CN112040603B - 一种bpsk可见光通信调制的单级led驱动电路与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路与方法，具体包括AC‑DC电路、降压CukPFC变换器电路单元、以及同步整流Buck电路单元；所述降压CukPFC变换器电路单元包括：第一功率MOS开关管S1、第一电感L1、第二电感L2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、高频电容C1以及直流母线电容CBUS；所述同步整流Buck电路单元包括：第一功率MOS开关管S1、DC‑DC电感Lb、同步整流MOS开关管S2、输出电容C0；所述AC‑DC电路将市电交流电源变换为直流为后续电路供电，所述降压CukPFC变换器电路单元和同步整流Buck电路单元共用同一个开关管而内在集成为单级电路；所述单级电路为负载LED供电。本发明有效减少开关管数目和简化控制电路，同时实现高效VLC通信一体化调制。

Description

一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路与方法
技术领域
本发明涉及LED照明驱动电源和可见光通信技术领域，特别是一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路与方法。
背景技术
随着半导体技术的快速发展，第四代电光源Light Emitting Diode得到了大面积的推广与使用。从市面上的众多LED光源应用来看，LED光源的瓦数一般属于中小功率。因此，对于半导体LED光源来说，设计性价比较高的驱动电源是首要问题。单级交流/直流转换器在过去几十年中因其成本效益，紧凑的尺寸和简单的控制而备受关注。单级LED驱动电源相较于传统前级PFC加上后级DC-DC两级驱动电源，只需要一套控制回路，大大降低了电路的复杂性；减少了半导体功率器件的使用，降低了驱动电源的尺寸、重量与制造成本，减少了电路损耗，提高了变换器的效率，具有重要的实用价值。
可见光通信技术是近十年来迅速发展的一种新型无线通信方式，通过在公共基础照明设施上增加数据传输附加功能，将通信与照明光源相结合，就可构建可见光无线通信网络，实现信息从服务器到达客户端的无线传输。在这种情况下，与白炽灯和荧光灯相比，LED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，以高速传输数字数据，对发展高效VLC调制方法具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路与方法，有效减少开关管数据和控制电路，同时实现高效VLC通信一体化调制。
本发明采用以下方案实现：一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路，具体包括AC-DC电路、降压CukPFC变换器电路单元、以及同步整流Buck电路单元；所述AC-DC电路将市电交流电源变换为直流为后续电路供电，所述降压CukPFC变换器电路单元和同步整流Buck电路单元共用同一个开关管而内在集成为单级电路；所述单级电路为负载LED供电。
进一步地，所述降压CukPFC变换器电路单元包括：第一功率MOS开关管S1、第一电感L1、第二电感L2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、高频电容C1以及直流母线电容CBUS；
所述同步整流Buck电路单元包括：第一功率MOS开关管S1、DC-DC电感Lb、同步整流MOS开关管S2、输出电容C0；
所述市电交流电源连接AC-DC电路的输入端，所述AC-DC电路的正向输出端连接第一电感L1的一端，所述第一电感L1的另一端分别连接第二电感L2的一端、直流母线电容CBUS的正端、同步整流MOS开关管S2的漏极、DC-DC电感Lb的一端；所述的第二电感L2的另一端分别连接第一功率二极管D1的阴极和高频电容C1的一端；所述直流母线电容CBUS的负端分别连接第一功率二极管D1的阳极、第二功率二极管D2的阴极、第三功率二极管的D3的阳极；所述同步整流MOS开关管S2的源极分别连接第三功率二极管D3的阴极、输出电容C0的负端、第一功率MOS开关管S1的漏极和负载LED的一端；所述DC-DC电感Lb的另一端连接输出电容C0的正端和负载LED的另一端；所述AC-DC电路的负向输出端分别连接高频电容C1的另一端、第二功率二极管D2的阳极和第一功率MOS开关管S1的源极。
进一步地，所述AC-DC电路采用二极管整流桥BD1，其桥臂上的二极管均采用普通慢速功率二极管；所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3均为快恢复功率二极管。
进一步地，所述第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2采用硅基功率MOS管或者宽禁带半导体功率MOS开关管。
进一步地，所述直流母线电容CBUS和输出电容C0均为电解电容。
本发明还提供了一种基于上文所述的BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路的调制方法，采用BPSK通信数据载波信号与单级LED驱动电路的输出电流反馈构成控制信号生成PWM波形，以控制第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2，具体为：
采集单级LED驱动电路的输出电流信号A，将电流信号A与参考电流Iref一同输入PI补偿网络得到控制信号B，将BPSK通信数据载波信号与控制信号B一起送入PWM调制单元，得到PWM驱动信号，用以驱动第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2, 实现输出电流纹波相位变化和输出电流平均值为恒定；PWM波形的相位随着数据载波波形相位变化而变化，利用输出电流纹波不同相位信号来传输代表0和1数据的可见光通信数据。同时，所述单级LED驱动电路开关管的控制，需要满足交流输入网侧功率因数校正和输入电流谐波限制要求。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明将AC-DC降压CukPFC电路单元和DC-DC同步整流Buck电路单元有机集成为单级LED驱动电路，适用于大降压比电路，减少开关管数目和控制电路，实现高效、高功率因数、低成本的单级AC-DC变换电路。
2、本发明将驱动电路控制与BPSK调制方法融合，实现高效VLC通信一体化调制。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理示意图。
图2为本发明实施例的单级电路开关管S1导通，电压Vin大于直流母线电容电压VBUS且CukPFC输出电流iCuk大于同步Buck单元电流ib时，电路模态1示意图。
图3为本发明实施例的单级电路开关管S1导通，电压Vin大于直流母线电容电压VBUS且CukPFC输出电流iCuk小于同步Buck单元电流ib时，电路模态2示意图。
图4为本发明实施例的单级电路开关管S1关断，电压Vin大于母线电容电压VBUS且二极管D1、开关管S2导通时，电路的模态2示意图。
图5为本发明实施例的单级电路开关管S1关断，电压Vin大于直流母线电容电压VBUS且二极管D1关断、开关管S2导通时，电路的模态3示意图。
图6为本发明实施例的各个电路工作关键参数的波形示意图。
图7为本发明实施例的VLC通信BPSK调制的关键波形图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路，具体包括AC-DC电路、降压CukPFC变换器电路单元、以及同步整流Buck电路单元；所述AC-DC电路将市电交流电源变换为直流为后续电路供电，所述降压CukPFC变换器电路和同步整流Buck电路共用同一个开关管而内在集成为单级电路；所述单级电路为负载LED供电。
在本实施例中，所述降压CukPFC变换器电路包括：第一功率MOS开关管S1、第一电感L1、第二电感L2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、高频电容C1以及直流母线电容CBUS；
所述同步整流Buck电路包括：第一功率MOS开关管S1、DC-DC电感Lb、同步整流MOS开关管S2、输出电容C0；
所述市电交流电源连接AC-DC电路的输入端，所述AC-DC电路的正向输出端连接第一电感L1的一端，所述第一电感L1的另一端分别连接第二电感L2的一端、直流母线电容CBUS的正端、同步整流MOS开关管S2的漏极、DC-DC电感Lb的一端；所述的第二电感L2的另一端分别连接第一功率二极管D1的阴极和高频电容C1的一端；所述直流母线电容CBUS的负端分别连接第一功率二极管D1的阳极、第二功率二极管D2的阴极、第三功率二极管的D3的阳极；所述同步整流MOS开关管S2的源极分别连接第三功率二极管D3的阴极、输出电容C0的负端、第一功率MOS开关管S1的漏极和负载LED的一端；所述DC-DC电感Lb的另一端连接输出电容C0的正端和负载LED的另一端；所述AC-DC电路的负向输出端分别连接高频电容C1的另一端、第二功率二极管D2的阳极和第一功率MOS开关管S1的源极。
在本实施例中，所述AC-DC电路采用二极管整流桥BD1，其桥臂上的二极管均采用普通慢速功率二极管；所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3均为快恢复功率二极管。
在本实施例中，所述第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2采用硅基功率MOS管或者宽禁带半导体功率MOS开关管。
在本实施例中，所述电容C1为高频电容；所述直流母线电容CBUS和输出电容C0均为电解电容。
本实施例还提供了一种基于上文所述的BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路的调制方法，采用BPSK通信数据载波信号与单级LED驱动电路的输出电流反馈构成控制信号生成PWM波形，以控制第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2，具体为：
采集单级LED驱动电路的输出电流信号A，将电流信号A与参考电流Iref一同输入PI补偿网络得到控制信号B，将BPSK通信数据载波信号与控制信号B一起送入PWM调制单元，得到PWM驱动信号，用以驱动第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2, 实现输出电流纹波相位变化和输出电流平均值为恒定；PWM波形的相位随着数据载波波形相位变化而变化，利用输出电流纹波不同相位信号来传输代表0和1数据的可见光通信数据，同时，所述单级LED驱动电路开关管的控制，需要满足交流输入网侧功率因数校正和输入电流谐波限制要求。
接下来，本实施例结合说明书附图对工作过程进行更进一步的描述。
本实施例采用单级电路作为LED的驱动电路，然后利用驱动电路控制融合BPSK调制方法实现LED输出电流纹波变化的可见光通信。下面具体说明本发明的基于单级LED驱动电路的工作过程与可见光通信调制方法，如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。
参照图2、图3，是开关管S1导通且电压Vin大于直流母线电容电压VBUS时，电路模态1示意图，各关键参数波形对应图6的t0~t1。开关管开通时，电感L1、L2以及Buck单元电感Lb电流线性上升，此模态分两种工作情况：
1）当降压Cuk单元电流iCuk小于Buck单元电流ib时，二极管D2导通，D3截止，此时，Vin-L1-Lb-C0&LED-S1、C1-L2-Lb-C0&LED-S1和CBUS-Lb-C0&LED-S1-D2三个回路同时导通，开关管S1电流为Buck单元电流ib，iS≈ib，二极管D2上的电流为ib-iCuk，即母线电容CBUS处于放电状态。开关管S1导通时，Buck单元开关管S2截止，输出电容Co向负载LED供电。此时等效电路如图2所示。
2）当降压Cuk单元电流iCuk大于Buck单元电流ib时，二极管D2截止，D3导通，此时，Vin-L1-Lb-C0&LED-S1、C1-L2-CBUS-D3-S1和C1-L2-Lb-C0&LED-S1三个回路同时导通，开关管S1上电流为降压Cuk单元电流，iS1≈iCuk=iL1+iL2，二极管D3上的电流为iCuk-ib，该电流差对母线电容CBUS进行充电。此时等效电路如图3所示。
参照图4，是开关管S1关断，电压Vin大于直流母线电容电压VBUS且二极管D1和开关管S2导通时，电路的模态2示意图，各关键参数波形对应图6的t1~t2。当降压Cuk电路输入电压瞬时值Vin大于母线电容电压VBUS且第一功率MOS开关管S1为关断状态时，Vin-L1-L2-C1、L2-CBUS-D1和S2-Lb-C0&LED三个回路同时导通，Cuk单元电感L1、L2和Buck单元电感Lb放电，电容C1和母线电容CBUS充电。二极管D1导通，二极管D2、D3截止；Buck单元同步整流MOS管S2导通，Buck单元电感Lb通过开关管S2对输出电容Co和负载LED进行放电。当电感L2储存的能量未放完之前，二极管D1保持导通状态。
参照图5，是开关管S1关断，电压Vin大于直流母线电容电压VBUS且二极管D1关断、开关管S2导通时，电路的模态3示意图，各关键参数波形对应图6的t2~t3。此阶段，Vin-L1-L2-C1和S2-Lb-C0&LED两个回路同时导通，降压Cuk单元电感L2的储存能量向直流母线电容CBUS释放完后，PFC电感L1能量继续向高频电容C1释放，L1电流iL1流经L2，iL2电流反向，而同步整流Buck的输出电感Lb通过同步整流MOS管S2导通续流，此时二极管D1断开，开关管S2保持导通状态；开关管S1仍为关断状态。
参照图6，是本发明单级驱动电路工作过程关键波形示意图，包括电感L1、L2和Lb的电压波形VL1、VL2、VLb和电流波形iL1、iL2、iLb；第一功率MOS开关管S1的电流波形iS1；二极管D1的电流波形iD1。其中，Vg表示第一功率MOS管S1的栅源驱动信号。
参照图7，BPSK通信调制的关键波形图。传输数据0时采用初始相位为0的载波，当再传输数据1时用初始相位为π的载波（也可根据实际需要调整），即通过位序列信号对载波进行调制。调制后的载波与控制信号B通过PWM调制单元生成PWM信号控制开关管的开关，以产生代表0、1信号的不同相位的输出电流纹波波形。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路，其特征在于，包括：AC-DC电路、降压CukPFC变换器电路单元、以及同步整流Buck电路单元；所述AC-DC电路将市电交流电源变换为直流为后续电路供电，所述降压CukPFC变换器电路单元和同步整流Buck电路单元共用同一个开关管而内在集成为单级电路；所述单级电路的输出为负载LED供电；
所述降压CukPFC变换器电路单元包括：第一功率MOS开关管S1、第一电感L1、第二电感L2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、高频电容C1以及直流母线电容CBUS；
所述同步整流Buck电路单元包括：第一功率MOS开关管S1、DC-DC电感Lb、同步整流MOS开关管S2、输出电容C0；
所述市电交流电源连接AC-DC电路的输入端，所述AC-DC电路的正向输出端连接第一电感L1的一端，所述第一电感L1的另一端分别连接第二电感L2的一端、直流母线电容CBUS的正端、同步整流MOS开关管S2的漏极、DC-DC电感Lb的一端；所述的第二电感L2的另一端分别连接第一功率二极管D1的阴极和高频电容C1的一端；所述直流母线电容CBUS的负端分别连接第一功率二极管D1的阳极、第二功率二极管D2的阴极、第三功率二极管的D3的阳极；所述同步整流MOS开关管S2的源极分别连接第三功率二极管D3的阴极、输出电容C0的负端、第一功率MOS开关管S1的漏极和负载LED的一端；所述DC-DC电感Lb的另一端连接输出电容C0的正端和负载LED的另一端；所述AC-DC电路的负向输出端分别连接高频电容C1的另一端、第二功率二极管D2的阳极和第一功率MOS开关管S1的源极。
2.根据权利要求1所述的一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路，其特征在于，所述AC-DC电路采用二极管整流桥BD1，其桥臂上的二极管均采用普通慢速功率二极管；所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3均为快恢复功率二极管。
3.根据权利要求1所述的一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路，其特征在于，所述第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2采用硅基功率MOS管或者宽禁带半导体功率MOS开关管。
4.根据权利要求1所述的一种BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路，其特征在于，所述直流母线电容CBUS和输出电容C0均为电解电容。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的BPSK可见光通信调制的单级LED驱动电路的调制方法，其特征在于，采用BPSK通信数据载波信号与单级LED驱动电路的输出电流反馈构成控制信号生成PWM波形，以控制第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2，具体为：
采集单级LED驱动电路的输出电流信号A，将电流信号A与参考电流Iref一同输入PI补偿网络得到控制信号B，将BPSK通信数据载波信号与控制信号B一起送入PWM调制单元，得到PWM驱动信号，用以驱动第一功率MOS开关管S1和同步整流MOS开关管S2, 实现输出电流纹波相位变化和输出电流平均值为恒定；PWM波形的相位随着数据载波波形相位变化而变化，利用输出电流纹波不同相位信号来传输代表0和1数据的可见光通信数据。
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