專利名稱：高效率led平衡驅(qū)動(dòng)及調(diào)光控制方法
高效率LED平衡驅(qū)動(dòng)及調(diào)光控制方法
背景介紹發(fā)明所屬領(lǐng)域本專利是屬于發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域里的一項(xiàng)發(fā)明，更具體地說(shuō)是提供了一種高效率地平衡驅(qū)動(dòng)多路LED的控制方式。
相關(guān)的領(lǐng)域描述LED正在給照明領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命性的變化。效率高，體積小，壽命長(zhǎng)，無(wú)污染，容易調(diào)光，以及伴隨固體發(fā)光特性而來(lái)的機(jī)械可靠性，便攜性和設(shè)計(jì)的靈活性等使得它在許多領(lǐng)域成為發(fā)光器件的最佳選擇。LCD顯示器的背光照明和普通照明是其中最具有發(fā)展?jié)摿Φ膬纱箢I(lǐng)域。在較大尺寸的顯示器背光照明和較大功率的普通照明應(yīng)用中通常都采用多組LED 串。每個(gè)LED串由幾個(gè)到幾十個(gè)LED串聯(lián)組成。單個(gè)LED正向壓降為3. 3伏左右，所以LED 串的工作電壓一般為幾十伏到一兩百伏。多組LED串的做法一方面可以保證整個(gè)發(fā)光面亮度均勻，同時(shí)也由于普通的單個(gè)發(fā)光二極管功率有限，而大功率的LED價(jià)格又較昂貴。這些 LED串可以采用每串單獨(dú)供電或多串并聯(lián)公用電源。因每串單獨(dú)供電成本比較高，大多數(shù)應(yīng)用都采用多串并聯(lián)公用電源的方式，如圖1所示。由于LED的正向?qū)▔航涤邢喈?dāng)大的離散性，而且LED的正向電流電壓特性為較陡的指數(shù)曲線，多串直接并聯(lián)時(shí)各串電流會(huì)出現(xiàn)較大的差異以至于造成各串發(fā)光不均勻并導(dǎo)致壽命不一致。因此多串并聯(lián)時(shí)需要加均流控制措施。目前最常用的做法是串聯(lián)線性調(diào)
節(jié)線路的閉環(huán)控制，如圖1所示。圖1中的MOSFET管Ql，Q2，......等是調(diào)節(jié)控制元件，
R1，R2，......Rk等為電流檢測(cè)元件。檢測(cè)到的電流信號(hào)I_SNS1......I_SNSk等反饋到誤
差放大器EA1，EA2，......EAk等的輸入端，并通過(guò)和參考信號(hào)IREF進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控
制。LED串的供電電壓由另一個(gè)環(huán)路通過(guò)電流反饋信號(hào)進(jìn)行控制。控制目標(biāo)是保持能使最大正向壓降的LED串維持給定電流的最小電壓值。這樣通過(guò)調(diào)節(jié)控制管來(lái)維持各串LED的電流相等。而背光系統(tǒng)的調(diào)光一般以脈寬控制方式為主，也即用改變LED導(dǎo)通的占空比來(lái)控制亮度。在整體調(diào)光應(yīng)用中各串LED都工作在相同的占空比，而在局部調(diào)光應(yīng)用中各串 LED則可能工作在不同的占空比。很顯然這種做法是把正向壓降較低的LED串回路里多余的電壓消耗在調(diào)節(jié)控制管上邊。因此效率上會(huì)受損失。而且調(diào)節(jié)控制管上的功耗造成器件溫度上升以及相應(yīng)的散熱要求，從而增加系統(tǒng)成本及機(jī)內(nèi)溫度并降低系統(tǒng)可靠性。從上述可見(jiàn)LED驅(qū)動(dòng)方案的效率是提高系統(tǒng)性能和可靠性以及降低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵因素之一。在LED電流較大時(shí)，圖1方案的效率和散熱問(wèn)題就更為突出。為了克服這些缺點(diǎn)人們通常對(duì)每一串LED使用一個(gè)單獨(dú)的開關(guān)電源來(lái)供電。這種做法雖然效率高，功耗小，但成本顯然比較高。這在大規(guī)模產(chǎn)品的應(yīng)用中是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。本發(fā)明的總結(jié)綜上所述，本發(fā)明的目的就是要提供一種高性能、高效率、電路簡(jiǎn)單而且成本低廉的多組LED平衡驅(qū)動(dòng)及調(diào)光控制方案。本方案突破了傳統(tǒng)的利用調(diào)節(jié)控制管的線性管壓降來(lái)平衡LED串的瞬時(shí)電流和用多組開關(guān)電源對(duì)LED串一對(duì)一供電的電流控制方式，采用無(wú)損耗平衡網(wǎng)絡(luò)和非耗能式電流控制來(lái)實(shí)現(xiàn)LED電流的平衡和調(diào)光控制，從而使得LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率得到大幅度的提高，成本則大為降低。


圖1顯示了一種典型的傳統(tǒng)線性降壓調(diào)節(jié)式LED驅(qū)動(dòng)方案。圖2顯示了本發(fā)明的一種LED變壓器平衡驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)概念。圖3顯示了圖2所示的平衡電路概念的另一種實(shí)施方法。圖4顯示了另一種平衡驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)概念。圖5顯示了一種在交流輸入情況下使用電感來(lái)平衡驅(qū)動(dòng)多串LED的電路結(jié)構(gòu)概念。圖6顯示了一種使用電感和非耗能式電流控制在交流輸入情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)LED電流的平衡和調(diào)光控制的電路結(jié)構(gòu)概念。圖7顯示了一種使用電感和非耗能式電流控制在直流輸入情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)LED電流的平衡和調(diào)光控制的電路結(jié)構(gòu)概念。
發(fā)明的詳細(xì)描述圖2為一組用平衡變壓器來(lái)平衡驅(qū)動(dòng)兩串LED的原理圖。如圖2中所示，TBl為平衡變壓器，TBl的兩個(gè)基繞組都有中心抽頭，左邊繞組每半邊圈數(shù)為Ni，而右邊繞組每半邊圈數(shù)為N2。兩個(gè)繞組的極性相反，左邊繞組上端為同相端，而右邊繞組上端則為反相端。 兩個(gè)繞組的上端通過(guò)整流二極管Dl從供電變壓器TXl的次級(jí)繞組上端供電，而下端則通過(guò)整流二極管D2從供電變壓器TXl的次級(jí)繞組下端供電。供電變壓器TXl的次級(jí)繞組也有中心抽頭，兩個(gè)LED串LEDl和LED2分別接在TBl的兩個(gè)繞組的中心抽頭和供電變壓器TXl 的次級(jí)繞組的中心抽頭之間。LED串和整流二極管在電流流通回路中為順極性關(guān)系。在圖 2所示的接法中當(dāng)TXl次級(jí)繞組電壓極性為上正下負(fù)時(shí)(這里定義為正半周)，D1和LED1、 LED2同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)LED串的電流ILEDl和ILED2分別流經(jīng)TBl的左邊和右邊繞組的上半邊形成回路流通，而當(dāng)TXl次級(jí)繞組電壓極性為上負(fù)下正時(shí)(這里定義為負(fù)半周)，D2和 LEDU LED2同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)LED串的電流ILEDl和ILED2分別流經(jīng)TBl的左邊和右邊繞組的下半邊形成回路流通。無(wú)論在正半周或負(fù)半周的情況下兩個(gè)LED串的電流都遵從下列公式的關(guān)系附· ILEDl = N2 · ILED2(EQU. 1)當(dāng)左右兩邊繞組使用相同的圈數(shù)時(shí)，兩個(gè)LED串的電流自然相等，也即當(dāng)附=N2 = N時(shí)，則ILEDl = ILED2.這樣通過(guò) TBl繞組的均流作用，兩個(gè)LED串的電流就可以自然地得到均衡。在某種特殊應(yīng)用情況下如果需要，LED串的電流也可以通過(guò)兩個(gè)繞組圈數(shù)比的調(diào)整形成一定的比例分配。在這種情況下LED串的電流和驅(qū)動(dòng)它們的繞組圈數(shù)成反比，也即ILEDl ILED2 = N2 Ni。值得注意的是在這種方法中流過(guò)LED串的是直流電流，但平衡變壓器的磁路所受到的卻是交流激勵(lì)，因而沒(méi)有直流偏磁和由此而引起的磁路飽和或平衡誤差等問(wèn)題。在圖2中TBl的兩個(gè)繞組共用整流二極管Dl和D2來(lái)供電。在某些應(yīng)用中也可以各用單獨(dú)的整流二極管供電，如圖3中電路所示。在圖3中TBl的兩個(gè)繞組的上端分別通過(guò)整流二極管Dl和D3從供電變壓器TXl的次級(jí)繞組上端供電，而兩個(gè)繞組的下端則分別通過(guò)整流二極管D2和D4從供電變壓器TXl的次級(jí)繞組下端供電。這種做法同樣可以保證兩個(gè)LED串電流的精確平衡，而且能夠?yàn)閮蓚€(gè)LED驅(qū)動(dòng)支路提供更好的隔離。特別是當(dāng)TXl 次級(jí)繞組所提供的是不連續(xù)的電壓波形而且LEDl和LED2有并聯(lián)電容Cl和C2存在時(shí)，圖3 中的電路能夠有效地防止在TXl次級(jí)繞組電壓為零期間各電容之間的電流流通回路，從而保證在上述不連續(xù)電壓波形情況下的平衡驅(qū)動(dòng)功能。圖2和圖3中所示電路中的整流二極管和LED串也可以把極性同時(shí)反過(guò)來(lái)。這樣同樣滿足W009]段中所描述的順極性連接原則，所不同的只是在電壓正半周期間電流從 TXl次級(jí)繞組的下半邊流過(guò)，而在電壓負(fù)半周期間電流從TXl次級(jí)繞組的上半邊流過(guò)。上述做法不難為本專業(yè)的人士所理解，所以這里不再贅述。當(dāng)LED串?dāng)?shù)多于兩串時(shí)，圖2和圖3中所描述的平衡變壓器TBl可以改用另一種形式，如圖4中所示。在圖4中平衡變壓器TBI，TB2, TB3，和TBK只有一邊有中心抽頭 (這里我們叫做初級(jí)繞組)，另一邊沒(méi)有中心抽頭的繞組則叫做次級(jí)繞組。如圖4所示，
TBI......TBk的次級(jí)繞組順向連接成一個(gè)閉合回路，在這種順向連接下各繞組中的感應(yīng)電
流在工作時(shí)在閉合回路中沿相同的方向流動(dòng)。平衡變壓器的初級(jí)繞組在電路中的接法和圖2、圖3 —樣，各相應(yīng)的LED串接在平衡變壓器的初級(jí)繞組的中心抽頭和供電變壓器TXl 的次級(jí)繞組的中心抽頭之間，初級(jí)繞組的另兩個(gè)端口則分別通過(guò)整流二極管Dl和D2從供電變壓器TXl的次級(jí)繞組上端和下端供電。因?yàn)樗械钠胶庾儔浩鞯拇渭?jí)繞組構(gòu)成一個(gè)單閉環(huán)回路，所以其次級(jí)電流都相等，這里以12來(lái)表示?；诤蚖009]段所描述的同樣的
道理，各平衡變壓器的處、次級(jí)電流有如下關(guān)系N1 · ILEDl = N2 · 12，......Nl · ILEDK =
N2 · 12 (EQU. 2)很顯然因?yàn)楦髌胶庾儔浩鞯某?、次?jí)繞組采用相同的圈數(shù)比，各LED串的電流也由于(EQU. 2)所描述的關(guān)系而保持相等。這里需要注意平衡變壓器初級(jí)繞組的兩半邊一般取相同的圈數(shù)，但初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的圈數(shù)不需要相等。LED的電流平衡關(guān)系是由各個(gè)平衡變壓器采用相同的圈數(shù)比來(lái)決定的。和W010]及W011]段所描述的相同，圖 4所描述的電路中的整流二極管D1、D2也可以改為每個(gè)平衡變壓器初級(jí)繞組的左右兩個(gè)端口各分別使用一個(gè)整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)各LED電路間的完全隔離；整流二極管和LED串在電路中的極性也可以同時(shí)反轉(zhuǎn)，LED電流平衡的驅(qū)動(dòng)功能仍維持不變。上述平衡驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是利用變壓器的電磁耦合原理在平衡變壓器的繞組中自動(dòng)產(chǎn)生校正電壓來(lái)保持各路LED電流的動(dòng)態(tài)平衡。由于這種校正電壓本質(zhì)上是無(wú)功的， 所以除了繞組直流電阻所引起的導(dǎo)通損耗和少量的磁芯損耗外，幾乎沒(méi)有其它的有功損耗，效率要比圖1所示的傳統(tǒng)平衡驅(qū)動(dòng)電路高許多。同時(shí)某一組LED串開路或某一串中個(gè)別LED短路時(shí)，平衡變壓器的初級(jí)繞組會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電壓來(lái)維持LED電流的平衡， 整個(gè)電路仍可以正常工作而不會(huì)出現(xiàn)局部元器件過(guò)熱的問(wèn)題，因而可靠性相當(dāng)高。另外，在圖4所示電路中，當(dāng)LED串出現(xiàn)異常，特別是某一串LED開路時(shí)，其相應(yīng)的平衡變壓器的次初級(jí)繞組電壓會(huì)高于正常值，這時(shí)如果把次級(jí)繞組的電壓信號(hào)反饋到故障檢測(cè)電路，則可以很容易地監(jiān)測(cè)到LED串的故障情況。同時(shí)因?yàn)槠胶庾儔浩鞯某醮渭?jí)繞組是相互隔離的， 并且次級(jí)繞組的電壓可以通過(guò)圈數(shù)比來(lái)控制在安全的低電壓水平，所以整個(gè)故障檢測(cè)電路包括其中的集成電路元件等，可以使用低電壓低成本的器件或制程。從而提供了一個(gè)既簡(jiǎn)便易行，又成本低廉的解決方案。上述的使用平衡變壓器的平衡原理也可以推廣到使用電感來(lái)平衡LED的電流。圖5所示的電路使用有中心抽頭的電感作為平衡器件。如圖所示，平衡電感Li、L2、
L3......LK的左右兩個(gè)端口分別通過(guò)整流二極管Dl和D2從供電變壓器TXl的次級(jí)繞組
的兩個(gè)端口供電，LED串LED1、LED2、LED3......LEDK則分別接在其相應(yīng)的平衡電感的中
心抽頭和供電變壓器TXl的次級(jí)繞組的中心抽頭之間。這樣當(dāng)TXl次級(jí)繞組電壓極性為
上正下負(fù)時(shí)(正半周)，Dl和LED1、LED2、LED3......LEDK同時(shí)導(dǎo)通，電流ILED1、ILED2、
LED3......分別流經(jīng)其相應(yīng)的平衡電感Li、L2、L3......LK的左半邊形成回路流通；而當(dāng)
TXl次級(jí)繞組電壓極性為上負(fù)下正時(shí)(負(fù)半周)，D2和LED1、LED2、LED3......LEDK同時(shí)導(dǎo)
通，電流ILED1、ILED2、LED3......ILEDK分別流經(jīng)其相應(yīng)的平衡電感Li、L2、L3......LK
的右半邊形成回路流通。如果來(lái)自TXl的電壓正負(fù)兩半周對(duì)稱而且平衡電感的兩半邊也對(duì)稱，則平衡電感在工作時(shí)磁路為對(duì)稱交流激勵(lì)，沒(méi)有直流偏磁或磁路飽和等問(wèn)題。這時(shí)如果所有的平衡電感取相同的電感量而且電感量足夠大，在工作時(shí)所產(chǎn)生的電壓降遠(yuǎn)大于LED 串的正向工作電壓的離散性偏差，各LED串的電流就會(huì)由于平衡電感的作用而近似相等。 這種平衡方法本質(zhì)上是利用平衡電感的交流阻抗來(lái)平衡LED串的電流。因?yàn)殡姼械淖杩篂闊o(wú)功阻抗，所以這種做法同樣也是一種無(wú)損耗的平衡方式。圖5所描述的電路中的整流二極管Dl、D2也可以改為每個(gè)平衡電感的左右兩個(gè)端口各分別使用一個(gè)整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)各LED電路間的完全隔離；整流二極管和LED串在電路中的極性也可以同時(shí)反轉(zhuǎn)，LED電流平衡的驅(qū)動(dòng)功能仍維持不變。圖5所示電感式平衡電路在LED電流平衡精度要求在5%到5%以上時(shí)是一種實(shí)用面又低成本的解決方案。當(dāng)電流平衡精度要求好于5%左右時(shí)，可以增加有源調(diào)節(jié)器件來(lái)滿足所要求的精度。圖6及圖7所示電路中每個(gè)LED串使用一個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)Ql、Q2、
Q3......QK，分別串聯(lián)在各LED串的負(fù)端和地之間來(lái)提供進(jìn)一步的調(diào)節(jié)功能。應(yīng)該注意這
里所使用的調(diào)節(jié)開關(guān)工作在開關(guān)狀態(tài)，而不是圖一中所示的線性工作狀態(tài)，所以功耗大大降低。因?yàn)楦鱾€(gè)電感之間沒(méi)有耦合關(guān)系，所以有了調(diào)節(jié)開關(guān)后各個(gè)LED串的工作時(shí)序可以進(jìn)行獨(dú)立控制，不需要同時(shí)起動(dòng)工作或關(guān)斷。這樣就給調(diào)光控制帶來(lái)了更大的靈活性，可以同時(shí)滿足整體式調(diào)光和局部式調(diào)光要求，而且在實(shí)際工作中可以進(jìn)一步用LED導(dǎo)通工作的占空比來(lái)補(bǔ)償工作電流的差異。比如說(shuō)，對(duì)于電流較高的LED串，可以利用調(diào)節(jié)開關(guān)使其工作在較小的占空比，而只要使得每串LED的電流和占空比的乘積相等，則各串LED的發(fā)光強(qiáng)度就相等。在這種用調(diào)節(jié)占空比來(lái)補(bǔ)償電流差異的做法中，調(diào)節(jié)開關(guān)工作在開關(guān)狀態(tài)，故而其操作損耗大大地低于傳統(tǒng)的線性電流調(diào)節(jié)方法。在圖7所示電路中各LED串通過(guò)一個(gè)電感連接到直流輸入上。每個(gè)LED串的負(fù)端和一個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)串聯(lián)后到地。每個(gè)LED串的正端和地之間并聯(lián)一個(gè)電容(如圖中所示，Cl、
C2、C3......CK等)。在這種接法中串聯(lián)調(diào)節(jié)開關(guān)Ql、Q2、Q3......QK可以起到電流調(diào)節(jié)
和占空比補(bǔ)償?shù)碾p重控制功能。在實(shí)際工作時(shí)這些調(diào)節(jié)開關(guān)的工作由兩個(gè)頻率來(lái)控制。其中一個(gè)是高頻操作頻率，一般在幾十到幾百千赫之間。各個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)可以在這個(gè)工作頻率上通過(guò)開關(guān)占空比的調(diào)節(jié)來(lái)把LED串的電流維持在給定值，或者在特定的占空比下通過(guò)調(diào)節(jié)工作頻率來(lái)把LED串的電流維持在給定值。除此以外調(diào)節(jié)開關(guān)的操作還可以迭加上一個(gè)低頻工作頻率，通常在50到幾百赫茲之間。各個(gè)LED串的電流可以在這個(gè)頻率上進(jìn)行開啟和關(guān)斷，而通過(guò)控制在這個(gè)較低頻率上操作的占空比來(lái)調(diào)節(jié)LED串的發(fā)光亮度。在這種情形下當(dāng)LED串在低頻操作的開啟狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)開關(guān)進(jìn)行高頻開關(guān)操作并通過(guò)高頻開關(guān)操作的占空比控制來(lái)調(diào)節(jié)LED串的工作電流；而在低頻操作的關(guān)斷狀態(tài)期間調(diào)節(jié)開關(guān)的高頻開關(guān)操作停止，LED串沒(méi)有電流和光輸出。LED串的發(fā)光亮度由其電流大小和低頻操作的占空比共同決定。如果LED的電流設(shè)定在一個(gè)特定的恒定值，則LED串發(fā)光亮度由低頻操作的占空比來(lái)控制，叫做脈寬(PWM)調(diào)光。這里需要注意圖7所示電路中沒(méi)有和LED串和電感
反并聯(lián)的續(xù)流二極管，當(dāng)調(diào)節(jié)開關(guān)關(guān)斷時(shí)電感Li、L2、L3......LK的儲(chǔ)能分別對(duì)并聯(lián)濾波
電容C1、C2、C3......Ck進(jìn)行充電。在實(shí)用中這些并聯(lián)濾波電容可以取比較大的電容量，從
而使得在這個(gè)過(guò)程中電容上的電壓上升幅值控制在很小的范圍內(nèi)。為了節(jié)約成本，圖7中的電感L1、L2、L3......LK可以直接用印刷電路板(PCB)上
的導(dǎo)體繞組來(lái)形成。在需要較大的電感量時(shí)在PCB繞組中可以嵌入磁芯，這種做法和分立電感元件相比成本可以大大地降低。另一方面由于種種原因，例如在調(diào)節(jié)開關(guān)關(guān)斷時(shí)濾波電容電壓由于電感儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的上升，或LED電流在啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)的上升/下降時(shí)間等，LED串的電流在導(dǎo)通工作期間可能對(duì)理想設(shè)定值有所偏離。在這種情況下為了保證調(diào)光控制的精度，可以通過(guò)對(duì)PWM調(diào)光控制的脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償LED電流的偏差。在具體實(shí)施中一種做法是在LED串導(dǎo)通期間把LED電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，當(dāng)LED電流對(duì)時(shí)間的積分和給定電流值對(duì)時(shí)間的積分相等時(shí)，LED的發(fā)光量也就等于調(diào)光控制信號(hào)所要求的發(fā)光量，用這個(gè)時(shí)間點(diǎn)所決定的脈沖寬度來(lái)控制LED的PWM調(diào)光操作的實(shí)際脈寬就實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED的電流偏差的精確補(bǔ)償。使用這種操作方法的價(jià)值在于它既能夠保證精確的調(diào)光控制，又因?yàn)檎{(diào)節(jié)開關(guān)始終工作在開關(guān)狀態(tài)而保持最低的功耗。上述把LED電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算的操作可以用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。既可以用模擬電路的方法，也可以用數(shù)字電路的方法或模擬和數(shù)字混合的方法。這些方法為本專業(yè)的人士所熟知，因而不再贅述。如果LED電流在上升或下降沿的波形崎變可以忽略不計(jì)，上述積分運(yùn)算也可以簡(jiǎn)化為電流和時(shí)間的乘法運(yùn)算。再者，如果調(diào)光控制的響應(yīng)速度可以比較慢，也可以用電流平均值來(lái)進(jìn)行調(diào)光補(bǔ)償。在這種情況下，在PWM操作模式下的LED電流可以通過(guò)一個(gè)低通濾波器來(lái)取得平均值，理想的調(diào)光平均值也可以通過(guò)對(duì)給定的LED電流值和給定的PWM脈寬進(jìn)行低通濾波來(lái)獲得。通過(guò)控制線路使得LED電流的平均值在一個(gè)特定的操作脈寬下和理想的調(diào)光平均值相等就實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)光的精確控制，而且調(diào)節(jié)開關(guān)始終工作在開關(guān)狀態(tài)，從而保持功耗最低。同樣上述低通濾波可以用模擬或數(shù)字等多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里同時(shí)需要注意在圖6和圖7所示電路中各個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)的操作可以相互獨(dú)立，所以上述的脈寬補(bǔ)償調(diào)光控制可以在各個(gè)LED串獨(dú)立進(jìn)行，因而既可以應(yīng)用在整體式調(diào)光，也可以應(yīng)用在局部式調(diào)光等多種調(diào)光模式中。以上所描述的電路操作公開了一系列高效率的LED電流平衡和高效率、低功耗的調(diào)光控制概念。以上所述系通過(guò)具體例子來(lái)解釋了本發(fā)明的原理，但并不在任何意義上限制本發(fā)明的原理的應(yīng)用范圍和本發(fā)明的原理的其他實(shí)施方法。
權(quán)利要求
1.一種用平衡變壓器來(lái)平衡LED或其它直流負(fù)載的電流的方法，該方法使用具有兩個(gè)繞組的平衡變壓器，兩個(gè)繞組都有中心抽頭，兩個(gè)繞組的相位相反的一組端口通過(guò)二極管接到一個(gè)交流電源的一個(gè)輸出端，兩個(gè)繞組的另一組相位相反的端口也通過(guò)二極管接到上述交流電源的另一個(gè)輸出端，該交流電源具有電位中點(diǎn)，平衡變壓器的兩個(gè)繞組的中心抽頭各和一串LED的一端相連，LED串的另一端和交流電源的電位中點(diǎn)相連形成回路，LED串和二極管的連接極性使得它們?cè)诤推胶庾儔浩鞯膬蓚€(gè)繞組的半邊以及交流電源的相應(yīng)的輸出端和其電位中點(diǎn)所形成的回路中能夠同時(shí)正偏置或反偏置，兩個(gè)繞組的圈數(shù)相等時(shí)， 兩串LED的電流也相等，兩個(gè)繞組圈數(shù)不相等時(shí)，和這兩個(gè)繞組中心抽頭相連的LED串的電流和相應(yīng)繞組的圈數(shù)成反比。
2.把聲明1中的平衡變壓器的其中一個(gè)繞組改為沒(méi)有中心抽頭作為次級(jí)繞組，另一個(gè)繞組仍然保留中心抽頭作為初級(jí)繞組，當(dāng)N大于或等于2時(shí)，用N個(gè)平衡變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)N個(gè) LED串，各平衡變壓器的次級(jí)繞組繞組順向連接成一個(gè)閉合回路，各次級(jí)繞組在閉合回路中的接法使得它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)的感應(yīng)電流在回路中沿同一個(gè)方向流動(dòng)，初級(jí)繞組的兩端通過(guò)二極管分別和一個(gè)交流電源的兩個(gè)輸出端口相連，該交流電源具有電位中點(diǎn)，各個(gè)LED串連接于相應(yīng)的平衡變壓器的初級(jí)繞組的中心抽頭和交流電源的電位中點(diǎn)，二極管和LED串的連接極性使得它們?cè)诤推胶庾儔浩鞯某跫?jí)繞組的一個(gè)半邊以及交流電源的相應(yīng)的輸出端和其電位中點(diǎn)所形成的回路中能夠同時(shí)正偏置或反偏置，當(dāng)各個(gè)平衡變壓器的初、次級(jí)圈數(shù)比相等時(shí)，各LED串的電流也相等，當(dāng)各個(gè)平衡變壓器的初、次級(jí)圈數(shù)比不相等時(shí)，相應(yīng)的LED串的電流和圈數(shù)比成反比。
3.使用有中心抽頭的電感來(lái)平衡LED的電流，當(dāng)N大于或等于2時(shí)，用N個(gè)電感來(lái)驅(qū)動(dòng) N串LED，每個(gè)電感的兩端通過(guò)二極管分別接到一個(gè)交流電源的兩個(gè)輸出端，交流電源具有電位中點(diǎn)，每個(gè)LED串接在相應(yīng)的電感的中心抽頭和交流電源的電位中點(diǎn)之間，二極管和 LED串的連接極性使得它們?cè)诤碗姼械囊粋€(gè)半邊以及交流電源的相應(yīng)的輸出端和其電位中點(diǎn)所形成的回路中能夠同時(shí)正偏置或反偏置，在交流電源的作用下，電感的磁路承受交流激厲，而從中心抽頭向LED串提供直流電流，電感的交流阻抗被用來(lái)平衡LED的電流。
4.利用調(diào)節(jié)開關(guān)的開關(guān)操作模式來(lái)達(dá)到精確的LED調(diào)光控制，當(dāng)N大于或等于2時(shí)，把 N個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)和N個(gè)LED串分別串聯(lián)連接，，各個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)在大約幾十到幾千赫茲的頻率下工作在開關(guān)操作模式，并通過(guò)占空比的調(diào)節(jié)來(lái)使得各LED串的發(fā)光亮度精確地跟隨由給定電流和給定占空比來(lái)確定的亮度給定值，當(dāng)LED串的電流值偏離給定值時(shí)，通過(guò)改變調(diào)節(jié)開關(guān)的工作占空比來(lái)補(bǔ)償LED串電流的偏差來(lái)維持發(fā)光亮度的精確度，補(bǔ)償原則是使得各 LED串的實(shí)際工作電流在每個(gè)開關(guān)操作周期中對(duì)時(shí)間的積分值等于其電流給定值在相應(yīng)的開關(guān)操作周期中在給定的調(diào)光脈寬下的積分，或LED串的實(shí)際工作電流經(jīng)過(guò)低通濾波后的平均值等于其給定電流值在給定的調(diào)光脈寬占空比下經(jīng)過(guò)低通濾波所產(chǎn)生的平均值，或 LED串的實(shí)際工作電流和經(jīng)補(bǔ)償后的實(shí)際工作脈寬或脈寬占空比的乘積等于其給定電流值和給定的調(diào)光脈寬或脈寬占空比的乘積。
5.在聲明4的操作中，調(diào)節(jié)開關(guān)的操作再迭加一個(gè)較高頻率的操作，在聲明4中的低頻脈寬調(diào)光操作每個(gè)周期的有效工作期間調(diào)節(jié)開關(guān)進(jìn)行這一較高頻率的開關(guān)操作，在低頻脈寬調(diào)光操作每個(gè)周期的停止工作期間調(diào)節(jié)開關(guān)停止開關(guān)操作，在有效工作期間調(diào)節(jié)開關(guān)通過(guò)改變較高頻率的開關(guān)操作的脈寬占空比或工作頻率來(lái)控制LED串的電流使其盡量跟隨或接近目標(biāo)值。
6.在對(duì)LED串的電流進(jìn)行開關(guān)式操作控制時(shí)只使用一個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)、一個(gè)電感、和一個(gè)電容，電感的第一端口接到直流輸入的正端，電感的第二端口接到LED串的正端，調(diào)節(jié)開關(guān)串聯(lián)在LED串的負(fù)端和直流輸入的負(fù)端之間，電容的一個(gè)端口和電感的第二端口及LED串的正端相連，電容的另一個(gè)端口接到直流輸入的負(fù)端，在調(diào)節(jié)開關(guān)關(guān)斷瞬間電感的儲(chǔ)能由電容來(lái)吸收。
7.在聲明6的實(shí)施中，電感用印刷電路板(PCB)上的導(dǎo)體來(lái)形成，當(dāng)需要增大電感量時(shí)在上述PCB電感中嵌入導(dǎo)磁率大于1的磁性材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一系列高效率的LED電流平衡方法和通過(guò)脈寬補(bǔ)償對(duì)LED調(diào)光操作進(jìn)行高效率、高精度控制的方法。在本發(fā)明的原理中所使用的平衡器件可以在沒(méi)有直流偏磁的情況下對(duì)LED的電流進(jìn)行有效的平衡控制，調(diào)光控制也可以在基本沒(méi)有損耗的情況下，通過(guò)對(duì)LED電流差異的脈寬補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的調(diào)光控制。
文檔編號(hào)H05B37/02GK102348302SQ201010242129
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者范劍平 申請(qǐng)人:艾默龍電子科技(嘉興)有限公司