可调光led驱动器及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于通过配置为生成预定导通角（θ）的调光器（1）来运行的可调光LED驱动器。可调光LED驱动器包括：整流器（2），配置为将调光器输出的交流转换为直流；降压型PFC组块（3），配置为调整直流的输出电压，以获得稳定的输出电压（V_buck）；第二降压型DC/DC组块（4），配置为在实现稳定输出电压（V_buck）之后实现恒定电流的输出；调光组块（5），配置为在实现恒定电流的输出之后与第二降压型DC/DC组块（4）共同完成调光功能；以及，MCU（6），配置为控制降压型PFC组块（3）、第二降压型DC/DC组块（4）和调光组块（5）。另外，本发明还涉及一种用于控制上述类型的可调光LED的方法。
【专利说明】可调光LED驱动器及其控制方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可调光LED驱动器和用于控制所述可调光LED驱动器的方法。
【背景技术】
[0002]在当前发光装置中，LED发光系统的使用越来越多。在市场需求和能级调节下，出现高PF和高效率的可调光LED驱动器。但是，市场上具有高性能的可调光LED驱动装置在某种程度上存在以下问题:a)使用很多控制芯片和复杂的外部电路，以满足LED驱动的设计要求；b)某些可调光驱动器使用单级PFC控制芯片，但可能会因此出现闪烁，并且LED会负载大量低频(100Hz/120Hz)波纹电流，因此，需要使用大输出电容器，以降低波纹电流的影响，但这又增加了整个驱动器的体积和成本，占据较大结构空间；c)应用于LED驱动的传统升压型(BOOST) PFC+DC/DC结构效率不高，因为其输出从非常高的电压(升压型(boost)PFC的输出电压通常为400V)变为非常低的电压。另外，PFC和第二 DC-DC需要使用高压额定部件，这增加了成本；d)传统平均调光会影响光学效果并造成色温变化，并影响LED的发光质量；以及e)缺乏可扩展性，难以满足增加的新市场需求，例如，智能控制和混色。
[0003]目前，市场上有许多可调光LED驱动系统，用于解决相关问题。例如，IWATT的可调光LED驱动芯片IW3610使用非常少的零件解决了调光器匹配和频繁闪烁的问题。该驱动芯片使用升压型(BOOST) PFC+反激式结构，但无法平衡效率和高PF值的状态，也无法实现PWM调光。另一种解决方案采用单级反激式LED驱动器，可以低成本实现高PF，例如，功率集成公司的调光LED驱动芯片LNK306PN和英飞凌公司的ICL8001。但LED应负载相当于额定电流的一倍或两倍的商用电力频率的波纹电流，这严重影响了 LED性能，调光过程中也容易出现频繁闪烁。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供了一种可调光LED驱动器和用于控制该驱动器的方法。
[0005]本发明的第一目的通过以下可调光LED驱动器实现。该驱动器适用于通过配置为生成预定导通角的调光器来运行，其中，可调光LED驱动器包括:整流器，用于将调光器输出的交流转换为直流；降压PFC组块，用于调整直流的输出电压，以获得稳定输出电压；第二降压DC/DC组块，用于在实现稳定输出电压之后实现恒定电流的输出；调光组块，用于在实现恒定电流的输出之后与第二降压DC/DC组块共同完成调光功能；以及，MCU，用于控制降压PFC组块、第二降压DC/DC组块和调光组块。根据本发明的可调光LED驱动器采用双降压结构，两次降低输出电压，从而获得较高效率。LED的电流由降压型DC/DC组块控制，工作频率较高(>100Khz )，没有低频波纹电流流经LED，并且不会由于大量低频波纹电流而出现闪烁问题；另外，与LED并联的电容器非常小，显著降低了整个驱动器的成本和体积。另外，由于降压型PFC组块将AC电压转换为电压非常低的稳定DC电压，对于第二降压型DC/DC组块，没有必要使用电压非常高的功率元件，这样能降低成本，增加效率。另外，本发明中使用了 PWM调光模式，流经LED的峰值电流没有变化，并且不会影响光学效果，不会产生色温变化。此外，在根据本发明的可调光LED驱动器中，仅使用单个控制组块控制所有组块，大大简化了电路，增加了灵活性，控制组块的智能化和灵活性使功能扩展变得非常容易。
[0006]优选地，根据本发明，MCU根据降压型PFC组块的输出电压的第一取样电压的取样值与设置的参考值之间的误差调整输出的PWM PFC信号的占空比，以实现稳定的且符合参考值的输出电压(V_buck)。由于降压型PFC组块将AC电压转换为电压非常低的稳定DC电压，对于第二降压型DC/DC组块，没有必要使用电压非常高的功率元件，这样能降低成本，增加效率。
[0007]优选地，根据本发明，MCU在获得稳定输出电压之后生成PWM调光信号和PWM降压信号，根据PWM降压信号控制第二降压型DC/DC组块，以实现恒定电流的输出，同时根据PWM调光信号控制调光组块， 并与第二降压型DC/DC组块共同实现调光功能。在这种PWM调光模式下，流经LED的峰值电流没有变化，不会影响光学效果，不会产生色温变化。
[0008]根据本发明，MCU包括ADC、CPU、PWM PFC单元、PWM降压单元、PWM调光单元和比较单元，其中，ADC与CPU的输入端连接，CPU的输出端与PWM PFC单元、PWM降压单元、PWM调光单元的输入端连接，而PWM降压单元的另一个输入端与比较单元的输出端连接。仅使用单个控制组块控制所有组块，大大简化了电路，增加了灵活性，另外，控制组块的智能化和灵活性使功能扩展变得非常容易。
[0009]根据本发明的一个优选解决方案，降压型PFC组块包括第一 M0SFET、第一 MOSFET驱动器、第一滤波电感器、第二二极管、第一储能电容器、第三电阻器和第四电阻器，其中，第一 MOSFET驱动器具有与PWM PFC单元连接的输入端和与第一 MOSFET的栅极连接的输出端，第一 MOSFET的漏极通过第一二极管与整流器的火线输出端连接，并且其中，第一二极管具有与整流器的火线输出端连接的阳极，并具有与第一 MOSFET的漏极连接的阴极，第一滤波电感器的一端和第二二极管的阴极与第一 MOSFET的源极连接，第一滤波电感器的另一端与第一储能电容器的一端连接，第三电阻器的一端与LED的阳极连接，其中，第三电阻器的另一端与第四电阻器串联，与ADC连接的第一引脚设于第三电阻器与第四电阻器之间，其中，第二二极管的阳极与第一储能电容器的另一端以及一起接地的第四电阻器的另一端连接。MCU利用PWM PFC信号通过第一 MOSFET驱动器控制第一 MOSFET的开和关，以便切掉输入电压，并且MCU接收从第一引脚反馈的第一取样电压。第一取样电压,在由第三和第四电阻器分压之后，反馈到MCU的ADC。通过该降压型PFC组块获得了稳定的输出电压。
[0010]根据本发明的一个解决方案，MCU仅在AC电压每次零交叉时调整PWM PFC信号的
占空比，以确保占空比在每半个AC周期内保持恒定。根据公式
【权利要求】
1.一种适用于通过配置为生成预定导通角(0 )的调光器(I)来运行的可调光LED驱动器，其中，所述可调光LED驱动器包括:整流器(2)，配置为通过将所述调光器(I)输出的交流转换为直流；降压型PFC组块(3)，配置为调整所述直流的输出电压，以获得稳定的输出电压(V_buck);第二降压型DC/DC组块(4)，配置为在实现所述稳定的输出电压(V_buck)之后实现恒定电流的输出；调光组块(5)，配置为在实现所述恒定电流的输出之后与所述第二降压型DC/DC组块(4)共同完成调光功能；以及，MCU (6)，配置为控制所述降压型PFC组块(3)、所述第二降压型DC/DC组块(4)和所述调光组块(5)。
2.根据权利要求1所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)根据所述降压型PFC组块(3)的所述输出电压(V_buck)的第一取样电压(CSl)的取样值与设置的参考值之间的误差调整输出的PWM PFC信号(PWM_PFC)的占空比，以实现稳定的且符合参考值的所述输出电压(V_buck)。
3.根据权利要求2所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)在获得所述稳定的输出电压(V_buck)之后生成PWM调光信号(PWM_DIM)和PWM降压信号(PWM_BUCK)，根据所述PWM降压信号(PWM_BUCK)控制所述第二降压型DC/DC组块(4)，以实现恒定电流的输出，同时根据所述PWM调光信号(PWM_DM)控制所述调光组块(5)，并与所述第二降压型DC/DC组块(4)共同实现调光功能。
4.根据权利要求1-3任 一项所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)包括ADC(7)、CPU (8)、PWM PFC单元(9)、PWM降压单元(10)、PWM调光单元(11)和比较单元(12)，并且其中，所述ADC (7)与所述CPU (8)的输入端连接，并且所述CPU (8)的输出端与所述PWM PFC单元(9)、所述PWM降压单元(10)和所述PWM调光单元(11)的输入端连接，而所述PWM降压单元(10)的另一个输入端与所述比较单元(12)的输出端(V_out)连接。
5.根据权利要求4所述的可调光LED驱动器，其中，所述降压型PFC块(3)包括第一MOSFET(Ql)、第一 MOSFET驱动器(U1_A)、第一滤波电感器(LI)、第二二极管(D2)、第一储能电容器(Cl)、第三电阻器(R3)和第四电阻器(R4)，并且其中，所述第一 MOSFET驱动器(Ul_A)具有与所述PWM PFC单元(9)连接的输入端和与所述第一 MOSFET (Ql)的栅极连接的输出端，所述第一 MOSFET (Ql)的漏极通过所述第一二极管(Dl)与所述整流器(2)的火线输出端连接，并且其中，所述第一二极管(Dl)具有与所述整流器(2)的所述火线输出端连接的阳极，并具有与所述第一 MOSFET (Ql)的漏极连接的阴极，所述第一滤波电感器(LI)的一端和所述第二二极管(D2)的阴极与所述第一 MOSFET (Ql)的源极连接，所述第一滤波电感器(LI)的另一端与所述第一储能电容器(Cl)的一端连接，并且所述第三电阻器(R3)的一端与LED的阳极连接，并且其中，所述第三电阻器(R3)的另一端与所述第四电阻器(R4)串联，并且与所述ADC (7)连接的第一引脚(Pin V_s)设于所述第三电阻器(R3)与所述第四电阻器(R4)之间，并且其中，所述第二二极管(D2)的另一端与所述第一储能电容器(Cl)的阳极和一起接地的所述第四电阻器(R4)的另一端连接。
6.根据权利要求5所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)利用所述PWM PFC信号(PWM_PFC)通过所述第一 MOSFET驱动器(U1_A)控制所述第一 MOSFET (Ql)的开和关，并且所述MCU (6)接收从所述第一引脚(Pin V_s)反馈的第一取样电压(CS1)。
7.根据权利要求6所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)仅在AC电压每次零交叉时调整所述PWM PFC信号(PWM_PFC)的所述占空比。
8.根据权利要求4所述的可调光LED驱动器，其中，所述第二降压型DC/DC组块(4)包括第三二极管(D3)、第二 MOSFET (Q2)、第二 MOSFET驱动器(U1_B)、第二滤波电感器(L2)、第五电阻器(R5)和第六电阻器(R6)，并且其中，所述第二 MOSFET驱动器(U1_B)具有通过所述第六电阻器(R6)与所述PWM降压单元(10)连接的输入端和与所述第二 MOSFET (Q2)的栅极连接的输出端，所述第二 MOSFET (Q2)的漏极与所述第三二极管(D3)的阳极连接，并且所述第三二极管(D3)的阴极与LED的阳极连接，所述第三二极管(D3)的阳极通过所述第二滤波电感器(L2)与所述LED的阴极连接，所述第二 MOSFET (Q2)的源极分别与所述第五电阻器(R5)的一端和所述比较单元(12)的同相输入端(VA)连接，所述比较单元(12)的反相输入端(VB)与参考电压(Vref)连接，并且所述第五电阻器(R5)的另一端接地。
9.根据权利要求8所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)生成所述PWM降压信号(PWM_BUCK)，以控制所述第二 MOSFET (Q2)的打开，所述比较单元(12)的状态在所述第五电阻器(R5)上的第二取样电压(CS2)达到所述参考电压(Vref)时切换。
10.根据权利要求9所述的可调光LED驱动器，其中，所述第二降压型DC/DC组块(4)在峰值电流模式下运行。
11.根据权利要求8所述的可调光LED驱动器，其中，所述调光组块(5)包括第一和第二电阻器(Rl，R2)和第四二极管(D4)，所述第一和第二电阻器(Rl，R2)串联在所述整流器(2)的所述火线输出端与零线输出端之间，所述第二电阻器(R2)的另一端与所述零线输出端共同接地，与所述ADC (7)连接的第二引脚(Pin V_dim)设于所述第一和第二电阻器(R1，R2)之间，并且所述第四二极管(D4)具有与所述PWM调光单元(11)连接的阴极和连接在所述第六电阻器(R6)与所述第二 MOSFET驱动器(U1_B)之间的阳极，并且其中，所述AC电压由所述整流器(2)整流，并通过所述第二引脚引到所述MCU (6)内，并且由所述MCU (6)计算所述调光器(I)的所述导通角(9 )。
12.根据权利要求11所述的可调光LED驱动器，其中，所述MCU(6)通过所述PWM调光单元(11)生成所述PWM调光信号(PWM_DM)的一个信道，并根据所述导通角(0 )调整所述PWM调光信号(PWM_DM)的占空比，所述PWM调光信号(PWM_DM)通过所述第四二极管(D4)输出到所述第二 MOSFET驱动器(U1_B)，以控制所述第二 MOSFET (Q2)的开和关。
13.根据权利要求12所述的可调光LED驱动器，其中，所述PWM调光信号(PWM_DIM)的所述占空比根据函数D=f ( e)计算。
14.根据权利要求12所述的可调光LED驱动器，其中，所述PWM调光信号(PWM_DIM)的所述占空比以查找导通角(9 )与占空比的预设对照表的方式获得。
15.用于控制根据前述权利要求任一项的LED调光器的方法，其中，所述方法包括以下步骤: a)初始化系统； b)通过MCU(6)控制降压型PFC组块(3)的PWM PFC信号(PWM_PFC)的占空比，以实现稳定的输出电压(V_buck);并且 c)通过所述MCU(6)控制第二降压型DC/DC组块(4)，以实现对恒定电流的输出的控制，并且同时通过所述MCU (6)控制调光组块(5)和所述第二降压型DC/DC组块(4)，以实现调光。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在步骤b)中，通过所述MCU(6)分析反馈的所述输出电压(V_buck)的第一取样电压(CS1)，如果所述第一取样电压(CSl)的取样值符合设置的参考值，执行步骤c);否则，调整输出的所述PWM PFC信号(PWM_PFC)的所述占空比。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在步骤c)中，通过所述MCU(6)比较第二取样电压(CS2)和参考电压(Vref)，以将流过LED的峰值电流控制在预定值(Vref/R5)。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在步骤c)中，电压在由整流器(2)整流之后由所述MCU(6)分压和取样，以计算所述调光器(I)的导通角(0 )，并发送PWM调光信号(PWM_DIM),以对所述LED进行调光。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在步骤c)中，如果所述导通角(0)改变，则调整所述PWM调光信号(PW M DIM)的所述占空比。
【文档编号】H05B33/08GK103503563SQ201280021977
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】卢卡·博尔汀, 陈玉立, 谭伟, 聂誓俊, 陈少屏 申请人:欧司朗有限公司