《电子技术应用》

一种单开关多路均流输出LED驱动电路的分析与设计

2017年电子技术应用第8期 作者:魏晓群,常天海
2017/9/18 13:27:00

魏晓群,常天海

(华南理工大学 电子与信息学院,广东 广州510640)


    摘  要: 针对现有多通道LED均流技术的结构和控制逻辑较复杂的问题,提出一种基于谐振电容单开关多路输出LED驱动电路。与传统的有源和无源均流方法相比,该驱动电路只使用一个半导体开关管和一个磁性元件,如电感或变压器,而且可以驱动奇数或偶数通道的LED负载,因此该电路具有体积小、成本低、性能高等优点。另外,该驱动电路只需通过控制一条支路的电流便可实现各通道的电流平衡,控制电路和控制逻辑均较为简单。对该驱动电路的均流原理进行了分析,并通过PSIM仿真软件和实验样机对分析结果进行了验证。

    关键词: 均流技术;谐振电容;单开关;LED驱动电路

    中图分类号: TM461

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166329


    中文引用格式: 魏晓群,常天海. 一种单开关多路均流输出LED驱动电路的分析与设计[J].电子技术应用,2017,43(8):144-146,150.

    英文引用格式: Wei Xiaoqun,Chang Tianhai. Analysis and design of a single-switch multi-output LED driver[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):144-146,150.

0 引言

    发光二极管(LED)因其寿命长、效率高等优点,在市场上已变得越来越有竞争力[1-2]。为了得到所需的亮度,往往需要将多颗LED灯珠进行串接或并接。但是,串接的方法将会导致一个高输出电压,而由于LED本身的非线性特性,并接又无法保证各LED串的电流达到平衡状态。因此,多路LED串的均流技术便更加受到关注。

    近年来,多路输出均流技术主要分为有源均流技术[3]和无源均流技术[4]。有源均流技术采用较多的有源器件,控制电路和控制逻辑复杂。无源均流技术主要利用电容、电感等元件,具有结构简单/成本低等优点[5-6]。文献[7,8]中,提出了一系列具有单开关的多输出LED均流驱动电路,但只适合于驱动偶数通道LED串[7-8]。为了实现任意通道数的均流效果,一种方法是采用复杂的变压器结构[9],在多个次级输出回路中再采用级联电容来实现通道均流;另一种方法是采用对称跨接的电容结构[10],但是该电路需要与通道数相同数量的开关管,因此驱动电路的效率和控制必将受到影响。

    本文在传统正激变换器拓扑的基础上,利用谐振电容的特性,实现多路LED串的均流,所需的谐振电容数量为通道数量减一。

1 驱动电路

    本文以三通道输出为例,对所采用的均流原理进行阐述,偶数通道的原理与奇数通道的原理相同,而且由于偶数通道具有良好的对称性,分析过程更为简单。图1和图2分别为该驱动电路的拓扑结构和主要波形图。为了简化分析过程,提出了以下几点假设:

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    (1)开关管、二极管、电容和电感均为理想元件;

    (2)谐振电容取值为:Cr1≤Cr2

    (3)输出电容Co1、Co2、Co3的值足够大,所以LED串的输出纹波可以忽略。

1.1 电路结构

    电路主要包括一个Boost升压拓扑和一个控制模块电路。与典型的升压拓扑结构不同的是,输入与负载之间不是直接级联,而是采用谐振电容。并且为了抑制电容在开关切换时出现的电流脉冲,加入了一个小电感Lr。而控制模块可分为一个带2型补偿网络的误差放大电路和一个比较电路,基于PWM调制原理,通过采样电阻Rs对输出电流进行检测,实现LED的恒流控制,该控制方法较为成熟,本文不作详细介绍。

1.2 工作原理

    如图2所示,在一个开关周期Ts内,该驱动电路可分为4个阶段。

    阶段模态1 [t0~t1]:开关管S1导通,输入电压Vin对电感L进行充电,电容Cr1、Cr2与电感Lr组成谐振回路,为通道2的LED串提供能量。

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    为了保证二极管Cr1的零电流关断,需保证:

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2 均流原理

    根据电感的伏秒平衡准则,由式(1)~式(4),可得:

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    因此,有:

    dy4-gs7.gif

    由式(6)、(7)可知,流过各通道LED的平均电流相同。

3 仿真及实验结果

    为了验证本文所提出的驱动电路,通过PSIM软件对电路原理进行仿真,并制作一个实验样机。仿真和实验的电路参数如表1所示。

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    仿真结果如图3所示,电路能够稳定工作。

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    图4为样机稳态工作时的部分波形图,包括开关管S1的驱动电压Vg、负载LED2的电流、二极管Dr2的电流,占空比约为0.6。图5为样机的输入电流和负载电流波形图。表2给出了不同负载电流时电路的均流误差。可以看出,均流误差保持在0.35%以下。

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4 结论

    通过理论分析、电路仿真和实验测试表明,本文提出的多通路LED均流拓扑结构使用元件数量较少、性能高,可以有效地实现多路LED负载的均流效果。

参考文献

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[2] CHENG Y K,CHENG K W E.General study for using LED to replace traditional lighting devices[C]//International Conference on Power Electronics Systems and Applications.2006:173-177.

[3] CHEN H,ZHANG Y,MA D.A SIMO parallel-string driver IC for dimmable LED backlighting with local bus voltage optimization and single time-shared regulation Loop[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(1):452-462.

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[9] WANG R,ZHANG J.A simple current balancing method for multi-output flyback LED driver[C]//Future Energy Electronics Conference.IEEE,2015.

[10] YU Y.Capacitor clamped current sharing circuit for multistring LEDs[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,61(5).

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