CN107635313A - 一种基于电容自均流实现调光的多路led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，属于LED照明（Light‑emitting Diode Lighting）领域，其包括半桥斩波单元U、半波整流单元X、谐振单元Z和均流单元Y；谐振单元Z作为调光单元被上、下叠加输出的半桥斩波单元U分时复用；半桥斩波单元U和谐振单元Z之间串联有半波整流单元X和均流单元Y。本发明在不增加器件的前提下提高一倍调光能力，只需反馈八路LED灯中任意路信号就可满足所有LED灯串的大范围调光，充分利用电容电荷平衡实现均流，有效地降低了利用电容阻抗匹配实现均流不精确的问题；分时复用调光单元减少了使用器件的数量，提高了效率，减少了安装空间；均流电容用于谐振简化了电路结构，提高了电路整体稳定性。

Description

一种基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器

技术领域

本发明涉及LED照明(Light-emitting Diode Lighting)领域，特别涉及一种基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器。

背景技术

传统LED驱动器采用PWM(Pulse-width Modulation)策略实现多路LED调光，但由于变动的脉宽触发信号使得开关器件无法实现软开关，导通损耗大、传递效率低，而且其可靠性差、动态响应慢等缺点在许多对LED驱动要求较高的场合已不再适用。传统采用PFM(Pulse-frequency Modulation)实现后级调节，势必造成EMI(EletromagneticInterference)高、磁性元件效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种结构简单、使用器件少、稳定性高的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，以少量器件实现更多路输出和更精确的均流，在不增加器件的前提下提高一倍调光能力，只需反馈八路LED灯中任意路信号就可满足所有LED灯串的大范围调光，充分利用电容电荷平衡实现均流，有效地降低了利用电容阻抗匹配实现均流不精确的问题；分时复用调光单元减少了使用器件的数量，提高了驱动器的效率，同时也有效地减少了驱动器所需的安装空间；同时，均流电容同时用于谐振简化了电路结构，提高了电路整体稳定性。

本发明采用如下技术方案：

一种基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其包括半桥斩波单元U、半波整流单元X、谐振单元Z和均流单元Y；所述谐振单元Z作为调光单元被上、下叠加输出的半桥斩波单元U分时复用；所述半桥斩波单元U和谐振单元Z之间串联有半波整流单元X和均流单元Y。

进一步的，所述半桥斩波单元U包括第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、第一开关管S₁和第二开关管S₂；所述第一开关管S₁的源极和第二开关管S₂的漏极串联后并联在驱动电源Vin的两端，所述第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联后并联在驱动电源Vin的两端，所述第一开关管S₁和第二开关管S₂的栅极作为第一驱动信号g_s1和第二驱动信号g_s2的接收端分别与半桥驱动器的相应输出端相连，其中第一开关管S₁和第二开关管S₂的并联二极管为寄生器件。

进一步的，所述半桥驱动器采用型号为IR2104的定频、定宽的半桥驱动芯片。进一步的，所述半波整流单元X包括上、下两条支路整流单元，所述上支路整流单元包括二极管D1、二极管D2、二极管D5和二极管D6，所述半桥斩波单元U中第一开关管S₁的源极连接至二极管D6的阳极，所述二极管D6的阴极连接二极管D5的阳极，所述二极管D5的阴极连接二极管D2的阳极，所述二极管D2的阴极连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接所述第一开关管S₁的源极；

所述下支路整流单元包括二极管D3、二极管D4、二极管D7和二极管D8；所述半桥斩波单元U中第二开关管S₂的漏极连接至二极管D3的阳极，所述二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，所述二极管D4的阴极接二极管D7的阳极，所述二极管D7的阴极接二极管D8的阳极，所述二极管D8的阴极连接所述第二开关管S₂的漏极；所述二极管D1～二极管D8上均串联有LED灯串，且均保持反并联方式连接。

进一步的，所述均流单元Y包括薄膜电容C_a1和薄膜电容C_a2；所述薄膜电容C_a1一端连接所述半桥斩波单元U中第一开关管S₁的源极，其另一端连接在所述二极管D2和二极管D5之间节点；所述薄膜电容C_a2一端连接所述半桥斩波单元U中第二开关管S₂的漏极，其另一端连接在所述二极管D4和二极管D7之间节点。进一步的，所述LED灯串包括电容C_out和至少一个LED灯，且电容C_out正极与LED灯正极相连接；当所述LED灯大于等于2个时，所述LED灯串联后并联在电容C_out两端。

进一步的，所述谐振单元Z包括均流电容模块和第一谐振电感；所述均流电容模块包括电容值相同的第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4；所述第一薄膜电容C_n1和第二薄膜电容C_n2串联，串联后的两端其一端连接在二极管D1和二极管D2之间节点，另一端连接在二极管D3和二极管D3之间节点；所述第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4串联，串联后的两端其一端连接在二极管D5和二极管D6之间节点，另一端连接在二极管D7和二极管D8之间节点；所述第一谐振电感包括可变电感VI、直流稳压电源DC Source和控制回路；所述可变电感VI的一端连接第一电解电容C₁和第二电解电容C₂之间节点，另一端分别连接第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4的任意端，所述可变电感VI值随直流稳压电源DC Source的改变而改变，而直流稳压电源DC Source受所述控制回路调控。

图3为所述控制回路，锯齿波通过集成函数发生器ICL8038直接产生，与通过电感耦合获得的谐振电流Ir保持同步，且在每一次电流过零点被复位；获得的同步信号与取样电流Iledn、参考电流Iref比较获得的误差电压信号均经过双运算放大器LM358；最后，控制PWM调制器得到预设输出电流的占空比控制信号q，来改变直流稳压电源DC Source输出值，进而调节第一谐振电感VI实现大范围LED亮度的调节。

进一步的，所述可变电感VI、第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4均无极性之分。

与现有的多路LED调光驱动器相比，本发明具有如下优点：

(1)与现有定频驱动器相比，本发明通过谐振单元Z实现定频调节，具有控制方法简单、成本低、LED调光范围大等优点，其中LED调光范围可达5％～95％，且引入的第一谐振电感本身通过控制线圈的直流耦合实现电感值改变，因此导通损耗低。

(2)与现有多路LED驱动器相比，本发明使用上、下半桥叠加的电路结构实现更多路输出，大大缓解了利用电容阻抗匹配造成均流不精确的问题即：传统拓扑结构利用八个大电容实现八路均流，本文介绍拓扑仅用四个。(3)由于采用分时复用调光单元的电路设计即：上、下半桥交替导通，因此交替使用调光单元，使得本次发明的LED驱动器拥有较高的功率密度、较小的体积和较低的成本；所有开关器件均可实现软开关，传递效率高达94.1％。(4)所提LED驱动器的薄膜电容同时参与谐振和均流，器件的共用使得结构简单，整体系统的稳定性大幅度增高。

(5)与传统的控制电路相比，本发明中所有开关管频率固定、脉宽相同，因此整体LED驱动器控制电路简单，系统稳定性高。

附图说明

图1为本发明的电路结构拓扑图。

图2为本发明的驱动信号及输出电流波形的示意图。

图3为本发明的第一谐振电感中控制回路的原理图。

具体实施方式

下面结合图1～图3和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1～图3所示，实施例涉及一种基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其包括半桥斩波单元U、半波整流单元X、谐振单元Z和均流单元Y；所述谐振单元Z作为调光单元被上、下叠加输出的半桥斩波单元U分时复用；所述半桥斩波单元U和谐振单元Z之间串联有半波整流单元X和均流单元Y。

进一步的，所述半桥斩波单元U包括第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、第一开关管S₁和第二开关管S₂；所述第一开关管S₁的源极和第二开关管S₂的漏极串联后并联在驱动电源Vin的两端，所述第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联后并联在驱动电源Vin的两端，所述第一开关管S₁和第二开关管S₂的栅极作为第一驱动信号g_s1和第二驱动信号g_s2的接收端分别与半桥驱动器的相应输出端相连，其中第一开关管S₁和第二开关管S₂的并联二极管为寄生器件。

进一步的，所述半桥驱动器采用型号为IR2104的定频、定宽的半桥驱动芯片。所述第一开关管S₁及第二开关管S₂的触发信号分别为：第一驱动信号g_s1与第二驱动信号g_s2，它们均采用定频、定宽的半桥驱动芯片IR2104直接提供。

进一步的，所述半波整流单元X包括上、下两条支路整流单元，所述上支路整流单元包括二极管D1、二极管D2、二极管D5和二极管D6，所述半桥斩波单元U中第一开关管S₁的源极连接至二极管D6的阳极，所述二极管D6的阴极连接二极管D5的阳极，所述二极管D5的阴极连接二极管D2的阳极，所述二极管D2的阴极连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接所述第一开关管S₁的源极；

所述下支路整流单元包括二极管D3、二极管D4、二极管D7和二极管D8；所述半桥斩波单元U中第二开关管S₂的漏极连接至二极管D3的阳极，所述二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，所述二极管D4的阴极接二极管D7的阳极，所述二极管D7的阴极接二极管D8的阳极，所述二极管D8的阴极连接所述第二开关管S₂的漏极；所述二极管D1～二极管D8上均串联有LED灯串，且均保持反并联方式连接。

进一步的，所述均流单元Y包括薄膜电容C_a1和薄膜电容C_a2；所述薄膜电容C_a1一端连接所述半桥斩波单元U中第一开关管S₁的源极，其另一端连接在所述二极管D2和二极管D5之间节点；所述薄膜电容C_a2一端连接所述半桥斩波单元U中第二开关管S₂的漏极，其另一端连接在所述二极管D4和二极管D7之间节点。进一步的，所述LED灯串包括电容C_out和至少一个LED灯，且电容C_out正极与LED灯正极相连接；当所述LED灯大于等于2个时，所述LED灯串联后并联在电容C_out两端。

进一步的，所述谐振单元Z包括均流电容模块和第一谐振电感；所述均流电容模块包括电容值相同的第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4；所述第一薄膜电容C_n1和第二薄膜电容C_n2串联，串联后的两端其一端连接在二极管D1和二极管D2之间节点，另一端连接在二极管D3和二极管D3之间节点；所述第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4串联，串联后的两端其一端连接在二极管D5和二极管D6之间节点，另一端连接在二极管D7和二极管D8之间节点；所述第一谐振电感包括可变电感VI、直流稳压电源DC Source和控制回路；所述可变电感VI的一端连接第一电解电容C₁和第二电解电容C₂之间节点，另一端分别连接第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4的任意端，所述可变电感VI值随直流稳压电源DC Source的改变而改变，而直流稳压电源DC Source受所述控制回路调控。

图3为所述控制回路，锯齿波通过集成函数发生器ICL8038直接产生，与通过电感耦合获得的谐振电流Ir保持同步，且在每一次电流过零点被复位；获得的同步信号与取样电流Iledn、参考电流Iref比较获得的误差电压信号均经过双运算放大器LM358；最后，控制PWM调制器得到预设输出电流的占空比控制信号q，来改变直流稳压电源DC Source输出值，进而调节第一谐振电感VI实现大范围LED亮度的调节。

进一步的，所述可变电感VI、第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4均无极性之分。

本发明中，由于其电路结构对称且上、下半桥工作模态相同，因此仅列出下半桥一个工作周期内的五种工作状态：

状态I：第二驱动信号g_s2给第二开关管S₂触发信号，由于电流极性为负第二开关管S₂未导通；此时第二开关管S₂的体二极管导通续流，二极管D₄和二极管D₈均反向截止；此时电流反向流过第一谐振电感即可变电感VI。

状态II：第二开关管S₂被其体二极管钳位，因此以软开关ZVS的方式正向导通，二极管D₃和二极管D₇均反向截止；此时电流正向流过可变电感VI。

状态III：此阶段为死区时间，此时二极管D₃和二极管D₇反向截止，二极管D₄和二极管D₈正向导通续流；电流正向流经可变电感VI。

状态IV：第一开关管S₁得到第一驱动信号g_s1的触发，体二极管续流；此时二极管D₄和二极管D₈导通，二极管D₃和二极管D₇反向截止；电流正向通过可变电感VI。

状态V：第一开关管S₁被体二极管钳位，此时以软开关ZVS的方式导通；二极管D₃和二极管D₇导通，二极管D₄和二极管D₈反向截止；电流反向流过可变电感VI。

所述基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器由上述五种工作模态状态组成，其中利用谐振单元Z的调节捕获合适的Q值曲线实现恒流输出的分析如下。

通过FHA(First Harmonic Approximation)分析法，只考虑基波分量，忽略所有高次谐波，根据欧姆定律得LED灯串输出电流I_rn：

整流后的均方值即平均输出电流I_a为：(2)

其中，R_led表示LED阻抗值；

L_vi表示可变电感值；

C_n表示谐振电容值。

分析上式可知，谐振单元Z的调节直接影响平均输出电流I_a，其开关角频率ω为定值。因此利用谐振单元Z替代繁琐的调光电路实现后级调节及多路调光的目的完全可行。

采用定频调光因具有高可靠性、高功率密度等优点而受到广泛关注，相关研究也已逐步运用于路灯照明、电动汽车、液晶背光源等领域，其研究也取得了突破性进展。同时相较于现有采用电感磁通平衡实现多路均流而言，电容以小体积，高精度的优点而依然成为主流选择。然而相较于电容电荷平衡，大量采用电容阻抗匹配的均流方案将造成均流效果锐减；另一方面谐振单元的引入使得电路工作在感性区从而实现软开关，已成为提高效率的主流选择；为提高驱动器的功率密度，满足小型化要求实现部分单元的分时复用或共用也是一大趋势。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：其包括半桥斩波单元U、半波整流单元X、谐振单元Z和均流单元Y；所述谐振单元Z作为调光单元被上、下叠加输出的半桥斩波单元U分时复用；所述半桥斩波单元U和谐振单元Z之间串联有半波整流单元X和均流单元Y。

2.根据权利要求1所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述半桥斩波单元U包括第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、第一开关管S₁和第二开关管S₂；所述第一开关管S₁的源极和第二开关管S₂的漏极串联后并联在驱动电源V_in的两端，所述第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联后并联在驱动电源V_in的两端，所述驱动第一开关管S₁和第二开关管S₂栅极的信号分别为第一驱动信号g_s1和第二驱动信号g_s2整体构成半桥驱动器并与输出端相连，其中分别与第一开关管S₁和第二开关管S₂并联二极管为各自开关管的体二极管。

3.根据权利要求2所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述半桥驱动器采用型号为IR2104的定频、定宽的半桥驱动芯片。

4.根据权利要求2所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述半波整流单元X包括上、下两条支路整流单元，所述上支路整流单元包括二极管D1、二极管D2、二极管D5和二极管D6，所述半桥斩波单元U中第一开关管S₁的源极连接至二极管D6的阳极，所述二极管D6的阴极连接二极管D5的阳极，所述二极管D5的阴极连接二极管D2的阳极，所述二极管D2的阴极连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接所述第一开关管S₁的源极；

所述下支路整流单元包括二极管D3、二极管D4、二极管D7和二极管D8；所述半桥斩波单元U中第二开关管S₂的漏极连接至二极管D3的阳极，所述二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，所述二极管D4的阴极接二极管D7的阳极，所述二极管D7的阴极接二极管D8的阳极，所述二极管D8的阴极连接所述第二开关管S₂的漏极；所述二极管D1~二极管D8上均串联有LED灯串，且均保持反并联方式连接。

5.根据权利要求4所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述均流单元Y包括薄膜电容C_a1和薄膜电容C_a2；所述薄膜电容C_a1一端连接所述半桥斩波单元U中第一开关管S₁的源极，其另一端连接在所述二极管D2和二极管D5之间节点；所述薄膜电容C_a2一端连接所述半桥斩波单元U中第二开关管S₂的漏极，其另一端连接在所述二极管D4和二极管D7之间节点。

6.根据权利要求4所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述LED灯串包括电容C_out和至少一个LED灯，且电容C_out正极与LED灯正极相连接；当所述LED灯大于等于2个时，所述LED灯串联后并联在电容C_out两端。

7.根据权利要求4所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述谐振单元Z包括均流电容模块和第一谐振电感；所述均流电容模块包括电容值相同的第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4；所述第一薄膜电容C_n1和第二薄膜电容C_n2串联，串联后的两端其一端连接在二极管D1和二极管D2之间节点，另一端连接在二极管D3和二极管D3之间节点；所述第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4串联，串联后的两端其一端连接在二极管D5和二极管D6之间节点，另一端连接在二极管D7和二极管D8之间节点；所述第一谐振电感包括可变电感VI、直流稳压电源DC Source和控制回路；所述可变电感VI的一端连接第一电解电容C₁和第二电解电容C₂之间节点，另一端分别连接第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4的任意端，所述可变电感VI值随直流稳压电源的改变而改变，所述直流稳压电源的值受所述控制回路调控。

8.根据权利要求7所述的基于电容自均流实现调光的多路LED驱动器，其特征在于：所述可变电感VI、第一薄膜电容C_n1、第二薄膜电容C_n2、第三薄膜电容C_n3和第四薄膜电容C_n4均无极性之分。