一種單電感有源均流LED驅(qū)動(dòng)電路的分析與設(shè)計(jì)*

許 平，夏智鋒，張志清，古志良，張 強(qiáng)，洪 宇

廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510006

發(fā)光二極管(LED)光源具有傳統(tǒng)LED壽命長(zhǎng)、體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且調(diào)光效果好，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2].但目前該光源的功率仍較低，通常需要將多顆LED串并聯(lián)連接以獲得足夠的發(fā)光強(qiáng)度.因此，實(shí)現(xiàn)多基色LED光源的自穩(wěn)定和智能化調(diào)節(jié)是一項(xiàng)重要的研究工作.

現(xiàn)有研究中，主要采用均流方法來(lái)實(shí)現(xiàn)各通道LED的穩(wěn)定發(fā)光，包括無(wú)源均流方法[3]和有源均流方法[4].無(wú)源均流方法主要利用電容、電感等無(wú)源元件使相鄰兩通道之間的電流達(dá)到均衡效果，但是只能對(duì)所有通道統(tǒng)一調(diào)光，難以實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)光[5-7].有源均流方法可獨(dú)立控制每個(gè)通道電流，且調(diào)光精度較高.有研究人員[8-9]提出了幾種不同的單開關(guān)多路LED均流驅(qū)動(dòng)電路，但其通道擴(kuò)展較為復(fù)雜.為了實(shí)現(xiàn)任意通道LED的均流以及調(diào)光，有學(xué)者采用N-1組反饋控制電路以實(shí)現(xiàn)N通道電流調(diào)節(jié)[10].雖然達(dá)到調(diào)光的效果，但是隨著通道數(shù)量的增加，反饋電路模塊將使電路復(fù)雜性和體積大大增加.

本文基于傳統(tǒng)升壓電路，利用有源均流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，只需一個(gè)反饋控制電路，實(shí)現(xiàn)多通道LED的智能調(diào)光.

1 驅(qū)動(dòng)電路

圖1為本文所提出的單電感多通道有源均流LED驅(qū)動(dòng)電路.為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，提出了以下2點(diǎn)假設(shè)：①開關(guān)管、二極管、電容和電感均為理想元件；②輸出電容C1，C2，CN的值足夠大，LED串的輸出電壓為穩(wěn)定值.

1.1 電路結(jié)構(gòu)

電路的輸入回路為Buck升壓拓?fù)洌奢斎腚娫?、開關(guān)管SM、輸入電感L1、二極管DM構(gòu)成，輸出回路包括N個(gè)LED通道，每個(gè)通道由一個(gè)二極管、一個(gè)開關(guān)管和LED負(fù)載構(gòu)成，利用電感L1的特性，為N個(gè)通道提供能量.

1.2 工作原理

以圖1的三通道LED驅(qū)動(dòng)電路為例，其主要波形如圖2所示.在一個(gè)周期內(nèi)，該驅(qū)動(dòng)電路可分為九個(gè)工作階段，對(duì)應(yīng)t0，t1，…，t9九個(gè)時(shí)間段.

圖1 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drive circuit structure

圖2 三通道LED驅(qū)動(dòng)電路的主要波形圖 Fig.2 The main waveform of three-channel LED driver circuit

階段1[t0～t1]：t0時(shí)刻，主開關(guān)管SM開始導(dǎo)通，輸入電壓Vin對(duì)電感L1進(jìn)行充電，而通道1的開關(guān)管S1和二極管D1同樣導(dǎo)通，即電感電流流過(guò)LED1負(fù)載，但由于二極管D2、D3處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載LED2、LED3分別從各自的輸出電容C2，C3獲取能量.各器件的電流如式(1)：

(1)

階段2[t1～t2]：t1時(shí)刻，主開關(guān)管SM關(guān)斷，開關(guān)管S1仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，而開關(guān)管S2、S3處于關(guān)斷狀態(tài)，則電感L1通過(guò)二極管D1、開關(guān)管S1、LED1負(fù)載、二極管DM進(jìn)行放電，為L(zhǎng)ED1負(fù)載提供能量，而LED2、LED3負(fù)載仍從對(duì)應(yīng)的輸出電容C2、C3獲取能量.各器件的電流如式(2)

(2)

階段3 [t2～t3]：t2時(shí)刻，各開關(guān)管的狀態(tài)與階段2相同，此時(shí)電感L1放電結(jié)束，D1、D2、D3關(guān)斷，三個(gè)LED負(fù)載從各自的輸出電容C1、C2、C3獲取能量.各器件的電流如式(3)：

(3)

同理，階段4至階段9與前三個(gè)階段類似，分別包括一次電感儲(chǔ)能和電感為L(zhǎng)ED負(fù)載釋放能量的過(guò)程，根據(jù)電感L1的伏秒平衡準(zhǔn)則，可得到式(4)：

(4)

其中，d1、d2、d3分別為S1、S2、S3各自導(dǎo)通時(shí)主開關(guān)管SM的導(dǎo)通占空比.根據(jù)LED的等效電路模型[11]，可得式(5).

(5)

其中iLED1、iLED2、iLED3分別表示三個(gè)通道LED的電流，VF1、VF2、VF3分別表示三個(gè)LED負(fù)載的開啟電壓，RLED1、RLED2、RLED3則為三個(gè)LED負(fù)載的等效串聯(lián)電阻.通過(guò)調(diào)節(jié)主開關(guān)管SM在各階段內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)通道LED負(fù)載的調(diào)光.

2 調(diào)光原理

為了實(shí)現(xiàn)多基色LED驅(qū)動(dòng)電路的智能化調(diào)光，提出圖3所示的反饋控制電路.該電路包括兩個(gè)8選1數(shù)據(jù)選擇器、一個(gè)電流采樣控制模塊、一個(gè)時(shí)序邏輯控制模塊.對(duì)照?qǐng)D2所示波形圖，時(shí)序邏輯控制模塊產(chǎn)生各通道開關(guān)管S1、S2、S3所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即分別為001(S3S2S1)、010(S3S2S1)、100(S3S2S1)，并且共同連接到數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，MUX1負(fù)責(zé)選通LED負(fù)載的采樣電流值，MUX2負(fù)責(zé)選通對(duì)應(yīng)的參考電流值，然后經(jīng)過(guò)誤差放大器EA1和比較器CMP1輸出主開關(guān)管SM的驅(qū)動(dòng)信號(hào).因此，系統(tǒng)只需一個(gè)反饋調(diào)節(jié)電路便能實(shí)現(xiàn)各通道LED負(fù)載的調(diào)光功能，減少了電路元件，也簡(jiǎn)化了控制邏輯.

圖3 反饋控制電路圖Fig.3 Feedback control circuit diagram

3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所提出的電路模型，利用PSIM軟件進(jìn)行仿真，并搭建試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試.仿真和試驗(yàn)的主要電路參數(shù)列于表1.

通過(guò)PSIM軟件對(duì)電路模型進(jìn)行仿真，在相同負(fù)載電流和不同負(fù)載電流兩種負(fù)載電流的情況下，電路均能可靠運(yùn)行，仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示.

表1 電路主要參數(shù)

圖4 相同負(fù)載電流的仿真波形圖Fig.4 The same load current simulation waveforms

圖5 不同負(fù)載電流的仿真波形圖Fig.5 Different load current simulation waveforms

根據(jù)電路模型搭建試驗(yàn)樣機(jī)，并在負(fù)載電流相同與不同兩種情況下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得波形圖分別如圖6、圖7所示.

圖6 相同負(fù)載電流的實(shí)測(cè)波形圖 Fig.6 The same load current measured waveform

圖7 不同負(fù)載電流的實(shí)測(cè)波形圖Fig.7 Different load current measured waveform

圖6和圖7為樣機(jī)實(shí)測(cè)波形(VSM:10V/div;VS1:10V/div;VS2:10V/div;VS3:10V/div;iL1:2A/div;iD1:2A/div;iD2:2A/div;iD3:2A/div)，在負(fù)載電流相同或不同兩種情況下，iD1、iD2、iD3三路電流大小分別與各自周期內(nèi)流過(guò)電感L1的電流大小相等，當(dāng)控制三路開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間相同時(shí)，可使三路電流達(dá)到均衡.可見，電路的性能均與理論分析結(jié)果一致.

4 結(jié) 論

理論分析、軟件仿真以及實(shí)際樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的單電感有源均流LED驅(qū)動(dòng)電路既能有效保證多基色LED光源的自穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)其智能化調(diào)光，并且只需共用一個(gè)反饋調(diào)節(jié)模塊.所設(shè)計(jì)的電路不僅減少了電路元件，也簡(jiǎn)化了控制邏輯.