CN108811261B - 一种单级led驱动电路的可见光通信调制方法 - Google Patents

一种单级led驱动电路的可见光通信调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法。包括输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第二电解电容Co2、第三电解电容C0、高频电感L、LED灯负载。本发明通过内在组合单级AC‑DC变换器Flyback与辅助同步Buck电路并融合可见光通信功能的LED驱动电路，采用辅助Buck同步电路实现高频纹波可见光通信调制，同时消除两倍工频纹波，实现融合可见光通信调制、高功率因数、低输出工频纹波和恒定的电流输出等功能。

Description

一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法
技术领域
本发明涉及融合LED照明驱动电源设计的可见光通信领域，具体为一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，特别是一种基于单级Flyback/Buck LED驱动电路的可见光通信调制方法。
背景技术
可见光通信正成为LED照明研究的热门课题。它代表使用可见光谱作为无线通信的资源。在这种情况下，与白炽灯和荧光灯相比，它们作为光源具有很大的优势，因此LED的频率响应为许多应用提供足够的带宽，以足够的速率传输数字数据。VLC可以为常规照明系统扩大使用功能，不仅提供更高质量的人工照明，还提供不干扰普通射频（RF）通信的无线通信媒体。
尽管LED的照明十分高效，比如反激变换器适合用作单级隔离型PFC变换器驱动LED照明电路，因其具有变压隔离功能、功率因数高、宽输入电压范围内稳定输出、元器件数目少等优点。但单级反激变换器输出的低频纹波对照明光学特性影响较大，容易导致LED频闪问题，减少LED的寿命。更为重要的一点是，目前现有的可见光通信技术与照明还是处于互为独立设计状态。有必要进一步研究融合照明与可见光通信的LED驱动电源技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，具体为一种基于单级Flyback/Buck LED驱动电路的可见光通信调制方法，通过内在组合单级AC-DC变换器Flyback与辅助同步Buck电路与融合可见光通信功能的LED驱动电路，采用辅助Buck同步电路实现高频纹波可见光通信调制，同时消除两倍工频纹波，实现融合可见光通信调制、高功率因数、低输出工频纹波和恒定的电流输出等功能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，所述单级LED驱动电路，包括输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第二电解电容Co2、第三电解电容C0、高频电感L、LED灯负载；所述第一功率MOS开关管S1采用PWM或者PFM控制用于实现电路交流网侧PFC和输出恒流；所述第二功率MOS开关管S2和第三功率开关管S3采用PWM控制分别作为用于去工频纹波和VLC通信调制的双重功能；所述可见光通信调制方法实现方式为：通过调节第二功率MOS开关管S2的占空比产生等幅反向两倍工频电压信号，消除低频纹波，第三功率同步开关管S3通过其高频纹波波形的相位调制数字数据，实现可见光通信调制。
在本发明一实施例中，所述高频变压器T由原边励磁绕组N1，副边双绕组输出N2和N3构成；所述二极管整流桥BD1的正向输出端连接高频变压器T原边绕组N1的同名端；所述高频变压器T原边绕组N1的非同名端连接第一功率MOS开关管S1的漏极；所述第一功率MOS开关管S1的源极连接到二极管整流桥BD1的负向输出端；所述高频变压器T副边绕组N2的非同名端连接第一功率二极管D1的阳极；所述第一功率二极管D1的阴极连接第一电解电容Co1的正端、LED灯负载的正端；所述高频变压器T副边绕组N2的同名端连接所述第一电解电容Co1的负端、第二电解电容Co2的正端；所述高频变压器T副边绕组N3的非同名端连接第二功率二极管D2的阳极；所述第二功率二极管D2的阴极连接第三电解电容C0的正端、第二功率MOS开关管S2的漏极；所述第二功率MOS开关管S2的源极连接第三功率开关管S3的漏极、高频电感L的a1端；所述高频电感L的a2端连接第二电解电容Co2的正端、第一电解电容Co1的负端；所述高频变压器T副边绕组N3的同名端连接第二电解电容CO2的负端、第三功率同步开关管S3的源极、第二电解电容Co2的负端、LED灯负载的负端。
在本发明一实施例中，在可见光通信的调制中，第三功率开关管S3的脉冲宽度调制器的相位用作独立变量，以调制用于二进制相移键控调制调制的纹波波形，并且不影响照明质量；因通过检测高频纹波的相位，VLC接收器可以解码发送器发送的数据；换言之，同步Buck辅助电路通过改变PWM的相位来发送数据，从而根据Buck电路的纹波将发送的位序列编码成周期性波形，实现可见光通信。
在本发明一实施例中，所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组N1的同名端与副边绕组N2、N3的同名端励磁反向。
在本发明一实施例中，所述二极管整流桥BD1的二极管均为工频功率二极管；所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2均为快恢复功率二极管。
在本发明一实施例中，所述第二功率MOS开关管S2、第三功率开关管S3的工作频率，要远大于第一功率MOS开关管S1的工作频率。
在本发明一实施例中，所述高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第三电解电容C0构成双输出反激PFC变换器电路；所述第二功率MOS开关管S2、第三功率同步同步开关管S3、第二电解电容Co2、高频电感L构成同步Buck辅助电路；双输出反激PFC变换器电路的第二路反激PFC变换器输出向所述同步Buck辅助电路供电，双输出反激PFC变换器电路的第一路反激PFC变换器的输出电压uo1与所述同步Buck辅助电路的输出电压uo2同向串联，共同为LED灯负载供电。
在本发明一实施例中，所述同步Buck辅助电路的输出电压uo2在实现可见光通信的同时与第一路反激PFC变换器的第一电解电容Co1的输出电压uo1低频纹波相互抵消，以达到LED负载无两倍工频电流纹波的效果。
在本发明一实施例中，所述反激PFC变换器电路，能够工作于BCM模式、CCM模式或者DCM模式下；所述同步Buck辅助电路工作于CCM模式下。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于单级Flyback/Buck LED驱动电路的可见光通信调制方法中，融合无工频纹波照明与可见光通信调制；
2、本发明基于单级Flyback/Buck LED驱动电路的可见光通信调制方法中，具有高效、高功率因数、调压范围广、压降低、去工频纹波能力强的优点，可以良好地消除LED负载上的两倍工频电流纹波。
附图说明
图1为本发明的电路结构原理框图。
图2为本发明实施例中同步Buck辅助电路作为用于VLC和去工频纹波的双重LED驱动器的电路。
图3为本发明实施例中高频纹波信号和开关管S2和S3的驱动信号。
图4为本发明实施例中融合VLC调制辅助同步Buck电路控制信号图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明提供了一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，具体为一种基于单级Flyback/Buck LED驱动电路的可见光通信调制方法，所述单级LED驱动电路为单级Flyback/Buck LED驱动电路，包括输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第二电解电容Co2、第三电解电容C0、高频电感L、LED灯负载。所述高频变压器T由原边励磁绕组N1，副边双绕组输出N2和N3构成；所述整流桥BD1的正向输出端连接高频变压器T原边绕组N1的同名端；所述高频变压器T原边绕组N1的非同名端连接第一功率MOS开关管S1的漏极；所述第一功率MOS开关管S1的源极连接到整流桥BD1的负向输出端；所述高频变压器T副边绕组N2的非同名端连接第一功率二极管D1的阳极；所述第一功率二极管D1的阴极连接第一电解电容Co1的正端、LED灯负载的正端；所述高频变压器T副边绕组N2的同名端连接所述第一电解电容Co1的负端、第二电解电容Co2的正端；所述高频变压器T副边绕组N3的非同名端连接第二功率二极管D2的阳极；所述第二功率二极管D2的阴极连接第三电解电容C0的正端、第二功率MOS开关管S2的漏极；所述第二功率MOS开关管S2的源极连接第三功率开关管S3的漏极、高频电感L的a1端；所述高频电感L的a2端连接第二电解电容Co2的正端、第一电解电容Co1的负端；所述高频变压器T副边绕组N3的同名端连接第二电解电容CO2的负端、第三功率同步开关管S3的源极、第二电解电容Co2的负端、LED灯负载的负端；所述第一功率MOS开关管S1采用PWM或者PFM控制用于实现电路交流网侧PFC和输出恒流；所述第二功率MOS开关管S2和第三功率开关管S3采用PWM控制分别作为用于去工频纹波和VLC通信调制的双重功能；所述可见光通信调制方法实现方式为：通过调节第二功率MOS开关管S2的占空比产生等幅反向两倍工频电压信号，消除低频纹波，第三功率同步开关管S3通过其高频纹波波形的相位调制数字数据，实现可见光通信调制。在本发明可见光通信的调制中，第三功率开关管S3的脉冲宽度调制器（PWM）的相位用作独立变量，以调制用于二进制相移键控调制（BPSK）调制的纹波波形，并且不影响照明质量。因通过检测高频纹波的相位，VLC接收器可以解码发送器发送的数据；换言之，同步Buck辅助电路通过改变PWM的相位来发送数据，从而根据Buck电路的纹波将发送的位序列编码成周期性波形，实现可见光通信。
在本实施例中，所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组N1的同名端与副边绕组N2、N3的同名端励磁反向。
在本实施例中，二极管整流桥BD1的二极管均为工频功率二极管；所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2均为快恢复功率二极管。
在本实施例中，所述反激PFC变换器电路（Flyback）可以工作于BCM模式、CCM模式或者DCM模式下；辅助同步可见光通信Buck电路工作于CCM模式下。
在本实施例中，所述第二功率MOS开关管S2、第三功率开关管S3的工作频率，要远大于第一功率MOS开关管S1的工作频率。
特别的，所述高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第三电解电容C0构成双输出反激PFC变换器电路（Flyback）。第二功率MOS开关管S2、第三功率同步同步开关管S3、第二电解电容Co2、高频电感L构成同步Buck辅助电路。所述第二路反激PFC变换器输出向Buck辅助电路供电，第一路反激PFC变换器的输出电压uo1与所述Buck辅助电路的输出电压uo2同向串联，共同为LED灯负载供电；
较佳的，对于所述辅助同步Buck电路，通过改变PWM的相位来发送数据，从而根据Buck电路的纹波将发送的位序列编码成周期性波形，实现可见光通信。
较佳的，所述同步Buck辅助电路的输出电压uo2在上述实现可见光通信的同时与所述输出第一路反激PFC电路（Flyback）的第一电解电容Co1的输出电压uo1低频纹波相互抵消，理论上达到LED负载无两倍工频电流纹波的效果。
本实施例通过采用工作在BCM模式或者DCM模式的单级AC-DC变换器主电路Flyback和工作在CCM模式的Buck电路的单级复合式LED驱动电路实现抑制工频纹波的可见光通信的功能。下面结合图1中的具体实例具体说明本发明的基于Flyback/Buck LED驱动电路的可见光通信调制的具体方法，如图2至图4所示。
如图2所示，辅助同步Buck电路作为用于VLC工频纹波LED驱动器的电路。辅助同步Buck电路一方面调节第二功率MOS开关管S2抑制两倍工频纹波；另一方面调节第三功率开关管S3产生高频纹波，通过改变PWM的相位来发送数据，从而根据Buck电路的纹波将发送的位序列编码成周期性波形。此纹波与第一电解电容Co1的输出电压uo1反向等幅，在实现可见光通信的功能同时兼去了工频纹波。
如图3所示，为高频纹波信号和开关管S2和S3的驱动信号。其中，比特序列在PWM载波的相位中的编码，并根据发送的比特（符号“1”或“0”）采用两个不同的值（0或ω），将这种转变转换为纹波波形；载波是由纹波的三角波频率给出的一个周期波形作为数字通信的波形，它的相位是从0到π发生位转换时的弧度，在这种调制策略中，载波保持在固定频率和固定幅度，频率是转换器开关频率的倍数，而幅度可以通过用于设计Buck电路中的电感器的纹波百分比及其电流峰值来确定，PWM相位变化引起输出电流纹波的相位变化，其作为调制的周期性模拟载波波形。
如图4所示，为融合VLC调制辅助同步Buck电路控制信号图。辅助同步Buck电路不仅作为输出两倍工频纹波消除电路，还利用第三功率同步开关管S3作为VLC发送器的一部分。在LED照明下进行通信的情况下，通过改变占空比（调节平均电流）和PWM载波的相位彼此独立，是两个独立输入变量。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述单级LED驱动电路，包括输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第二电解电容Co2、第三电解电容C0、高频电感L、LED灯负载；所述第一功率MOS开关管S1采用PWM或者PFM控制用于实现电路交流网侧PFC和输出恒流；所述第二功率MOS开关管S2采用PWM控制实现去工频纹波的功能，所述第三功率MOS开关管S3采用PWM控制实现VLC通信调制的功能；所述可见光通信调制方法实现方式为：通过调节第二功率MOS开关管S2的占空比产生等幅反向两倍工频电压信号，消除低频纹波，第三功率MOS开关管S3通过其高频纹波波形的相位调制数字数据，实现可见光通信调制；在可见光通信的调制中，第三功率开关管S3的脉冲宽度调制器的相位用作独立变量，以调制用于二进制相移键控调制的高频纹波波形，并且不影响照明质量；通过检测高频纹波的相位，VLC接收器可以解码发送器发送的数据；换言之，同步Buck辅助电路通过改变PWM的相位来发送数据，从而根据Buck电路的纹波将发送的位序列编码成周期性波形，实现可见光通信。
2.根据权利要求1所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述高频变压器T由原边励磁绕组N1，副边双绕组输出N2和N3构成；所述二极管整流桥BD1的正向输出端连接高频变压器T原边绕组N1的同名端；所述高频变压器T原边绕组N1的非同名端连接第一功率MOS开关管S1的漏极；所述第一功率MOS开关管S1的源极连接到二极管整流桥BD1的负向输出端；所述高频变压器T副边绕组N2的非同名端连接第一功率二极管D1的阳极；所述第一功率二极管D1的阴极连接第一电解电容Co1的正端、LED灯负载的正端；所述高频变压器T副边绕组N2的同名端连接所述第一电解电容Co1的负端、第二电解电容Co2的正端；所述高频变压器T副边绕组N3的非同名端连接第二功率二极管D2的阳极；所述第二功率二极管D2的阴极连接第三电解电容C0的正端、第二功率MOS开关管S2的漏极；所述第二功率MOS开关管S2的源极连接第三功率MOS开关管S3的漏极、高频电感L的一端；所述高频电感L的另一端连接第二电解电容Co2的正端、第一电解电容Co1的负端；所述高频变压器T副边绕组N3的同名端连接第二电解电容CO2的负端、第三功率MOS开关管S3的源极、第二电解电容Co2的负端、LED灯负载的负端。
3.根据权利要求1或2所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组N1的同名端与副边绕组N2、N3的同名端励磁反向。
4.根据权利要求1或2所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述二极管整流桥BD1的二极管均为工频功率二极管；所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2均为快恢复功率二极管。
5.根据权利要求1或2所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3的工作频率，要远大于第一功率MOS开关管S1的工作频率。
6.根据权利要求1或2所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述高频变压器T、第一功率MOS开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一电解电容Co1、第三电解电容C0构成双输出反激AC-DC PFC变换器电路；所述第二功率MOS开关管S2、第三功率同步同步开关管S3、第二电解电容Co2、高频电感L构成同步Buck辅助电路；双输出反激AC-DC PFC变换器电路的第二路反激PFC变换器输出向所述同步Buck辅助电路供电，双输出反激AC-DC PFC变换器电路的第一路反激PFC变换器的输出电压uo1与所述同步Buck辅助电路的输出电压uo2同向串联，共同为LED灯负载供电。
7.根据权利要求6所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述同步Buck辅助电路的输出电压uo2在实现可见光通信的同时与第一路反激PFC变换器的第一电解电容Co1的输出电压uo1低频纹波相互抵消，以达到LED负载无两倍工频电流纹波的效果。
8.根据权利要求6所述的一种单级LED驱动电路的可见光通信调制方法，其特征在于，所述双输出反激AC-DC PFC变换器电路，能够工作于BCM模式、CCM模式或者DCM模式下；所述同步Buck辅助电路工作于CCM模式下。
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