Led驱动器及其控制器和控制方法

Led驱动器及其控制器和控制方法
【专利摘要】本发明公开了LED驱动器及其控制器和控制方法。该控制方法包括：根据不同结构的LED负载的伏安特性建立数据库；检测LED驱动器的输出电压和输出电流；将检测到的输出电压和输出电流与数据库中的数据进行对比，以判断LED负载的结构；以及根据判断出的负载结构调节LED驱动器的输出电流，使流过每一串LED的电流均小于其额定值。
【专利说明】
LED驱动器及其控制器和控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电子电路，尤其涉及LED驱动器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于高光效和长寿命，LED被认为是非常出色的照明光源。在过去十余年，其光效 不断提高，成本快速下降。
[0003] -个典型的LED照明方案由LED负载和驱动器组成，驱动器根据负载情况可能为多 路输出，也可能为单路输出。大多数应用中，LED负载包含有数十颗LED，这种设计有利于配 光。
[0004] 众所周知，流过单颗LED的电流必须要小于其额定值以避免其因过热而损坏。对于 多个LED，需要使流过LED的电流相同且小于额定值，这样有利于配光设计且保证了 LED的可 靠性。为了使流过LED的电流相同，将所有LED串联成一串是一个简单的解决方法。但是，在 功率稍大的应用中，LED数量较多，整串的电压可能太高而对爬电距离、绝缘以及驱动器的 优化带来不利影响。因此，LED负载常常被分成并联的多串，形成阵列结构。由于元器件的偏 差，阵列中不同串LED的伏安特性(V-I property)也不相同。故在阵列中，很多串中可能有 电流超过额定值的情形存在，这可能会造成该串损坏。
[0005] -种解决由于电流不均衡而造成各串电流过高的现有办法是对各串LED的电流进 行均流。如图1A所示，LED驱动器为AC/DC多路输出恒压源，每一串LED都带有一个后级调整 器(post regulator)。该后级调整器可以是有源电路(如线性电源或开关电源），可以是无 源电路(如电阻、电容或者耦合电感）。由于后级调整器的存在，流过各串的电流可以被平衡 且不超过LED的额定值。
[0006] 尽管多路输出均流的方案能很好地解决负载内部电流不均衡和过流问题，但是其 电路结构较复杂、成本较高、效率较低。因而在实际应用中，负载常常被设计成只有一个接 线端子的阵列式模组，而驱动器则被设计为没有后级调整器的单路输出恒流源，如图1B所 不。
[0007] -般情况下，驱动器输出的恒定电流需要被设计成保证负载中各串电流在稳态下 均小于LED的额定值，这可以被认为是驱动器与负载匹配的情形。但是当负载由于老化或其 他因素影响造成改变的情况下，有些串的电流可能超出额定值，使得驱动器输出的恒定电 流不再适合负载，导致驱动器与负载不匹配。这种情形可能会导致负载进一步失效，甚至由 于驱动器长时间工作在非最优态而缩短其寿命。

【发明内容】

[0008] 为了解决上述问题，本发明提出一种LED驱动器自适应负载匹配技术，使驱动器的 输出电流能根据负载结构进行自适应调整，以保证阵列式模组负载中各串电流都小于额定 值。
[0009] 根据本发明实施例的一种LED驱动器的控制方法，包括:根据不同结构的LED负载 的伏安特性建立数据库;检测LED驱动器的输出电压和输出电流;将检测到的输出电压和输 出电流与数据库中的数据进行对比，以判断LED负载的结构；以及根据判断出的负载结构调 节LED驱动器的输出电流，使流过每一串LED的电流均小于其额定值。
[0010] 根据本发明实施例的一种LED驱动器，包括:开关变换器，将输入信号转换为输出 电压和输出电流以驱动LED负载;存储器，记录不同结构的LED负载的伏安特性;数字控制 器，耦接至开关变换器和存储器，检测输出电压和输出电流，并将检测到的输出电压和输出 电流与存储器中的数据进行对比，以判断LED负载的结构，然后基于判断出的负载结构，调 节开关变换器的输出电流，使流过每串LED的电流均小于额定值。
[0011] 根据本发明实施例的一种用于LED驱动器的控制器，其中LED驱动器提供输出电压 和输出电流以驱动LED负载，该控制器包括:存储器，记录不同结构的LED负载的伏安特性； 数字控制器，耦接至存储器，检测输出电压和输出电流，并将检测到的输出电压和输出电流 与存储器中的数据进行对比，以判断LED负载的结构，然后基于判断出的负载结构，产生输 出电流参考电平；以及逻辑控制电路，耦接至数字控制器以接收电流参考电平，根据输出电 流参考电平产生控制信号以调节输出电流，使流过每一串LED的电流均小于其额定值。
[0012] 在本发明的实施例中，首先根据不同结构负载的伏安特性建立数据库，然后通过 检测LED驱动器的输出电流和电压，将其与数据库数据比较，判断出负载结构。最后，根据负 载结构调节LED驱动器的输出电流来实现自适应控制。通过这样的方法，在LED驱动器的运 行过程中，即使负载由于故障导致结构发生变化，LED驱动器输出也可以自适应匹配负载， 由此提高LED照明系统的可靠性。
【附图说明】
[0013] 图1A和图1B为现有LED驱动器的示意性框图；
[0014]图2为根据本发明实施例的LED驱动器控制方法的工作流程图；
[0015]图3为根据本发明实施例的LED驱动器300的原理性框图；
[0016]图4示出阵列式LED负载除开路与短路外的所有可能负载结构；
[0017]图5示出根据本发明实施例的LED负载结构的伏安特性工作曲线和稳态工作点确 定方法；
[0018] 图6为根据本发明实施例的LED驱动器300A的电路原理图；
[0019] 图7A-7C为三种示例性的LED负载结构3-SaB、SaC;
[0020] 图8示出根据本发明实施例的LED负载结构SaA、SaB、SaC的伏安特性工作曲线 CurveA^CurveB^Curvec；
[0021] 图9为根据本发明实施例的图6所示LED驱动器300A的工作波形图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例 说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特 定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发 明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0023] 在整个说明书中，对"一个实施例"、"实施例"、"一个示例"或"示例"的提及意味 着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。 因此，在整个说明书的各个地方出现的短语"在一个实施例中"、"在实施例中"、"一个示例" 或"示例"不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定 的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理 解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当 称"元件""连接到"或"親接"到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以 存在中间元件。相反，当称元件"直接连接到"或"直接親接到"另一元件时，不存在中间元 件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语"和/或"包括一个或多个相关列出的 项目的任何和所有组合。
[0024] LED照明系统中驱动器与负载一般有两种典型的失配情形。一种可称之为静态失 配情形，即驱动器上电起机前就与负载不匹配。例如，上电前负载中有些LED已经损坏，若驱 动器还是提供原有的输出电流，则两者不匹配。另一种可称之为动态失配情形，即驱动器上 电起机后，负载结构突变所导致与原有驱动器输出电流的不匹配。通常这种结构突变是由 负载中某些LED损坏或者运行过程中有老化等因素造成接触不良所引起的。以有多串LED的 阵列式模组负载为例，在驱动器输出电流恒定的情况下，若其中某一串开路，则其余串将承 担更大的电流，有可能超过额定值，缩短其寿命。上述两种情形在实际应用中对于LED照明 系统的可靠性均有负面影响，它们都是由驱动器输出的恒定电流不能根据负载结构变化调 整所造成的。
[0025] 为使驱动器能自动调整输出电流来匹配不同结构的负载，本发明提出了一种如图 2所示的LED驱动器自适应负载匹配技术，包括:步骤S201，根据不同结构负载的伏安特性建 立数据库;步骤S202，检测LED驱动器的输出电压和输出电流;步骤S203，将检测到的输出电 压和输出电流与数据库中的数据进行对比，以判断耦接至LED驱动器输出的负载的结构;步 骤S204，根据判断出的负载结构调节LED驱动器的输出电流，使流过每一串LED的电流均小 于其额定值。
[0026]图3为根据本发明实施例的LED驱动器300的原理性框图。其中开关变换器301将输 入信号转换为输出电压v。和输出电流i。以驱动LED负载。不同结构负载的伏安特性以数据库 的形式记录在存储器304中。数字控制器303检测输出电压V。和输出电流i。(例如，通过分压 器、采样电阻以及模数转换器等），并将检测得到的数据与存储器304中数据库的数据进行 比较，以判断LED负载的结构。随后，数字控制器303基于判断出的负载结构，通过逻辑控制 电路302调节控制开关变换器301的控制信号DRV，从而改变输出电流i。，使流过每串LED的 电流均小于额定值I rated，实现LED驱动器与负载的匹配。根据实际应用的不同，存储器304可 以如图3所示独立于数字控制器303之外，也可以与数字控制器303集成在一起。在某些特定 应用中，逻辑控制电路302甚至可以被省略，控制信号DRV由数字控制器303直接产生。
[0027]对于图3所示m行η列的阵列式模组负载，可以采用负载结构矩阵Sarray来表示其结 构：
[0029] 其中"&=1，2~，111，7=1，2~，11)表示阵列中位于第1行第 7列的1^的状态，& =0表示该LED失效(开路或者短路)而不再发光，sxy=l表示该LED正常工作。以m= 2、n = 2为 例
表示第2行、第2列的LED短路
表示第2串开路。
[0030] 根据穷举法，该mXn阵列的负载如果不计算整个负载短路和开路的结构，其所有 可能衍生的结构数量如图4所示，可表达为：
[0032] 对于某一结构&，其伏安特性可以表达为：
[0033] vi〇ad = hj(ii〇ad) (3)
[0034] 其中hj是结构Sj的伏安特性函数，11。3(1和￥1。3(1分别为结构3」的电流和电压，其具体 数据可参考LED的规格书进行推算，也可以根据测试得到。这样，阵列式模组负载的不同结 构以及对应的伏安特性可以以曲线上各点电压、电流的形式被记录在存储器304中，形成数 据库。为直观起见，负载结构的伏安特性曲线在此以图5中图形化方式表示。
[0035] 对于不同结构的负载，其所期望的稳态工作点，也就是LED驱动器的输出电压电流 也不一样。这些稳态工作点也可以数据的形式记录在前述数据库中。以图5为例，为保证负 载中每一串LED的安全，流过每串的电流不能超过单颗LED的额定值I rate3d。若在所有串中流 过第P串的电流最大，则只要保证该串电流^小于额定值Irated即可。为充分利用负载，得到 尽量大的光通量，可将负载的工作点（Ι〇，ν。)设计为使其中第p串的电流。等于额定值I rate3d。
[0036] 经过上述步骤，包含每个负载结构对应的负载结构矩阵、伏安特性曲线以及稳态 工作点的数据库可被建立。随后，LED驱动器可以通过检测其输出电压v。、电流i。，并将之与 数据库中的数据进行对比，来判断耦接至其输出端的负载的结构，并根据该结构的稳态工 作点来提供相应的输出电流。
[0037] 准确实现自适应负载匹配的前提是能够根据采样的输出电压、电流来判断负载结 构。但是实际应用中，在刚上电起机时，由于LED驱动器的输出电容较大，输出电压V。由零上 升到稳定通常需要一段时间。在这个时间段内，驱动器输出变化较大，因而采样准确度难以 保证，故驱动器在此期间内判断出负载结构较为困难。为了解决这个问题，可以将LED驱动 器的工作过程分为两个阶段一一启动(run-up)阶段和正常工作(burn)阶段，并在启动阶段 使LED驱动器的输出电流i。以固定步长逐步增大，以实现对输出电压和电流的准确检测。 [0038]由于高效率的特点，LLC谐振变换器常被用在LED驱动器中。以下以采用脉冲频率 调制(pulse width modulation，PFM)的LLC谐振变换器为例对本发明的自适应负载匹配技 术进行详细介绍。但本领域技术人员可以理解，这并非用于限制本发明，其他合适的拓扑结 构或控制方式也同样适用。
[0039]图6给出了根据本发明实施例的LED驱动器300A的原理图，包括前级的功率因数校 正(PFC)电路与后级的半桥LLC谐振变换器。LLC谐振变换器的谐振腔包含谐振电容Cr、谐振 电感Lr以及励磁电感Lm。电平Viref和Vvref分别是驱动器输出电流i。和输出电压V。的参考电 平，通过电压环和电流环实现恒压、恒流控制。
[0040] 微程序控制器(M⑶，micro control unit，例如单片机）用作数字控制器，其内部 存储器被用于储存负载结构相关数据。在工作过程中，驱动器的输出电压v。和输出电流i。被 MCU的模数转换器ADC1和ADC2实时采样，并与数据库中所存储的伏安特性曲线对比来确认 负载结构以及相应的稳态工作点。然后，MCU根据工作点提供相应的参考电平Virrf。逻辑控 制电路302A基于参考电平V iref，通过其中的误差放大器0Ρ_Ι、光电耦合器以及压控振荡器 (voltage-controlled oscillator，VC0)控制晶体管Ml、M2的开关频率，从而调节输出电流 i。并实现驱动器与负载的自动匹配。
[0041] 以下结合图7-9来说明图6所示驱动器的工作过程。
[0042]图7A-7C给出了三种LED负载结构，其中结构SaA是一个正常的LED负载，结构SaB和 SaC分别是有一个LED短路和开路的情况。假设每颗LED的伏安特性是相同的，则相应地可以 将三种结构的伏安特性曲线提供在图8中，分别为Curve A、CurveB和Curvec，其中点A、B、C分 别是这三种结构对应的稳态工作点。LED负载在驱动器刚启动时具有结构S aA。进入正常工作 阶段后，位于第X行第y列的LED发生短路，负载结构由SaA变为S aB，伏安特性曲线也由CurveA 变为Curves参见图9,驱动器的整个具体工作过程如下：
[0043] [t0~tl]:驱动器上电，输出电流为1。1<3此时驱动器中的LLC谐振变换器以最大频 率工作在间歇模式(burst mode)下。由于[t0~tl]对于采样足够长，驱动器中的MCU能够检 测到输出电压v。和输出电流i。，并将它们与数据库中的曲线CurveA、CurveB、Curvec进行比较 以判断负载结构。本例中，由于采样得到的输出电流电压（1。1，V〇i)位于曲线CurveA上，故驱 动器判断出负载结构S aA并选择该结构对应的工作点A作为输出的目标值。
[0044] [tl~t2]:输出电流i。以一个固定步长ΔΙ增大到Iq1+AI。
[0045] [t2~t4]:驱动器的输出电流i。继续以固定步长Δ I逐步增大。特别地，在[t2~ t3]时间段，LLC谐振变换器由burst模式进入连续工作模式，开关频率也开始下降。
[0046] [t4~t5]:驱动器的输出电流i。达到了目标值Ι〇Α并保持稳定，ν〇 Α、Ι〇Α分别为结构 SaA对应工作点Α的电压和电流值。
[0047] [t5~t6]:在t5时刻，由于有LED失效，负载结构变化，伏安特性曲线由CurveA变为 CurveB，输出电压V。由VoA变为V〇2。在此阶段，负载中可能有电流不平衡和过流现象存在，为 失配情形。
[0048] [t6~]驱动器确定负载变化后，将电流参考电平Viref调整，使输出目标值切换到 伏安特性曲线CurveB对应的工作点B，这样驱动器与负载又重新匹配。
[0049] 驱动器输出电流i。以固定步长逐步增大的[t0~t4]阶段就是前文所称的启动阶 段。由于这个控制策略，驱动器能够在刚起机时较准确地检测输出电压和电流，有利于准确 判断负载结构以解决静态失配情形。启动阶段的持续时间取决于采样速度、输出电容容值 以及驱动器的功率等级。
[0050] t4时刻后为正常工作阶段。进入该阶段后，输出电压V。和输出电流i。仍然被MCU采 样。如果负载突变，驱动器能够自动调整输出电流来匹配负载。
[0051] 前面介绍了建立负载结构数据库的方法，但是实际应用中，还要考虑负载伏安特 性偏差和温度造成的影响。式(3)为一个负载结构的伏安特性表达式。由于批量生产的单颗 LED的伏安特性彼此都有差异，故实际应用中式(3)也许不够准确。另外一个影响是负载的 伏安特性曲线会随着温度的变化而变化。由于这两种因素，在一些实施例中，需要对数据库 中的负载结构的伏安特性进行校准。
[0052]考虑到上述因素，式(3)中可增加一个偏差项Vdev和负载温度Tlciad。图6的示例电路 中，负载温度Tlciad被驱动器中的MCU所检测。修正后的式(3)表示为：
[0053] Vload-hj ( ? load , Tload ) | ^ Vjdev ( 4 )
[0054] Wdm的值源于产品说明书中数据的计算结果，或者来自同一负载结构下大量负载 的测试结果。该修正后的表达式表明，数据库中以负载伏安特性区域代替原来的负载伏安 特性曲线。若所测量的输出电压电流在该区域内，则可判断为该负载结构。这种做法也适合 软件操作，这是因为在测量误差的影响下，采样的输出电压电流刚好在负载伏安特性曲线 上是很困难的，更合理的程序处理方式是同样电流下，判断采样的电压是否超出伏安特性 曲线的范围，没有超出，则表示为该负载结构。
[0055] 理论上，所有LED负载结构的伏安特性都可以被计算或者测量出来。理想情况下， 数据库中包含的负载结构越多，驱动器可以匹配更多的负载，系统也更可靠。然而有两个因 素会影响数据库中所存储的负载结构数量。第一，根据式(2)，结构越复杂的负载，即m、n越 大，负载所包含的衍生结构就越多，这对建立数据库可能会带来非常复杂的计算与测量工 作，更复杂的结构也可能会有更多的结构误判情形。第二，有很多负载结构严重影响照明效 果，不宜勉强使用。由于这两个因素，数据库可以被简化为仅存储重要的负载结构。必须强 调的是，即使数据库的负载结构经过简化，驱动器也能够自适应判断一部分负载结构，与传 统的无自适应判断功能的驱动器相比，依然提高了照明系统的可靠性。
[0056] LED应用过程中，LED驱动器和阵列式负载的可靠性与两者间的匹配程度有关。对 于有固定输出电流的驱动器，当负载的伏安特性变化后，负载中可能存在电流不平衡和超 出额定值的现象，从而加速驱动器与负载的损坏。本发明提出的自适应负载匹配技术可以 使驱动器适应多种负载结构，改善上述问题，提高照明方案可靠性。虽然已参照几个典型实 施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本 发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不 限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入 权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种LED驱动器的控制方法，包括： 根据不同结构的LED负载的伏安特性建立数据库； 检测LED驱动器的输出电压和输出电流； 将检测到的输出电压和输出电流与数据库中的数据进行对比，以判断LED负载的结构； 以及 根据判断出的负载结构调节LED驱动器的输出电流，使流过每一串LED的电流均小于其 额定值。2. 如权利要求1所述的控制方法，还包括： 在LED驱动器刚起机的阶段，使LED驱动器的输出电流以固定步长逐步增大。3. 如权利要求1所述的控制方法，其中所述数据库中还记录有不同结构负载所期望的 稳态工作点，其中根据判断出的负载结构调节LED驱动器的输出电流的步骤包括:根据判断 出的负载结构所对应的稳态工作点设置LED驱动器的输出电流参考电平。4. 如权利要求1所述的控制方法，还包括： 参考LED的规格书进行推算，或根据测试得到不同结构负载的伏安特性。5. -种LED驱动器，包括： 开关变换器，将输入信号转换为输出电压和输出电流以驱动LED负载； 存储器，记录不同结构的LED负载的伏安特性； 数字控制器，耦接至开关变换器和存储器，检测输出电压和输出电流，并将检测到的输 出电压和输出电流与存储器中的数据进行对比，以判断LED负载的结构，然后基于判断出的 负载结构，调节开关变换器的输出电流，使流过每串LED的电流均小于额定值。6. 如权利要求5所述的LED驱动器，其中存储器与数字控制器集成在一起。7. 如权利要求5所述的LED驱动器，其中数字控制器基于判断出的负载结构产生输出电 流参考电平，该LED驱动器还包括： 逻辑控制电路，耦接至数字控制器以接收电流参考电平，根据输出电流参考电平产生 控制信号以控制开关变换器。8. 如权利要求5所述的LED驱动器，其中在LED驱动器刚起机的阶段，开关变换器的输出 电流被控制以固定步长逐步增大。9. 如权利要求5所述的LED驱动器，其中所述存储器中还记录有不同结构负载所期望的 稳态工作点，数字控制器根据判断出的负载结构所对应的稳态工作点设置LED驱动器的输 出电流参考电平。10. -种用于LED驱动器的控制器，其中LED驱动器提供输出电压和输出电流以驱动LED 负载，该控制器包括： 存储器，记录不同结构的LED负载的伏安特性； 数字控制器，耦接至存储器，检测输出电压和输出电流，并将检测到的输出电压和输出 电流与存储器中的数据进行对比，以判断LED负载的结构，然后基于判断出的负载结构，产 生输出电流参考电平；以及 逻辑控制电路，耦接至数字控制器以接收电流参考电平，根据输出电流参考电平产生 控制信号以调节输出电流，使流过每一串LED的电流均小于其额定值。
【文档编号】H05B33/08GK106028554SQ201610528530
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】胡进
【申请人】浙江大邦科技有限公司