专利名称：基于快速反应能量平衡运算技术的led驱动方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种环境保护、节能减碳和太阳能储存领域的交流转直流之LED照明驱动技木，具体涉及ー种快速反应能量平衡运算技术得到高精确的LED驱动方法及其系统。
背景技术：
目前交流输入的LED照明系统中虽然LED颗粒的寿命相当长，但是系统首先损坏的往往是电解电容部分，这是因为LED照明系统运作温度过高且散热困难的关系，容易造成电解电容内部的电解液干涸和变质，失去电解电容应有的电荷能量储存的功能，尤其是发光设备的热源会持续发烫，特别在像球泡灯那样的小体积装置下面。这样会造成电解电容内部的电解液挥发使得电解电容和LED照明系统的寿命变得非常短，所以并不能发挥LED比传统灯管还要耐用的特点。这是目前LED照明设备的最大瓶颈之一。另外因为LED组件的劣化或者是输入电压和输出电压的变化，系统往往不能保持精确的二次侧电流定值，使得LED的亮度或者是照明均匀度变差。综上，下一代的照明设备为了提高能源的使用效率，世界各国纷纷规定了新一代的能量效能规范。为了能减低地球日渐枯竭的能源，高功率因数在照明系统中变得非常重要，但是如何能在简单的系统中就能达成功率因数的效果，也是ー个热门的研究主題。如图I所示，为传统的反激式系统技术，当控制LED控制开关Ql，Ql打开时，变压器主次侧Lp输入电流并储存能量；Q1关闭吋，二次侧电流才会输出给Vo的LED使用。在开关打开的时候，输出端的电感并不会提供电流，所以这个时候的电流由输出端的电容Cout来提供。图中Lp、Ls、La是变压器的三个端点，分别是Lp主次侧、Ls 二次侧及La辅助侧，其中La辅助侧可以用来检测输出电压Vo的信号。根据传统的系统LED控制开关Ql的打开控制是由晶振给定频的频率时钟，当频率信号给出时，开关打开。LED控制开关Ql的关闭信号是当输出比參考电压Vref高时，误差放大器EA输出COMP会上升，当COMP切到三角波后比较器CMP就会送出关闭信号，使得开关关闭。
但上述现有技术中所采用的输入端和输出端电解电容均有以下缺陷无法改善(—)输入端电解电容一般使用电解电容是因为电解电容的值比较大,在输入端如果不使用输入电容Cin的话(或者是很大的电解电容)，电容值不够储存较多的电荷能量，在图2中，输入端Vin会产生M型弦波，输入电压Vin会随着交流Va。信号而变化。因为输入的变化，控制器的波宽信号必须跟着输入电压的反比而变，会使得控制器的设计较不容易。尤其是在定频的系统中。所以输入端经常会使用电容是因为桥式整流后滤波将波形滤为接近DC值，较方便于反激式的控制器来控制。另外一方面，由于能量守恒的原理，系统的目的要使输出电压和输出电流是不变的。所以输入的平均电流必须与输入电压成反比。( ニ)输出端电解电容因为在反激式的控制中，LED控制开关Ql打开时，反激式的电流只会在主次侧，而辅助策并没有电流。而当LED控制开关Ql关闭时，辅助侧才会有电流供给。所以当开关打开，输出电流供给的中断半周期里，LED电流只能由二次侧输出端的电容Cout供给。如图I所示。所以一般来说，输出电容值越大，越可以克服当输入端开关打开时，二次侧短暂时间内没有电流供应的问题，输出端在没有电流供应的短暂时间内，可以由二次侧的电容暂时供给电流值。电解电容越小，二次侧输出电流涟波波形越差。这是因为大电容才有足够的储存电荷，用来支持半个周期内LED的电流使用。另外，基于因为能量守恒定理，输入功率Pin乘上效率Eff等于输出功率Pout，即Eff女Pin = Pout,上述的公式可以等效于输入电压Vin和输入电流Iin相乘,和输出电压Vo与输出电流Io相乘Eff * Vin * Iin = Vo * Io,所以输出电流Io就会等于Io = Eff女 Vin 女 Iin/Voo由上述的公式可以说明，输出电流要保持一个精确的定值，输出电压与输入电流的乘积，在与输出电压相除，必须被控制为一个定值。如果在每个周期都可以立刻实现这样的控制，那么的输出电流在ー个周期内就可以立刻实现高速输出电流自我平衡，且立刻反映输出入电压和输入电流的变化，使得整体系统效应变得异常优异。但是当输入跟着上述的三个变量(输入电压，输入电流和输出电压)变化的话，因为变量太多，使得系统的变化自由度有三维的变化，根据控制系统的理论，系统会发生不稳定的现象。所以本发明通过限定住另外两个变量自由度的变化，使得三个变量的三维的变化关系，变为只有一维的变化，完全解决不稳定的状态。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于快速反应能量平衡运算技术的LED驱动方法及其系统，实现输出信号随着输入电压变化并具有不同的脉冲波宽，控制输入电流达到的要求，并同时可以直接将输入的电容去除，系统会自动很快速的平衡波宽控制，而不会影响最后系统的输出电压以及系统反应时间。本发明的实现不需要大容值的电解电容，也能够使得LED照明系统更为可靠并且可以长时间地使用；同时具备功率因数 修正的功能，符合高瓦数的LED照明应用系统及新一代省电节能规范上的要求，非常适用于改善地球日愈衰竭的能源和恶化的生活环境。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种基于快速反应能量平衡运算技术的LED驱动方法，将照明系统的a)变压器主次侧输入功率估计均值与变压器二次侧输出功率估计均值的比较值，以及b)LED控制开关的源极电压与变压器主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号的比较值，生成脉冲幅度调制信号作用于LED控制开关的栅极实现开启和关闭的控制。所述的LED控制开关为N沟道增强型MOSFET管或NPN型双极结型晶体管。所述的变压器主次侧输入功率估计均值是指照明系统的变压器主次侧系统输入电压与LED控制开关的开关打开时间内输入电流估计值的乘积与三角波叠加后求平均。所述的输入电流估计值通过LED控制开关的源级电压经峰值电流检测和电流估计得到，具体通过测得输入电流峰值并乘以LED控制开关的打开时间得到ー个周期内输入电流的总量，然后除以整个LED控制开关的打开关闭周期以得到平均输入电流值。
所述的除以整个LED控制开关的打开关闭周期通过将输入电流的总量与三角波叠加，随着时间增加这个值会渐渐变大而剪短了开关关闭的时间，提早打开下周期开关，而间接实现对周期做除法的功能。所述的三角波的斜率同时可以用做系统电流斜率补偿，也可以用来作为频率的限制。所述的变压器二次侧输出功率估计均值是指照明系统的变压器从侧段系统输出电压与输出电流的乘积的积分后平均值。所述的变压器主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号是指系统输出电压经误差放大积分处理后与系统输入电压倍率相乘所得到的信号。所述的误差放大是指将系统输出电压与O. 5V參考电压比较所得差值。
所述的比较值是指比较两信号中的较大值。本发明涉及一种基于快速反应能量平衡运算技术的LED驱动系统，包括能量平衡逻辑模块、输入电流估计模块、功率平均估算模块和功率因数修正模块，其中能量平衡逻辑模块的输入端分别接收二次端输出功率信号、功率平均估算模块的输出信号、功率因数修正模块的输出信号以及LED控制开关的源极电压信号，能量平衡逻辑模块的输出端与LED控制开关的栅极相连并输出脉宽调制信号，功率平均估算模块根据主次侧系统输入电压与输入电流估计模块输出的输入电流估计值的乘积得到主次侧输入功率估计均值，功率因数修正模块根据系统输出电压和參考电压的差值以及系统输入电压得到主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号。所述的能量平衡逻辑模块包括两个比较器和ー个RS触发器，其中第一比较器的输入端分别接收功率平均估算模块的输出信号以及低通滤波后的二次端输出功率信号，第二比较器的输入端分别接收LED控制开关源级电压信号及功率因数修正模块的输出信号，两个比较器的输出端与RS触发器的输入端相连，RS触发器生成脉冲幅度调制信号并输出至LED控制开关的栅扱。所述的第一比较器的输出端与RS触发器的输入端之间设有或门逻辑开关，将第一比较器的输出信号与最大开关打开时间(Max-on-time)进行或运算，通过限制系统输出能量，保护系统对于突然间的高能量需求，提供限制以保护系统不至于烧毀。所述的输入电流估计模块包括电流峰值检测器和电流估计器，其中电流峰值检测器接收LED控制开关的源级电压信号经过峰值做取样处理后输出至电流估计器，电流估计器经过对采样后的源级电压信号峰值与开关打开时间的相乘处理后输出输入电流估计值与系统输入电压的乘积至功率平均估算模块。所述的功率平均估算模块采用以下三种结构中的任意ー种a)功率平均估算模块包括两个低通滤波器和ー个加法器，其中第一低通滤波器的输入端与输入电流估计模块相连并将输入电流估计值与系统输入电压的乘积输出至加法器得到输入功率估计值，加法器将三角波叠加至输入功率估计值实现求平均并输出主次侧输入功率估计均值至能量平衡逻辑模块；第二低通滤波器根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块。b)功率平均估算模块包括两个低通滤波器、ー个非门逻辑开关和ー个或门逻辑开关，其中第一低通滤波器根据系统输入电压与系统输入电流在电阻上的跨压值，即LED控制开关的源级电压的乘积输出至能量平衡逻辑模块；第二低通滤波器根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块；非门逻辑开关对LED控制开关的最大开关打开时间求反后通过或门逻辑开关与LED控制开关的最小开关时间求和并输出至能量平衡逻辑模块的第一比较器的输出端。c)功率平均估算模块包括两个采样保持电路和加法器，其中第一采样保持电路与输入电流估计模块相连并将输入电流估计值与系统输入电压的乘积输出至能量平衡逻辑模块；第二采样保持电路根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出至加法器，通过加法器将三角波反向叠加后实现求平均并输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块。d)功率平均估算模块包括采样保持电路和积分器，其中采样保持电路根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块；积分器与输入电流估计模块相连并将输入电流估计值与系统输入电压的乘积作为 主次侧输入功率估计均值至能量平衡逻辑模块。所述的功率因数修正模块采用以下两种结构中的任意ー种i)功率因数修正模块包括依次连接的误差放大器、RC阻尼器和乘法器，其中误差放大器将系统输出电压信号与參考信号的差值输出至RC阻尼器和乘法器，乘法器将差值与倍率输入信号相乘生成主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号并输出至能量平衡逻辑模块；ii)功率因数修正模块包括乘法器和设置于二次侧的线性调节器与光耦合器，线性调节器接收输入电压差值并输出不同大小电流至光耦合器，光耦合器接收电流后并输出转换电流对补偿电容做充放电形成控制增益信号至乘法器，乘法器将差值与倍率输入信号相乘生成主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号并输出至能量平衡逻辑模块。所述的LED驱动系统中还设有采样保持电路用于向输入电流估计模块以及功率因数修正模块提供系统输入电压信号及系统输出电压信号，该采样保持电路包括ー个分别与主次侧线圈以及二次侧线圈相耦合的辅助侧电感及与之相连的两个采样电阻，其中当开关打开时，主次侧电感跨压为输入电压对地，通过辅助侧电感与主次侧线圈的圈数比Na/Np乘上采样电阻Rsl和Rs2的电阻分压比得到输入电压Vin用于输出至能量平衡逻辑模块；当开关关闭时，通过辅助侧电感与二次侧线圈的圈数比Na/Ns乘上采样电阻Rsl和Rs2的分压比得到输出电压Vo用于输出至能量平衡逻辑模块。本系统通过以下方式进行工作输入电压检测模块输出Vin与输入平均电流估算电路输出的Iinx相乘后的信号Vin女Iinx，输入能量平衡逻辑模块并且经由内部电路取得输入电流平均Iin_avg ;输出电压检测模块输出Vo与常数相乘后结果输入能量平衡逻辑模块；误差放大器根据Vs得到输出电压Vo和O. 5V參考电压相比较后输出信号C0MP，决定出是否需求能量，当能量不够则COMP就会上升，对应得到较大的LED控制开关Ql的打开信号，即功率宽度调制信号GD ;反之得到较小的LED控制开关Ql的打开信号。当误差放大器的输出信号COMP乘上输入电压的弦波信号则得到ー个具有弦波轮廓的參考波形，可用来控制LED控制开关Ql关闭的时间点。本发明通过全新的能量控制方式，同时控制主次侧电流周期与电流顶点。并且提出了快速的运算方式，可以自动对应输出入电流电压的变化而均衡短时间的二次侧输出电流变化，以达到ー个快速精确电流定值输出，同时系统还可以达到高稳定度。同时，本发明藉由快速运算的方式，同时还能整合功率因数修正功能，也能提供ー个直接去除掉所有电解电容的关键技木。电路也不需要多余的复杂控制，还能保持高度稳定的控制。使用相当精简的控制就可以达到很高的功率因数修正值，使用反激式的结构就可以达成功率因数修正PFC > 99%的结果；并且保有快速反应和功率因数修正的功能。并且使系统组件数量变到最低。有益效果 本发明控制技术的有益效果是，提出了快速反应的LED控制器，可以得到I)良好的反应速度，并且保持系统稳定。所以输出电流无论系统如何被扰动都可以快速的回复为定值。2)高功率因数输出，并且符合新一代的LED照明规范。3)可取消输入和输出的电解电容的使用，并且保持输出电流稳定的质量。使LED照明系统的长时间使用成为可能。
图I是传统反激式控制的技术示意图。图2是本发明实施例I结构示意图。图3是输入电压与输出电压的检测方法示意图。图4是输入电压与输出电压的检测示意图。图5是本发明实施例2结构示意图。图6是本发明实施例3三种变型示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I如图2所示，本实施例能够同时控制输入电流的顶点以及系统开关的周期，使得LED的驱动器，除了得到精确的输出电流外，还可以使系统快速反应外界的电压电流条件变化。系统会运算输入电压，输出电压以及输入电流三维变量，运算结果可以控制输入电流的顶点以及系统开关的周期，使得输出电流保持精准定值，藉由控制器将三维变量的控制加入两项限制，不但可以快速反应三维变量的变化，还保持了系统控制的稳定度。特点是不论各种外部条件的变化，都可以控制整个短时间内周期的输出电流变得相当平均。如图2所示，电流默认定值Io为系统芯片内部已固定的预先设定值。输出的电流值可以由Io值和外挂电流侦测电阻RCS值決定。系统的快速反应效果，除了使得系统性能变得非常优异，可以快速反应而自动控制使得最近几次周期内二次侧LED电流保持定值，所以还可以将大容值的电容都移除棹。并且因为系统会针对输入电压做快速运算，所以可以很容易的把功率因数修正给整合进去。本实施例利用了新式的系统结合了快速能量运算的控制与功率因数控制。如图2所示，输入电压检测模块出Vin与输入平均电流估算电路的结果Iinx相乘后的信号Vin * Iinx，输入能量平衡逻辑模块。另外输出电压检测模块出Vo后，与常数相乘。然后结果输入能量平衡逻辑模块，最后能量平衡逻辑模块会决定出开关的打开时间并且平均输入电流值。也就是决定了定整个系统的周期时间。如图2所示，检测电路由Vs得到的输出电压，和内部的O. 5V參考电压相比较后，控制着误差放大器，误差放大器的输出C0MP，决定出是否需求能量，如果能量不够COMP就会上升而得到较大的LED控制开关Ql打开信号，即功率宽度调制信号GD，反之得到较小的LED控制开关Ql打开波宽时间GD。COMP信号乘上输入电压的弦波信号，得到ー个具有弦波轮廓的參考波形。并且用来控制LED控制开关Ql关闭的时间点。决定后将信号送入开关 打开的长度。同时达到高功率因数。系统同时由输入电压,输入电流,输出电压来控制输出电流为定值，三个变量可以立刻反应在波宽以及周期上。使得快速变化成为可能。如图3所示，为本实施例中的输入的电压与输出电压可以由采样保持电路中的Vs的电压得到，开关打开时，主次侧电感跨压为输入电压对地，输入电压可以由辅助侧可以经由圈数比Na/Np乘上电阻Rsl和Rs2的电阻分压比得到。S/Η是采样与保持电路。因为每个周期Vs的信号都会变化，所以只能在噪声比较小的时候采样并且保持整个周期给后面的控制电路做运算。当开关关闭时，输出电压由辅助侧可以经由圈数比Na/Ns乘上电阻Rsl和Rs2的分压比得到。另外输入电流的部分当LED控制开关Ql打开时，LED控制开关源级电压Vcs的电压会反映输入电流的大小，输入电流值的峰值的大小可以被系统上的输入电流侦测电阻Rcs设定,设定值为Iin_peak = Vcs/Rcs,其中Iin_peak为输入电流值的峰值,所以观察Vcs可以取得当时输入电流的值以及电流的峰值。但是因为输入电流只有当开关打开的时候才会流动，并且是保持一个上升的三角波波形。并且在当开关关闭的时间里，输入电流就会截止。所以必须把整段电流做一个积分来取得平均的输入电流。如图4所示，周期信号Ts与开关打开时间Ton，可直接从系统内部获得，藉由电流最大值检测器采样了输入电流极值(I_peak Detector电路)。图4中的ニ极管和电容形成了一个电流顶点检测采样器。然后乘上开关打开时间Ton，并且对之电路除上周期平均值。为了系统电路的简化，所以会先将还没平均的电流先和电压做乘法。周期平均的除法运算的部分会在图2的补偿斜坡里做处理，然后就会得到平均输入电流值。然后在图2的系统中，直接用斜率补偿的方法把除法运算一起处理，以节省电路面积。如图2中的三角波方框内所示。根据这样的系统可以很容易的将所以变化一起反应在Ton的时间里。当得到输入电压，输出电压以及平均的输入电流值后。电路上的实现是如图2中，使用ー个第一比较器CMPl的两端,处理Vin * Iin_avg与Vo * Io能量相等的运算。其中Iin avg为输入平均电流。当第一比较器CMPl输入正负极两边相等时，得到信号(SI)打开开关，切換开关控制输入电流Iin的平均值Iin_avg。使得能量相等，达到控制输出端电流为定值。最后得到一个输出打开的时间。开关的打开时间由能量来决定，所以LED控制开关Ql的控制信号GD的周期长度与输入电压的高度会成正比。由上面描述可以发现，系统在ー个LED控制开关Ql打开的时间控制上，同时反映了输出电压，输入电压与输入电流变化。当上述三个变量有发生变动时，系统立刻反映在开关的控制上，所以反应是相当及时快速的。另外在图2中，最大开关打开时间(Max-on-time)控制信号可以限制系统输出能量，可以保护系统对于突然间的高能量需求，提供限制以保护系统不至于烧毀。另外一方面，在输入检测电路得到的输入电压的值，可以拿来作为功率因数修正模块的输入信号来使用，它可以是ー个弦波波型电压也可以是ー个接近直流的电压。
如果将电容Cin去除，输入电压信号就会是ー个弦波信号，输入电压Vin上Ka的比例与辅助侧的分压电阻Rsl与Rs2有夫。这个Ka * Vin的弦波信号与误差放大器EA的输出COMP相乘得到另ー个近似弦波的信号Vm，如图2所示。Vm用来当作输入电流高度的轮廓控制信号，控制LED控制开关Ql的关闭信号R1。如此，输入的电流将会近似输入电压信号，也就可以达成高功率因数的功能了。在提出的新的控制方式中，开关的打开时间由能量来决定，而开关的关闭时间由功率因数修正的控制来決定。输入电压，输出电压以及平均的输入电流值的三个信号会在SR的正反器上面得到ー个波宽调变信号，正反器S端的信号是相关于这三个变量的控制与波宽信号GD的限制关系，而正反器的R端是相关输出电压Vo与波宽信号GD的限制关系，这是三个变量之间的第一个限制。使得控制系统由三维变量变为两维度。另外第一比较器CMPl控制输入能量等于输出能量所以又可以得到另ー个限制条件，并且在时间上控制限制了输出入能量相等的时间点，结合到输出波宽GD的控制。使得系统变量有由两维变量转为ー维变量，使得系统完全稳定。因为输入电压Vo信号和Vin信号和Iin信号会随着每次侦查的误差会产生ー些差异，这些值会造成LED控制开关Ql在时间上，每个周期相较下发生的抖动，所以使用了低通滤波器来减缓乘积(Vin * Iin_avg和Vo * Io)的变化。另外在第一比较器CMPl的负极，低通滤波器结合了三角波的相加，而提供了平均周期的功能。三角波的使用除了使得一般电源设计上，电流模式控制的斜率补偿得以实现，并且同时实现了周期信号平均功能，因为给了系统时间上的限制，所以最后还得到了系统的控制稳定性。当输入电源Vin信号接近ー个M型弦波，利用这个特性在控制器中提供了ー个功率因数修正的功能。输出端藉由快速系统反应，所以可以使得系统快速稳定控制输出电流为ー个定值，并且去除输出端电解电容。进而本系统可以完全省去LED驱动系统上的所有大容值的电解电容。输入端以及输出端的电解电容是LED系统中很大的瓶颈，电解电容在高热下的寿命会大大降低。所以如何在不使用电解电容的情况下还可以得到良好的LED驱动系统的性能表现，是ー项很大的挑战。本实施例应用快速的能量平衡的计算控制方式，快速反应上个周期缺少的能量，并且会快速在下周期提供所需的电流值，所以可以使得输出电流在很短的时间内就可以达到平衡的控制。因此也不需要有大大的电容值的电容。因为能量会被快速计算并且快速反应在系统能量供应上，所以可以藉此性能来去除掉输出端电容。所以在输出端的电容可以用比较小的容值的陶瓷电容取代，因为的技术会平衡ー个短时间的平均输出电流，所以不需要大型电解电容来平衡长时间的二次侧电流的不均衡，解决了输入也去除电解电容的问题，使得输出电容的容值变小成为可能。实施例2如图5所示为本实施例的另ー个应用，与实施例I相比，本实施例除了应用在如图2的主次侧控制反激式电源转换器以外，也可以应用在高功率下的二次侧光耦回授控制类型的反激式电源转换器中。本实施例中，增设乘法器的同时将设置于二次侧的线性调节器与光耦合器取代图2中的误差放大器，其中线性调节器接收输入电压差值并输出不同大小电流至光耦合器，光耦合器接收电流后并输出转换电流对补偿电容做充放电形成控制增益信号COMP至乘法器，乘法器将差值与倍率输入信号相乘生成主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号并输出至能量平衡逻辑模块。 本实施例通过另ー种形式使得输出电压更为准确。实施例3如图6-1所示，本实施例与实施例I相比，第一比较器CMPl输入的输入开关打开时间的电流Iinx由LED控制开关源级电压Vcs来取代，因为Vcs除了有输入电流的信息，同时也有随着时间增加而增加的特性，等同一个三角波而做出除与整个周期时间的效果，所以也可以得到与图2相同的控制功能。进ー步地，如图6-2所示，还可以在第一比较器CMPl的两个输入端上均设置采样保持电路，并以经采样保持后的输出电压Vo与输出电流Io的乘积与斜率补偿信号相減作为第一比较器CMPl正极输入，将采样保持后的输入电压Vin和得到的输入平均电流Iin_avg的乘积作为第一比较器CMPl的负极输入。上述的采样保持电路也可以用相同功能的低通滤波器LPF替换。功能是ー样的。除上述以外，如图6-3所示，还可以在第一比较器CMPl的两个输入端上分别采样保持电路和积分器，并以经采样保持后的输出电压Vo与输出电流Io的乘积作为第一比较器CMPl正极输入，将积分后的输入电压Vin和Iinx的乘积作为第一比较器CMPl的负极输入。本实施例通过另ー种形式使得输入电流的平均值的计算更为准确。综上两个实施例，本发明技术具有以下技术进步(一 )对于输出入电压变化，都可以达到LED驱动电流的高精准度与快速反应利用了新式的系统结合了快速能量运算的控制与功率因数控制，可以快速反应而自动控制使得最近几次周期内二次侧LED电流保持定值。无论是输入电压变化，输出电压变化，或者是输出电流发生变化时，都可以快速反应将输出电流控制回到准确的定值上。特点是不论各种外部条件的变化，都可以控制整个短时间内周期的输出电流变得相当平均。( ニ)符合照明设备得功率因数修正的节能规范由于系统反应快速，所以系统可以根据输入电压的变化，迅速修正系统输入电流值，所以很容易的整合了功率因数修正的功能进入系统控制中。尤其是使用相当精简的控制就可以达到很高的功率因数修正值。可以在反激式结构中使得功率因数大于99%。(三)省略所有LED驱动系统上的电解电容
电解电容的使用严重影响LED照明设备的使用寿命，应用新式的能量平衡的控制方式，可以控制整个短时间内周期的输出电流变得相当平均，使得输出电流在很短的时间内可以达到平衡的控制，输出电流控制可以达到在短时间相当的准确而不需要额外的大输出电容，使得输出电解电容可以移除。另外由于整合了输入电压信号，所以系统可以快速反应输入电压的变化，使得输入的大电解电容也同时可以移除。所以新式系统可以完全去除掉输入以及输入电解电容。实现系统的高可靠度。本系统采用新的结构及其系统，达到快速反应输出入电压和电流，并且系统具有高稳定度；能够快速精确调整二次侧输出电流值。不论输出入电压变化，或者是输出电流变化，都可迅速将输出电流控制回精确的定值；同时整合功率因数修正，使用相当精简的控制 就可以达到很高的功率因数修正值。在反激式结构中能使PF >99% ;可以同时移除输出与输入的电解电容，使得系统组件变到最低。
权利要求
1.一种基于快速反应能量平衡运算技术的LED驱动方法，其特征在于，将照明系统的 a)变压器主次侧输入功率估计均值与变压器二次侧输出功率估计均值的比较值，以及 b)LED控制开关的源极电压与变压器主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号的比较值， 生成脉冲幅度调制信号作用于LED控制开关的栅极实现开启和关闭的控制。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的LED控制开关为N沟道增强型MOSFET管或NPN型双极结型晶体管。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的变压器主次侧输入功率估计均值是指照明系统的变压器主次侧系统输入电压与LED控制开关的开关打开时间内输入电流估计值的乘积与三角波叠加后求平均。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的输入电流估计值通过LED控制开关的源级电压经峰值电流检测和电流估计得到。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的变压器二次侧输出功率估计均值是指照明系统的变压器从侧段系统输出电压与输出电流的乘积的积分后平均值。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的变压器主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号是指系统输出电压经误差放大积分处理后与系统输入电压倍率相乘所得到的信号。
7.一种基于快速反应能量平衡运算技术的LED驱动系统，其特征在于，包括能量平衡逻辑模块、输入电流估计模块、功率平均估算模块和功率因数修正模块，其中能量平衡逻辑模块的输入端分别接收二次端输出功率信号、功率平均估算模块的输出信号、功率因数修正模块的输出信号以及LED控制开关的源极电压信号，能量平衡逻辑模块的输出端与LED控制开关的栅极相连并输出脉宽调制信号，功率平均估算模块根据主次侧系统输入电压与输入电流估计模块输出的输入电流估计值的乘积得到主次侧输入功率估计均值，功率因数修正模块根据系统输出电压和參考电压的差值以及系统输入电压得到主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号。
8.根据权利要求7所述的驱动系统，其特征是，所述的输入电流估计模块包括电流峰值检测器和电流估计器，其中电流峰值检测器接收LED控制开关的源级电压信号经过峰值做取样处理后输出至电流估计器，电流估计器经过对采样后的源级电压信号峰值与开关打开时间的相乘处理后输出输入电流估计值与系统输入电压的乘积至功率平均估算模块。
9.根据权利要求7所述的驱动系统，其特征是，所述的功率平均估算模块采用以下两种结构中的任意ー种 a)功率平均估算模块包括两个低通滤波器和ー个加法器，其中第一低通滤波器的输入端与输入电流估计模块相连并将输入电流估计值与系统输入电压的乘积输出至加法器得到输入功率估计值，加法器将三角波叠加至输入功率估计值实现求平均并输出主次侧输入功率估计均值至能量平衡逻辑模块；第二低通滤波器根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块； b)功率平均估算模块包括两个低通滤波器、一个非门逻辑开关和ー个或门逻辑开关，其中第一低通滤波器根据系统输入电压与系统输入电流在电阻上的跨压值，即LED控制开关的源级电压的乘积输出至能量平衡逻辑模块；第二低通滤波器根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块；非门逻辑开关对LED控制开关的最大开关打开时间求反后通过或门逻辑开关与LED控制开关的最小开关时间求和并输出至能量平衡逻辑模块的第一比较器的输出端； c)功率平均估算模块包括两个采样保持电路和加法器，其中第一采样保持电路与输入电流估计模块相连并将输入电流估计值与系统输入电压的乘积输出至能量平衡逻辑模块；第二采样保持电路根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出至加法器，通过加法器将三角波反向叠加后实现求平均并输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块； d)功率平均估算模块包括采样保持电路和积分器，其中采样保持电路根据系统输出电压与系统输出电流预设定值的乘积输出二次侧输出功率估计均值至能量平衡逻辑模块；积分器与输入电流估计模块相连并将输入电流估计值与系统输入电压的乘积作为主次侧输入功率估计均值至能量平衡逻辑模块。
10.根据权利要求7所述的驱动系统，其特征是，所述的功率因数修正模块采用以下两种结构中的任意ー种 i)功率因数修正模块包括依次连接的误差放大器、RC阻尼器和乘法器，其中误差放大器将系统输出电压信号与參考信号的差值输出至RC阻尼器和乘法器,乘法器将差值与倍率输入信号相乘生成主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号并输出至能量平衡逻辑模块； )功率因数修正模块包括乘法器和设置于次侧的线性调节器与光耦合器，线性调节器接收输入电压差值并输出不同大小电流至光耦合器，光耦合器接收电流后并输出转换电流对补偿电容做充放电形成控制增益信号至乘法器，乘法器将差值与倍率输入信号相乘生成主次侧输入电流的幅度轮廓控制信号并输出至能量平衡逻辑模块。
全文摘要
一种环境保护、节能减碳和太阳能储存领域的基于快速反应能量平衡运算技术的LED驱动系统，包括能量平衡逻辑模块、采样保持电路、输入平均电流估算电路和功率因数修正模块，采样保持电路和输入平均电流估算电路的输出端分别与能量平衡逻辑模块相连并用于生成LED控制开关的打开信号，实现LED控制开关的打开时间由能量平衡点控制；采样保持电路和功率因数修正模块的输出端分别与能量平衡逻辑模块相连并用于生成LED控制开关的关闭信号，实现LED控制开关的关闭时间由功率因数修正的电流值控制。本发明实现输出信号随着输入电压变化并具有不同的脉冲波宽，可快速控制输入电流达到的要求，并同时在输入端与输出端不需要使用大容值的电容。
文档编号H05B37/02GK102711330SQ20121017704
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者不公告发明人 申请人:耀发电子股份有限公司