一种电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路的制作方法

本发明涉及一种多通道LED驱动电源领域，特别是涉及一种采用电容阻抗平衡电流的多通道LED驱动电路。

背景技术：

LED具有高效率、长寿命以及节能等优点，在各种照明领域得到广泛应用。但由于LED本身的特性和封装技术，单颗LED灯珠所能提供的亮度受到一定的限制，需要通过增加LED灯珠数量来获得所需的亮度。

串联连接虽然可以保证流过各灯珠的电流相同，但在大功率场合下，有时需要几百瓦甚至更大的输出，灯珠的数量大大增加，很难获得一个较大的输出电压。采用多通道并联连接可以解决驱动电压过大的问题，而且方便后续维护，但为了达到一致的发光强度，各通道之间的电流差异以及系统的转换效率需要重点关注，

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路，用于解决大功率LED电源多通道输出电流的均衡和效率，保证各LED灯珠发光强度一致。

本发明采用以下技术方案实现。

一种电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路，其包括直流输入电源、半桥开关电路、谐振电感、谐振电容、并联电感、变压器、可变电容电路、平衡电容模块、LED灯串模块、反馈控制模块和恒频控制模块；所述半桥开关电路的第一个输入端连接直流输入电源的正极，第二个输入端连接直流输入电源的负极，两个输出端分别连接谐振电感和可调电容电路的一端，谐振电感的另一端与谐振电容的一端连接，变压器的初级侧与并联电感并联连接后的同名端与谐振电容的另一端连接，另一端连接到可变电容电路的另一端；LED灯串模块中n个LED灯串负载分别一对一地与平衡电容模块中的n个平衡电容串联后并联连接到变压器的次级侧，n≥1；恒频控制模块负责控制半桥开关电路中开关管的导通与关断，反馈控制模块采样变压器的次级输出电压和初级谐振电流，与所需的参考电压比较后产生控制可变电容电路中开关管的信号。

进一步地，半桥开关电路内部包括两个N沟道MOS开关管，即上开关管和下开关管；第一个二极管和第一个电容分别为上开关管的体二极管和输出电容，第二个二极管和第二个电容分别为下开关管的体二极管和输出电容；上开关管的漏极连接到直流输入电源的正极，源极与下开关管的漏极、谐振电感的一端连接，下开关管的漏极与直流输入电源的负极、初级地端连接，上开关管和下开关管的栅极分别连接到恒频控制模块的两个输出端。

进一步地，可变电容电路内部包括两个N沟道MOS开关管以及基准电容，两个N沟道MOS开关管为左开关管和右开关管；第三个二极管和第四个二极管分别为左开关管和右开关管的体二极管；左开关管和右开关管的漏极相连接，左开关管的源极与半桥开关电路中的下开关管的源极连接，右开关管的源极与变压器初级侧的另一端连接。

进一步地，平衡电容模块内部包括n个型号相同的平衡电容，n≥1，n个平衡电容的一端都与变压器次级输出的同名端连接，各平衡电容的另一端分别一对一地与LED灯串模块中各LED灯串负载的正输入端连接。

进一步地，LED灯串模块内部包括n组LED灯串负载，各灯串负载的负输入端均与变压器次级输出的另一端、次级地端连接。

进一步地，反馈控制模块的三个输入端分别为谐振电流采样端、变压器次级输出电压采样端、参考电压输入端，2个输出端分别与可变电容电路中两个开关管的栅极连接。

进一步地，恒频控制模块输出固定频率、固定占空比的控制信号给半桥开关电路，半桥开关电路对直流输入电源进行调节，输出周期性矩形波经过谐振电感、谐振电容、可变电容电路组成的谐振回路，由变压器耦合到次级输出，平衡电容模块和LED灯串模块组成n个LED灯串负载通道，由变压器的次级提供能量，恒频控制模块使半桥开关电路中两个开关管保持固定的开关频率，反馈控制模块通过采样变压器的次级输出电压和初级谐振电流，与所需的参考电压比较后产生控制可变电容电路中两个开关管的信号，调节可变电容电路的等效电容值，即调节回路的总谐振电容和谐振频率，根据电路的电压传递函数，次级输出电压也随之改变，最终得到各通道LED灯串负载所需的电流值。

如上所述，本发明所述的电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路，具有以下有益效果：

(1)电路采用半桥LLC谐振拓扑，在任何负载情况下均能实现软开关，较小开关管的开关损耗，提高电路的转换效率。

(2)采用固定谐振拓扑开关频率的方法，使各通道负载(包括平衡电容和LED灯串)特性保持不变，简化系统调节的复杂性。

(3)通过调节可变电容电路(4)的等效电容，从而改变系统的谐振频率，既能达到调节输出电压的功能，又能在负载开路时保证其它通道的电流值不变。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是本发明的恒频控制模块内部框图；

图3是本发明的反馈控制模块内部框图；

图4是本发明的LED灯串的连接示意图；

图5是本发明的一实施例的电路示意图；

图6是图5实施例中主要波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的有点和特征能更易于被本领域技术人员理解。

请参阅图1、图2、图3和图4，本发明实施例包括：

一种电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路，包括：直流输入电源Vin、半桥开关电路1、谐振电感Lr、谐振电容Cr、并联电感Lm、变压器T1、可变电容电路3、平衡电容模块5、LED灯串模块6、反馈控制模块3、恒频控制模块2。

如图2所示，恒频控制模块包括一个振荡器电路、2个放大电路、2个固定死区电路、2个缓冲器。振荡器电路的第一输出端与第一个放大电路OP1的输入端连接，放大电路OP1的输出端连接到第一个固定死区电路的输入端，固定死区电路的输出经过第一个缓冲器Buf1后作为恒频控制模块的第一输出端口VQ1，类似地，振荡器电路的第二输出端与第二个放大电路OP、第二个固定死区电路、第二个缓冲器Buf2依次串联后，作为恒频控制模块的第二输出端VQ2，两个输出端的信号在一个周期内相互对称，并且具有固定的相同死区。

如图3所示，反馈控制模块包括峰值检测电路、误差放大电路、第一比较器CMP1、锯齿波模块、第二比较器CMP2、过零检测电路、两个逻辑与门。电流采样端Isense与过零检测电路的输入端连接，过零检测电路的正输出端Vp、负输出端Vn分别与第一逻辑与门Gate1、第二逻辑与门Gate2的一端连接，两个逻辑与门的另一端均与第二比较器的输出端EN2连接，第一比较器CMP1的正输入端接地，负输入端与电流采样端经取绝对值后的输出连接，输出端EN1与锯齿波模块连接，控制产生的锯齿波连接到第二比较器CMP2的负输入端，电压采样端Vsense经峰值检测电路后与第一反馈电阻Rf1的一端连接，第一反馈电阻Rf1的另一端与误差放大器EA1的负输入端、第二反馈电阻Rf2的一端、第一反馈电容Cf1的一端连接，第二反馈电容Cf2的一端与第二反馈电阻Rf2的另一端连接，另一端与第二比较器CMP2正输入端、第一反馈电容Cf1的另一端、误差放大器EA1输出端连接，误差放大器EA1的正输入端与参考电压端Vref连接。

如图4所示，LED灯串负载包括整流桥电路、输出滤波电容、LED串。LED灯珠串联连接后的阳极、阴极分别与输出滤波电容Con的正极、负极连接，第一个二极管Dn1的阴极与第二个二极管Dn2的阴极、输出滤波电容Con的正极连接，阳极与第三个二极管Dn3的阴极连接后作为LED灯串负载的正输入端，第三个二极管Dn3的阳极与输出滤波电容Con的负极、第四个二极管Dn4的阳极连接，第四个二极管Dn4的阴极与第二个二极管Dn2的阳极连接后作为LED灯串负载的负输入端。输入信号经整流桥整流后由输出滤波电容Con稳压滤波，最后为LED灯串提供稳定的工作电流。

以3通道LED灯串为例，如图5所示。第一个平衡电容Cb1的一端与第一个LED灯串负载的正输入端连接，第二个平衡电容Cb2的一端与第二个LED灯串负载的正输入端连接，第三个平衡电容Cb3的一端与第三个LED灯串负载的正输入端连接，三个平衡电容的另一个均连接到变压器T1的次级输出同名端，三个LED灯串负载的负输入端均与次级地端连接。

当电路正常工作时，各LED灯串中的电流为

i_LEDn＝V_o/(X_cbn+R_LEDn)

其中，i_LEDn表示第n通道LED灯串负载的电流，Vo表示变压器T1的初级输出电压，X_cbn表示第n个平衡电容的阻抗，R_LEDn表示第n通道LED灯串负载的等效阻抗，X_cbn＝k*R_LEDn，k≥4。而平衡电容的阻抗与半桥开关电路的开关频率fs有关，为

本发明固定半桥谐振拓扑的开关频率，则平衡电容和LED灯串负载的等效阻抗均不变。电路的电压传递函数如下所示，

其中，XL_eq为负载等效到变压器T1初级侧的等效阻抗，X_Lm为并联电感Lm的阻抗，XL_eq||X_Lm表示两个阻抗的并联，X_Lr为谐振电感的阻抗，X_Cr为谐振电容的阻抗，X_{ca_eq}表示可变电容电路的等效阻抗，除X_{ca_eq}外，其余参数均为固定值，通过调节可变电容电路的等效电容值，即可得到所需的输出电压值。而可变电容电路的等效电容值为

其中，Ca为可变电容电路中的基准电容，θ为可变电容电路中两个开关管的导通角，π/2≤θ＜π。

参阅图6，通过第一通道LED灯串负载的电流与变压器T1的输出电压相位相差约90°，当各平衡电容取相同参数Cb时，各通道LED灯串负载的电流为

I_LED≈V_o·j2πfsCb

当某个通道LED灯串负载断开时，负载等效到变压器T1初级侧的等效阻抗发生改变，但通过调节可变电容电路的等效电容，使输出电压保持不变，即可保证其它通道LED灯串负载的电流值不变，避免损耗LED灯串。

综合上述，本发明所述的一种电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路，具有以下有益效果：1)电路采用半桥LLC谐振拓扑，在任何负载情况下均能实现软开关，较小开关管的开关损耗，提高电路的转换效率；2)采用固定谐振拓扑开关频率的方法，使各通道负载(包括平衡电容和LED灯串)特性保持不变，简化系统调节的复杂性。3)通过调节可变电容电路(4)的等效电容，从而改变系统的谐振频率，既能达到调节输出电压的功能，又能在负载开路时保证其它通道的电流值不变。

本领域技术人员应当理解，本发明所公开的一种电容阻抗平衡式多通道LED驱动电路，可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。