高效的插入式LED陣列驅(qū)動接口電路

薛建軍，陳 怡

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，杭州310023）

高效的插入式LED陣列驅(qū)動接口電路

薛建軍，陳 怡

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，杭州310023）

基于插入技術(shù)以及能量回饋策略，提出一種插入式LED陣列驅(qū)動接口電路，可高效率地驅(qū)動規(guī)則及不規(guī)則LED陣列。在分析電路工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了其主要關(guān)系式。制作并優(yōu)化了單通道的插入式LED陣列驅(qū)動接口電路樣機(jī)。實驗結(jié)果表明在全負(fù)載范圍內(nèi)實驗數(shù)據(jù)與理論分析值大致吻合，而且樣機(jī)能實現(xiàn)高效率的LED驅(qū)動。

LED陣列；插入式接口電路；能量回饋

LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長、色彩豐富和體積小等優(yōu)點(diǎn)［1,2］，在很多情況下它以陣列的應(yīng)用形式出現(xiàn)［3,4］。目前，普遍采用低成本LED陣列驅(qū)動方案是用一個DC/DC或AC/DC變換器級聯(lián)多個線性調(diào)整管來控制由多個LED串組成的LED陣列的工作電流。在此基礎(chǔ)上為了進(jìn)一步提高效率，文獻(xiàn)［5-6］都提出了關(guān)于DC/DC變換器輸出自適應(yīng)方案。該類方案在規(guī)則LED陣列應(yīng)用場合可以實現(xiàn)高效率，但是在不規(guī)則LED陣列應(yīng)用場合卻很難保持高效率。

基于文獻(xiàn)［7-9］以及能量回饋策略，本文提出一種插入式LED陣列驅(qū)動接口電路，可高效率地驅(qū)動規(guī)則以及不規(guī)則LED陣列。

1 插入式LED陣列驅(qū)動接口電路

如圖1所示，插入式LED陣列驅(qū)動接口電路由n個相對獨(dú)立的通道電路組成，可恒流驅(qū)動規(guī)則或不規(guī)則的LED陣列。在通道電路j（1≤j≤n）中，采用增量式PI控制方法恒頻變占空比地控制MOS管Mj，以實現(xiàn)LED串j工作電流的恒定；采用恒頻恒占空比的方式來控制MOS管Maj，利用耦合電感Laj和Lbj將電路中多余的能量（與輸入電壓Vin和輸出電壓Voj之間的電壓差成正比）回饋至輸入端，從而實現(xiàn)LED陣列的高效率驅(qū)動。

圖1 插入式LED陣列驅(qū)動接口電路Fig.1 An add-in interface circuit for LED matrix driving

1.1 工作原理分析

插入式LED陣列驅(qū)動接口電路的n個通道電路采用了相同的結(jié)構(gòu)和控制方法，但工作時彼此獨(dú)立。為方便起見，本文僅重點(diǎn)分析通道電路j的工作原理。根據(jù)MOS管Mj的占空比Dj、MOS管Maj的占空比Daj、二極管Dacj的占空比Dbj三者之間的大小關(guān)系，通道電路j的工作情況可分為3種：Daj+ Dbj＜Dj、Daj＜Dj＜Daj+Dbj、Dj＜Daj。

以Daj+Dbj＜Dj的情況為例。令電感電流iLj連續(xù)，電感電流iLaj和iLbj斷續(xù)，電容Caj足夠大，且Mj、Maj、Dcj和Dacj近似為理想開關(guān)，則對應(yīng)的通道電路j的工作穩(wěn)態(tài)可分為4個階段，其等效電路及其主要工作波形分別如圖2和圖3所示。

階段1（t0～t1）：如圖2（a）和圖3（a）所示，MOS管Mj和Maj導(dǎo)通，二極管Dcj和Dacj截止。電感電流iLj增加，電感Lj充磁；電容Caj放電，將存儲電路中多余能量轉(zhuǎn)移到耦合電感 Laj中；電感電流iLaj從0開始增加，電感Laj充磁。電流iLj和iLaj分別表示為

式中，VCaj為電容Caj的電壓平均值。

階段2（t1～t2）：如圖2（b）和圖3（a）所示，MOS管Mj導(dǎo)通，Maj截止，二極管Dcj截止，Dacj導(dǎo)通。電感電流iLj繼續(xù)增加；電感電流iLbj減小至0，耦合電感Lbj放磁，電路中多余的能量通過電感Lbj回饋至輸入端。電流iLbj表達(dá)式為

圖2 通道電路j（1≤j≤n）的等效電路Fig.2 Equivalent circuits of the jth channel of the propose circuit（1≤j≤n）

圖3 通道電路的主要理想工作波形Fig.3 Main ideal operation waveforms of the jth channel of the proposed circuit

階段3（t2～t3）：如圖2（c）和圖3（a）所示，MOS管Mj導(dǎo)通，Maj截止，二極管Dcj和Dacj都截止。電感電流iLj繼續(xù)增加。

階段4（t3～t4）：如圖2（d）和圖3（a）所示，MOS管Mj和Maj都截止，二極管Dcj導(dǎo)通，Dacj截止。電感電流iLj減小，電感Lj放磁，電感電流iLj給電容 Caj充電，電路中多余的能量存儲到電容Caj中。電流iLj的表達(dá)式為

在Daj＜Dj＜Daj+Dbj和Dj＜Daj兩種情況下，通道電路j的工作狀態(tài)與Daj+Dbj＜Dj情況相似，其主要的理想工作波形分別見圖3（b）和圖3（c）。

1.2 主要關(guān)系式推導(dǎo)

以Daj+Dbj＜Dj和Daj＜Dj＜Daj+Dbj兩種情況為例，推導(dǎo)關(guān)于通道電路j的主要關(guān)系式。當(dāng)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時，電感電流iLj連續(xù)，根據(jù)電感伏秒平衡原理可得MOS管Mj的占空比Dj為

在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，電容Caj電壓變化量ΔVCaj和所存儲的電路中多余能量ΔECaj分別為

式中：ILj為電感Lj的電流平均值 （約等于輸出電流Ioj）；VCaj_max和 VCaj_min分別為電容 Caj電壓的最大值和最小值。

若不考慮損耗，電容Caj存儲的電路中多余能量全部通過耦合電感Laj和Lbj回饋至輸入端，則有

考慮電容Caj的耐壓問題，由式（5）、式（7）和式（8）可得VCaj和Dj分別為

式中：VCaj_p為電容Caj的電壓最大允許值。

因電感電流iLj連續(xù)以及電感電流iLaj和iLbj斷續(xù)，通道電路j還需要滿足的條件為

由式（9）～式（12）可得到Maj占空比Daj的取值范圍為

其中：

與Daj+Dbj＜Dj和Daj＜Dj＜Daj+Dbj兩種情況不同，在Dj＜Daj情況下通道電路j處于階段2（t1～t2），見圖3（c））時，Dcj和MOS管Maj同時導(dǎo)通。此時，電感電流iLj一部分給電容Caj充電，另一部分給電感Laj充磁，再用式（6）～式（8）來描述電路中多余的能量回饋至輸入端的過程是存在一定誤差的。

2 實驗驗證

為驗證插入式LED陣列驅(qū)動接口電路的可行性，制作了一個單通道的電路樣機(jī)（即n=1）。樣機(jī)的輸入電壓Vin為24 V，輸出電流Io1為100 mA，負(fù)載范圍為1～7個白光LED（WLED），其主要電路參數(shù)如表1所示，控制電路主要采用TMS320F28335核心板同時實現(xiàn)對MOS管M1的恒頻變占空比的控制和對MOS管Ma1的恒頻恒占空比的控制。

表1 單通道樣機(jī)的主要電路參數(shù)Tab.1 Main components and devices of one-channel prototype circuit

2.1 以實測平均效率最大為Da1優(yōu)先取值策略

Da1的取值直接影響整個樣機(jī)的性能，本文以實測平均效率最大來選取Da1的優(yōu)化值。根據(jù)式（13）以及VCaj_p=45 V的要求，可計算得到對應(yīng)1～7個WLED負(fù)載的Da1取值范圍，如表2所示。

由表2可知，Da1∈［0.279，0.528］，滿足整個負(fù)載范圍。考慮實際控制電路的精度問題，Da1的實際取值范圍確定為0.28～0.52。

表2 不同負(fù)載情況下Da1的計算取值范圍Tab.2 Calculated allowable ranges of Da1at different load conditions

對應(yīng)Da1的實際取值范圍，VCa1的計算值與實測值如圖4所示，D1的計算值與實測值如圖5所示，結(jié)果表明在整個負(fù)載范圍內(nèi)，VCa1和D1的實測值與理論計算值大致相符。

圖4 不同負(fù)載情況下，VCa1的計算值與實測值Fig.4 Calculated and experimental data of VCa1at different load conditions

圖5 不同負(fù)載情況下，D1的計算值和實測值Fig.5 Calculated and experimental data of D1at different load conditions

圖6所示為不同負(fù)載情況下樣機(jī)的實測效率η。以實測平均效率最大為優(yōu)選條件選取Da1=0.47，對應(yīng)的平均效率，即全負(fù)載范圍內(nèi)各效率的平均值為85%，負(fù)載為7個WLED時效率高達(dá)97%。

圖6 不同負(fù)載情況下樣機(jī)的實測效率ηFig.6 Experimental data of η at different load conditions

2.2 Da1優(yōu)化后的樣機(jī)工作狀態(tài)

在整個負(fù)載范圍內(nèi)，樣機(jī)的電感L1均工作在CCM狀態(tài)，耦合電感La1和Lb1均工作在DCM狀態(tài)。圖7為7個WLED負(fù)載時iin1和vgs_M1的波形，圖中的輸入電流iin1在t1～t2時段出現(xiàn)下陷的部分正是耦合電感Lb1將電路中多余的能量回饋至輸入端的時段，與圖3（a）所示的理論波形相符。圖8為6個WLED負(fù)載時iin1和vgs_M1的波形，圖中的輸入電流iin1在t1～t3時段出現(xiàn)下陷的部分正是耦合電感Lb1將電路中多余的能量回饋至輸入端的時段，與圖3（b）所示的理論波形相符。圖9為1個WLED負(fù)載時iin1和vgs_M1的波形， 圖中的輸入電流iin1在 t2～t3時段出現(xiàn)下陷的部分正是耦合電感Lb1將電路中多余的能量回饋至輸入端的時段，與圖3（c）所示的理論波形相符。

圖7 負(fù)載為7個WLED時iin1和vgs_M1的實驗波形Fig.7 Experimental Waveforms of iin1and vgs_M1with a 7-WLED load

圖8 負(fù)載為6個WLED時iin1和vgs_M1的實驗波形,Fig.8 Experimental Waveforms of iin1and vgs_M1with a 6-WLED load

圖9 負(fù)載為1個WLED時iin1和vgs_M1的實驗波形Fig.9 Experimental waveforms of iin1and vgs_M1with a 1-WLED load

3 討論

因為插入式LED陣列驅(qū)動接口電路的各通道電路之間是相對獨(dú)立的，所以在單通道電路的基礎(chǔ)上可較容易地擴(kuò)展成多通道電路以實現(xiàn)高效的規(guī)則或者不規(guī)則LED陣列驅(qū)動。若擴(kuò)展的多個通道電路依然采用本文提出的控制方法（即，采用增量式PI控制方法恒頻變占空比地控制MOS管Mj以及采用恒頻恒占空比的方式來控制MOS管Maj）且令控制時序相同，則各通道電路中多余的能量將在同一時刻回饋至輸入端，輸入總電流的下陷部分會使其紋波過大。因此，我們可以采用交錯控制的策略來實現(xiàn)所有通道電路的分時能量回饋，來減小輸入總電流紋波。n通道的插入式LED陣列驅(qū)動接口電路的交錯控制時序如圖10所示。

圖10 n通道插入式LED陣列驅(qū)動接口電路交錯控制時序Fig.10 Interleaving control sequence of an n-channel add-in interface circuit for LED matrix driving

4 結(jié)語

本文提出了一種插入式LED陣列驅(qū)動接口電路，分析了電路的工作原理，推導(dǎo)了主要的關(guān)系式，并制作了單通道的插入式LED陣列驅(qū)動接口電路樣機(jī)。在輸入電壓為24 V的情況下樣機(jī)可提供100 mA的電流驅(qū)動1～7個WLED。在以實測平均效率最大為優(yōu)選條件對Da1（MOS管Ma1的占空比）的取值進(jìn)行優(yōu)化以后，樣機(jī)的平均效率達(dá)到85%，最高效率達(dá)到97%，實現(xiàn)了高效率。此外，在整個負(fù)載范圍內(nèi)VCa1和D1（MOS管M1的占空比）的實測值與理論計算值大致相符，實測波形與理論波形也大致相符。

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High-efficiency Add-in Interface Circuit for LED Matrix Driving

XUE Jianjun,CHEN Yi
（College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China）

By adopting an add-in technology and an energy feedback strategy,a hig-efficiency add-in interface circuit is proposed for normal and abnormal LED matrix driving.The operation principle of the proposed circuit is introduced and the main equations and inequations are given.A prototype add-in interface circuit of one channel was implemented and optimized.The experimental results show that most of the experimental data agreed with the theoretical ones within the whole load range and the prototype circuit was able to drive the LEDs with high efficiency.

LED matrix;add-in interface circuit;energy feedback

薛建軍（1991-），男，碩士研究生，研究方向：LED照明驅(qū)動電路，E-mail：xue jianjun897@163.com。

薛建軍

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.43

：TM 46;TM 923

：A

2015-12-06

國家自然科學(xué)基金資助項目（51207141）；浙江省自然科學(xué)基金資助項目（LY15E070005）；浙江省“控制科學(xué)與工程”重中之重學(xué)科開放基金資助項目（201501）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51207141）;Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China（LY15E070005）;Zhejiang“Control Science and Engineering”O(jiān)pen Foundation of the Most Important Subjects（201501）

陳怡（1977-），女，通信作者，博士，教授，研究方向：LED照明驅(qū)動電路及系統(tǒng)、微能量收集系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)等，E-mail：eeyzchen@zjut.edu.cn。