CN111526639B - 提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法及其装置 - Google Patents

提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，包括：接收测量的分别与第一、第二理论输出平均电流相对应的第一、第二实际输出平均电流；分别计算第一、第二实际输出平均电流与第一、第二理论平均电流之间的绝对误差；分别计算与第一、第二理论输出平均电流相对应的第一、第二实际电感量；计算与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量；计算峰峰值电流；计算校正的峰值电流；根据校正的峰值电流和给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积控制恒流Buck电路工作。本发明还公开了一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的装置。本发明可降低恒流Buck电路的实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差。

Description

提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法及其装置
技术领域
本发明涉及恒流驱动电路技术。
背景技术
降压斩波电路，也称为Buck变换器(Buck Converter)，其可以将输入直流电变为电压可调并且不高于输入电压的输出直流电。图1示出了应用Buck恒流输出模式的LED照明驱动电路的电路原理示意图。该LED照明驱动电路包括恒流Buck电路、输出电流采样电路、峰峰电流控制电路、SPI寄存器和MCU。恒流Buck电路包括开关管Q1(开关管Q1例如可采用MOS管)、电感L和续流二极管D。恒流Buck电路的输出端与LED连接。
为了实现LED的恒流驱动，控制输出平均电流IMean的参数由MCU通过SPI(SerialPeripheral Interface串行外设接口)总线传输到SPI寄存器，其中一个控制参数C1为峰值电流Ipeak，另一个控制参数C2为开关管Q1的关断时间与恒流Buck电路的输出电压的乘积，即TOFF*VLED。
恒流Buck电路的输出平均电流IMean由式(1)决定，
Figure BDA0002466378060000011
其中ΔIpkpk是流过电感L的峰峰值电流。
恒流Buck电路的输出电流的控制原理如下:
1)C1和C2确定后，输出电流采样电路将开关管Q1两端的电压转换成通过电感L的输出电流(通过电感L的输出电流也即恒流Buck电路的输出电流)，输入到峰峰电流控制电路；
2)当通过电感L的输出电流与控制参数C1相等时，峰峰电流控制电路关断开关管Q1；
3)峰峰电流控制电路采集恒流Buck电路的输出电压VLED，通过控制参数C2计算得到TOFF；
4)当峰峰电流控制电路关断开关管Q1的时间达到TOFF，开启开关管Q1，峰峰值电流由式(2)决定:
Figure BDA0002466378060000021
5)重复上述1)～4)的过程，通过电感L的电流波形如图2所示。
客户要求产品的输出平均电流的相对误差要小于5％，相对误差越小，LED亮度越稳定。输出平均电流会随着亮度的改变而改变。
相对误差ΔRelative_Tolerance由式(3)决定，
Figure BDA0002466378060000022
IMEA_Real是通过仪器测量得到的恒流Buck电路的实际输出平均电流，IEXP_Soft是期望达到的目标输出平均电流。在某一确定的亮度下，IExP_Soft是已知、固定的一个值。
理论峰峰值电流ΔIpkpk是已知确定的值，软件中峰值电流Ipeak由式(4)决定：
Figure BDA0002466378060000023
电感L的电感量L是已知、确定的值，开关管关断时间与输出电压的乘积TOOF*VLED由式(5)决定，
TOFF*VLED＝ΔIpkpk*L (5)
Buck恒流输出模式的LED照明驱动电路中没有反馈回路，峰峰电流控制电路在开环状态下无法控制实际输出的平均电流。另外，通过电感的电流引起电感量的变化，二极管电压对峰峰值电流的影响，会导致实际输出平均电流的相对误差大于5％。
图3示出了100uH电感的实际电感量与通过电感的电流之间的关系曲线。通过电感L的实际峰峰值电流由式(6)决定:
Figure BDA0002466378060000024
一般情况下，续流二极管D的压降VDIODE＝0.7V，当电感量L是固定值时，峰峰值电流相对误差与LED照明驱动电路的输出电压(也即恒流Buck电路的输出电压)的关系曲线如图4所示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法及其装置，其能够有效降低恒流Buck电路的实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差。
本发明实施例提供了一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，包括以下步骤：
以第一理论输出平均电流作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第一实际输出平均电流；
以第二理论输出平均电流作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第二实际输出平均电流；所述第一理论输出平均电流和所述第二理论输出平均电流中的一者比另一者大；
计算第一实际输出平均电流与第一理论平均电流之间的第一绝对误差以及第二实际输出平均电流与第二理论平均电流之间的第二绝对误差；
根据第一绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与第一理论输出平均电流相对应的第一实际电感量，根据第二绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与第二理论输出平均电流相对应的第二实际电感量；
根据期望达到的目标输出平均电流、第一理论输出平均电流、第二理论输出平均电流、第一实际电感量和第二实际电感量计算与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量；
根据与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算峰峰值电流；
根据峰峰值电流和期望达到的目标输出平均电流计算校正的峰值电流；
根据校正的峰值电流和给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积控制恒流Buck电路工作。
进一步地，峰峰值电流通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002466378060000041
其中，ΔIpkpk为峰峰值电流，TOFF为恒流Buck电路的开关管关断时间，VLED为恒流Buck电路的输出电压，LPoint为与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量，VDIODE为恒流Buck恒流电路的续流二极管的导通压降。
本发明实施例还提供了一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的装置，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行上述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法。
本发明至少具有以下技术效果：
在现有的Buck恒流模式驱动技术方案中，由于未考虑恒流Buck电路的电感的电气特性以及续流二极管的压降导致系统参数的偏离，使得恒流Buck电路的实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差比较大。本发明实施例的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法及其装置中，对恒流Buck电路的电感的电感量进行了修正，此外考虑了续流二极管的压降的影响，使得恒流Buck电路的实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差比较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了应用Buck恒流输出模式的LED照明驱动电路的电路原理示意图。
图2示出了通过图1中的LED照明驱动电路的电感L的电流波形。
图3示出了100uH电感的实际电感量与通过电感的电流之间的关系曲线。
图4示出了峰峰值电流相对误差与LED照明驱动电路的输出电压的关系曲线。
图5示出了本发明提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法的流程示意图。
图6示出了LED负载包含8颗LED时实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差和期望达到的目标输出平均电流的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图5。根据本发明一实施例的一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，包括以下步骤：
以第一理论输出平均电流作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第一实际输出平均电流；
以第二理论输出平均电流作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第二实际输出平均电流；所述第一理论输出平均电流和所述第二理论输出平均电流中的一者比另一者大；
计算第一实际输出平均电流与第一理论平均电流之间的第一绝对误差以及第二实际输出平均电流与第二理论平均电流之间的第二绝对误差；
根据第一绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与第一理论输出平均电流相对应的第一实际电感量，根据第二绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与第二理论输出平均电流相对应的第二实际电感量；
根据期望达到的目标输出平均电流、第一理论输出平均电流、第二理论输出平均电流、第一实际电感量和第二实际电感量计算与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量；
根据与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算峰峰值电流；
根据峰峰值电流和期望达到的目标输出平均电流计算校正的峰值电流；
根据校正的峰值电流和给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积控制恒流Buck电路工作。
以下以本实施例的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法应用于图1所示的LED照明驱动电路为例，对该方法的原理、过程进行更加详细的说明。在该应用例中，恒流Buck恒流电路的输出端与LED负载连接，该提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，包括以下步骤：
a、以第一理论输出平均电流ILow_Set作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第一实际输出平均电流ILow_Mea；
b、以第二理论输出平均电流IHigh_Set作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第二实际输出平均电流IHigh_Mea；其中，第二理论输出平均电流IHigh_Set大于第一理论输出平均电流ILow_Set；可选地，分别选取电感-输出电流变化曲线中曲率最大的两个点作为第一理论输出平均电流ILow_Set和第二理论输出平均电流IHigh_Set；步骤a和b中控制Buck电路工作的控制原理和过程与本申请说明书“背景技术”部分所描述的控制原理和过程一致；
c、计算第一实际输出平均电流与第一理论平均电流之间的第一绝对误差ILow_Tolerance以及第二实际输出平均电流与第二理论平均电流之间的第二绝对误差IHIGH_Tolerance：
ILow_Tolerance＝ILow_Set-ILow_Mea
IHigh_Tolerance＝IHigh_Set-IHigh_Mea；
d、根据第一绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与第一理论输出平均电流相对应的第一实际电感量LLOW，根据第二绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与第二理论输出平均电流相对应的第二实际电感量LHigh：
Figure BDA0002466378060000061
Figure BDA0002466378060000062
其中，L为电感的理论电感量，TOFF为恒流Buck电路的开关管Q1的关断时间，VLED为恒流Buck电路的输出电压；用于计算第一实际电感量LLOW和第二实际电感量LHigh的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积可以相同，也可以不同；
e、根据期望达到的目标输出平均电流IEXP_Soft、第一理论输出平均电流ILow_Set、第二理论输出平均电流IHigh_Set、第一实际电感量LLOW和第二实际电感量LHigh计算与期望达到的目标输出平均电流IEXP_Sift相对应的实际电感量LPoint：
Figure BDA0002466378060000071
f、根据与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算峰峰值电流ΔIpkpk：
Figure BDA0002466378060000072
其中，VDIODE为恒流Buck恒流电路的续流二极管D的导通压降；
g、根据峰峰值电流和期望达到的目标输出平均电流计算校正的峰值电流：
Figure BDA0002466378060000073
其中，Ipeak为峰值电流；
h、根据校正的峰值电流和给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积控制恒流Buck电路工作。步骤h中所述的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积与步骤f中所述的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积为同一个参数，并且可以等于或不等于步骤d中所述的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积。期望达到的目标输出平均电流可以等于第一理论输出平均电流或第二理论输出平均电流。
步骤h中控制恒流Buck电路工作的控制原理和过程与本申请说明书“背景技术”部分所描述的控制原理和过程一致，具体地说，包括以下步骤：
h1、实时接收检测到的恒流Buck电路的输出电流；
h2、在检测到的恒流Buck电路的输出电流等于校正的峰值电流Ipeak时，控制恒流Buck电路的开关管Q1关断；
h3、实时接收检测到的恒流Buck电路的输出电压；
h4、根据检测到的恒流Buck电路的输出电压、以及给定的恒流Buck电路的输出电压与开关管关断时间之积TOFF*VLED计算出开关管Q1的关断时间TOFF；当关断开关管Q1的时间达到计算的关断时间时，控制恒流Buck电路的开关管Q1开启；
h5、循环执行步骤h1至步骤h4。
当期望达到的目标输出平均电流为300mA～1500mA时，本实施例的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法可以使恒流Buck电路的实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差小于5％。进而可以使较经济的LED照明驱动解决方案得到更普遍的应用。
图6示出了LED负载包含8颗LED时实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差和期望达到的目标输出平均电流的关系曲线。如图6所示，采用本发明实施例方法所得到的相对误差要明显低于采用现有控制方法得到的相对误差。
在其它的实施方式中，也可以不考虑续流二极管的压降对输出电流精度的影响，则上述步骤f通过以下公式计算峰峰值电流ΔIpkpk：
Figure BDA0002466378060000081
根据本发明实施例的另一方面还提供了一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的装置，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行上述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法。
本发明实施例的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法及其装置中，对恒流Buck电路的电感的电感量进行了修正，此外考虑了续流二极管的压降的影响，使得恒流Buck电路的实际输出平均电流与期望达到的目标输出平均电流之间的相对误差比较小。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以第一理论输出平均电流作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第一实际输出平均电流；
以第二理论输出平均电流作为恒流Buck电路的目标输出平均电流控制恒流Buck电路工作，接收测量的恒流Buck电路的第二实际输出平均电流；所述第一理论输出平均电流和所述第二理论输出平均电流中的一者比另一者大；
计算第一实际输出平均电流与第一理论平均电流之间的第一绝对误差以及第二实际输出平均电流与第二理论平均电流之间的第二绝对误差；
根据所述第一绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与所述第一理论输出平均电流相对应的第一实际电感量，根据所述第二绝对误差、理论电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算与所述第二理论输出平均电流相对应的第二实际电感量；
根据期望达到的目标输出平均电流、第一理论输出平均电流、第二理论输出平均电流、所述第一实际电感量和所述第二实际电感量计算与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量；
根据与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量及给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积计算峰峰值电流；
根据所述峰峰值电流和所述期望达到的目标输出平均电流计算校正的峰值电流；
根据校正的峰值电流和所述给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积控制恒流Buck电路工作。
2.根据权利要求1所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，与所述第一理论输出平均电流相对应的第一实际电感量通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003507290010000021
与所述第二理论输出平均电流相对应的第二实际电感量通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003507290010000022
其中，LLOW为所述第一实际电感量，LHigh为所述第二实际电感量，L为电感的理论电感量，TOFF为恒流Buck电路的开关管关断时间，VLED为恒流Buck电路的输出电压，ILow_Tolerance为所述的第一绝对误差，IHIGH_Tolerance为所述的第二绝对误差。
3.根据权利要求2所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003507290010000023
其中，IEXP_Soft是期望达到的目标输出平均电流，LPoint为与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量，ILow_Set为第一理论输出平均电流，IHigh_Set为第二理论输出平均电流，IHigh_Set大于ILow_Set。
4.根据权利要求1所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，所述峰峰值电流通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003507290010000024
其中，ΔIpkpk为峰峰值电流，TOFF为恒流Buck电路的开关管关断时间，VLED为恒流Buck电路的输出电压，LPoint为与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量。
5.根据权利要求1所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，所述校正的峰值电流通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003507290010000025
其中，Ipeak为峰值电流，IEXP_Soft是期望达到的目标输出平均电流，ΔIpkpk为峰峰值电流。
6.根据权利要求1所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，根据校正的峰值电流和所述给定的恒流Buck电路输出电压与开关管关断时间之积控制恒流Buck电路工作包括以下步骤：
实时接收检测到的所述恒流Buck电路的输出电流；
在检测到的恒流Buck电路的输出电流等于所述校正的峰值电流时，控制恒流Buck电路的开关管关断；
实时接收检测到的所述恒流Buck电路的输出电压；
根据检测到的所述恒流Buck电路的输出电压、以及给定的恒流Buck电路的输出电压与开关管关断时间之积计算出所述开关管的关断时间；当关断所述开关管的时间达到所述的关断时间时，控制恒流Buck电路的开关管开启。
7.根据权利要求1所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，所述峰峰值电流通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003507290010000031
其中，ΔIpkpk为峰峰值电流，VDIODE为所述恒流Buck电路的续流二极管的导通压降，TOFF为恒流Buck电路的开关管关断时间，VLED为恒流Buck电路的输出电压，LPoint为与期望达到的目标输出平均电流相对应的实际电感量。
8.根据权利要求1所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法，其特征在于，所述恒流Buck电路的输出端与LED负载连接。
9.一种提升恒流Buck电路的输出电流精度的装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1至8中任何一项所述的提升恒流Buck电路的输出电流精度的方法。
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