一种集成均流及调光协调控制能力的LED驱动器的制作方法

本发明涉及LED照明领域，具体涉及一种集成均流及调光协调控制能力的 LED驱动器。

背景技术：

传统的LED驱动器采用PWM(Pulse-width Modulation)策略实现多路LED 调光，但由于变动的脉宽触发信号使得开关器件无法实现软开关，导通损耗大、传递效率低，而且其可靠性差、动态响应慢等缺点在许多对LED驱动要求较高的场合已不再适用。现有采用PFM(Pulse-frequency Modulation)实现后级调节的电路结构，势必造成EMI(Eletromagnetic Interference)高、磁性元件效率低。采用定频调光因具有高可靠性和高功率密度等优点而受到广泛关注，相关研究也已逐步运用于路灯照明、电动汽车、液晶背光源等领域，同时取得了突破性进展。相较于现有采用电感磁通平衡实现多路均流而言，电容以小体积，高精度而依然成为主流选择。然而相较于电容电荷平衡，大量采用电容阻抗匹配的均流方案将造成均流效果锐减和无功损耗加大整体LED驱动器效率低；另一方面谐振单元的引入使得电路工作在感性区从而实现软开关，已成为提高效率的首选；为提高驱动器的功率密度，满足小型化要求实现部分单元的分时复用或共用也是一大趋势。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种集成均流及调光协调控制能力的LED驱动器。

本发明利用上、下半桥叠加的电路结构及分时复用的调光单元，以少量器件实现更多路输出和更精确的均流目的，以及在不增加器件的前提下提高一倍调光能力，提出一种集成均流、调光多路协调控制能力的LED驱动器，该基于 SCC的多路LED驱动器适用于LED照明领域；

本发明只需反馈一路信号就可以满足所有LED灯串的大范围调光，充分利用电容电荷平衡实现均流目的，有效地降低了利用电容阻抗匹配实现均流不精确的问题；分时复用调光单元减少了使用器件的数量，提高了驱动器的效率，同时也有效地减少了驱动器所需的安装空间；同时，均流电容同时用于谐振简化了电路结构，提高了电路整体稳定性。

本发明采用如下技术方案：

一种集成均流及调光协调控制能力的LED驱动器，包括半桥斩波单元U、作为调光单元被半桥斩波单元分时复用的谐振单元Z、半波整流单元X及均流单元 Y；

所述半桥斩波单元U包括第一电解电容C1、第二电解电容C2、第一开关管 Q1及第二开关管Q2，所述第一电解电容C1的负极和第二电解电容C2正极相连接；其中第一电解电容C1正极分别与电压源的正极及第一开关管Q1栅极相连接；另外第二电解电容C2的负极分别与电压源的负极及第二开关管Q2源极相连接；所述第一开关管Q1源极和第二开关管Q2栅极相连接；

所述谐振单元一端与第一电解电容C1与第二电解电容C2的中点连接，另一端与半波整流单元X连接；

所述均流单元一端与半波斩波电路U连接，另一端与均流单元Y连接。

所述半波整流单元X由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4构成，第一二极管D1阳极和第三二极管D3的阴极连接；所述第二二极管D2的阴极和第四二极管D4的阳极相连接；所述第一二极管D1和第二二极管D2反并联连接，第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极反并联方式连接。

所述谐振单元包括SCC模块及第一谐振电感Lr，所述SCC模块由第三开关管S、第三薄膜电容Cs及第四薄膜电容Cb构成，所述第三开关管S的漏极和第三薄膜电容Cs串联后，再与第四薄膜电容Cb并联连接，所述SCC模块一端与第一谐振电感Lr一端连接，所述SCC模块的另一端与第一电解电容C1与第二电解电容C2的中点连接，所述第一谐振电感Lr的另一端与第一二极管D1及第三二极管D3的中点及第二二极管D2及第四二极管D4的中点连接。

所述均流单元Y包括第一薄膜电容Cn1和第二薄膜电容Cn2；其中第一薄膜电容Cn1的一端与第一开关管Q1的源极相连，另一端连接半波整流单元X，即第一二极管D1阳极和第二二极管D2的阴极；所述第二薄膜电容Cn2的一端和第二开关管Q2的漏极连接，另一端和半波整流单元X相连接，即第三二极管D3阴极和第四二极管D4的阳极。

所述第一电解电容C1和第二电解电容C2的电容值相等，第一开关管Q1和第二开关管Q2参数相同。

所述第三薄膜电容Cs和第四薄膜电容Cb的容值相等，型号相同。

本发明驱动器为对称结构。

本发明的有益效果：

(1)与现有变频驱动器相比，本发明通过SCC模块实现定频调节的方法，具有控制方法简单、成本低、LED调光范围大(2％～95％)，且引入的SCC模块本身可实现软开关(ZVS)，因此导通损耗低。

(2)与现有多路LED驱动器相比，本发明使用上、下半桥叠加的电路结构实现更多路输出，大大缓解了利用电容阻抗匹配造成均流不精确的问题。

(3)由于采用分时复用调光单元的电路设计，使得本次发明的LED驱动器拥有较高的功率密度、较小的体积和较低的成本。由于SCC模块同时用于谐振，因此所有开关器件均可实现软开关，传递效率高达94.1％。

(4)与传统的控制电路相比，本发明中所有开关管频率固定、脉宽相同，因此整体LED驱动器控制电路简单，系统稳定性高。

附图说明

图1是本发明所述的一种集成均流、调光多路协调控制能力的LED驱动器的拓扑结构图。

图2是本发明所述的一种集成均流、调光多路协调控制能力的LED驱动器的驱动信号及输出电流波形示意图。

图3是本发明所述的一种集成均流、调光多路协调控制能力的LED驱动器中SCC模块的控制单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图3所示，一种集成均流及调光协调控制能力的LED驱动器，包括上下叠加输出的半桥斩波单元U，半波整流单元X，均流单元Y和谐振单元Z。

所述半波斩波单元U包括第一电解电容C1、第二电解电容C2、第一开关管 Q1、第二开关管Q2；所述第一电解电容C1和第二电解电容C2的电容值相等，第一开关管Q1和第二开关管Q2参数相同；所述第一电解电容C1的负极和第二电解电容C2正极相连接；其中第一电解电容C1正极分别与电压源的正极及第一开关管Q1栅极相连接；另外第二电解电容C2的负极分别与电压源的负极及第二开关管Q2源极相连接；所述第一开关管Q1源极和第二开关管Q2栅极相连接。

所述谐振单元包括SCC模块及第一谐振电感Lr，所述SCC模块由第三开关管S、第三薄膜电容Cs及第四薄膜电容Cb构成，所述第三开关管S的漏极和第三薄膜电容Cs串联后，再与第四薄膜电容Cb并联连接，所述SCC模块一端与第一谐振电感Lr一端连接，所述SCC模块的另一端与第一电解电容C1与第二电解电容C2的中点连接，所述第一谐振电感Lr的另一端与第一二极管D1及第三二极管D3的中点及第二二极管D2及第四二极管D4的中点连接。

整个谐振单元无极性之分。

均流单元Y包括第一薄膜电容Cn1和第二薄膜电容Cn2；其中第一薄膜电容 Cn1一端和第一开关管Q1的源极相连，另一端连接半波整流单元X；所述第二薄膜电容Cn2其中一端和第二开关管Q2的漏极连接，另一端同样和半波整流单元 X连接。

所述第一开关管Q1及第二开关管Q2的触发信号分别为：第一驱动信号gs1与第二驱动信号gs2，它们均采用定频、定宽的半桥驱动芯片IR2104直接提供。 SCC模块中第三开关管S的第三驱动信号q经过图3的控制单元反馈获得。所述一种集成均流、调光多路协调控制能力的LED驱动器由于其电路结构对称且上、下工作模态相同，因此仅列出下半桥一个工作周期内的五种工作状态：

状态I：第二驱动信号gs2给第二开关管Q2触发信号，由于电流极性为负第二开关管Q2未导通；此时第二开关管Q2的体二极管导通续流，第四二极管D4反向截止；此时电流反向流过SCC模块。

状态II：第二开关管Q2被其体二极管钳位，因此以软开关(ZVS)的方式正向导通，第三二极管D3反向截止；此时电流同样正向流过SCC模块。

状态III：此阶段为死区时间，此时第三二极管D3反向截止，第四二极管 D4正向导通续流；电流正向流经SCC模块。

状态IV：第一开关管Q1得到第一驱动信号gs1的触发，其体二极管续流；此时第四二极管D4导通，第三二极管D3反向截止；电流正向通过SCC模块。

状态V：第一开关管Q1被体二极管钳位，此时以软开关(ZVS)的方式导通；第三二极管D3导通，第四二极管D4反向截止；电流反向通过SCC模块。

所述一种集成均流、调光多路协调控制能力的LED驱动器由上述五种工作模态组成，其中SCC单元工作模式如下，Vcs为第三薄膜电容Cs两端电压，Ics为流经第三薄膜电容Cs的支路电流，Vs为第三开关管S的两端电压。

状态I：第三驱动信号q触发第三开关管S，此时电流为负第三开关管S并未导通，因此第三开关管S的体二极管导通续流。

状态II：由于体二极管钳位使得第三开关管S以ZVS方式导通；此时电流正向流过第三薄膜电容Cs。

状态III：第三开关管S由于寄生电容的作用软关断；此时第三薄膜电容Cs充电截止，电流通过第四薄膜电容Cb。

状态IV：第三开关管S两端电压跟随第四薄膜电容Cb变化，此时第四薄膜电容Cb放电。

状态IV：此时体二极管续流，第三开关管S两端电压钳位为零。第三开关管S为下一时刻ZVS准备条件。

SCC模块一周期内驱动信号和电流波形关系，已知一周期内电荷量与其相对应的电容值成正比；因此对SCC调光模块的等效电容分析可得：

其中Ds为第三开关管S的占空比，Cb为定值；则SCC模块等效电容Ceq为：

通过FHA(First Harmonic Approximation)分析法，只考虑基波分量，忽略所有高次谐波，则谐振电流可得：

其中Vp2为下半桥斩波单元U的输出电压(上下半桥输出电压幅值相同，相位互补)，式中ω＝2π·fs(fs为第一开关管Q1及第二开关管Q2的开关频率)。

对上式分析知，通过调节第三开关管S的占空比Ds来改变Ceq值从而影响谐振单元实现大范围调光和后级调节的目的可以实现。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。