CN107172739A - Pwm调光电路和调光方法及led驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PWM调光电路和调光方法及LED驱动电路。将表征PWM调光信号的参考信号和表征平均电感电流的电流采样信号进行误差处理，得到表征主功率开关管导通时间的补偿信号；所述的补偿信号与斜坡信号进行比较，用于控制主功率开关管关断；根据所述补偿信号调节主功率开关管的最大开关频率；其中，实际开关频率高于最大开关频率时，主功率开关管不导通。由于最小导通时间和最大开关频率的限制，影响了LED的调光深度，本发明利用了PWM调光信号继续下调与补偿信号之间的关系，从而根据补偿信号来调节开关频率，从而降低了负载的平均输出电流。本发明提升了PWM调光的调光深度。

Description

PWM调光电路和调光方法及LED驱动电路
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术领域，特别涉及一种PWM调光电路和调光方法及LED驱动电路。
背景技术
在LED应用中，一些场合需要对LED灯的亮度进行调节和控制，即通过调节LED负载的输出平均电流来实现调光。PWM调光是调光方法的一种，现有技术的PWM调光一般通过调节PWM信号的占空比来改变LED灯的亮度，从而实现调光。一种带PWM调光电路的LED驱动电路如图1所示，以反激式拓扑为例，FB为电压反馈回路引脚，接收表征输出电压的信号，当输出副边电感电流续流到零时候，FB信号会输出控制信号让原边开关管M重新导通，进入下一个的开关周期。GATE引脚用来驱动开关管的开通关断；SNP引脚用来采样原边电感电流大小；DPWM引脚接外部输入的PWM调光信号；COMP引脚作为系统补偿控制引脚。
图1中具体的PWM调光电路原理如图2所示，通过控制PWM占空比改变参考信号VREF的大小，采样得到的电压VSNP经过平均处理后，与所述参考信号VREF经过误差运算放大器OTA，输出补偿信号VCOMP。VCOMP与斜坡谐波发生器产生的斜坡信号进行比较，当斜坡信号大于VCOMP信号时，比较器输出一个高电平，关断开关管M。因此在斜坡信号的斜率不变的情况下，VCOMP的大小决定了开关管开通时间Ton的长短，VCOMP越小，Ton越短，如图3所示。受系统控制限制，Ton有一个最小值Ton(min)。当VCOMP决定的Ton值比最小导通时间Ton(min)还要小的时候，开通时间保持Ton(min)不变，LED负载的最小输出电流也受Ton(min)限制，不再随着PWM调光信号的占空比减小而减小，因此限制了LED的调光深度。
发明内容
本发明的目的是提供一种PWM调光电路和调光方法及LED驱动电路，用于解决现有技术存在的调光深度受限的技术问题，通过调节最大开关频率实现进一步深度调光。
为实现上述目的，本发明提供了一种PWM调光电路，包括：
补偿信号产生电路，其第一输入端接收PWM调光信号，其第二输入端接收表征平均电感电流的电流采样信号，所述补偿信号产生电路的输出端输出表征主功率开关管导通时间的补偿信号；根据所述补偿信号的大小，控制开关管的导通时间长短；
开关频率调节电路，接收所述补偿信号，根据所述补偿信号调节主功率开关管的开关频率。
可选的，所述的补偿信号产生电路包括误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接收表征所述PWM调光信号的参考信号，其第二输入端接收表征电感电流的电流采样信号平均值，所述误差放大器的输出端连接补偿电容，所述补偿电容上的电压作为所述补偿信号。
可选的，所述的补偿信号产生电路包括第一电流源和第二电流源；通过所述PWM调光信号控制所述第一电流源对补偿电容充电，根据所述电流采样信号产生所述第二电流源对所述补偿电容放电；或者，通过所述PWM调光信号控制所述第一电流源对补偿电容放电，根据所述电流采样信号产生所述第二电流源对所述补偿电容充电；所述补偿电容上的电压作为所述补偿信号。
可选的，在调光过程中，所述PWM调光信号的占空比持续减小，使得主功率开关管的导通时间减小至最小导通时间，所述补偿信号随PWM调光信号的占空比进一步减小而减小，此时根据所述补偿信号的减小来降低开关频率，从而进一步降低流经负载的平均输出电流。
可选的，在主功率开关管的开关频率达到最大开关频率时，所述补偿信号降低至第一阈值，在所述补偿信号低于所述第一阈值时，所述最大开关频率随补偿信号的减小而降低。
可选的，在所述补偿信号持续降低至第二阈值时，所述最大开关频率达到最小值，此时所述补偿信号继续减小则最大开关频率不再降低，所述第二阈值小于所述第一阈值。
可选的，所述的PWM调光电路还包括用于判断主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间的使能模块，在所述使能模块判断主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间时，则发出表征使能的信号至所述开关频率调节电路，并使得开关频率调节电路使能。
可选的，所述判断主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间是通过判断所述补偿信号是否达到所述第一阈值来实现的。
可选的，所述的补偿信号与斜坡信号进行比较，用于控制主功率开关管关断时刻。
本发明还提供一种PWM调光方法，包括以下步骤：
将表征PWM调光信号的参考信号和表征电感电流的电流采样信号平均值进行比较，得到表征主功率开关管导通时间的补偿信号；所述的补偿信号与斜坡信号进行比较，用于控制主功率开关管关断；
根据所述补偿信号调节主功率开关管的最大开关频率；其中，实际开关频率高于最大开关频率时，主功率开关管不导通。
可选的，调光过程中，所述PWM调光信号的占空比持续减小，使得主功率开关管的导通时间减小至最小导通时间，所述补偿信号随PWM调光信号的占空比进一步减小而减小，此时根据所述补偿信号的减小来降低开关频率，从而进一步降低流经负载的平均输出电流。
可选的，在主功率开关管的开关频率达到最大开关频率时，所述补偿信号降低至第一阈值，在所述补偿信号低于所述第一阈值时，所述最大开关频率随补偿信号的减小而降低；在所述补偿信号持续降低至第二阈值时，所述最大开关频率达到最小值，此时所述补偿信号继续减小则最大开关频率不再降低，所述第二阈值小于所述第一阈值。
本发明还提供一种LED驱动电路，包括：以上任意一种PWM调光电路。
可选的，所述的LED驱动电路还包括用于检测电流过零时刻的过零检测模块，所述的开关频率调节电路和所述过零检测模块的输出端分别连接与门的两个输入端，所述的与门输出端输出表征主功率开关管开通的信号。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：由于最小导通时间和最大开关频率的限制，影响了深度调光，本发明利用了PWM调光信号与补偿信号之间的关系，从而根据补偿信号来调节开关频率，从而降低了负载的平均输出电流。本发明提升了PWM调光的调光深度。
附图说明
图1为现有技术应用PWM调光电路的LED驱动电路的结构示意图；
图2为现有技术PWM调光电路的结构示意图；
图3为现有技术PWM调光电路的工作波形图；
图4为本发明PWM调光电路的结构示意图；
图5为补偿信号与最大开关频率的波形示意图；
图6为电感电流与导通时间的波形示意图；
图7为补偿信号产生电路的一种电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图4所示，示意了本发明PWM调光电路的一种具体电路结构，由于PWM调光电路可以集成于片内，因此示意了其各个引脚的情况，DPWM引脚为PWM调光信号的输入端，用于接收所述PWM调光信号，SNP引脚为采样引脚，用于接收表征电感电流的采样信号，GATE引脚与主功率开关管的控制端连接。
所述的PWM调光电路包括误差放大器OTA和开关频率调节电路，PWM调光信号输入至DPWM引脚，根据其占空比通过控制模块得到调节相应的参考信号VREF，所述的参考信号VREF输入至误差放大器OTA的第一输入端；电感电流采样信号输入至SNP引脚，并经平均值处理后，用于表征电感电流平均值，输入至误差放大器OTA的第二输入端，所述误差放大器OTA的输出端输出表征主功率开关管导通时间的补偿信号VCOMP；所述的补偿信号VCOMP与斜坡信号VSAM在比较器U40中比较，比较器U40的输出结果至RS触发器的置位端R，用于控制主功率开关管关断。
开关频率调节电路接收所述补偿信号VCOMP，尤其是在达到最大开关频率后，根据所述补偿信号VCOMP调节主功率开关管的最大开关频率；其中，实际开关频率高于最大开关频率时，主功率开关管不导通。
在调光过程中，随着向下调光的深入，所述PWM调光信号的占空比持续减小，使得主功率开关管的导通时间减小至最小导通时间，主功率开关管的开关频率达到最大开关频率，所述补偿信号随PWM调光信号的占空比减小而减小，此时所述开关频率调节电路根据所述补偿信号VCOMP的减小来降低最大开关频率，从而进一步降低流经负载的平均输出电流。
应用本发明PWM调光电路的LED驱动电路，包括上述PWM调光电路，对于主功率开关管的开通可以采用多种方式，图5中举例使用了过零检测模块，用于检测副边电流过零时刻，此时控制主功率开关管开通，但在开关频率大于最大开关频率的情况下不开通。所述的开关频率调节电路和所述过零检测电路的输出端分别连接与门的两个输入端，所述的与门输出端输出表征主功率开关管开通的信号。
参考图5所示，在主功率开关管的开关频率达到最大开关频率时，所述补偿信号VCOMP降低至第一阈值VCOMP1，在所述补偿信号VCOMP低于所述第一阈值VCOMP1时，所述最大开关频率随补偿信号VCOMP的减小而降低。虽然，在图5中示意了二者呈线性变化，但是线性变化仅仅用于示意，实际情况并非严格的线性变化。在所述补偿信号VCOMP持续降低至第二阈值VCOMP2时，所述最大开关频率达到最小值，此时所述补偿信号VCOMP继续减小则最大开关频率不再降低，所述第二阈值VCOMP2小于所述第一阈值VCOMP1，所述的最大开关频率的最小值可以预设，那么，在该预设值的情况，也就相应地确定了第二阈值VCOMP2。
为了在正常调光情况下，最大开关频率不跟随补偿信号变化，所以设置了使能模块，所述使能模块用于判断主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间。即所述的PWM调光电路还包括用于判断补偿信号VCOMP是否达到第一阈值VCOMP1(用来表征主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间)的使能模块，在所述使能模块判断补偿信号VCOMP达到第一阈值VCOMP1时，则发出表征使能的信号至所述开关频率调节电路，并使得开关频率调节电路使能。
在PWM调光信号的占空比减小时所述表征平均电感电流的电流采样信号保持基本不变，由所述使能模块检测该状态持续超过一定时间或占空比下降超过一定幅度，则由所述使能模块输出使能信号。当然，除了以上两种判断方式，还存在其他可能的判断方式。
参考图6所示，示意了电感电流与导通时间的波形图，本附图意在说明本发明的调光原理。不考虑损耗的情况下，电感中储存的能量会释放到负载LED灯中，一个开关周期内电感储存的能量越多，输出LED灯的电流越大，灯越亮。则有：
Ipk为峰值电流，P1为导通时间为Ton内存储的能量，P2为一个开关周期内的单位时间能量。由式(3)可知，一个开关周期内储存的单位时间能量除了与Ton有关，还与开关频率fsw有关。随着输入PWM调光信号的占空比D减小，内部的补偿信号随之减小，开关导通时间Ton不变情况下，采样反馈信号的平均值不变，误差放大器的输出VCOMP会相应的减小，从而开关导通实际Ton也减小，采样反馈信号的平均值也减小，误差放大器的输出VCOMP达到平衡。随着调光信号的占空比继续减小，Ton会进一步减小，直至Ton减小到Ton(min)时，开关管的开关频率达到最大开关频率fsw(max)的限制，采样反馈信号的平均值保持不变，而内部基准电压随着占空比减小而减小，所以误差放大器的输出信号VCOMP会继续减小，此时用VCOMP去调节fsw，最大开关频率fsw(max)随着VCOMP减小而减小，根据式(3)可知，单位时间内输出功率就相应的随着最大开关频率fsw(max)减小而减小，从而实现了LED灯输出电流被PWM调光信号占空比进一步调制。
参考图7所示，示意了补偿信号产生电路的一种具体电路结构，该电路结构与图4中的不同，通过两种实现方式，意在说明补偿信号产生电路可由多种方式予以实现，同时也不限于这两种方式。所述的补偿信号产生电路包括第一电流源i1和第二电流源i2；通过所述PWM调光信号控制所述第一电流源i1对补偿电容C充电，根据所述电流采样信号VSNP产生所述第二电流源对所述补偿电容C放电；或者，通过所述PWM调光信号控制所述第一电流源i1对补偿电容C放电，根据所述电流采样信号VSNP产生所述第二电流源i2对所述补偿电容C充电；所述补偿电容C上的电压作为所述补偿信号。在本附图中，PWM调光信号控制所述第一电流源i1，是通过PWM调光信号控制开关K1来控制第一电流源i1对补偿电容充放电的平均电流，所述电流采样信号VSNP通过电流产生电路，产生与电阻R的阻值成反比正比的第二电流源i2，所述的电流产生电路由运放和电阻R实现。所述第一电流源i1和第二电流源i2方向相反，通过二者对补偿电容的充放电来判断PWM调光信号控制的基准信号VREF与电流采样信号VSNP的平均值的差值，通过开关K2可以得到电流采样信号VSNP的平均值，利用补偿电容上的电压来调节主开关管的导通时间来控制输出电流，使补偿电容上充放电达到平衡。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种PWM调光电路，包括：
补偿信号产生电路，其第一输入端接收PWM调光信号，其第二输入端接收表征平均电感电流的电流采样信号，所述补偿信号产生电路的输出端输出表征主功率开关管导通时间的补偿信号；根据所述补偿信号的大小，控制开关管的导通时间长短；
开关频率调节电路，接收所述补偿信号，根据所述补偿信号调节主功率开关管的开关频率。
2.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的补偿信号产生电路包括误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接收表征所述PWM调光信号的参考信号，其第二输入端接收表征电感电流的电流采样信号平均值，所述误差放大器的输出端连接补偿电容，所述补偿电容上的电压作为所述补偿信号。
3.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的补偿信号产生电路包括第一电流源和第二电流源；通过所述PWM调光信号控制所述第一电流源对补偿电容充电，根据所述电流采样信号产生所述第二电流源对所述补偿电容放电；或者，通过所述PWM调光信号控制所述第一电流源对补偿电容放电，根据所述电流采样信号产生所述第二电流源对所述补偿电容充电；所述补偿电容上的电压作为所述补偿信号。
4.根据权利要求1或2或3所述的PWM调光电路，其特征在于：调光过程中，所述PWM调光信号的占空比持续减小，使得主功率开关管的导通时间减小至最小导通时间，所述补偿信号随PWM调光信号的占空比进一步减小而减小，此时根据所述补偿信号的减小来降低开关频率，从而进一步降低流经负载的平均输出电流。
5.根据权利要求1或2或3所述的PWM调光电路，其特征在于：在主功率开关管的开关频率达到最大开关频率时，所述补偿信号降低至第一阈值，在所述补偿信号低于所述第一阈值时，所述最大开关频率随补偿信号的减小而降低。
6.根据权利要求5所述的PWM调光电路，其特征在于：在所述补偿信号持续降低至第二阈值时，所述最大开关频率达到最小值，此时所述补偿信号继续减小则最大开关频率不再降低，所述第二阈值小于所述第一阈值。
7.根据权利要求4所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的PWM调光电路还包括用于判断主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间的使能模块，在所述使能模块判断主功率开关管的导通时间减小至最小导通时间时，则发出表征使能的信号至所述开关频率调节电路，并使得开关频率调节电路使能。
8.根据权利要求7所述的PWM调光电路，其特征在于：所述判断主功率开关管的导通时间是否减小至最小导通时间是通过判断所述补偿信号是否达到所述第一阈值来实现的。
9.根据权利要求1或2或3所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的补偿信号与斜坡信号进行比较，用于控制主功率开关管关断时刻。
10.一种PWM调光方法，包括以下步骤：
将表征PWM调光信号的参考信号和表征平均电感电流的电流采样信号进行比较，得到表征主功率开关管导通时间的补偿信号；根据所述补偿信号的大小，控制开关管的导通时间长短；
根据所述补偿信号调节主功率开关管的开关频率。
11.根据权利要求10所述的PWM调光方法，其特征在于：在调光过程中，所述PWM调光信号的占空比持续减小，使得主功率开关管的导通时间减小至最小导通时间，所述补偿信号随PWM调光信号的占空比进一步减小而减小，此时所述开关频率调节电路根据所述补偿信号的减小来降低开关频率，从而进一步降低流经负载的平均输出电流。
12.根据权利要求11所述的PWM调光方法，其特征在于：
在主功率开关管的开关频率达到最大开关频率时，所述补偿信号降低至第一阈值，在所述补偿信号低于所述第一阈值时，所述最大开关频率随补偿信号的减小而降低；在所述补偿信号持续降低至第二阈值时，所述最大开关频率达到最小值，此时所述补偿信号继续减小则最大开关频率不再降低，所述第二阈值小于所述第一阈值。
13.一种LED驱动电路，包括：以上权利要求1-9任意一种PWM调光电路。
14.根据权利要求10所述的LED驱动电路，其特征在于：所述的LED驱动电路还包括用于检测电流过零时刻的过零检测模块，所述的开关频率调节电路和所述过零检测模块的输出端分别连接与门的两个输入端，所述的与门输出端输出表征主功率开关管开通的信号。
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