CN101668363A

CN101668363A - 高效率led驱动控制方法

Info

Publication number: CN101668363A
Application number: CN 200810042555
Authority: CN
Inventors: 范剑平
Original assignee: EMERAL TECH (JIAXING) Co Ltd
Current assignee: Suzhou Aoxite Electronic Science & Technology Co ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: CN101668363B

Abstract

本发明提出了一种对多路LED进行高效率调光驱动控制的方法，避免了传统方法中通过调节采取驱动控制管的管压降来保持各路LED电流相等的做法。而是利用对各路LED平均电流进行控制的方法使得驱动控制管在脉宽调光控制的导通期间处于全导通状态。通过LED导通占空比的调节变化来补偿LED导通电流的不均匀性最终达到各路LED平均电流相等的效果。这种驱动控制方案把驱动控制管的导通损耗降低到最低限度，从而实现了高效率的LED驱动控制，降低了驱动控制系统的成本，并大大地提高了系统的可靠性。本发明也同时提出了在脉宽调光控制过程中利用平衡变压器网络来均衡各路LED电流的方案。同样避免了使驱动控制管工作在线性导通状态的情形，同样实现了高效率、高可靠性的LED驱动控制。

Description

高效率LED驱动控制方法

背景介绍

发明所属领域

[0001]

本专利是属于发光二极管(LED)驱动控制领域里的一项发明，更具体地说是提供了一种高效率，低成本的多路LED的驱动控制方式。

相关的领域描述

[0002]

LED正在给照明领域带来一场革命性的变化。效率高，体积小，寿命长，无污染，以及伴随固体发光特性而来的机械可靠性，便携性等使得它在许多领域成为发光器件的最佳选择。尤其在背光领域如LCD显示器的背光照明等其效率高，体积小，寿命长等优点更使得超薄型，低功耗的高性能显示器成为现实。

[0003]

在较大尺寸的显示器背光照明应用中通常都采用多组LED串。每个串联组的LED个数一般在几个到十几个，这样工作电压可以控制在适当的范围，一般为几十伏(单个LED正向压降为3伏左右)。多组LED串的做法一方面可以保证整个发光面亮度均匀，同时也由于单个发光二极管功率有限。这些LED串可以采用每串单独供电或多串并联公用电源。因每串单独供电成本比较高，大多数应用都采用多串并联公用电源的方式，如图1所示。

[0004]

由于LED的正向导通压降有相当大的离散性，而且LED的正向电流电压特性为较陡的指数曲线，多串直接并联时各串电流会出现较大的差异以至于造成各串发光不均匀和寿命不一致。因此多串并联时需要加均流控制措施。目前最常用的做法是串联线性调节线路的闭环控制，如图1所示。图1中的MOSFET管Q1，Q2，......等就是调节控制元件。图1中R1，R2，......Rk为电流检测元件。检测到的电流信号I_SNS1......I_SNSk等反馈到误差放大器EA1，EA2，......EAk等通过和参考信号IREF进行比较来实现闭环控制。LED串的供电电压由另一个环路电流反馈信号进行控制。控制目标是保持能使最大正向压降的LED串维持设定电流的最小电压值。这样通过调节控制管来维持各串LED的电流相等。而背光系统的调光主要是采用脉宽控制方式，也即用改变LED导通的占空比来控制亮度。各串LED都工作在相同的占空比。

[0005]

很显然这种做法是把正向压降较低的LED串回路里多余的电压消耗在调节控制管上边。因此效率上会受损失。而且调节控制管上的功耗造成器件温度上升以及相应的散热要求，从而增加系统成本及机内温度并降低系统可靠性。从上述可见LED驱动方案的效率是提高系统性能和可靠性以及降低系统成本的关键因素之一。

本发明的总结

[0006]

综上所述，本发明的目的就是要提供一种高性能、高效率、电路简单而且成本低廉的多组LED驱动方案。本方案突破了传统的利用调节控制管的线性管压降来平衡LED串的瞬时电流而对LED串进行等占空比PWM控制的调光方式，采用LED串的平均电流控制方式。该方式利用各LED串的PWM占空比变化来补偿LED串电流的不均衡，使得调节控制管工作在饱和导通的开关状态，从而可以大大地提高LED驱动系统的效率和可靠性，并且降低产品的成本。

[0007]

本发明还提出了一种利用平衡变压器网络来保持LED串电流均衡，而对各LED串进行统一的PWM控制的驱动方案。该方案同样可以大幅度地提高LED驱动系统的效率和可靠性，并降低系统的成本。

附图说明

[0008]

图1所示为传统的LED驱动方案。

附图中的文字注释：

IREF---电流控制参考信号

I_SNS---LED电流反馈信号

PWM---PWM调光脉冲序列

EA---误差放大器

VDC+---LED供电电压

Q---调节控制管

R---LED电流取样电阻

LED---发光二极管

DC SUPPLY---直流供电

图2描述了本发明所采用的平均电流控制LED驱动电路结构。

附图中的文字注释：

REF---平均电流控制参考信号

I-SNS---LED电流反馈信号

EA---误差放大器

PG---PWM信号发生器

VDC+---LED供电电压

Q---调节控制管

R---LED电流取样电阻

Rf---低通滤波电阻

Cf---低通滤波电容

RAMP---锯齿波

LED---发光二极管

DC SUPPLY---直流供电

图3描述了实现平均电流控制占空比的功能模型。

附图中的文字注释：

REF---平均电流控制参考信号

D---占空比信号

I_SNS---电流反馈信号

IREF---电流控制参考信号

EA---误差放大器

A/B---除法器

X---乘法器

图4描述了利用平衡变压器网络来均衡LED电流的驱动方式。

附图中的文字注释：

IREF---电流控制参考信号

PWM---PWM调光脉冲序列

I_SNS---电流反馈信号

EA---误差放大器

T---平衡变压器

Q---PWM调光控制管

DD---续流二极管

R---LED电流取样电阻

I---电流

N1---变压器初级线圈

N2---变压器次级线圈

LED---发光二极管

DC SUPPLY---直流供电

发明的详细描述

[0009]

图2中所示为本发明的基本概念之一。与图1相比较不难发现图2中的电流反馈增加了一个由R_f1，C_f1......，R_fk，C_fk等所组成的低通滤波器。并且控制参考信也采用平均电流值REF＝D x IREF。由误差放大器EA(EA1......EAk等)所产生的模拟调节信号不是直接去控制调节控制管Q1......Qk等的电压降，而是和一个锯齿波通过相应的比较器PG(PG1......PGk等)进行比较后转换成PWM脉宽调节信号(D1......Dk等)去控制调节控制管的导通和截止。这样调节控制管就工作在开关状态，导通时处于全导通状态。因此管压降很低。而不是象图1那样导通时工作在线性状态，管压降随LED串的特性而变，而且通常大大高于图2的情形。

[0010]

在亮度控制方面图2的方法也可以达到和图1所示的传统方法一样的效果。图2中的低通滤波器R_f，C_f其实是一个积分电路。由此而得到的反馈到EA的反馈信号是LED串电流的平均值，也即LED电流和调节控制管工作占空比的乘积。这样虽然调节控制管只做开关控制而不去控制LED的瞬时电流值，但各LED串的平均电流被控制在同样的水平。在较大的范围内LED的发光亮度和电流大小基本上成正比，所以只要LED串的平均电流相等，其发光亮度也就相等。从而达到了在最低功耗的情况下有效地控制LED串均匀发光。在这种情形下LED串的直流供电电压可以采用和图1所示传统控制方法一样的控制规则，或者直接用一个固定的直流电压，只要保证正向工作电压最高的LED串能达到要求的工作电流值即可。

[0011]

上述概念的核心思想是用PWM调节方式直接控制LED的平均电流，既达到均匀发光的控制效果，同时也通过控制参考值REF的变化实现调光控制。除了图2所示的做法以外，这个概念也可以用其它多种方法来实现。图3描述了两种功能性框图。图3(a)所示为用调光控制参考信号REF直接除以LED电流信号I_SNS而得出所需要的PWM信号占空比D。框图中所示的除法功能既可以用模拟也可以用数字方法来实现。在实际应用中一般来讲直接的除法器功能比较难于直接实现，而采用乘法器的逆运算通常比较容易做。图3(b)所描述即为这种做法。在图3(b)中PWM占空比信号D和LED电流信号I_SNS相乘后做为反馈信号和调光控制信号REF相比较。PWM占空比信号D既是控制环节的误差放大器EA的输出，也是反馈环节的一个变量。图2所示电路其实就是这个概念的一种形式。R_f，C_f积分电路就相当于一个乘法器。除此以外这种概念也可以用数字电路或其它不同的形式来实现。这里不再一一赘述。

[0012]

本发明的概念除了能够大大地提高LED背光驱动系统的效率外，同时也可以大大地提高系统的工作可靠性，特别是当个别LED出现短路时。在传统的控制方案中一旦LED出现短路调节控制管上的电压降势必要增加以保持电流的平衡。这样必然要增加调节控制管的功耗并引起过热。为避免调节控制管过热损坏在器件选择或散热设计方面一定要留有足够大的余量，而且情况严重时必须要停止相应电路的工作以确保安全。在使用本发明概念的系统中当个别LED出现短路时该路的PWM工作占空比会随着LED电流的增加相应减小。整个LED串的平均电流维持不变，而且因为调节控制管工作在饱和导通的开关状态，其导通功耗的增加也并不显著。所以电路可以维持继续安全工作，而且在器件选择和散热设计方面也不需要留过大的余量，从而可以节约产品成本。

[0013]

图4所示为另一种高效率LED驱动的概念.如图中所示，所有的LED串并联在一起用一个功率开关管Q来进行PWM调光控制。显而易见在这种情况下LED串的PWM占空比都是一样的。LED串的电流则由T1，T2......Tk等所组成的平衡网络来实现。其平衡原理如下：

如图所示每个平衡所示的初级线圈和对应的LED串相串联，而所有平衡变压器的次级则互相按图中所标极性连接成一个串联闭合回路。对于每一个平衡变压器而言，其初、次级电流按照变压器原理应有如下关系式：

N₁I₁＝N₂I₂

式中N₁、N₂分别为平衡变压器的初、次级圈数，I₁、I₂为初、次级电流。因为所有变压器的次级线圈连接为一个闭合串联回路，所有的次级电流永远相等。这样如果所有的变压器初、次级圈数都相等，它们的初级电流也一定相等。而平衡变压器的初级线圈是和LED串联的，所以所有LED串的电流也就维持相等。这种方法实质上是通过平衡变压器的网络的电磁藕合作用来实现均流。在正常工作时初、次级电流所产生的磁动势大部分抵消，所以平衡变压器的工作磁通密度很低，损耗也相应很小。

[0014]

在上述方法中由于平衡变压器网络的自动均流作用，只要工作在同样的PWM占空比各LED串的发光亮度就自然均匀。所以只需要用一个功率开关对所有的LED串作PWM控制即可满足调光的要求，如图4所示。而且功率管在导通时也是处于饱和导通状态，因而损耗很低，也是一种高效率、低成本的控制方案。

[0015]

该方法需要注意的是平衡变压器不能工作在纯直流条件下。所以PWM调光的占空比不能达到百分之百。而且导通脉冲之间的间隔时间要保证平衡变压器工作磁通的复位到零。图4中的二极管DD既是专为平衡变压器的磁通复位提供通路而设。当Q关断时储存在平衡变压器中的电磁能量就通过DD和LED串逐渐衰减到零，为下一个导通周期做好准备。如前所述，平衡变压器的工作磁通密度很低，所以恢复时间也很短。

[0016]

这种方法对于LED短路同样具有很强的可靠性。在个别LED短路时平衡变压器网络仍能维持各LED串的电流均衡并可保持整个系统继续安全运行。但是在某个LED开路时其它LED串的电流也会受到影响。这是该方案的一个局限性。另一方面，当某个LED串开路时，由于在相应的平衡变压器中没有初级电流去抵消次级电流所产生的磁动势，该平衡变压器的磁通密度和初、次级电压都会升高。利用这一特性我们可以通过监测平衡变压器的次级电压来检测LED开路故障。

[0017]

以上段落详细地描述了本发明所提供的高效率LED驱动控制方法及工作原理。这种方案不仅工作性能好，而且控制线路简单，电路成本低，具有非常优良的实用价值。值得提醒的是，除了用于LED驱动控制外，本发明的概念也可以用于其它多路并联负载控制的应用。同时除了在本文图中所示的MOSFET器件，其它合适的功率器件也可以作为图示电路中的功率控制器件来实现同样的功能。本发明的概念可以用离散电路，也可以用集成电路来实现。

Claims

1、本发明所提出的在对同一电供电下的多路发光二极管(LED)进行脉宽式(PWM)驱动控制时，通道对各路LED的平均电流，也即各路LED在导通应用的电流和导通占空比的乘积来进行控制。

2、在进行声明1)、所描述的驱动控制时各路LED的驱动控制管在导通期间工作在全导通状态所保持最低导通损耗。各路LED的平均电流通过脉宽的调节变化来补偿导通电流的不均匀性。

3、各路LED的平均电流反馈信号通过如图二中所示的Rf、Cf积分电路来获取。

4、LED的导通占空比信号通过用平均电流指令除以LED导通电流值来获取。或如图三(b)中所示方法，在闭环反馈回路用LED电流和导通占空比相乘的乘法器来获取。上述算法可以用模拟，也可以用数字方法来实现。

5、各路LED的导通电流也可以在PWM驱动控制的过程中采用图四中所示的平衡变压器网络来实现平衡。在这种情况下，各路LED的导通和关断进行同步的操作。