CN109963381B - 一种基于双变换器串联输出的hb-led驱动器及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双变换器串联输出的HB‑LED驱动器及驱动方法，包括单相同步降压变换器、多相异步降压变换器、HB‑LED组件以及两个PWM调制模块；单相同步降压变换器包括第一电源和两个串联的MOS管；多相异步降压变换器包括第二电源和至少两个并联的相电路，每一个相电路均包括MOS管和二极管；HB‑LED组件包括若干串联的HB‑LED。本发明采用单载波与多载波同时实现的控制方法，通过将MOS管源极与电源负极直接连接，将电源直接用于多相异步降压变换器的MOS管的驱动，驱动任务变得更加容易，从而使驱动器数据传输率大大提高；同时，在单相同步降压变换器的作用下，能够保证HB‑LED组件较高的电力效率，实现可靠经济的通信和照明功能，具有良好的性价比。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器及驱动方法。
背景技术
发光二极管(HB-LED)作为一种半导体固体光源，具有节能环保，寿命长，响应速度快，无辐射，无电磁干扰，无有毒气体，抗冲击性好、发光效率高且易控制等显著优点，被认为是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，在照明、显示器、车灯等各个领域都有广泛的运用。
可见光通信(VLC)技术在近些年广为关注，可见光通信因为其数据不易被干扰和捕获，光通信设备制作简单且不易损坏和消磁，可以用来制作无线光加密钥匙。与微波技术相比，可见光通信技术有相当丰富的频谱资源，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的；同时可见光通信可以使用任何通信协议、适用于任何环境；在安全方面，其相比于传统的磁性材料，无需担心消磁问题，更不必担心通信内容被别人窃取；无线光通信的设备假设灵活边界，且成本低廉，适合大规模的普及与应用。
目前，可见光通信中通常使用高亮度LED(HB-LED)照明，并通过快速改变光的强度来传输信息。其中一个最重要的问题是，为了在VLC中得到高传输数据率的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，现有基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器普遍方法是，采用线性功率放大器，但是这样明显损害了HB-LED的照明功率效率，大大降低HB-LED的电力效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器及驱动方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，包括单相同步降压变换器、多相异步降压变换器、HB-LED组件以及两个PWM调制模块；
单相同步降压变换器包括第一电源和两个串联的MOS管；其中，第一MOS管的漏极连接第一电源的正极，源极连接第二MOS管的漏极，栅极连接第一PWM调制模块的输出端；第二MOS管的源极连接第一电源的负极，栅极连接第一PWM调制模块的输出端；
多相异步降压变换器包括第二电源和至少两个并联的相电路，每一个相电路均包括MOS管和二极管；MOS管的源极连接第二电源的负极，漏极连接二极管的正极，栅极连接第二PWM调制模块的输出端；二极管的负极连接第二电源的正极；
HB-LED组件包括若干串联的HB-LED；HB-LED组件的正极连接多相异步降压变换器输出端正极，HB-LED组件的负极连接单相同步降压变换器的输出端负极，多相异步降压变换器输出端负极连接单相同步降压变换器的输出端正极。
本发明驱动器进一步的改进在于：
还包括若干用于减小多相异步降压变换器输出电压纹波的多相变换器输出电压滤波器；
多相变换器输出电压滤波器的输入端与相电路的二极管并联；所有多相变换器输出电压滤波器的输出端串联后正极连接HB-LED组件的正极，负极连接单相同步降压变换器的输出端正极。
还包括多相变换器输出电压滤波器和若干电感；
多相变换器输出电压滤波器的输入端与多相异步降压变换器的其中一个相电路的二极管并联，输出端正极连接HB-LED组件的正极，输出端负极连接单相同步降压变换器的输出端正极；
多相异步降压变换器的其余相电路中，每个相电路的二极管均通过一个电感与多相变换器输出电压滤波器的输入端电感的出线端连接。
多相变换器输出电压滤波器为巴特沃斯滤波器。
还包括用于减小单相同步降压变换器输出电压纹波的单相变换器输出电压滤波器；
单相变换器输出电压滤波器的输入端正极与第二MOS管的漏极连接，单相变换器输出电压滤波器的输入端负极与第二MOS管的源极连接；
单相变换器输出电压滤波器的输出端正极与多相异步降压变换器输出端负极连接，单相变换器输出电压滤波器的输出端负极与HB-LED组件的负极连接。
单相变换器输出电压滤波器包括第一电感和第一电容；
第一电感的入线端连接第二MOS管的漏极，出线端连接第一电容的入线端；第一电容的出线端连接第二MOS管的源极；第一电容的入线端同时连接多相异步降压变换器输出端负极，第一电容的出线端同时连接HB-LED组件的负极。
HB-LED组件包括6个串联连接的HB-LED。
MOS管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动方法，包括以下步骤：
S1：通过式(1)得到多相异步降压变换器的占空比直流分量Q1；
其中：U为多相异步降压变换器的运行驱动电压，VG-H为第二电源(2)的电压；
S2：通过式(2)得到多相异步降压变换器的占空比交流分量Q2；
其中：S为待传输信息的交流分量，RD为HB-LED的动态电阻，KL-I为HB-LED的视见度；
S3：通过Q1和Q2得到多相异步降压变换器的控制脉冲信号的占空比，得到多相异步降压变换器的控制脉冲信号并输入第二PWM调制模块，通过第二PWM调制模块驱动第二MOS管和第三MOS管，调节多相异步降压变换器的输出电压；
S4：通过式(3)得到能够使HB-LED达到预设照明水平的直流电流I；
其中：N为照明水平参考量，n为HB-LED的个数；
通过式(4)得到HB-LED需补偿的直流电流I1；
I1＝I-I2 (4)
其中：I2为HB-LED当前直流电流；
S5：将I1经过误差放大器后生成单相同步降压变换器的控制脉冲信号并输入第一PWM调制模块，通过第一PWM调制模块驱动第一MOS管和第二MOS管，调节单相同步降压变换器的输出电压；
S6：通过多相异步降压变换器的输出电压和单相同步降压变换器的输出电压之和驱动HB-LED。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过调节多相异步降压变换器的输出和单相同步降压变换器的输出，进而调节HB-LED组件的电压大小，改变HB-LED组件的照明强度；通过HB-LED组件的光强信号对可见光通信装置的接收器产生作用，完成驱动。MOS管的源极连接到电源的负极，将电源用于MOS管的驱动，使得驱动任务变得更加容易，数据传输率得到大大提高。同时，单相同步降压变换器的功率层由少量原件组成，仅包含两个MOS管和一个电源，效率高、模型简单。本发明保证了HB-LED组件的照明，经济性较好；实现了在高数据传输率下，HB-LED的照明也可以有很高的电力效率。
进一步的，在多相异步降压变换器的每一个相电路的输出端均设置了一个滤波器，使得多相异步降压变换器输出电压纹波大大减小，极大程度上提升了驱动器的运行稳定性。
本发明驱动方法通过将特定占空比的脉冲信号输入两个PWM调制模块，通过两个PWM调制模块控制开环控制下的多相异步降压变换器和闭环控制下的单相同步降压变换器的输出，进行变换器输出电压的调节，进而调节HB-LED的驱动电压。单相变换器工作在闭环控制中，两相异步变换器运行在开环控制中，执行小的电压变化；采用单载波与多载波同时实现的控制方法，在多相变换器中接收电压信号和信通信信号后共同调制，实现多载波调制，单相变换器中接收照明信号后进行调制实现单载波调制，双变换器串联输出，完成了单载波和多载波共同实现的调制方案，多相异步变换器通过获得足够高的带宽来实现通信信号，单相变换器通过确保一定的偏置点来实现照明功能。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑图。
其中：1-第一电源；2-第二电源；3-第一MOS管；4-第二MOS管；5-第三MOS管；6-第四MOS管；7-第一二极管；8-第二二极管；9-HB-LED组件；10-第一电感；11-第二电感；12-第三电感；13-第四电感；14-第一电容；15-第二电容；16-第三电容。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，包括单相同步降压变换器、多相异步降压变换器、HB-LED组件9以及两个PWM调制模块。
单相同步降压变换器包括第一电源1和两个串联的MOS管；其中，第一MOS管3的漏极连接第一电源1的正极，源极连接第二MOS管4的漏极，栅极连接第一PWM调制模块的输出端；第二MOS管4的源极连接第一电源1的负极；多相异步降压变换器包括第二电源2和至少两个并联的相电路，每一个相电路均包括MOS管和二极管；MOS管的源极连接第二电源2的负极，漏极连接二极管的正极，栅极连接第二PWM调制模块的输出端；二极管的负极连接第二电源2的正极；HB-LED组件9包括若干个串联连接的HB-LED；HB-LED组件9的正极连接多相异步降压变换器输出端正极，HB-LED组件9的负极连接单相同步降压变换器的输出端负极，多相异步降压变换器输出端负极连接单相同步降压变换器的输出端正极。通过调节多相异步降压变换器的输出VO-H和单相同步降压变换器的输出VO-L，进而调节HB-LED组件9的电压大小，改变HB-LED组件9的照明强度，HB-LED组件9的光强信号对可见光通信装置的接收器PDA10A-EC产生作用，完成驱动。
本发明一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器还包括若干用于减小多相异步降压变换器输出电压纹波的多相变换器输出电压滤波器和用于减小单相同步降压变换器输出电压纹波的单相变换器输出电压滤波器。多相变换器输出电压滤波器的输入端与相电路的二极管并联；所有多相变换器输出电压滤波器的输出端串联后正极连接HB-LED组件9的正极，负极连接单相同步降压变换器的输出端正极。单相变换器输出电压滤波器的输入端正极与第二MOS管4的漏极连接，单相变换器输出电压滤波器的输入端负极与第二MOS管4的源极连接；单相变换器输出电压滤波器的输出端正极与多相异步降压变换器输出端负极连接，单相变换器输出电压滤波器的输出端负极与HB-LED组件9的负极连接。
优选的，采用若干电感替代部分多相变换器输出电压滤波器，仅保留一个多相变换器输出电压滤波器。该多相变换器输出电压滤波器的输入端与多相异步降压变换器的其中一个相电路的二极管并联，输出端正极连接HB-LED组件9的正极，输出端负极连接单相同步降压变换器的输出端正极；多相异步降压变换器的其余相电路中，每个相电路的二极管均通过一个电感与多相变换器输出电压滤波器的输入端电感的出线端连接。
多相变换器输出电压滤波器为巴特沃斯滤波器，其截止频率为4mhz；通过多相变换器输出电压滤波器使得输出电压的电压纹波大大减小，驱动器的运行更加稳定。单相变换器输出电压滤波器的截止频率为20.5khz，品质因数q为1.56。
本发明还公开了一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动方法，包括以下步骤：
S1：通过式得到多相异步降压变换器的占空比直流分量Q1；
其中：U为多相异步降压变换器的运行驱动电压，VG-H为第二电源2的电压；
S2：通过式得到多相异步降压变换器的占空比交流分量Q2；
其中：S为待传输信息的交流分量，RD为HB-LED的动态电阻，KL-I为HB-LED的视见度；
S3：通过Q1和Q2得到多相异步降压变换器的控制脉冲信号的占空比，得到多相异步降压变换器的的控制脉冲信号并输入第二PWM调制模块，通过第二PWM调制模块驱动第二MOS管5和第三MOS管6，调节多相异步降压变换器的输出电压；
S4：通过式得到能够使HB-LED达到预设照明水平的直流电流I；
其中：N为照明水平参考量，n为HB-LED的个数；
通过式得到HB-LED需补偿的直流电流I1；
I1＝I-I2
其中：I2为HB-LED当前直流电流；
S5：将I1经过误差放大器后生成单相同步降压变换器的控制脉冲信号并输入第一PWM调制模块，通过第一PWM调制模块驱动第一MOS管3和第二MOS管4，调节单相同步降压变换器的输出电压；
S6：通过多相异步降压变换器的输出电压和单相同步降压变换器的输出电压之和驱动HB-LED。
通过将特定占空比的脉冲信号输入两个PWM调制模块，通过两个PWM调制模块控制开环控制下的多相异步降压变换器和闭环控制下的单相同步降压变换器的输出，进行变换器输出电压的调节，进而调节HB-LED的驱动电压。单相变换器工作在闭环控制中，两相异步变换器运行在开环控制中，执行小的电压变化；采用单载波与多载波同时实现的控制方法，在多相变换器中接收电压信号和信通信信号后共同调制，实现多载波调制，单相变换器中接收照明信号后进行调制实现单载波调制，双变换器串联输出，完成了单载波和多载波共同实现的调制方案，多相异步变换器通过获得足够高的带宽来实现通信信号，单相变换器通过确保一定的偏置点来实现照明功能。
实施例
本实施例中，单相同步降压变换器包括第一电源1、第一MOS管3和第二MOS管4；第一MOS管3和第二MOS管4型号均为TK7S10N1Z，开关频率均为250khz；单相变换器输出电压滤波器的第一电感10的型号为SER1390-333MLB；第一电源1的电压为24V。
多相异步降压变换器包括第二电源2和两个并联的相电路。当开关频率较高时，驱动可变的MOS管是困难的，因为在传统多相异步降压变换器中，MOS管电源端连接到非恒定电压点，在本装置中，MOS管电源端连接到变换器的输入电压负极端，如果将变换器的输入电压用于变换器的MOS管驱动，则驱动任务变得更加容易。在多相异步降压变换器的输出端考虑了一个m阶低通滤波器，这使得电压纹波大大减小，驱动器的运行更加稳定。需要注意的是多相效应和高阶滤波器都有助于减小输出电压纹波，因此这俩个问题必须同时解决，且必须考虑多相和m阶对成本和尺寸的影响来选择其数值。多相降压变化器对同步降压变换器工作的结果影响较小，即实现了高效的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器。本实施例中采用两相异步降压变换器和四阶低通滤波器。
两相异步降压变换器包括第三MOS管5、第四MOS管6、第一二极管7、第二二极管8和第二电源2，第二电源2的电压为8.5V。第一二极管7和第二二极管8均采用肖特基二极管DB2430500L。第三MOS管5和第四MOS管6的型号均为SSM3K336R，开关频率为10mhz。MOS管均由EL7156集成电路驱动。第三MOS管5和第四MOS管6的源极均连接第一电源1的负极，第三MOS管5的漏极连接第一二极管7的正极，第四MOS管6的漏极连接第二二极管8的正极，第一二极管7和第二二极管8的负极均连接第二电源2的正极。将第二电源2用于两相异步降压变换器的第三MOS管5和第四MOS管6的驱动，使得驱动任务变得更加容易，数据传输率大大提高。
两个PWM调制模块中，一个保证多相变换器获得足够的带宽来再现通信信号，另一个确保单相变换器达到一定的偏置点完成照明功能。
多相变换器输出电压滤波器为四阶巴特沃斯滤波器，包括第二电感11、第三电感12、第二电容15和第三电容16；第二电感11的入线端连接第一二极管7的正极，出线端连接第二电容15的一端；第二电容15的另一端连接第一二极管7的负极；第三电感12的一端连接第二电感11的出线端，另一端连接第三电容16的一端和第二电容15的一端；第三电容16的另一端连接第二电容15与第一二极管7负极连接的一端；第四电感13的出线端连接第二二极管8的正极，入线端连接第二电感11的出线端。
HB-LED组件9包括6个串联连接的HB-LED，HB-LED组件9的正极连接第三电容16与第二电容15连接的一端，HB-LED组件9的负极连接第一电容14与第二MOS管4的源极连接的一端，将两相异步降压变换器的输出VO-H和单相同步降压变换器的输出VO-L之和作为HB-LED组件9的驱动电压。
通过调节两相异步降压变换器的输出VO-H和单相同步降压变换器的输出VO-L，进而调节HB-LED组件9的驱动电压大小，改变HB-LED组件9的照明强度，HB-LED组件9的光强信号对可见光通信装置的接收器PDA10A-EC产生作用，完成驱动。通过将MOS管的源极连接到电源的负极，将电源用于MOS管的驱动，使得驱动任务变得更加容易，数据传输率得到大大提高。同时，单相同步降压变换器的功率层由少量原件组成，仅包含两个MOS管和一个电源，效率高、模型简单。本发明保证了HB-LED组件的照明，经济性较好；实现了在高数据传输率下，HB-LED的照明也可以有很高的电力效率。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，包括单相同步降压变换器、多相异步降压变换器、HB-LED组件(9)以及两个PWM调制模块；
单相同步降压变换器包括第一电源(1)和两个串联的MOS管；其中，第一MOS管(3)的漏极连接第一电源(1)的正极，源极连接第二MOS管(4)的漏极，栅极连接第一PWM调制模块的输出端；第二MOS管(4)的源极连接第一电源(1)的负极，栅极连接第一PWM调制模块的输出端；
多相异步降压变换器包括第二电源(2)和至少两个并联的相电路，每一个相电路均包括MOS管和二极管；MOS管的源极连接第二电源(2)的负极，漏极连接二极管的正极，栅极连接第二PWM调制模块的输出端；二极管的负极连接第二电源(2)的正极；
HB-LED组件(9)包括若干串联的HB-LED；HB-LED组件(9)的正极连接多相异步降压变换器输出端正极，HB-LED组件(9)的负极连接单相同步降压变换器的输出端负极，多相异步降压变换器输出端负极连接单相同步降压变换器的输出端正极；
所述基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器的驱动方法，包括以下步骤：
S1：通过式(1)得到多相异步降压变换器的占空比直流分量Q1；
其中：U为多相异步降压变换器的运行驱动电压，VG-H为第二电源(2)的电压；
S2：通过式(2)得到多相异步降压变换器的占空比交流分量Q2；
其中：S为待传输信息的交流分量，RD为HB-LED的动态电阻，KL-I为HB-LED的视见度；
S3：通过Q1和Q2得到多相异步降压变换器的控制脉冲信号的占空比，得到多相异步降压变换器的控制脉冲信号并输入第二PWM调制模块，通过第二PWM调制模块驱动第二MOS管(5)和第三MOS管(6)，调节多相异步降压变换器的输出电压；
S4：通过式(3)得到能够使HB-LED达到预设照明水平的直流电流I；
其中：N为照明水平参考量，n为HB-LED的个数；
通过式(4)得到HB-LED需补偿的直流电流I1；
I1＝I-I2 (4)
其中：I2为HB-LED当前直流电流；
S5：将I1经过误差放大器后生成单相同步降压变换器的控制脉冲信号并输入第一PWM调制模块，通过第一PWM调制模块驱动第一MOS管(3)和第二MOS管(4)，调节单相同步降压变换器的输出电压；
S6：通过多相异步降压变换器的输出电压和单相同步降压变换器的输出电压之和驱动HB-LED。
2.根据权利要求1所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，还包括若干用于减小多相异步降压变换器输出电压纹波的多相变换器输出电压滤波器；
多相变换器输出电压滤波器的输入端与相电路的二极管并联；所有多相变换器输出电压滤波器的输出端串联后正极连接HB-LED组件(9)的正极，负极连接单相同步降压变换器的输出端正极。
3.根据权利要求1所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，还包括多相变换器输出电压滤波器和若干电感；
多相变换器输出电压滤波器的输入端与多相异步降压变换器的其中一个相电路的二极管并联，输出端正极连接HB-LED组件(9)的正极，输出端负极连接单相同步降压变换器的输出端正极；
多相异步降压变换器的其余相电路中，每个相电路的二极管均通过一个电感与多相变换器输出电压滤波器的输入端电感的出线端连接。
4.根据权利要求2或3所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，所述多相变换器输出电压滤波器为巴特沃斯滤波器。
5.根据权利要求1所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，还包括用于减小单相同步降压变换器输出电压纹波的单相变换器输出电压滤波器；
单相变换器输出电压滤波器的输入端正极与第二MOS管(4)的漏极连接，单相变换器输出电压滤波器的输入端负极与第二MOS管(4)的源极连接；
单相变换器输出电压滤波器的输出端正极与多相异步降压变换器输出端负极连接，单相变换器输出电压滤波器的输出端负极与HB-LED组件(9)的负极连接。
6.根据权利要求5所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，所述单相变换器输出电压滤波器包括第一电感(10)和第一电容(14)；
第一电感(10)的入线端连接第二MOS管(4)的漏极，出线端连接第一电容(14)的入线端；第一电容(14)的出线端连接第二MOS管(4)的源极；第一电容(14)的入线端同时连接多相异步降压变换器输出端负极，第一电容(14)的出线端同时连接HB-LED组件(9)的负极。
7.根据权利要求1所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，所述HB-LED组件(9)包括6个串联连接的HB-LED。
8.根据权利要求1所述的基于双变换器串联输出的HB-LED驱动器，其特征在于，所述MOS管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
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