM调光功能。