CN114205955B - 单级低纹波led驱动电路与融合vlc调制方法 - Google Patents

单级低纹波led驱动电路与融合vlc调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单级低纹波LED驱动电路与融合VLC调制方法。所述电路包括AC‑DC电路单元、降压Cuk PFC变换器电路单元、以及辅助同步整流Boost电路单元；所述AC‑DC电路将市电交流电源变换为直流电为后续电路供电；所述降压Cuk PFC变换器电路单元和辅助同步整流Boost电路单元通过反向耦合电感耦合而内在集成为单级电路，该单级电路的输出为负载LED供电；所述辅助同步整流Boost电路单元实现可见光通信调制；辅助同步整流Boost电路采用QAM的VLC调制方法。本发明单级低纹波降压电能变换有效降低网侧纹波和负载侧工频纹波，实现高效照明驱动与可见光通信一体化调制。

Description

单级低纹波LED驱动电路与融合VLC调制方法
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，特别是一种单级低纹波降压LED驱动电路与融合VLC调制方法。
背景技术
随着半导体技术的快速发展，第四代光源(Light Emitting Diode LED)凭借其低能耗、寿命长、绿色环保、高光效等优点在市场上得到了大面积推广与使用，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，适合没有电气隔离要求的中小功率驱动电路。
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。传统通信采用的射频放大器存在成本高、效率低、功率小等不足，研究基于开关变换器的融合可见光通信调制技术，对发展高效VLC调制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单级低纹波LED驱动电路与融合VLC调制方法，本发明单级低纹波降压电能变换有效降低网侧纹波和负载侧工频纹波，实现高效照明驱动与可见光通信一体化调制。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级低纹波LED驱动电路，包括AC-DC电路单元、降压Cuk PFC变换器电路单元以及辅助同步整流Boost电路单元；所述AC-DC电路将市电交流电源变换为直流电为后续电路供电；所述降压Cuk PFC变换器电路单元和辅助同步整流Boost电路单元通过反向耦合电感耦合而内在集成为单级电路，该单级电路的输出为负载LED供电；所述辅助同步整流Boost电路单元实现可见光通信（Visible LightCommunication）调制。
在本发明一实施例中，所述降压Cuk PFC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Lp、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、高频电容C1、主输出母线电容Co1、辅助输出母线电容Co2；
所述辅助同步整流Boost电路单元包括：第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3、第三电感Ls、DC-DC电感Lb、高频电容Cb；
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Lp的非同名端、主输出母线电容Co1的一端、负载LED的正端；所述第二电感Lp的同名端分别连接高频电容C1的一端和第一功率二极管D1的阴极；所述母线电容Co1的另一端分别连接第一功率二极管D1的阳极、第一功率MOS开关管S1的漏极、同步整流MOS开关管S3的源极、第三电感Ls的非同名端、辅助输出母线电容Co2的一端；所述同步整流MOS开关管S3的漏极分别连接DC-DC电感Lb的一端、第二功率MOS开关管S2的漏极；所述DC-DC电感Lb的另一端分别连接负载LED的负端、高频电容Cb的一端；所述高频电容Cb的另一端分别连接第二功率MOS开关管S2的源极、辅助输出母线电容Co2的另一端、第二功率二极管D2的阳极；所述第二功率二极管D2的阴极连接第三电感Ls的同名端；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、第一功率MOS开关管S1的源极。
在本发明一实施例中，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均为快恢复功率二极管。
在本发明一实施例中，所述第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3，采用硅基功率MOS管或者宽禁带半导体功率MOS开关管。
在本发明一实施例中，所述主输出母线电容Co1、辅助输出母线电容Co2、高频电容C1和高频电容Cb均为薄膜电容。
在本发明一实施例中，所述第一电感L1、第二电感Lp、第三电感Ls、DC-DC电感Lb均是高频电感。
本发明还提供了一种基于上述所述的单级低纹波LED驱动电路的融合VLC调制方法，采用正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）可见光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驱动波形，以控制第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3，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，将控制信号B送入主开关S1的调制单元，得到驱动信号，用以驱动第一功率MOS开关管S1，实现网侧PFC和输出电流恒定；采用电子开关选择不同通信信号载波频率的QAM通信数据载波信号送入辅助电路Boost电路开关管S2和S3驱动调制单元，得到驱动信号，用以驱动MOS开关管S2、S3，实现输出电流纹波幅值、频率和相位变化，利用输出电流纹波不同幅值、频率和相位信号来传输代表0、1数据的可见光通信数据。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、不同电路采用反向电感耦合集成为单级电路，高效、高功率因数、低输入输出纹波；
2、辅助电路采用QAM调制，融合可见光通信与照明驱动一体化调制。
附图说明
图1为本发明实施例电路原理示意图。
图2为本发明实施例辅助同步整流Boost电路融合QAM的VLC调制原理图。
图3为本发明实施例的单级电路开关管S1、S2导通，开关管S3关断且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路模态1示意图。
图4为本发明实施例的单级电路开关管S1、S3导通，开关管S2关断且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路模态2示意图。
图5为本发明实施例的单级电路开关管S1、S3关断，S2导通且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路的模态3示意图。
图6为本发明实施例的单级电路开关管S1、S2关断，S3导通且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路的模态4示意图。
图7为本发明实施例的单级电路开关管S2导通，S3关断，电压Vin小于主输出母线电容电压Vo1，降压Cuk PFC单元停止工作，输入电流为零时，电路模态5示意图。
图8为本发明实施例的单级电路开关管S2关断，S3导通，电压Vin小于主输出母线电容电压Vo1，降压Cuk PFC单元停止工作，输入电流为零时，电路模态6示意图。
图9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10为本发明实施例的VLC调制的关键波形图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
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，本实施例提供了单级低纹波降压LED驱动电路，具体包括AC-DC电路单元、降压Cuk PFC变换器电路单元以及辅助同步整流Boost电路单元；所述AC-DC电路将市电交流电源变换为直流电为后续电路供电；所述降压Cuk PFC变换器电路单元和辅助同步整流Boost电路单元通过反向耦合电感耦合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；所述辅助同步整流Boost电路实现可见光通信（Visible LightCommunication）调制；
在本实施例中，所述降压Cuk PFC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Lp、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、高频电容C1、主输出母线电容Co1、辅助输出母线电容Co2；
所述辅助同步整流Boost电路单元包括：第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3、第三电感Ls、DC-DC电感Lb、高频电容Cb；
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Lp的非同名端、主输出母线电容Co1的一端、负载LED的正端;所述的第二电感Lp的同名端分别连接高频电容C1的一端和第一功率二极管D1的阴极;所述母线电容Co1的另一端分别连接第一功率二极管D1的阳极、第一功率MOS开关管S1的漏极、同步整流MOS开关管S3的源极、第三电感Ls的非同名端、辅助输出母线电容Co2的一端；所述同步整流MOS开关管S3的漏极分别连接DC-DC电感Lb的一端、第二功率MOS开关管S2的漏极；所述DC-DC电感Lb的另一端分别连接负载LED的负端、高频电容Cb的一端；所述高频电容Cb的另一端分别连接第二功率MOS开关管S2的源极、辅助输出母线电容Co2的另一端、第二功率二极管D2的阳极；所述第二功率二极管D2的阴极连接第三电感Ls的同名端；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、第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3，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，所述主输出母线电容Co1、辅助输出母线电容Co2、高频电容C1和高频电容Cb均为薄膜电容。
在本实施例中，所述第一电感L1、反向耦合的第二电感Lp和第三电感Ls、DC-DC电感Lb均是高频电感。
本发明还提供了一种基于上文所述的单级低纹波降压LED驱动电路的融合VLC调制方法，采用正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）可见光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驱动波形，以控制第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3，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，将控制信号B送入主开关S1的调制单元，得到驱动信号，用以驱动第一功率MOS开关管S1，实现网侧PFC和输出电流恒定；采用电子开关选择不同通信信号载波频率的QAM通信数据载波信号送入辅助电路Boost电路开关管S2和S3驱动调制单元，得到驱动信号，用以驱动MOS开关管S2、S3，实现输出电流纹波幅值、频率和相位变化，利用输出电流纹波不同幅值、频率和相位信号来传输代表0、1数据的可见光通信数据。
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QAM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、图8、图9、图10所示。
参照图2，是根据数字基带信号，选择不同通信信号载波频率的QAM通信数据载波信号，调制载波信号幅值和相位实现可见光通信的QAM调制原理，利用不同幅值、频率和相位的载波信号代表不同的数字。为方便起见，以传输数字信号“0”、“1”为例简要说明调制原理，具体QAM调制关键波形参考图10，Vb为基带信号，Vc1、Vc2分别为数字信号“0”、“1”对应的载波，Vm为调制波，iLED为融合QAM的可见光通信的LED电流波形。基带信号发送一序列的“0”、“1”信号，未经调制的载波信号是两组相同幅值、相位，不同频率的正弦波信号，当数字信号为“0”时，通过电子开关Sw1选择频率为2 f 0的载波进行调制，通过QAM调制方法，载波变为幅值为2A、频率为2 f 0、相位为0的调制波；当数字信号为“1”时，通过电子开关Sw2选择频率为f 0的载波进行调制，通过QAM调制方法，载波变为幅值为A、频率为f 0、相位为π的调制波；最后将两组相同幅值相同相位不同频率的正弦波载波调制为一组在幅值为2A、频率为2f0、相位为0和幅值为A、频率为f 0、相位为π之间变化的正弦波。
参照图3，是开关管S1、S2导通，开关管S3关断且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路模态1示意图，各关键参考波形对应图9的t0~t1。电源Vin给第一电感L1和主输出母线电容Co1充能；高频电容C1给第二电感Lp和主输出母线电容Co1充能；第三电感Ls给母线辅助输出电容Co2充能；母线电容Co1和Co2给LED供电，高频电容Cb给DC-DC电感Lb充能。
参照图4，是开关管S1、S3导通，开关管S2关断且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路模态2示意图，各关键参考波形对应图9的t1~t2。电源Vin给第一电感L1和主输出母线电容Co1充能；高频电容C1对第二电感Lp和主输出母线电容Co1充能；第三电感Ls给母线辅助输出电容Co2充能；母线电容Co1和Co2给LED供电，高频电容Cb和DC-DC电感Lb给母线辅助输出电容Co2充能。
参照图5，是开关管S1、S3关断，开关管S2开通且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路模态3示意图，各关键参考波形对应图9的t2~t3。电源Vin和第一电感L1给主输出母线电容Co1和高频电容C1充能；第二电感Lp给主输出母线电容Co1充能；第三电感Ls给母线辅助输出电容Co2充能；母线电容Co1和Co2给LED供电，高频电容Cb给DC-DC电感Lb充能。
参照图6，是开关管S1、S3关断，开关管S2开通且电压Vin大于主输出母线电容电压Vo1时，电路模态4示意图，各关键参考波形对应图9的t3~t4。电源Vin和第一电感L1给主输出母线电容Co1和高频电容C1充能；第二电感Lp给主输出母线电容Co1充能；第三电感Ls给母线辅助输出电容Co2充能；母线电容Co1和Co2给LED供电，高频电容Cb和DC-DC电感Lb给母线辅助输出电容Co2充能。
参照图7，是开关管S2导通，S3关断，电压Vin小于主输出母线电容电压Vo1，降压CukPFC单元停止工作，输入电流为零时，电路模态5示意图，各关键参考波形对应图9 S2、S3、Lb的t2~t3。母线电容Co1和Co2给LED供电，高频电容Cb给DC-DC电感Lb充能。
参照图8，是开关管S2关断，S3导通，电压Vin小于主输出母线电容电压Vo1，降压CukPFC单元停止工作，输入电流为零时，电路模态6示意图，各关键参考波形对应图9 S2、S3、Lb的t3~t4。母线电容Co1和Co2给LED供电，高频电容Cb和DC-DC电感Lb给母线辅助输出电容Co2充能。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单级低纹波LED驱动电路，其特征在于，包括AC-DC电路单元、降压Cuk PFC变换器电路单元以及辅助同步整流Boost电路单元；所述AC-DC电路将市电交流电源变换为直流电为后续电路供电；所述降压CukPFC变换器电路单元和辅助同步整流Boost电路单元通过反向耦合电感而内在集成为单级电路，该单级电路的输出为负载LED供电；所述辅助同步整流Boost电路单元实现可见光通信VLC调制；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Lp、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、高频电容C1、主输出母线电容Co1、辅助输出母线电容Co2；
所述辅助同步整流Boost电路单元包括：第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3、第三电感Ls、DC-DC电感Lb、高频电容Cb；
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Lp的非同名端、主输出母线电容Co1的一端、负载LED的正端；所述第二电感Lp的同名端分别连接高频电容C1的一端和第一功率二极管D1的阴极；所述母线电容Co1的另一端分别连接第一功率二极管D1的阳极、第一功率MOS开关管S1的漏极、同步整流MOS开关管S3的源极、第三电感Ls的非同名端、辅助输出母线电容Co2的一端；所述同步整流MOS开关管S3的漏极分别连接DC-DC电感Lb的一端、第二功率MOS开关管S2的漏极；所述DC-DC电感Lb的另一端分别连接负载LED的负端、高频电容Cb的一端；所述高频电容Cb的另一端分别连接第二功率MOS开关管S2的源极、辅助输出母线电容Co2的另一端、第二功率二极管D2的阳极；所述第二功率二极管D2的阴极连接第三电感Ls的同名端；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、第一功率MOS开关管S1的源极。
2.根据权利要求1所述的单级低纹波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均为快恢复功率二极管。
3.根据权利要求1所述的单级低纹波LED驱动电路，其特征在于，所述第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3，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所述的单级低纹波LED驱动电路，其特征在于，所述主输出母线电容Co1、辅助输出母线电容Co2、高频电容C1和高频电容Cb均为薄膜电容。
5.根据权利要求2所述的单级低纹波LED驱动电路，其特征在于，所述第一电感L1、第二电感Lp、第三电感Ls、DC-DC电感Lb均是高频电感。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的单级低纹波LED驱动电路的融合VLC调制方法，其特征在于，采用正交振幅调制QAM可见光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驱动波形，以控制第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、同步整流MOS开关管S3，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，将控制信号B送入主开关S1的调制单元，得到驱动信号，用以驱动第一功率MOS开关管S1，实现网侧PFC和输出电流恒定；采用电子开关选择不同通信信号载波频率的QAM通信数据载波信号送入辅助电路Boost电路开关管S2和S3驱动调制单元，得到驱动信号，用以驱动MOS开关管S2、S3，实现输出电流纹波幅值、频率和相位变化，利用输出电流纹波不同幅值、频率和相位信号来传输代表0、1数据的可见光通信数据。
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