CN109862660A - 一种可独立调光的led驱动电路及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可独立调光的LED驱动电路及驱动方法，包括半桥逆变单元、第一均流单元及第二均流单元，所述半桥逆变单元与第一均流单元及第二均流单元并联连接，均流单元包括共用电感、可控开关电容及N个光路，N为偶数，所述光路包括二极管、LED串及输出滤波电容。该驱动器具有成本低、功率密度高、均流精度高、独立调光且能实现恒频运行。
Description
技术领域
本发明涉及LED驱动控制领域,特别涉及一种可独立调光的LED驱动电路及驱动方法。
背景技术
高亮度发光二极管(High Brightness Light Emitting Diode,HB-LED)拥有光学性能好、发光能效高、寿命长及环保等优点，作为极具发展前景的新一代绿色照明光源，被广泛应用于可见光通讯、紫外LED、农业照明等领域。目前，LED受本身特性及制造工艺限制，功率一般很小，大多数应用场合需要LED并、串混联使用。然而LED作为电流型器件，其伏安电特性及输出光特性均受驱动电流影响，若无引入均流措施将造成大电流LED串发生光衰、加速老化甚至损坏，从而影响LED整体寿命与稳定性。
随着LED照明越来越普及，LED的节能已经成为了日益关注的问题。有时随着光线的变化，LED的亮度也应该随之变化，以达到节能的目的。但目前我国大多数的照明系统，仍然处在仅仅使用开关来控制LED灯通断的状态。然而在国外,特别是美国和大多数欧洲国家,家用照明都会涉及到调光功能,即通过引入控制模块来改变LED灯的亮度、颜色等,以达到特定场合对亮度的要求，例如酒店,大型商场等等场合经常需要对灯光进行亮度调节；调节亮度往往是LED驱动电流的调节，即通过控制单元实时调节电流大小以完成亮度的调节。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种可独立调光的LED驱动电路及驱动方法，本发明基于可控开关电容控制，适用于LED电路或者两路均流及调光领域。
本发明具体应用于实现四路LED均流，实现LED大范围亮度的调节和同时需要不同亮度场合下的应用，控制策略简单(定频运行)，电路功率密度高(共用大电感)。
本发明采用如下技术方案：
一种可独立调光的LED驱动电路，包括半桥逆变单元X、第一均流单元Y1和第二均流单元Y2，所述半桥逆变单元X与第一均流单元Y1及第二均流单元Y2并联连接。
所述半桥逆变单元X包括第一开关MOS管Q1、第二开关MOS管Q2、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一开关MOS管Q1的漏极与第一电容C1的正极均与直流电源正极相连接；第一电容C1的负极与第二电容C2的正极相连接；第一开关MOS管Q1的源极和第二开关MOS管Q2的漏极相连接；第二开关MOS管Q2的源极与第二电容C2的负极均与直流电源负极相连接，第一开关MOS管与第二开关MOS管的栅极均与半桥驱动器连接。
所述第一均流单元Y1包括第一共用电感Lr、第一可控开关电容SCC1及N个光路，所述N为偶数，本发明中N为2个，所述光路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一输出滤波电容、第二输出滤波电容、第一LED串LED1及第二LED串LED2，所述第一可控开关电容SCC1的一端与第一开关MOS管Q1的源极连接，其另一端分别与第一二极管D1的阴极及第二二极管D2的正极相连接，第一二极管D1的正极及第二二极管D2的负极与第一共用电感Lr的阴极连接，所述第一共用电感Lr的阳极与第一电容的负极及第二电容的正极连接，所述第一输出滤波电容及第一LED串LED1跨接在第一二极管与第一共用电感之间，所述第二输出滤波电容及第二LED串LED2跨接在第二二极管D2与第一共用电感Lr之间。
所述第一可控开关电容SCC1包括第一隔直电容Cb1、第一开关电容Cs1和第三开关MOS管S1，所述第一隔直电容Cb1和第一开关电容Cs1的正极均与第一开关MOS管Q1源极相连接，所述第三开关MOS管S1的漏极与第一开关电容Cs1的负极连接，所述第三开关MOS管S1的源极及第一隔直电容Cb1的负极均与第一二极管D1的负极及第二二极管D2的正极连接。
所述第二均流单元Y2包括第一共用电感Lr、第二可控开关电容SCC2及N个光路，所述N为偶数，本发明中N为2个，所述光路包括第三二极管D3、第四二极管D4、第三输出滤波电容、第四输出滤波电容、第三LED灯串LED3及第四LED灯串LED4，所述第二可控开关电容SCC2一端与第三二极管D3的正极及第四二极管D4的负极连接，其另一端与第二开关MOS管Q2的漏极连接，所述第三二极管的负极与第四二极管的正极均与第一共用电感Lr的阴极连接，第一共用电感Lr的阳极与第一电容的负极及第二电容的正极连接，所述第三输出滤波电容及第三LED串LED3跨接在第三二极管与第一共用电感之间，所述第四输出滤波电容及第四LED串跨接在第四二极管与第一共用电感之间。
所述第二可控开关电容SCC2包括第二隔直电容Cb2、第二开关电容Cs2和第四开关MOS管S2，所述第二隔直电容Cb2的正极和第二开关电容的正极均与第二开关MOS管Q2的漏极连接，所述第四开关MOS管S2的漏极与第二开关电容Cs2的负极连接，所述第二隔直电容Cb2的负极和第四开关MOS管的源极均与第三二极管D3的正极及第四二极管D4的负极连接。
本发明LED驱动电路上、下对称结构，工作模态相同。
一种LED驱动电路的驱动方法，所述半桥逆变单元产生固定频率和50％占空比的方波电压，第一及第二均流单元对所述方波电压进行滤波、隔直、调控与均衡，为第一LED串、第二LED串、第三LED串及第四LED串提供均衡的驱动电流及调光。
半桥逆变单元产生的固定频率大于第一共用电感及可控开关电容的谐振频率。
半桥逆变单元的驱动信号采用固定频率固定占空比的驱动方式，可控开关电容采用相对于半桥逆变单元开关MOS管的同相变占空比控制。
通过所述半桥逆变单元产生固定频率fs和50％占空比的方波电压，由可控开关电容控制的可调光两路LED均流单元Y1和Y2对所述方波电压进行滤波、隔直、调控与均衡，为第一LED串&第二LED串和第三LED串&第四LED串提供均衡的驱动电流及调光。
所提出的拓扑中可控开关电容控制的可调光四路LED均流单元Y1和Y2中，由于可控开关电容SCC中电容的伏秒平衡特性可实现模块内两路LED输出电流的自动均流。
所述的半桥开关频率fs大于第一共用电感Lr与可控开关电容SCC等效电容Ceq的谐振频率，以实现半桥电路原边电流工作在电流连续状态，即CCM。
所述半桥逆变单元X的驱动信号采用固定频率固定占空比的驱动方式，可控开关电容SCC2采用相对于半桥电路第二开关MOS管Q2的同相变占空比控制。
所述半桥逆变单元X在固定开关频率下发出恒定50％占空比方波。由于可控开关电容SCC2的存在，利用电容的伏秒平衡特性，可以实现两路LED串驱动电流的自动均衡。伴随可控开关电容SCC2等效电容值的不同，与其连接的两LED串的驱动电流值也将改变。
本发明的有益效果：
(1)本发明简化了谐振变换器前级拓扑，只保留逆变半桥，后级均流调光电路结构简单，不存在磁性元件的耦合，且无大体积变压器的存在。
(2)本发明基于可控开关电容控制的可调光四路LED均流单元Y1和Y2，调光简单，且上、下桥臂可实现单独调光控制。
(3)本发明中半桥逆变单元X及可控开关电容SCC1&SCC2使用的开关管均能实现软开关，开关损耗小，转换效率高。
(4)本发明中半桥逆变单元X驱动采用固定频率固定占空比的驱动方式，开关电容采用相对于半桥第二开关MOS管同相变占空比的控制方式，控制电路简单，稳定性高。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图。
图2是可控开关电容SCC工作周期波形图。
图3是本发明拓扑稳态工作波形图。
图4是本发明下半桥臂的简化等效图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图4所示，一种可独立调光的LED驱动电路，包括半桥逆变单元X和第一均流单元Y1和第二均流单元Y2，所述半桥逆变单元X与第一均流单元Y1及第二均流单元Y2并联连接。相互连接的半桥逆变单元X和可控开关电容控制的可调光四路LED均流单元Y1和Y2；
所述半桥逆变单元X包括：第一开关MOS管Q1、第二开关MOS管Q2、第一电容C1和第二电容C2r；其中，第一开关MOS管Q1的漏极与第一电容C1的正极均与直流电源Vin正极相连接；第一电容C1的负极与第二电容C2的正极相连接；第一开关MOS管Q1的源极和第二开关MOS管Q2的漏极相连接；第二开关MOS管Q2的源极与第二电容C2的负极均与电源负极相连接。
第一共用电感Lr的正极与第一电容C1的负极和第二电容C2的正极相连接；第一共用电感Lr负极与第一LED串的阳极、第二LED串的阴极、第三LED串的阴极和第四LED串的阳极相连接。
第一开关MOS管与第二开关MOS管的栅极均与半桥驱动器连接，图1中的定频&定脉宽为半桥驱动器。
所述的可控开关电容控制的可调光四路LED第一均流单元Y1包括第一共用电感Lr、第一可控开关电容SCC1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一输出滤波电容、第二输出滤波电容、第一LED串LED1、第二LED串LED2，所述第一可控开关电容SCC1包括第一隔直电容Cb1、第一开关电容Cs1和第三开关MOS管S1。第一隔直电容Cb1和第一开关电容Cs1的正极均与第一开关MOS管Q1的源极相连接；第三开关MOS管S1的漏极与第一开关电容Cs1的负极相连接；第一共用电感Lr末端与第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极相连接；第一二极管D1的负极与第一输出滤波电容的正极和第一LED串LED的正极相连接；第二二极管D2的正极与第一输出滤波电容Co1的负极和第二LED串LED的负相连接。
所述的均流可控开关电容控制的可调光两路第二LED均流单元Y2包括第一共用电感Lr、第二可控开关电容SCC2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三输出滤波电容、第四输出滤波电容Co4、第三LED串、第四LED串，所述第二可控开关电容SCC2包括第二隔直电容Cb2、第二开关电容Cs2和第四开关MOS管S2。第二隔直电容Cb2和第二开关电容Cs2的正极均与第二开关MOS管Q2的漏极相连接；第二开关管S2的漏极与第二开关电容Cs2的正极相连接；第三二极管D3的负极与第三输出滤波电容的正极和第三LED串LED 3的正极相连接；第四二极管D4的正极与第四输出滤波电容Co4的负极和第四LED串LED4的负极连接。
通过所述半桥逆变单元X产生固定频率fs和50％占空比的方波电压，由可控开关电容控制的可调光四路LED均流单元Y1和Y2对所述方波电压进行滤波、隔直、调控与均衡，为第一LED串&第二LED串和第三LED串&第四LED串提供均衡的驱动电流及调光。
下面以图2所示均流可控开关电容SCC工作周期波形图说明本发明的具体工作原理。
首先，SCC等效电容值与电容一个周期内的电荷量Q成正比，开关电容SCC2的等效电容公式如式(1)，
其中，Cb2为第二隔直电容的电容值；Ds2为第四开关MOS管S2导通的占空比；δ角为电压vp2相角超前于输出电流ir2角度；Cs2为第二开关电容的电容值。
所述可控开关电容SCC2的驱动信号通过改变占空比Ds2调节等效电容Ceq2的值，以调节LED驱动电流的大小从而实现调光，所述占空比Ds2的变化范围为(0～0.8)，所述均流可控开关电容控制的可调光两路LED均流单元Y2中两串LED驱动电流Io-LED为：
其中，Vp，Ir2分别方波电压vp和谐振电流ir2的峰值。Ceq2为可控开关电容SCC2的等效电容值。
占空比Ds2的控制范围是：[0，0.8]。等效电容最大值Ceq2-max＝Cb2+Cs2，最小值Ceq2-min＝Cb2。δ角为电压vp2相角超前于输出电流ir2角度。
以下分析把可控开关电容等效替换为等效电容Ceq2分析，电路具体模态分析如下：
1)模态1(t1-t2)：在此模态内，第三二极管D3导通，谐振电流ir2给输出第三滤波电容充电及给第三LED串供电；第四二极管D43关断，第四LED串由输出第四滤波电容Co4供电驱动。
2)模态2(t2-t3)：在此模态内，第四二极管D4导通，电流ir2给输出第四滤波电容Co4充电及给第四LED串供电；第三二极管D3关断，第三LED串由输出第三滤波电容Co3供电驱动。
由电容的安秒平衡特性，电容在一个工作周期内充放电平衡，即正负半周期通过的电容Ceq2的电荷量相等(Q3＝Q4)。两路LED串输出电流如式(3)所示。
其中，Io-LED3为第三LED串的电流；Io-LED4为第四LED串的电流；Ts为半桥开关周期；Q3为电容在一个工作周期内正半周期的电荷量；Q4为电容在一个工作周期内负半周期的电荷量。
为简化分析，采用FHA(First Harmonic Approximation)分析方法，图4示出了下半桥的静态等效模型，其中vP1和vP2由前级半桥电路产生，并且在一个开关周期中具有幅值相同且相位相差180°。因此用电压vP表示半桥输出的基波分量。通过傅里叶变换，可得半桥输出的峰值电压Vp:
此外，理想LED阵列可由阈值电压VLED和电阻RLED等效替代。因此，得到的LED的等效电阻Req如下。
其中，LED的输出电压和输出电流被定义为Vo-LED和Io-LED，等效AC电阻Rac可由8Req/π2表示。通过对图4的分析可得总阻抗ZLED：
ZLED＝1/jωCeq2+jωLr+Rac (6)
这样，通过谐振槽的电流为ir2，定义其峰值为Ir2。
等效电阻Rac与容抗相比可以忽略不计，因此将方程(7)简化为：
该电流经整流二极管和输出电容滤波，可得输出电流Io-LED：
结合式(8)和式(9)可得可控开关电容SCC等效电容Ceq2调控下可以改变驱动电流的值，以实现LED串的独立调光。
图1中只示出第四输出滤波电容，其他滤波电容并未示出。本发明中一个均流单元可以连接偶数个光路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可独立调光的LED驱动电路，其特征在于，包括半桥逆变单元(X)、第一均流单元(Y1)和第二均流单元(Y2)，所述半桥逆变单元(X)与第一均流单元(Y1)及第二均流单元(Y2)并联连接。
2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述半桥逆变单元(X)包括第一开关MOS管(Q1)、第二开关MOS管(Q2)、第一电容(C1)和第二电容(C2)，其中，第一开关MOS管(Q1)的漏极与第一电容(C1)的正极均与直流电源正极相连接；第一电容(C1)的负极与第二电容(C2)的正极相连接；第一开关MOS管(Q1)的源极和第二开关MOS管(Q2)的漏极相连接；第二开关MOS管(Q2)的源极与第二电容(C2)的负极均与直流电源负极相连接，第一开关MOS管与第二开关MOS管的栅极均与半桥驱动器连接。
3.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一均流单元(Y1)包括第一共用电感(Lr)、第一可控开关电容(SCC1)及N个光路，所述N为偶数，所述第一可控开关电容(SCC1)的一端与第一开关MOS管(Q1)的源极连接，其另一端与N个光路的一端连接，所述第一共用电感(Lr)的阴极与N个光路的另一端连接，第一共用电感(Lr)的阳极与第一电容的负极及第二电容的正极连接。
4.根据权利要求3所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第一可控开关电容(SCC1)包括第一隔直电容(Cb1)、第一开关电容(Cs1)和第三开关MOS管(S1)，所述第一隔直电容(Cb1)和第一开关电容(Cs1)的正极均与第一开关MOS管(Q1)源极相连接，所述第三开关MOS管(S1)的漏极与第一开关电容(Cs1)的负极连接，所述第三开关MOS管(S1)的源极及第一隔直电容(Cb1)的负极均与第一二极管(D1)的负极及第二二极管(D2)的正极连接。
5.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第二均流单元(Y2)包括第一共用电感(Lr)、第二可控开关电容(SCC2)及N个光路，所述N为偶数，所述第二可控开关电容(SCC2)一端与第二开关管MOS管(Q2)的漏极连接，其另一端与N个光路的一端连接，所述N个光路的另一端与第一共用电感(Lr)的阴极连接，所述第一共用电感(Lr)的阳极与与第一电容的负极及第二电容的正极连接。
6.根据要求5所述的LED驱动电路，其特征在于，所述第二可控开关电容(SCC2)包括第二隔直电容(Cb2)、第二开关电容(Cs2)和第四开关MOS管(S2)，所述第二隔直电容(Cb2)的正极和第二开关电容的正极均与第二开关MOS管(Q2)的源极连接，所述第四开关MOS管(S2)的漏极与第二开关电容(Cs2)的负极连接，所述第二隔直电容(Cb2)的负极和第四开关MOS管的源极均与第三二极管(D3)的正极及第四二极管(D4)的负极连接。
7.根据权利要求3或5所述的LED驱动电路，其特征在于，所述光路包括二极管、LED灯串及输出滤波电容。
8.一种驱动权利要求1-7任一项所述的LED驱动电路的方法，其特征在于，所述半桥逆变单元产生固定频率和50％占空比的方波电压，第一及第二均流单元对所述方波电压进行滤波、隔直、调控与均衡，为第一LED串、第二LED串、第三LED串及第四LED串提供均衡的驱动电流及调光。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，半桥逆变单元产生的固定频率大于第一共用电感及可控开关电容的谐振频率。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，半桥逆变单元的驱动信号采用固定频率固定占空比的驱动方式，可控开关电容采用相对于半桥逆变单元开关MOS管的同相变占空比控制。
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