CN107590326B - 一种led模块的仿真模型及仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED模块的仿真模型及仿真方法，属于电力电子技术领域。在设计LED驱动电源的理论仿真阶段，传统的做法是将所设计的驱动电源以电阻作为负载仿真其性能。由于LED是由pn结半导体构成，从其伏安特性曲线不难看出，其阻值会随着电压的变化而改变，因此采用电阻作为负载的传统做法所得到的仿真结果会与实际应用中有很大的出入。由于LED一般只是在额定电压范围内正向使用，极少涉及施加反压的情况，故本发明重点考虑在正向电压作用下额定电压范围内的LED模型。本发明能够在所述LED模块正常工作的范围内表现较为真实的伏安特性曲线，其阻值为实时变化的，能够大大提高仿真结果与实际应用中的契合度，缩短设计周期。

Description

一种LED模块的仿真模型及仿真方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域及其仿真技术领域，具体涉及一种LED模块的仿真模型，本发明还涉及所述LED模块的仿真方法。
背景技术
LED模块就是把LED(发光二极管)按照一定的行列规则排列在一起再封装起来,加上一些散热、防水处理所组成的产品。由于其具有LED的能耗低、使用寿命长、色彩更丰富、环保及发热少等优点而被广泛应用于家庭及公共场所照明、装饰领域。在电路设计阶段的MATLAB程序仿真时，精确的LED模块模型是电路成功设计的关键。一般的做法是根据设计的参数选择一个恒定的电阻作为负载使用，这大大降低了仿真结果的真实性与可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能较为真实反映LED模块U-I特性的仿真模型，并以此仿真模型对LED模块进行仿真的方法。
为解决上述问题，本发明所述的LED模块的仿真模型，包含两个switch、一个U-I函数及一个受控电流源；
第一个switch的输入条件判断脚接模型两端电压值，第一个switch的输出接第二个switch的输入条件判断脚；
第二个switch的输入条件判断脚接第一个switch的输出，第二个switch的输出接U-I函数表达式的输入。
进一步地，所述第一个switch是用于模拟LED模块的门槛电压。
进一步地，所述第二个switch是用于模拟LED模块的额定工作电压。
进一步地，所述U-I函数是用于模拟实际应用中LED模块的伏安特性。
进一步地，所述受控电流源是用于模拟实际应用在中流经LED模块电流的变化情况。
为解决上述问题，本发明提供一种LED模块的仿真方法，包含如下四个步骤：
步骤一，用直流电源箱对该LED路灯模块的电压、电流数据进行测量；
步骤二，拟合LED模块伏安特性曲线的函数表达式；
步骤三，利用步骤二构建的函数表达式搭建LED模块的仿真模型；
步骤四，利用构建的LED模块的仿真模型模型进行仿真并与实测对比。
进一步地，所述步骤一中，包括用现有的开关电源对LED模块进行数据测量并记录；
进一步地，所述步骤二中，包括用MATLAB对记录的数据进行曲线拟合并得出最佳拟合函数；
进一步地，所述步骤三中，LED模块的仿真模型包含两个switch、一个U-I函数及一个受控电流源；
第一个switch的输入条件判断脚接模型两端电压值，第一个switch的输出接第二个switch的输入条件判断脚；
第二个switch的输入条件判断脚接第一个switch的输出，第二个switch的输出接U-I函数表达式的输入。
进一步地，所述步骤四中，仿真时，第一个switch是用于模拟LED模块的门槛电压；所述第二个switch是用于模拟LED模块的额定工作电压；所述U-I函数是用于模拟实际应用中LED模块的伏安特性；所述受控电流源是用于模拟实际应用中流经LED模块电流的变化情况。
本发明所述的LED模块的仿真模型及仿真方法，通过拟合LED模块伏安特性曲线得到其相应的最佳函数表达式，再由函数表达式模拟实际应用中LED的特性，提高器件模型仿真与实际应用所得结果的契合度。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1：6项高斯拟合数学模型
图2：LED模块仿真模型内部示意图
图3：LED模块仿真模型示意图
图4：LED模块仿真模型的伏安特性曲线
图5：仿真及测试用电路原理图
图6：测试结果与仿真模型伏安特性曲线对比：输入电压幅值为14V至18V
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述：
步骤一：用直流电源箱对该LED路灯模块的电压、电流数据进行测量。将LED模块直接与电源箱相接，调节输入电压从14V至18V，每次增加0.1V，记录其对应的电流数据。
步骤二：用MATLAB的拟合工具箱Curve Fitting对所记录的电压和电流数据选用多种方法进行曲线拟合，并求得各拟合曲线对应的函数表达式。选择其中拟合效果较好的一个拟合函数构建LED模块的数学模型。本次拟合效果较好的为六项高斯拟合方法，拟合出其表达式如式(1)所示。
Figure BDA0001394263840000031
其中，a1＝-88.72，b1＝19.98，c1＝1.929，a2＝-0.05488，b2＝15.49，c2＝0.8177，a3＝0，b3＝0.2712，c3＝2.239，a4＝98.00，b4＝20.12，c4＝2.017，a5＝-0.02065，b5＝17.28，c5＝0.3815，a6＝-0.01613，b6＝16.80，c6＝0.4395。附图1为本发明中LED模块的6项高斯拟合数学模型。其中Unit Delay是一个短暂的延时模块，为了短时保持数据进行计算；a1,b1等常数为表达式各项系数，Divide模块为除法，Product模块为乘法，Math Function里的eu模块为指数函数，Abs模块为绝对值，In1和Out1分别为输入和输出接口；需要强调的是，此拟合函数仅是本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明。本发明此处的拟合函数可以有各种变化，选取拟合度最好的函数用在此处。数学模型除了用图1所示的数学运算块来搭建，也可以用Function Block编写程序来实现。凡是根据本发明的技术实质对上述实施例所作的任何简单修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
步骤三：利用步骤二构建的数学模型搭建LED模块的仿真模型。附图2为本发明的LED模块仿真模型内部示意图。为了解决固定电阻无法真实反映LED模块的伏安特性问题，本发明引入模块两端电压作为输入判断和计算条件，将模块两端电压的值代入拟合出的函数表达式，计算并设定此时对应的电流值。该图2包括两个switch(switch和switch1)、一个U-I函数(gaussian6)及一个受控电流源(controlled current source)；第一个switch的输入条件判断脚接模型两端电压值，第一个switch的输出接第二个switch的输入条件判断脚；第二个switch的输入条件判断脚接第一个switch的输出，第二个switch的输出接U-I函数表达式的输入；所述第一个switch是用于模拟LED模块的门槛电压；所述第二个switch是用于模拟LED模块的额定工作电压；所述U-I函数是用于模拟实际应用中LED模块的伏安特性。所述受控电流源是用于模拟实际应用中流经LED模块电流的变化情况。附图3为本发明的LED模块仿真模型最终封装成的样式，共有两个引脚，分别为电流的输入、输出引脚。附图4为该LED模块仿真模型的伏安特性曲线。
步骤四：利用构建的LED模块的仿真模型进行仿真并与测试结果进行对比。附图5为仿真及测试用电路原理图，其中DC Voltage Source为直流电压源，VoltageMeasurement为电压测量，Current Measurement为电流测量，Divide为乘除运算；附图6为输入电压幅值为14V至18V时测试结果与仿真模型伏安特性曲线对比图。从图6可看出，测试结果与仿真模型的伏安特性曲线吻合度较高，说明该仿真模型与实际应用的情况相符。
综上，本发明的一种LED模块的仿真模型及仿真方法，包括其伏安特性曲线函数及受控源电路，在设计LED驱动电源的理论仿真阶段，传统的做法是将所设计的驱动电源以电阻作为负载仿真其性能。由于LED是由pn结半导体构成，从其伏安特性曲线不难看出，其阻值会随着电压的变化而改变，因此采用电阻作为负载的传统做法所得到的仿真结果会与实际应用中有很大的出入。由于LED一般只是在额定电压范围内正向使用，极少涉及施加反压的情况，故本发明重点考虑在正向电压作用下额定电压范围内的LED模型。本发明能够在所述LED模块正常工作的范围内表现较为真实的伏安特性曲线，其阻值为实时变化的，能够大大提高仿真结果与实际应用中的契合度，缩短设计周期。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种LED模块的仿真模型，适用于MATLAB/Simulink程序，其特征在于：包括两个switch、一个U-I函数及一个受控电流源；
第一个switch的输入条件判断脚接模型两端电压值，第一个switch的输出接第二个switch的输入条件判断脚；
第二个switch的输入条件判断脚接第一个switch的输出，第二个switch的输出接U-I函数表达式的输入；
所述第一个switch是用于模拟LED模块的门槛电压；
所述第二个switch是用于模拟LED模块的额定工作电压；
所述U-I函数是用于模拟实际应用中LED模块的伏安特性；
所述受控电流源是用于模拟实际应用中流经LED模块电流的变化情况。
2.一种LED模块的仿真模型的仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，用直流电源箱对该LED模块的电压、电流数据进行测量；
步骤二，拟合LED模块伏安特性曲线的函数表达式；
步骤三，利用步骤二构建的函数表达式搭建LED模块的仿真模型；
步骤四，利用构建的LED模块的仿真模型模型进行仿真并与实测对比；
所述步骤一中，包括用现有的开关电源对LED模块进行数据测量并记录；
所述步骤二中，用MATLAB的拟合工具箱Curve Fitting对所记录的电压和电流数据选用多种方法进行曲线拟合，并求得各拟合曲线对应的函数表达式；
所述步骤三中，LED模块的仿真模型包含两个switch、一个U-I函数及一个受控电流源；
第一个switch的输入条件判断脚接模型两端电压值，第一个switch的输出接第二个switch的输入条件判断脚；
第二个switch的输入条件判断脚接第一个switch的输出，第二个switch的输出接U-I函数表达式的输入。
3.如权利要求2所述的LED模块的仿真模型的仿真方法，其特征在于：所述步骤四中，仿真时，第一个switch是用于模拟LED模块的门槛电压；所述第二个switch是用于模拟LED模块的额定工作电压；所述U-I函数是用于模拟实际应用中LED模块的伏安特性；所述受控电流源是用于模拟实际应用中流经LED模块电流的变化情况；实测时，将测得的数据与仿真曲线放在一起，比较实测数据与仿真曲线的吻合度。
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