基于TV硬件的LED并聯(lián)均流控制方法

鄧遠(yuǎn)釗

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510000）

1 引言

傳統(tǒng)多路LED均流控制方案中，對(duì)多路LED均流的控制需要獨(dú)立的多路調(diào)光控制芯片來(lái)實(shí)施，且該控制芯片還需要TV硬件模塊的核心控制器來(lái)提供啟動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)施起來(lái)較為繁瑣且成本較高。傳統(tǒng)多路LED均流控制方案中的多路調(diào)光控制芯片引腳是有限的，若需要更多路的LED驅(qū)動(dòng)控制，則需要多片多路調(diào)光控制芯片，對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)容有較大的局限性。

以往應(yīng)用于傳統(tǒng)LED的均流方案采用的是當(dāng)LED燈組的采樣電流值不小于預(yù)定電流值時(shí)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷組成的總時(shí)間來(lái)使LED燈組上的平均電流等于預(yù)定電流值。該方法會(huì)導(dǎo)致恒流精度比較低，均流控制的效果比較差。本文設(shè)計(jì)一種基于TV硬件的LED并聯(lián)均流控制方法，與傳統(tǒng)的LED并聯(lián)均流控制方案相比，該方案省去了原有的多路調(diào)光控制芯片，直接采用TV硬件模塊中的TV核心控制器，并添加上驅(qū)動(dòng)電路、采樣保護(hù)電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊等共同組成了新型的LED并聯(lián)均流的控制方案，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度提高和可靠性加強(qiáng)[1]。

2 系統(tǒng)模型

LED并聯(lián)均流控制方案共有三個(gè)大模塊，分別是供電模塊、TV硬件模塊、恒流輸出模塊，如圖1所示。

圖1 LED并聯(lián)均流控制方案

其中包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，一個(gè)是由TV核心控制器、驅(qū)動(dòng)電路、背光MOS組成的第一驅(qū)動(dòng)模塊（又稱驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊）；另一個(gè)是由TV核心控制器、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊組成的第二驅(qū)動(dòng)模塊（又稱PWM驅(qū)動(dòng)模塊）。其中第一驅(qū)動(dòng)模塊的作用是控制整個(gè)LED背光系統(tǒng)的輸出，包括控制總的輸出電流、功率等等。第二驅(qū)動(dòng)模塊的作用是控制每一個(gè)LED背光燈條的電流、通斷等等[2]。

驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)NPN型三極管和PNP型三極管組成推挽式的電路，該推挽電路由12V直接供電，推挽電路的輸出端由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻和穩(wěn)壓管組成。這樣就可以將TV控制芯片輸出的較小驅(qū)動(dòng)波形放大成驅(qū)動(dòng)能力較高的驅(qū)動(dòng)波形。這樣就可以完成TV控制芯片對(duì)背光MOSFET的驅(qū)動(dòng)控制。

電流采樣電路中，其輸入端增加了精密取樣電阻器R6～R8。將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再進(jìn)入到差分放大電路，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度電阻R3到差分運(yùn)算放大器的負(fù)端。差分運(yùn)算放大器正端接地和低通濾波器R2/C1。該放大器除了有差分放大的作用還可以將信號(hào)進(jìn)行限幅。在差分運(yùn)算放大器的輸出端，除了接有C3濾波電容外，還接有芯片接過(guò)來(lái)的3.3V上拉電路，將輸出信號(hào)控制在0～3.3V，使控制器的A/D接口可以識(shí)別。

圖2給出了該LED并聯(lián)均流的線路框圖。其中圖1中的供電模塊可以是圖2中的反激電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，包括EMI模塊、反激電路原邊模塊，反激MOS、反激變壓器、反激SENSE電阻。反激MOS用于控制電路的開(kāi)通和關(guān)斷，使原邊的能量按照一定的控制方法傳輸?shù)礁边?，變壓器是?shí)現(xiàn)原邊能量傳輸?shù)礁边叺慕橘|(zhì)，同時(shí)將原邊和副邊隔離開(kāi)來(lái)。反激SENSE電阻用于反激電路原邊模塊采集反激MOS的電流，防止反激電路過(guò)流[3]。變壓器副邊有兩路輸出，分別是12V輸出和恒流輸出。

圖2 線路框圖

3 并聯(lián)均流控制流程

圖3給出了均流控制的流程圖，系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)需先設(shè)定保護(hù)電流Im和預(yù)設(shè)額定電壓Um。然后需要設(shè)定每路LED的輸出電流Io。該電流是每一路LED燈的額定輸出電流。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的Io值乘以LED路數(shù)N得到額定的輸出總電流。根據(jù)總電流可以計(jì)算出IoMAX（此處為方便可以設(shè)置為IoMAX=Im，且IoMAX＞N*Io）。根據(jù)IoMAX計(jì)算出需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，接下來(lái)就是輸出固定頻率和占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大后用于驅(qū)動(dòng)背光MOS）。接下來(lái)系統(tǒng)開(kāi)始采集每一路LED燈的電流信號(hào)Ireal1～I(xiàn)realN（分別對(duì)應(yīng)LED背光1～LED背光N的電流信號(hào)）和并聯(lián)回路的電壓信號(hào)Ureal。系統(tǒng)首選判斷LED背光電流是否超過(guò)保護(hù)電流值Im，用于判斷電路是否過(guò)流，若是，則進(jìn)入過(guò)流保護(hù)，然后關(guān)閉輸出。若不超過(guò)保護(hù)電流值則判斷LED背光的電壓是否超過(guò)預(yù)設(shè)額定電壓Um，若超過(guò)預(yù)設(shè)電壓Um，則說(shuō)明某路LED燈出現(xiàn)開(kāi)路，這時(shí)候系統(tǒng)進(jìn)入開(kāi)路模式繼續(xù)工作[4]。若采樣的電壓電流均未超過(guò)Um和Im，則系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行PID電流環(huán)調(diào)節(jié)每一路的輸出電流等于Io。經(jīng)過(guò)PID電流環(huán)計(jì)算后，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)PWM占空比，該信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)1～N模塊，從而控制每一路的輸出電流等于設(shè)定電流Io。接下來(lái)系統(tǒng)返回開(kāi)始，重新上述步驟。調(diào)節(jié)輸出電流等于設(shè)定電流Io是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的過(guò)程[5]。

圖3 均流控制流程圖

圖4給出了開(kāi)路模式的控制流程圖，進(jìn)入開(kāi)路模式時(shí)，系統(tǒng)并不會(huì)關(guān)閉輸出，而是進(jìn)入開(kāi)路運(yùn)行模式保證其他LED燈的正常運(yùn)行。系統(tǒng)首選檢測(cè)開(kāi)路LED的路數(shù)，開(kāi)路的LED燈的電流為0。若檢測(cè)到開(kāi)路的路數(shù)為M，則計(jì)算此時(shí)應(yīng)輸出的總電流為Imax=Io*(N-M) 。那么系統(tǒng)會(huì)得到新的IoMAX和Im，此時(shí)的IoMAX＞Io*(N-M) ，通過(guò)得到IoMAX更新驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率重新調(diào)整輸出。

圖4 開(kāi)路模式控制流程圖

4 仿真結(jié)果及其分析

本文模擬多路LED背光支路，需要每路的輸出電流為300mA。最大工作電壓為90V。那么額定輸出總電流Imax為300mA×8=2.4A，可以設(shè)定過(guò)流保護(hù)電流Im為2倍的額定電流為4.8A。此時(shí)可以設(shè)定IoMAX= 4.8A。預(yù)設(shè)額定電壓Um為95V（留一定裕量）。設(shè)定驅(qū)動(dòng)信號(hào)固定占空比為50%，若經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作頻率為200kHz。系統(tǒng)首選采樣輸出電壓和各路的輸出電流。先判斷總電流是否超過(guò)Im，若沒(méi)有則判斷輸出電壓是否超過(guò)95V。若沒(méi)有則對(duì)每一路的電流值進(jìn)行電流環(huán)PID計(jì)算，使每一路的電流值Ireal達(dá)到設(shè)定值Io= 300mA，并穩(wěn)定在300mA。

當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓超過(guò)95V時(shí)，則進(jìn)入開(kāi)路模式，檢測(cè)每一路的電流是否存在0電流的，若檢測(cè)為0電流則標(biāo)記為開(kāi)路，每檢測(cè)到一路，M加1。假設(shè)檢測(cè)到2路的LED開(kāi)路，則降低驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作頻率進(jìn)而重新進(jìn)行均流控制。

圖5給出了仿真后驅(qū)動(dòng)信號(hào)與總輸出電流的關(guān)系圖?？梢钥吹剑?dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為nHz時(shí)，輸出電流值也為IoMAX。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為50%nHz時(shí)，輸出電流值也為50%IoMAX。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與總輸出電流成正比。

圖5 仿真驅(qū)動(dòng)信號(hào)與總輸出電流的關(guān)系圖

圖6給出了仿真后PWM信號(hào)與各路輸出電流的關(guān)系圖，現(xiàn)設(shè)定第N路分得的最大電流值為IomaxN。從圖中可以看出，PWM信號(hào)的頻率為mHz，實(shí)際輸出電流的大小是由該路的最大電流值IomaxN和PWM信號(hào)的占空比共同決定的。實(shí)際的PWM信號(hào)的占空比應(yīng)為動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，根據(jù)每路LED輸出電流的實(shí)際值與設(shè)定值經(jīng)過(guò)PID電流環(huán)計(jì)算得出。PWM信號(hào)相當(dāng)于斬波的作用，將輸出電流斬成一個(gè)個(gè)的方波。經(jīng)過(guò)濾波電容后，輸出平均電流為Iavg，而LED的平均輸出電流Iavg與PWM信號(hào)的占空比成正比，這意味著，當(dāng)?shù)贜路的PWM信號(hào)的占空比為50%時(shí)，輸出電流為50%IomaxN。系統(tǒng)可以改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)改變每路LED的實(shí)際電流值。

圖6 仿真PWM信號(hào)與各路輸出電流關(guān)系圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于TV硬件的LED并聯(lián)均流控制方法，設(shè)計(jì)方案中采用TV硬件模塊的核心控制器取代原來(lái)傳統(tǒng)的多路調(diào)光控制芯片，添加驅(qū)動(dòng)、采樣電路，使控制更為高效可靠且降低了成本。TV硬件模塊的核心控制器本身就是含有多路復(fù)用的高性能芯片，若需要進(jìn)行多組LED調(diào)光只需要對(duì)該核心控制器進(jìn)行芯片引腳擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)的兼容性。均流方法采用條件PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)，取代了原有的通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷組成的總時(shí)間來(lái)使LED燈組上的平均電流等于預(yù)定的電流值，使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度更高。添加了某路LED開(kāi)路的控制方法，當(dāng)某一路LED發(fā)生開(kāi)路時(shí)，經(jīng)過(guò)開(kāi)路模式均流控制算法可以重新平衡其他LED燈路的運(yùn)行，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)性，一定程度增加了系統(tǒng)的可靠性。