TWI684383B - Led燈電流的控制方法和系統 - Google Patents

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Abstract

本公開涉及LED燈電流的控制方法和系統。提供了一種用於LED燈電流的控制系統,包括:功率級,用於將輸入電壓轉化為經調整的電壓提供至一個或多個LED燈珠;回饋取樣模組,用於接收系統的回饋信號,並且基於至少回饋信號來生成感測信號;誤差放大器,用於接收感測信號,並且至少基於感測信號來生成輸出信號;同步模組,用於基於輸出信號同步誤差放大器輸出的取樣時刻以及脈寬調變器相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號;PWM控制器,用於通過控制開關基於取樣控制信號來生成脈寬調變信號;以及驅動器,用於根據脈寬調變信號來驅動系統。

Description

LED燈電流的控制方法和系統
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地,本發明的一些實施例提供了LED(Light Emitting Diode,發光二極體)燈電流的控制方法。
LED作為一種節能環保的新型光源,由於具有高亮度、低功耗而且壽命長的優點而被廣泛用於各個領域。在傳統的高PF(Power Factor,功率因數)恒流LED控制系統中,由於系統輸入電壓的工頻信號頻率僅100赫茲左右,用於控制系統穩定性的誤差放大器輸出COMP端往往需要連接較大容值的補償電容(一般為上百nF甚至uF量級),較大容值電容存在一定系統成本,同時也會增加系統板的體積。
第1圖是典型的誤差放大器輸出補償電容內置的LED照明系統的示例。系統採用Buck-Boost架構QR模式控制,系統因結構簡單、系統成本低的特點而在LED照明等領域有廣泛應用,是當前比較常用的高PF、低成本、高效率LED照明方案。系統100的主要控制單元包括:感測電阻器、功率調整管、以及控制器。
通常,AC輸入電壓由全波整流單元U1整流輸出不小於0V的電壓V1。V1通過電阻R1對電容C1進行充電至設定控制器U2的欠壓保護(Under Voltage Lock Out,UVLO)關閉閾值電壓時,控制器開始啟動且VDD電壓被鉗位元在固定電壓。控制器已將功率開關內置其功率開關的汲極(即U2的DRAIN端),控制器通過產生一定頻率和占空比的脈寬調變信號PWM控制內置功率開關的通斷,實現系統正常工作。
U2內置功率開關導通(turn on)後,系統通過電阻R2 感測流過LED的電流。R2上的電壓從引腳CS輸入到控制器內部進行逐週期處理,R2的峰值電壓控制內置功率開關輸出信號在每個週期的關中斷點(turn off point)。電感L1兩端電壓經電阻R3、R4分壓後由控制器的引腳EB輸入到控制器內部感測電感L1退磁結束,以控制開關管M1下一個週期的開啟點。C2是系統輸入電壓保持電容,用於維持全波整流後的輸入電壓V1,C3為系統輸出電壓保持電容,用於維持LED穩定的電流輸出。
不同的系統控制架構主要體現在恒流控制單元的差異,如開關電源恒流控制架構和線性恒流控制架構,其中開關電源控制中又包括升壓(boost),降壓(buck),返馳(flyback),降壓-升壓(buck-boost)等恒流控制架構。這類恒流控制單元主要的工作目標是系統正常工作時維持輸出LED負載的電流恒定。
第2圖是是典型的誤差放大器輸出補償電容內置,高PF BUCK-Boost控制器的功能框圖。VDD電壓連接功率開關的柵極,並且由欠壓鎖定(under voltage lock out,UVLO)模組感測VDD電壓大小。當VDD電壓大於UVLO閾值電壓後,控制器開始工作;回饋感測模組(即以第2圖中「FB感測」表示)通過感測經引腳FB輸入的回饋信號來判斷系統電感退磁結束,同時還判斷系統輸出電壓是否過壓;誤差放大器(error amplifier,EA)從引腳CS感測放大系統輸出LED電流大小,通過退磁取樣和保持後進行EA的積分控制以生成輸出信號Vc。通過振盪器(OSC)產生的Comp取樣控制信號對輸出信號Vc進行取樣以進一步降低EA的跨導(通常以gm表示)大小,等效的COMP電容(COMP為EA的輸出)也會增加,以替代外部的大電容(在傳統的應用中COMP電容為外置)。COMP電壓與斜坡生成器產生的ramp信號一起進入PWM控制單元進行PWM控制;脈寬調變信號PWM由驅動模組增強後驅動功率開關。
在第2圖所示的應用中,為適應高PF的需求,振盪器的頻率較低同時採樣的振盪器和晶片的工作頻率之間無同步控制,在晶片工作在一定頻率時,工作頻率和Comp_Sample信號控制開關K1的取樣頻率或者其倍頻之間出現一定的低頻差頻。由於差頻頻率過低,導致取樣後的 COMP上同樣存在低頻包絡,從而使得LED電流出現和COMP相同的低頻包絡,在某些應用下可以出現LED的閃爍問題。在調光應用中當調光器處於小角度時,輸出的LED電流較低,當內置補償電容上低頻的紋波產生時,LED電流波動所占比例較大,人眼所感受到的抖動更強。
因此,非常需要改進的處理LED電流的波動問題的方法。
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地,本發明的一些實施例提供了LED燈電流的控制方法。僅作為示例,本發明的一些實施例被應用到LED恒流控制。但是,將認識到,本發明有更廣泛的適用範圍。
根據本公開的實施例,提供了一種用於LED燈電流的控制系統,包括:功率級,用於將輸入電壓轉化為經調整的電壓提供至一個或多個LED燈珠;回饋取樣模組,用於接收系統的回饋信號,並且基於至少回饋信號來生成感測信號;誤差放大器,用於接收感測信號,並且至少基於感測信號來生成輸出信號;同步模組,用於基於輸出信號同步誤差放大器輸出的取樣時刻以及脈寬調變信號相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號;PWM控制器,用於通過控制開關基於取樣控制信號來生成脈寬調變信號PWM;以及驅動器,用於根據脈寬調變信號PWM來驅動系統。
根據本公開的又一實施例,提供了一種用於LED燈電流的控制方法,包括:將輸入電壓轉化為經調整的電壓提供至一個或多個LED燈珠;接收系統的回饋信號,並且基於至少回饋信號來生成感測信號;接收感測信號,並且至少基於感測信號來生成輸出信號;基於輸出信號同步誤差放大器輸出的取樣時刻以及脈寬調變信號相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號;通過控制開關基於取樣控制信號來生成脈寬調變信號;以及根據脈寬調變信號來驅動系統。
100‧‧‧系統
U1‧‧‧全波整流單元
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
C1、C2、C3‧‧‧電容
U2‧‧‧控制器
CS,FB,GATE,VDD‧‧‧引腳
L1‧‧‧電感
M1‧‧‧開關管
V1‧‧‧電壓
ramp‧‧‧信號
Vc‧‧‧輸出信號
Comp_Sample‧‧‧取樣控制信號
Comp‧‧‧誤差放大器輸出補償
K1‧‧‧開關
UVLO‧‧‧欠壓鎖定
EA‧‧‧誤差放大器
OSC‧‧‧振盪器
PMM‧‧‧脈寬調變信號
Vref‧‧‧誤差放大器參考電壓
LPF‧‧‧低通濾波器
SYNC‧‧‧同步模組
第1圖是典型的誤差放大器輸出補償電容內置的LED照明系統的示例。
第2圖是典型的誤差放大器輸出補償電容內置,高PF BUCK-Boost控制器的功能框圖。
第3圖是根據本公開實施例的控制器的示意性框圖。
第4圖示出了根據本公開的實施例的脈寬調變信號PWM同步的具體實現方法。
第5圖示出了根據本公開的實施例的同步模組控制的時序圖。
第6圖是根據本公開的又一實施例的取樣控制信號的另外一種同步的方式。
第7圖是根據本公開的一個實施例的取樣控制信號的時序圖。
第8圖是根據本公開的一個實施例的fly back系統的圖示。
第9圖是根據本公開的一個實施例的buck系統的圖示。
第3圖是根據本公開實施例的控制器的示意性框圖。例如,示出了誤差放大器輸出補償電容內置,高PF BUCK-Boost控制器的功能框圖。與第2圖相比較增加了同步模組SYNC,控制EA輸出取樣的Comp_Sample脈衝信號為振盪器OSC產生的時鐘脈衝信號經由控制功率MOS開關的脈寬調變信號PWM同步後產生。其它器件與連接關係在此不再贅述。
在一個示例中,控制開關是場效應電晶體(例如,金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))。在另一示例中,功率調整管是絕緣閘雙極性接面電晶體(IGBT)。在另一示例中,功率調整管是雙極結型電晶體。在各種示例中,系統可以包括更多或更少的元件。
第4圖示出了根據本公開的實施例的脈寬調變信號PWM同步的具體實現方法。例如,給出了EA輸出取樣控制信號COMP_Sample通過控制功率管的脈寬調變信號PWM同步的具體實現方法。控制功率管開關的脈寬調變信號PWM通過延時器(即第4圖中以加註「延遲」的方框表示)產生PWM_Delay信號,脈寬調變信號PWM輸入到D觸發器的CLK端,振盪器OSC產生的取樣頻率CLK輸入到D觸發器的reset端,D觸發 器的資料端D連接邏輯高電平,每隔一個取樣週期D觸發器的輸出端Q輸出信號Q1,通過取樣-脈衝(Sample_Pulse)模組產生EA輸出取樣控制信號COMP_Sample。
第5圖示出了根據本公開的實施例的同步模組控制的時序圖。脈寬調變信號PWM經過延時產生PWM_Delay信號用於產生延時,延時的長度要足以避開gate開關對取樣和積分信號的干擾,CLK信號用於重置D觸發器的輸出,從而保證取樣頻率的基本固定。Q1信號在每個CLK信號reset後等待下個週期的PWM_Delay信號來臨後才會產生,在實際應用中由於峰值和谷底的脈寬調變信號PWM頻率不同,實際的取樣控制信號COMP_Sample的頻率也會發生一定的變化,同樣由Q1產生的取樣控制信號COMP_Sample的頻率也會發生變化,等效的COMP電容在也在一定範圍內波動。增加抗干擾的同步取樣機制後控制COMP取樣的開關K1在reset信號後第一個gate的下降沿結束後才開始工作。
在根據本公開的另一個實施例中,為去除脈寬調變信號PWM開關對EA輸出取樣的影響,控制K1的EA輸出取樣控制信號也可以是脈寬調變信號PWM上升沿結束後開始工作,從而保證了每次取樣的點的一致性不會由於取樣控制信號和脈寬調變信號PWM不同步產生低頻的LED輸出電流波動。
第6圖是根據本公開的又一實施例的取樣控制信號的另外一種同步的方式。和第4圖不同的是控制開關K1的EA輸出取樣控制信號直接由控制功率管的脈寬調變信號PWM經過N分頻處理後產生。脈寬調變信號PWM經過D觸發器組成的分頻器後產生分頻信號Q2,Q2經過延時後產生用於EA輸出取樣控制信號COMP_Sample。
第7圖是根據本公開的一個實施例的樣信號的時序圖。例如,利用脈寬調變信號PWM分頻產生誤差放大器輸出取樣控制信號的時序圖。作為一個示例,脈寬調變信號PWM經過分頻器產生N(N=4)分頻信號Q2,Q2經過延時後產生信號PWM_Delay,並在其下降沿產生COMP_Sample的固定脈衝信號,對誤差放大器的輸出進行曲樣。以這種 方式,實現對誤差放大器的輸出取樣的穩定,同時避開了脈寬調變信號PWM開關時對取樣控制信號的干擾。
根據本公開的另一實施例,也可以在脈寬調變信號PWM上升沿過後產生COMP_Sample脈衝信號的固定脈衝信號對誤差放大器的輸出進行取樣。以實現對誤差放大器的輸出取樣的穩定,同時避開了脈寬調變信號PWM開關時對採樣信號的干擾。
本發明並不局限於第1圖所示的Buck-boost系統,同樣對於第8圖所示的fly back系統,以及第9圖所示的buck系統本公開的示例也適用。
根據本公開的實施例,提供了一種用於LED燈電流的控制系統,包括:功率級,用於將輸入電壓轉化為經調整的電壓提供至一個或多個LED燈珠;回饋取樣模組(即以第3圖中以加註「FB感測」的方框表示),用於接收系統的回饋信號,並且基於至少回饋信號來生成感測信號;誤差放大器EA,用於接收感測信號,並且至少基於感測信號來生成輸出信號Vc;同步模組SYNC,用於基於輸出信號Vc同步誤差放大器EA輸出的取樣時刻以及脈寬調變信號PWM相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號COMP_Sample;PWM控制器(以第3圖中以加註「PWM控制」的方框表示),用於通過控制開關基於取樣控制信號COMP_Sample來生成脈寬調變信號PWM;以及驅動器,用於根據脈寬調變信號PWM來驅動系統。
根據一個實施例,同步模組包括時鐘振盪器,用於經由脈寬調變信號PWM進行同步後生成控制開關取樣的時鐘頻率。
根據一個實施例,同步模組對脈寬調變信號PWM進行N分頻後整形以生成時鐘信號,其中N為大於2的整數。優選地,N等於4。
根據一個實施例,同步模組還包括:延時器,用於對脈寬調變信號PWM進行延遲;以及同步控制器,用於至少基於經延遲的脈寬調變信號PWM和時鐘頻率來生成取樣控制信號COMP_Sample。
例如,使用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件、和/或軟體和硬體元件的一個或多個組合,本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施。在另一示例中,本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施在諸如一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路之類的一個或多個電路中。在另一示例中,本發明的各種實施例和/或示例可以被結合。
雖然已經描述了本發明的特定實施例,但本領域的技術人員應該理解,存在等同於所描述的實施例的其它實施例。因此,應該理解,本發明並不限於所示出的具體實施例,而僅由申請專利範圍所限定。
CS,FB,GATE,VDD‧‧‧引腳
ramp‧‧‧信號
Vc‧‧‧輸出信號
Comp_Sample‧‧‧取樣控制信號
COMP‧‧‧誤差放大器輸出補償
K1‧‧‧取樣開關
UVLO‧‧‧欠壓鎖定
EA‧‧‧誤差放大器
OSC‧‧‧振盪器
PWM‧‧‧脈寬調變信號
Vref‧‧‧誤差放大器參考電壓
LPF‧‧‧低通濾波器
SYNC‧‧‧同步控制

Claims (4)

  1. 一種用於LED燈電流的控制系統,包括:功率級,用於將輸入電壓轉化為經調整的電壓提供至一個或多個LED燈珠;回饋取樣模組,用於接收系統的回饋信號,並且基於至少所述回饋信號來生成感測信號;誤差放大器,用於接收所述感測信號,並且至少基於所述感測信號來生成輸出信號;同步模組,用於基於所述輸出信號同步所述誤差放大器輸出的取樣時刻以及脈寬調變信號相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號;PWM控制器,用於通過控制開關基於所述取樣控制信號來生成所述脈寬調變信號;以及驅動器,用於根據所述脈寬調變信號來驅動所述系統;其中,所述同步模組包括:時鐘振盪器,用於經由所述脈寬調變信號進行同步後生成所述控制開關取樣的時鐘頻率;延時器,用於對所述脈寬調變信號進行延遲;同步控制器,用於至少基於經延遲的脈寬調變信號和所述時鐘頻率來生成取樣控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統,其中所述同步模組對所述脈寬調變信號進行N分頻後整形以生成所述時鐘信號,其中N為大於2的整數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的系統,還包括:欠壓鎖定UVLO模組,所述UVLO模組用於感測所述系統的VDD電壓,並且當所述VDD電壓大於預定閾值時所述系統開始工作。
  4. 一種用於LED燈電流的控制方法,包括:將輸入電壓轉化為經調整的電壓提供至一個或多個LED燈珠;接收系統的回饋信號,並且基於至少所述回饋信號來生成感測信號;接收所述感測信號,並且至少基於所述感測信號透過誤差放大器來生 成輸出信號;至少基於所述輸出信號同步所述誤差放大器輸出的取樣時刻以及脈寬調變信號相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號;通過控制開關基於所述取樣控制信號來生成所述脈寬調變信號;以及根據所述脈寬調變信號來驅動所述系統;其中,於至少基於所述輸出信號同步所述誤差放大器輸出的取樣時刻以及脈寬調變信號相關的時鐘信號,並且生成取樣控制信號的步驟中,包含:經由所述脈寬調變信號進行同步後生成所述控制開關取樣的時鐘頻率;對所述脈寬調變信號進行延遲;至少基於經延遲的脈寬調變信號和所述時鐘頻率來生成取樣控制信號。
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