CN106937440A - 一种led恒光电流驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种LED恒光电流驱动控制方法，该方法主要通过光电流计算电路、光电流基准电路、补偿网络和驱动电路实现。相较于传统的恒流控制和恒功率控制方式，该控制方法不仅考虑到正向电流对LED输出光通量的影响，而且还考虑到了温度对LED输出光通量的影响，因此可以较好地实现LED恒光通量控制或精确调光控制。本发明简便实用，是一种高效的LED控制策略。

Description

一种LED恒光电流驱动控制方法

技术领域

本发明涉及LED驱动控制策略领域，特别是涉及一种LED恒光电流驱动控制方法。

背景技术

LED因其体积小巧，发光效率高，使用寿命长，环境污染小等优点在显示、照明、通讯等领域获得广泛应用。无论是在起简单指示作用的场合还是在需要精确照明的应用场所，LED都占有一席之地，并逐渐走向主导。在LED使用的所有领域里，都离不开LED的驱动控制策略。这不但关系到LED的使用寿命长短，而且关系到LED的使用效果能否满足人们所需。

目前常见的LED驱动控制策略有恒流控制和恒功率控制。

恒流控制策略就是通过控制LED输出平均电流的大小恒定而实现LED所需光通量大小的控制。这种控制策略实现简单，应用广泛，但是没有考虑到芯片结温对LED输出光通量的影响。相关研究表明：随着芯片结温的上升，LED将会出现严重的光衰现象，也即LED的输出光通量下降显著。如果在环境温度变化较大或是对于LED发光质量有严格要求的场合，恒流控制策略显然不适用。

恒功率控制策略就是通过控制输入功率大小恒定来实现维持输出光通量大小恒定的。恒功率控制策略虽有考虑到温度对LED正向电压的影响，但没有考虑温度对发热系数的作用，故其控制效果比恒流控制稍好，但控制LED因受温度影响而引起的光衰效果并不明显。

所以，为了实现LED输出光通量精确、有效的控制，研究新型LED驱动控制策略十分重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种LED恒光电流驱动控制方法，能较好地实现LED恒光通量控制或精确调光控制。

本发明采用以下方案实现：一种LED恒光电流驱动控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据具体的LED芯片型号，查阅其数据手册或者进行光学实验来获取建立LED光电流的算法模型的所需参数。在光电流计算电路中，建立相应的LED光电流模型I_opt＝f(U,I_d)；在光电流基准电路中，建立LED光电流I_opt与光通量Φ的模型I_opt＝f(φ)。

步骤S2：在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过相应的算法得到相应的光电流基准信号I_optref；采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d送到光电流计算电路，通过相应的算法得到光电流I_opt。

步骤S3：将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号 ε，并送入补偿网络得到一控制信号(例如：占空比)，该信号控制LED驱动电路，使驱动电路产生与基准光电流I_optref对应大小的LED正向电流I_d，从而实现LED输出的光通量大小为设定的光通量基准值Φ_ref，从而较好地实现LED输出光通量的控制。

在所述步骤S1中，建立光电流I_opt与正向电压U、正向电流I_d的关系模型I_opt＝f(U,I_d)，具体步骤为：

步骤S11：供给LED的功率P_d分为两部分，一部分用于发光，即光功率P_opt，另一部分产生热量，即热功率，定义为P_h；则在一定的范围内，如果LED正向电压U不变，设LED的电流I_d也分为两部分，一部分用于发光，定义为光电流I_opt，一部分产生热量，定义为热电流I_h；根据功率与电流的关系，热电流I_h的表达式为：

定义LED的热功率与电功率的比值为发热系数K_h，其表达式为：

由光电热理论可知，当芯片结温T_j恒定时，发热系数K_h将随正向电流I_d上升近似线性上升，当正向电流I_d固定时，发热系数K_h将随结温T_j的上升也近似线性上升。同时，当正向电流I_d固定时，LED的正向电压U会随着芯片结温T_j上升而近似线性下降，即发热系数K_h与正向电压U近似线性关系，则发热系数K_h用(3)式表达如下：

式(3)中，系数k₁、k₂、k₃、k₄、γ由光学实验获得；

步骤S12：在可用的范围内，根据(1)、(2)、(3)式推得光电流I_opt的表达式为：

I_opt(U,I_d)＝[1-K_h(U,I_d)]×I_d

(4)

由此，建立得光电流I_opt同正向电压U、正向电流I_d的数学模型，并且，I_opt同U的关系通过发热系数K_h来表示。

进一步地，所述步骤S1中，建立基准光通量Φ_ref同基准光电流I_optref的算法模型具体步骤为：

步骤S13：LED的伏安特性与普通二极管类似，故其伏安特性表达为：

其中，i_d为正向电流；u为正向电压；I_s为LED反向饱和电流，其值相比于i_d很小；q＝1.6×10^-6C，称为电子电荷量；k为波尔兹曼常数；T_j表示热力学温度，单位为k；n为一常数，通常取1～2；

根据(5)式反推出正向电压u同正向电流i_d的关系式为：

由(6)式得到，在0<i_d<1A时，由于I_s<<i_d，故在ln(i_d+I_s)一项中将I_s省略，并通过泰勒展开，结合LED输入电功率与电压和电流的关系，进一步推出P_d的表达式近似如下：

由于i_d<1且I_s<<i_d，所以项比项要小很多，可忽略不计，由此将(7)式简化为：

式(8)中，在正常使用温度范围内，a近似为一个常数，即i_d与P_d线性相关；

步骤S14：已知P_opt为LED光功率，在可用范围内，根据式(4)和式(8)得到P_opt与光电流I_opt的关系式为：

P_opt＝(1-K_h)P_d

＝(1-K_h)a×I_d

＝a×I_opt

(9)

又因为P_opt与输出光通量Φ是线性的，所以，结合式(9)得到光电流与Φ成正比，得到表达式如下：

I_opt＝kφ

(10)

其中，k为一个常系数，其值通过光学实验结果拟合得到。

综上所述，根据式(10)得到LED光电流I_opt同输出光通量Φ之间满足一定的线性关系，因此通过设定基准光通量Φ_ref来反求基准光电流I_optref。

进一步地，所述步骤S2中，在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过已经建立的算法模型I_opt＝kφ得到相应的光电流基准信号I_optref；与此同时，采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d给光电流计算电路，通过已经建立的算法模型I_opt＝f(U,I_d)得到光电流I_opt。

进一步地，所述步骤S3中，每一个设定的光通量Φ_ref都与LED的一个基准光电流I_optref相对应，将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号ε，就是让LED的实际光电流I_opt跟随基准光电流I_optref，其信号经过补偿后控制LED驱动电路，使其产生与基准光电流I_optref对应大小的LED正向电流I_d，从而实现LED输出的光通量为Φ_ref，较好地实现LED恒光通量控制或精确调光控制。

在本发明中，该LED恒光电流驱动控制方法主要由光电流计算电路、光电流基准电路、补偿网络和驱动电路实现，该控制方法的实现 原理如下：在光电流基准电路中，设定一个基准光通量Φ_ref；并通过一定的算法得到相应的光电流基准值I_optref，该值作为光电流计算电路所得的光电流I_opt的基准信号。在驱动电路的输出端采样LED负载的正向电压信号U和正向电流信号I_d，将其送入到光电流计算电路中，经过特定的算法得到相应的光电流I_opt，并将其输出。该光电流I_opt与光电流基准电路所得的光电流基准值I_optref进行比较得到误差信号ε，并经由补偿网络得到一个控制信号。在该控制信号的作用下，驱动电路对LED负载提供一个与光电流基准值I_optref相对应的正向电流I_d，从而实现光电流的恒定控制，亦即实现了LED输出光通量的恒定。该控制策略的核心部分为光电流计算电路和光电流基准电路的算法，该算法是基于LED的光电热模型推导得到。LED的输出光通量大小与LED的正向电流和温度密切相关。当LED正向电流恒定时，LED的正向电压与温度之间存在近似线性关系，此时正向电压变化可以反映温度变化情况。本发明通过采用正向电压表示温度变量，基于LED的光电热理论建立的LED光电模型，得到了以正向电压U和正向电流Id为变量的LED光电流I_opt算法模型，通过控制LED光电流的恒定，从而实现LED的光通量恒定控制。

相较于传统的恒流控制和恒功率控制方式，该控制方法不仅考虑到正向电流对LED输出光通量的影响，而且还考虑到了温度对LED输出光通量的影响，因此可以较好地实现LED恒光通量控制或精确调光控制。本发明简便实用，是一种高效的LED控制策略。

附图说明

图1是本发明LED光电流驱动控制策略实现框图。

图2是固定正向电流时，发热系数与正向电压的拟合曲线关系图。

图3是固定正向电压时，发热系数与正向电流的拟合曲线关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，以下实施例只是进一步说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

在本实施例提供一种LED恒光电流驱动控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：根据具体的LED芯片型号，查阅其数据手册或者进行光学实验来获取建立LED光电流的算法模型的所需参数。在光电流计算电路中，建立相应的LED光电流模型I_opt＝f(U,I_d)；在光电流基准电路中，建立LED光电流I_opt与光通量Φ的模型I_opt＝f(φ)。

步骤S2：在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过相应的算法得到相应的光电流基准信号I_optref；采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d送到光电流计算电路，通过相应的算法得到光电流I_opt。

步骤S3：将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号ε，并送入补偿网络得到一控制信号(例如：占空比)，该信号控制LED驱动电路，使驱动电路产生与基准光电流I_optref对应大小的LED正向电流I_d，从而实现LED输出的光通量大小为设定的光通量基准值Φ_ref，从而较好地实现LED输出光通量的控制。

在本实施例中，所述步骤S1中，建立光电流I_opt与正向电压U、正向电流I_d的关系模型I_opt＝f(U,I_d)，具体步骤为：

步骤S11：供给LED的功率P_d分为两部分，一部分用于发光，即光功率P_opt，另一部分产生热量，即热功率，定义为P_h；则在一定的范围内，如果LED正向电压U不变，设LED的电流I_d也分为两部分，一部分用于发光，定义为光电流I_opt，一部分产生热量，定义为热电流I_h；根据功率与电流的关系，热电流I_h的表达式为：

定义LED的热功率与电功率的比值为发热系数K_h，其表达式为：

由光电热理论可知，当芯片结温T_j恒定时，发热系数K_h将随正向电流Id上升近似线性上升，当正向电流I_d固定时，发热系数K_h将随结温T_j的上升也近似线性上升。同时，当正向电流I_d固定时，LED 的正向电压U会随着芯片结温T_j上升而近似线性下降，即发热系数K_h与正向电压U近似线性关系，则发热系数K_h用(3)式表达如下：

式(3)中，系数k₁、k₂、k₃、k₄、γ由光学实验获得；

步骤S12：在可用的范围内，根据(1)、(2)、(3)式推得光电流I_opt的表达式为：

I_opt(U,I_d)＝[1-K_h(U,I_d)]×I_d

(4)

由此，建立得光电流I_opt同正向电压U、正向电流I_d的数学模型，并且，I_opt同U的关系通过发热系数K_h来表示。

在本实施例中，所述步骤S1中，建立基准光通量Φ_ref同基准光电流I_optref的算法模型具体步骤为：

步骤S13：LED的伏安特性与普通二极管类似，故其伏安特性表达为：

其中，i_d为正向电流；u为正向电压；I_s为LED反向饱和电流，其值相比于i_d很小；q＝1.6×10^-6C，称为电子电荷量；k为波尔兹曼常数；T_j表示热力学温度，单位为k；n为一常数，通常取1～2；

根据(5)式反推出正向电压u同正向电流i_d的关系式为：

由(6)式得到，在0<i_d<1A时，由于I_s<<i_d，故在ln(i_d+I_s)一项中将I_s省略，并通过泰勒展开，结合LED输入电功率与电压和电流的关系，进一步推出P_d的表达式近似如下：

由于i_d<1且I_s<<i_d，所以由于i_d<1且I_s<<i_d，所以项比 项要小很多，可忽略不计，由此将(7)式简化为：

式(8)中，在正常使用温度范围内，a近似为一个常数，即i_d与P_d线性相关；

步骤S14：已知P_opt为LED光功率，在可用范围内，根据式(4)和式(8)得到P_opt与光电流I_opt的关系式为：

P_opt＝(1-K_h)P_d

＝(1-K_h)a×I_d

＝a×I_opt

(9)

又因为P_opt与输出光通量Φ是线性的，所以，结合式(9)得到光电流与Φ成正比，得到表达式如下：

I_opt＝kφ

(10)

其中，k为一个常系数，其值通过光学实验结果拟合得到。

综上所述，根据式(10)得到LED光电流I_opt同输出光通量Φ之间满足一定的线性关系，因此通过设定基准光通量Φ_ref来反求基准光电流I_optref。

在本实施例中，所述步骤S2中，在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过已经建立的算法模型I_opt＝kφ得到相应的光电流基准信号I_optref；与此同时，采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d给光电流计算电路，通过已经建立的算法模型I_opt＝f(U,I_d)得到光电流I_opt。

在本实施例中，所述步骤S3中，每一个设定的光通量Φ_ref都与LED的一个基准光电流I_optref相对应，将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号ε，就是让LED的实际光电流I_opt跟随基准光电流I_optref，其信号经过补偿后控制LED驱动电路，使其产生与基准光电流I_optref对应大小的LED正向电流I_d，从而实现LED输出的光通量为Φ_ref，较好地实现LED恒光通量控制或精确调光控制。

在本实施例中，将该控制方法应用在Buck变换器，变换器负载为CREE公司的XPGR4芯片。根据所述步骤S1，建立LED光电流模

根据CREE公司的XPG R4芯片的光学实验数据，结合式(3)便可拟合出其发热系数K_h。如图3所示，正向电流恒为I_d恒为0.5A时，K_h随正向电压U近似线性变化，根据实测数据拟合可得系数k₁为-0.1061、k₂为0.9218。同理，当正向电压U固定为2.87V时，K_h随正向电流I_d近似线性变化，根据实测数据拟合可得系数k₃为0.1438、k₄为0.5427。γ为0.61785，是当正向电流I_d为0.5A，正向电压U为2.87V时对应的K_h值。由此，便可得到发热系数K_h表达式，从图2和图3可以看出模型与实测点的拟合效果达到了较为理想的吻合。根据(4)式，可建立光电流I_opt的数学模型如下：

因此，采样正向电流I_d和正向电压U，便可计算得对应的光电流I_opt。

同样的，在本实施例中，根据所述步骤S1，建立LED光电流I_opt与光通量Φ 的模型I_opt＝f(φ)。以CREE公司的XPG R4芯片组件在散热片温度为70℃的条件下获取的实验数据为例，根据式(4)，可得该芯片的光电流I_opt与光通量Φ的关系表达式如下：

I_opt＝0.0013×φ

因此，只要在光电流基准电路中，设定好光通量Φ同光电流的比例系数k(在本例中，k＝0.0013)，然后给定光通量基准值Φ_ref就可以得到对应光电流基准值I_optref。

在本实施例中，根据所述步骤S2，在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过相应的算法得到相应的光电流基准信号I_optref；采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d送到光电流计算电路，通过相应的算法得到光电流I_opt。

在本实施例中，根据所述步骤S3，将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号ε，并送入补偿网络得到一占空比控制信号D，该信号控制Buck电路开关管的通断，使Buck电路产生与基准光电流I_optref对应大小的输出电流I_d去驱动LED负载，实现LED输出的光通量大小为设定的光通量基准值Φ_ref，从而较好地实现LED输出光通量的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种LED恒光电流驱动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据具体的LED芯片型号，查阅其数据手册或者进行光学实验来获取建立LED光电流的算法模型的所需参数，在光电流计算电路中，建立相应的LED光电流模型I_opt＝f(U,I_d)；在光电流基准电路中，建立LED光电流I_opt与光通量Φ的模型I_opt＝f(φ)。

步骤S2：在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过相应的算法得到相应的光电流基准信号I_optref；采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d送到光电流计算电路，通过相应的算法得到光电流I_opt。

步骤S3：将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号ε，并送入补偿网络得到一控制信号，该信号控制LED驱动电路，使驱动电路产生与基准光电流I_optref对应大小的LED正向电流I_d，从而实现LED输出的光通量大小为设定的光通量基准值Φ_ref，从而较好地实现LED输出光通量的控制。

2.根据权利要求1所述一种LED恒光电流驱动控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立光电流I_opt与正向电压U、正向电流I_d的关系模型I_opt＝f(U,I_d)，具体步骤为：

步骤S11：供给LED的功率P_d分为两部分，一部分用于发光，即光功率P_opt，另一部分产生热量，即热功率，定义为P_h；则在一定的范围内，如果LED正向电压U不变，设LED的电流I_d也分为两部分，一部分用于发光，定义为光电流I_opt，一部分产生热量，定义为热电流I_h；根据功率与电流的关系，热电流I_h的表达式为：

$I_h(U,I_d)=\frac{P_h(U,I_d)}{U}---\left(1\right)$

定义LED的热功率与电功率的比值为发热系数K_h，其表达式为：

$K_h(U,I_d)=\frac{P_h}{P_d}---\left(2\right)$

由光电热理论得到，当芯片结温T_j恒定时，发热系数K_h将随正向电流I_d上升近似线性上升，当正向电流I_d固定时，发热系数K_h将随结温T_j的上升也近似线性上升。同时，当正向电流I_d固定时，LED的正向电压U会随着芯片结温T_j上升而近似线性下降，即发热系数K_h与正向电压U近似线性关系，则发热系数K_h用(3)式表达如下：

$K_h(U,I_d)=\frac{(k_{1}U+k_2)(k_3{I}_d+k_4)}{\mathrm{\&gamma;}}---\left(3\right)$

式(3)中，系数k₁、k₂、k₃、k₄、γ由光学实验获得；

步骤S12：在可用的范围内，根据(1)、(2)、(3)式推得光电流I_opt的表达式为：

I_opt(U,I_d)＝[1-K_h(U,I_d)]×I_d

(4)

由此，建立得光电流I_opt同正向电压U、正向电流I_d的数学模型，并且，I_opt同U的关系通过发热系数K_h来表示。

3.根据权利要求1所述的一种LED恒光电流驱动控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立基准光通量Φ_ref同基准光电流I_optref的算法模型具体步骤为：

步骤S13：LED的伏安特性与普通二极管类似，故其伏安特性表达为：

$i_d=I_s\&times;(e^{\frac{qu}{{\mathrm{nkT}}_j}}-1)---\left(5\right)$

其中，i_d为正向电流；u为正向电压；I_s为LED反向饱和电流，其值相比于i_d很小；q＝1.6×10^-6C，称为电子电荷量；k为波尔兹曼常数；T_j表示热力学温度，单位为k；n为一常数，通常取1～2；

根据(5)式反推出正向电压u与正向电流i_d的关系式为：

$u=\frac{kn(T_j+273)}{q}\&lsqb;\ln (i_d+I_s)-\ln \left(I_s\right)\&rsqb;---\left(6\right)$

由(6)式得到，在0<i_d<1A时，由于I_s<<i_d，故在ln(i_d+I_s)一项中将I_s省略，并通过泰勒展开，结合LED输入电功率与电压和电流的关系，进一步推出P_d的表达式近似如下：

$P_d\&ap;\frac{kn(T_j+273)}{q}\&lsqb;-\frac{i_d^3}{2}+2i_d^2-(\frac{3}{2}+\ln I_s)i_d\&rsqb;---\left(7\right)$

由于i_d<1且I_s<<i_d，所以项比项要小很多，可忽略不计，由此将(7)式简化为：

$\begin{array}{c}{P}_d\&ap;\frac{-kn(T_j+273)}{q}\&times;(\frac{3}{2}+\ln I_s)\&times;i_d\\ ={\mathrm{ai}}_d\end{array}---\left(8\right)$

式(8)中，在正常使用温度范围内，a近似为一个常数，即i_d与P_d线性相关；

步骤S14：已知P_opt为LED光功率，在可用范围内，根据式(4)和式(8)得到P_opt与光电流I_opt的关系式为：

P_opt＝(1-K_h)P_d

＝(1-K_h)a×I_d

＝a×I_opt

(9)

又因为P_opt与输出光通量Φ是线性的，所以，结合式(9)得到光电流与Φ成正比，得到表达式如下：

I_opt＝kφ

(10)

其中，k为一个常系数，其值通过光学实验结果拟合得到。

综上所述，根据式(10)得到LED光电流I_opt同输出光通量Φ之间满足一定的线性关系，因此通过设定基准光通量Φ_ref来反求基准光电流I_optref。

4.根据权利要求1所述的一种LED恒光电流驱动控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，在光电流基准电路中设定LED光通量的基准值Φ_ref，通过已经建立的算法模型I_opt＝kφ得到相应的光电流基准信号I_optref；与此同时，采样LED负载的正向电压U和正向电流I_d给光电流计算电路，通过已经建立的算法模型I_opt＝f(U,I_d)得到光电流I_opt。

5.根据权利要求1所述的一种LED恒光电流驱动控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，每一个设定的光通量Φ_ref都与LED的一个基准光电流I_optref相对应，将基准光电流I_optref与光电流I_opt进行比较得到误差信号ε，就是让LED的实际光电流I_opt跟随基准光电流I_optref，其信号经过补偿后控制LED驱动电路，使其产生与基准光电流I_optref对应大小的LED正向电流I_d，从而实现LED输出的光通量为Φ_ref，较好地实现LED恒光通量控制或精确调光控制。