CN112333883B - 避免电感电流过冲的pwm调光式led发光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统，涉及LED调光技术领域，控制器在检测到调光控制模块提供的PWM信号的上升沿时控制驱动器给功率级电路输出第一占空比的驱动信号，功率级电路内部的电感的电流在无负载电流的状态下升高直至经延时电路延时预定时长后的PWM延时信号的上升沿到来时切换至稳定状态，功率级电路的驱动信号先行输出几个脉冲信号且占空比较高，经过一定延时后，再打开负载电流，从而可以使电感在无负载电流的状态下先升高至一定程度，使得输出电压不至于由于电感的电流没有达到稳定值而下降，从而可以有效避免因此电感的电流过冲现象。

Description

避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统

技术领域

本发明涉及LED调光技术领域，尤其是一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统。

背景技术

LED发光系统有模拟调光和数字调光两种调光控制方式，数字调光又称PWM调光，可以达到比较宽的调光范围，而且每次开的时候LED负载的电流都是固定、使得LED没有色偏，因此目前业界普遍使用PWM调光控制方式。

目前的PWM调光式LED发光系统一般采用开关电源供电，常用的电路结构如图1所示，主要包括串联在一起的功率级电路(Power Stage)、LED负载(Led Load)、开关K和电流源I，调光控制模块(PWM dimming)产生PWM信号给驱动器Driver并控制开关K的通断，控制器(Controller)和驱动器(Driver)控制功率级电路并与其构成Boost电路。

如图1所示的电路对应的信号时序图如图2所示，该电路在工作时，PWM信号高电平有效时，Boost电路工作、开关K闭合、LED负载有负载电流，且LED负载的负载电流ILED与PWM信号的占空比相当，因此当PWM信号的占空比发生变化时，LED负载的负载电流ILED也相应变化，从而改变LED负载的亮度实现调光。而在上述工作过程中，当Boost电路中的电感L上通有电流时，电感L会产生磁场，即部分电流转换成磁能的方式存储在电感L中，当不再向电感L上通电流时，电感L会将磁能通过电流的方式在回路中释放出来，这也是电感L上电流不能突变的原因，基于电感L的这种充放电原理，可以将它用来平均PWM调光中产生的不连续电流。但是，当PWM信号上升沿来临时，触发Boost电路的驱动器输出的DRV信号开启，同时负载电流ILED被打开，电感L的电流从零上升，刚开始时，电感L的电流IL较低，由于电感L向LED负载提供的电流不够大，所以LED负载两端的VOUT会下降，促使电路调节是占空比增加，由于开关系统响应速度不够，因此会出现电感L的电流IL超过需要后又被调节回来的现象，也即出现如图2所示的过冲现象，这会导致电流耐流度不够的电感进行饱和状态并损伤电感L，失去其调节功能。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统，本发明的技术方案如下：

一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统，包括功率级电路和LED负载，该系统还包括：调光控制模块、延时电路、负载电流电路、驱动器和控制器，功率级电路、LED负载和负载电流电路形成串联电路；

调光控制模块连接控制器和延时电路并输出PWM信号，延时电路的输出端分别连接控制器和负载电流电路，延时电路将输入的PWM信号进行预定时长的延时处理后得到PWM延时信号并分别输出给控制器和负载电流电路，负载电流电路在PWM延时信号高电平有效时导通；

控制器在检测到高电平有效的PWM信号的上升沿时控制驱动器给功率级电路输出第一占空比的驱动信号，功率级电路内部的电感的电流在负载电流电路未导通、LED负载无负载电流的状态下升高；

负载电流电路从PWM延时信号的上升沿开始时导通，且控制器在检测到PWM延时信号的上升沿时控制驱动器切换至输出第二占空比的驱动信号直至PWM信号变为低电平，第二占空比小于第一占空比。

其进一步的技术方案为，在负载电流电路受控于PWM延时信号导通后，LED负载的负载电流在负载电流电路的作用下斜坡升高直至预定阈值。

其进一步的技术方案为，在负载电流电路中，开关管与第一电阻串联后连接在功率级电路和LED负载的串联电路中，开关管的栅极连接运算放大器的输出端，开关管与第一电阻的公共端连接运算放大器的负输入端，负载参考电压通过RC滤波电路连接运算放大器的正输入端，RC滤波电路的通断受控于PWM延时信号；

当PWM延时信号的上升沿来临时，RC滤波电路导通，负载参考电压通过RC滤波电路给运算放大器的正输入端充电，运算放大器的正输入端的电压在RC滤波电路的作用下斜坡上升，第一电阻的钳位电压跟随运算放大器的正输入端电压呈斜坡上升。

其进一步的技术方案为，在延时电路中，偏置电流与第三电容串联，第三电容两端的电压连接到比较器的负输入端，比较器的正输入端连接参考电压，比较器的输出端通过反向器输出PWM延时信号；偏置电流与第三电容的串联电路的通断受控于PWM信号，当PWM信号为高电平时，偏置电流给第三电容充电直至达到参考电压时，PWM延时信号变为高电平。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统，该系统在PWM信号开启后，让驱动器输出给功率级电路的驱动信号先行输出几个脉冲信号且占空比较高，经过一定延时后，再打开LED负载的负载电流，从而可以使电感在无负载电流的状态下先升高至一定程度，使得输出电压不至于由于电感的电流没有达到稳定值而下降，从而可以有效避免因此电感的电流过冲现象。

进一步的，等延迟的PWM延时信号进入负载电流电路，接着让负载电流缓慢的增加，进一步减轻输出电压调整的压力，让电感的电流进一步平滑上升，同时由于有了这一步，可以对前面延时的时间的长短要求不那么精确，增加思路的实用性和控制便捷性。

附图说明

图1是现有的PWM调光式LED发光系统的电路结构图。

图2是图1所示结构在工作过程中各信号之间的时序图。

图3是本申请的PWM调光式LED发光系统的电路结构图。

图4是图3中信号S1、S2和S3之间的信号对应关系。

图5是图3所示结构在工作过程中各信号之间的时序图。

图6是图3所示结构在PWM信号上升沿开始时刻的一段时间内的工作曲线放大图。

图7是本申请中的负载电流电路的一种实现电路图。

图8是本申请中的延时电路的一种实现电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统，请参考图3所示的系统架构图，其也包括功率级电路和LED负载，功率级电路主要包括电感L、开关管MN1、电容C1和二极管D1，功率级电路和LED负载的电路结构与常规类似，本申请不再赘述。该系统还包括调光控制模块、延时电路、负载电流电路、驱动器和控制器，功率级电路、LED负载和负载电流电路形成串联电路。

调光控制模块连接控制器和延时电路并输出PWM信号S1，延时电路的输出端分别连接控制器和负载电流电路，延时电路将输入的PWM信号进行预定时长TD的延时处理后得到PWM延时信号并分别输出给控制器和负载电流电路，为了方便区分，本申请将延时电路输出给控制器的PWM延时信号记为S2、输出给负载电流电路的PWM延时信号记为S3，但实际S2和S3是同步的信号，请参考图4所示的S1、S2、S3之间的信号时序对应图，该预定时长TD通常为几个clk时长。控制器受控于PWM信号S1以及PWM延时信号S2，并根据这两个信号通过驱动器控制功率级电路中的MOS管MN1的通断；而负载电流电路受控于PWM延时信号S3。

本申请的这种系统结构的工作过程如下，请结合图5所示的各信号之间的时序图以及图6所示的PWM信号S1上升沿处的各信号工作曲线放大图：

调光控制模块输出PWM信号S1，PWM信号S1高电平有效，在每次调光开始时，控制器在检测到高电平有效的PWM信号的上升沿时控制驱动器给功率级电路输出第一占空比的驱动信号DRV，也即PWM信号的上升沿到来时驱动信号DRV开启，该第一占空比大于稳定工作时的驱动信号DRV的占空比。此时电感L上的电流IL较低，而由于驱动信号DRV的占空比高于稳定工作时的占空比，因此电流IL会有上升，VOUT会先增加一点，而且驱动信号DRV的占空比高于稳定时，所以电感L补充的能量比稳定时更高些，可以通过下述公式确定：

假设稳定时的占空比为D_ON，则驱动信号DRV的一个周期T后电感L的电流IL增加为：

假设在PWM信号上升沿刚开始的几个周期内，第一占空比相较于稳定时的占空比D_ON增加了d，那么驱动信号DRV的一个周期后电感L的电流IL增加为：

由公式(1)可以继续得到：

由于整个过程对于VOUT来说基本上变化很小，所以n个周期后，电感L的电流IL增加为：

然后等到预定时长TD后，PWM延时信号的上升沿到来，此时负载电流电路从PWM延时信号的上升沿开始时导通，控制器在检测到PWM延时信号的上升沿时控制驱动器切换至输出第二占空比的驱动信号直至PWM信号变为低电平，第二占空比即为稳定工作时驱动信号DRV的占空比，第二占空比小于第一占空比。

因此请参考图5和6所示的时序图，在PWM信号S1和PWM延时信号S2之间的预定时长TD内，由于PWM延时信号尚未变为高电平，因此负载电流电路不导通，LED负载上没有负载电流，因此功率级电路内部的电感L的电流IL在负载电流电路未导通、LED负载无负载电流的状态下升高，输出电压VOUT也会增加，使输出电压VOUT不至于由于电感L的电流IL没有到稳态值而下降并导致电感L的电流IL过冲现象。

等到延迟的PWM延时信号到来时，驱动信号DRV恢复为原来稳态的结果，让电感L的电流IL缓慢的调整。进一步的在本申请中，在PWM延时信号上升沿来临时，负载电流电路受控于PWM延时信号导通后，LED负载的负载电流在负载电流电路的作用下斜坡升高直至预定阈值，也即负载电流ILED并不是阶跃式突变的，而是缓慢上升的，在负载电流ILED缓慢上升的过程中，此时电感L的电流IL低于正常工作电流值，在负载电流ILED缓慢增加的时候，电感L的电流IL很快和LED负载所需电压的电流需求达到平衡也即达到正常工作电流值，有效缩短了输出电压VOUT在LED负载变化时候的调节时间，进一步减轻输出电压VOUT调整的压力，让电感L的电流IL进一步平滑上升，避免或减弱电感电流过冲现象。由于LED负载的负载电流ILED也是缓慢打开的过程，所以驱动信号DRV恢复到稳定工作时的占空比的时间点(也即PWM延时信号的上升沿时间点)可以选择在电感L的电流IL没有到达工作点之间，这样的调整也不会使电感电流有很大的过冲，而且由于有了这一步，可以对前面延时的预定时长TD的长短要求不那么精确，降低控制难度。

本申请中的负载电流电路的一种电路结构如图7所示，在负载电流电路中，开关管MN2与第一电阻RS串联后连接在功率级电路和LED负载的串联电路中，因此流过第一电阻RS的电流即为流过LED负载的负载电流ILED。开关管MN2的栅极连接运算放大器OP的输出端，开关管MN2与第一电阻RS的公共端连接运算放大器OP的负输入端，负载参考电压VREF_LED通过电阻R2和电容C2构成的RC滤波电路连接运算放大器OP的正输入端，RC滤波电路的通断受控于输入到负载电流电路中的PWM延时信号S3。本申请具体的电路是开关管MN3的源极和漏极分别连接在电容C2的两端，输入到负载电流电路中的PWM延时信号S3经过反相器连接到开关管MN3的栅极。当PWM延时信号的上升沿来临时，R2和C2构成的RC滤波电路导通，负载参考电压VREF_LED通过RC滤波电路给运算放大器OP的正输入端充电，运算放大器OP的正输入端的电压在RC滤波电路的作用下斜坡上升，第一电阻RS的钳位电压跟随运算放大器OP的正输入端电压也呈斜坡上升，所以第一电阻RS所在串联回路上的负载电流ILED也缓慢上升，使Boost电路的负载加载速度慢一些，减轻VOUT电压的调整速度的压力，使得电感L的电流IL不易发生过冲。负载参考电压VREF_LED会给运算放大器OP的正输入端充电直至达到预定阈值，所以最终第一电阻RS也会产生一个预定阈值的固定压降，实现LED负载的定电流控制。

本申请中的延时电路的一种实现方式如图8所示，在延时电路中，偏置电流IB与第三电容C3串联，第三电容C3两端的电压连接到比较器CMP的负输入端，比较器CMP的正输入端连接参考电压VREF，比较器CMP的输出端通过反向器输出PWM延时信号，如图8所示，比较器CMP的输出端分别通过两个反向器输出S2和S3以供给控制器和负载电流电路。偏置电流IB与第三电容C3的串联电路的通断受控于PWM信号，当PWM信号为高电平时，偏置电流IB给第三电容C3充电，在本申请中，开关管MN4的源极和漏极分别连接在第三电容C3的两端，PWM信号S1通过反相器连接到开关管MN4的栅极。偏置电流IB给第三电容C3充电过程中，比较器CMP的负输入端的电压开始上升直至达到参考电压VREF时，比较器CMP发生翻转，输出的PWM延时信号S2和S3变为高电平。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种避免电感电流过冲的PWM调光式LED发光系统，包括功率级电路和LED负载，其特征在于，所述系统还包括：调光控制模块、延时电路、负载电流电路、驱动器和控制器，所述功率级电路、LED负载和负载电流电路形成串联电路；

所述调光控制模块连接所述控制器和所述延时电路并输出PWM信号，所述延时电路的输出端分别连接所述控制器和所述负载电流电路，所述延时电路将输入的所述PWM信号进行预定时长的延时处理后得到PWM延时信号并分别输出给所述控制器和所述负载电流电路，所述负载电流电路在所述PWM延时信号高电平有效时导通；

所述控制器在检测到高电平有效的所述PWM信号的上升沿时控制所述驱动器给所述功率级电路输出第一占空比的驱动信号，所述功率级电路内部的电感的电流在所述负载电流电路未导通、所述LED负载无负载电流的状态下升高；

所述负载电流电路从所述PWM延时信号的上升沿开始时导通，且所述控制器在检测到所述PWM延时信号的上升沿时控制所述驱动器切换至输出第二占空比的驱动信号直至所述PWM信号变为低电平，所述第二占空比小于所述第一占空比。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述负载电流电路受控于所述PWM延时信号导通后，所述LED负载的负载电流在所述负载电流电路的作用下斜坡升高直至预定阈值。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述负载电流电路中，开关管与第一电阻串联后连接在所述功率级电路和LED负载的串联电路中，所述开关管的栅极连接运算放大器的输出端，所述开关管与所述第一电阻的公共端连接所述运算放大器的负输入端，负载参考电压通过RC滤波电路连接所述运算放大器的正输入端，所述RC滤波电路的通断受控于所述PWM延时信号；

当所述PWM延时信号的上升沿来临时，所述RC滤波电路导通，所述负载参考电压通过所述RC滤波电路给所述运算放大器的正输入端充电，所述运算放大器的正输入端的电压在所述RC滤波电路的作用下斜坡上升，所述第一电阻的钳位电压跟随所述运算放大器的正输入端电压呈斜坡上升。

4.根据权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，在所述延时电路中，偏置电流与第三电容串联，所述第三电容两端的电压连接到比较器的负输入端，所述比较器的正输入端连接参考电压，所述比较器的输出端通过反向器输出所述PWM延时信号；所述偏置电流与所述第三电容的串联电路的通断受控于所述PWM信号，当所述PWM信号为高电平时，所述偏置电流给所述第三电容充电直至达到所述参考电压时，所述PWM延时信号变为高电平。