一种母线电流同步式分时复用多路恒流输出led驱动器拓扑及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及照明电子电路控制，尤其是多串LED均流技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着全球能源短缺及环境污染问题的日益突出，节能降耗成为全世界共同关注的 话题。国际能源机构调查指出，全球超过20%的电能用于照明。与传统的白炽灯和日光灯相 比，LED具有体积小、效率高、寿命长、环保、节能等特性，因此在全球能源短缺的背景下，LED 已成为照明行业的一个研究热点。近年来，随着LED技术的进步，使其在路灯照明、LCD背光、 医疗照明、汽车照明等诸多领域也得到了越来越广泛的应用。LED的光通量、发光强度、色温 等光学性能与流过LED的平均电流基本呈线性关系，为了保证LED的照明品质，需要对其进 行恒流驱动。
[0003] 受单颗LED功率以及光照均匀度的限制，在许多高流明应用场合，需要同时使用多 颗LED实现大功率输出。此外，LED属于点光源，在LED背光等应用中，为了获得均匀的光通 量，需要多颗LED均匀分布。多颗LED直接串联将导致驱动电源电压应力高，可靠性差，因而 多采用LED串并联的连接方式，但随之而来的问题是需要对各路LED进行均流控制。LED驱动 电源主要有两大类均流控制方法:无源均流和有源均流。
[0004]无源均流仅使用电阻、电容、耦合电感等无源器件实现各支路电流均衡，具有控制 简单的特点。使用电阻的无源均流方法精度不高，使用耦合电感的无源均流体积大，而利用 电容的充放电平衡的无源均流需使用较多的二极管实现电流的双向流动，从而使得变换器 的效率有所下降。有源均流使用开关管等有源器件以及控制电路组成电流调节器，实现各 支路LED电流的调节。有源均流通常分为线性模式均流和开关模式均流，线性模式均流效率 较低，只适用于小功率场合;开关模式均流效率高，但电路元件数目多，电路控制复杂，体积 大，成本高。
【发明内容】
[0005] 本发明提出的控制方法，克服了现有有源开关式多路恒流输出技术电路元件数目 多，电路控制复杂，体积大，成本高等缺点。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑，前级开关变换器的 输出端并联N个LED负载支路，各LED负载支路由LED元件与一个分时复用控制开关管及一个 采样电阻串联构成;母线电流控制器控制前级开关变换器输出恒流为各LED负载支路提供 总的电流，各LED负载支路分时复用控制开关管控制流过各支路的平均电流;母线电流同步 式分时复用控制器的输入端口和输出端口分别与支路采样电阻和各LED负载支路的分时复 用控制开关管连接，所构成的N个控制环路控制各输出支路的平均电流均流;母线电流同步 式分时复用控制器中的每一个控制环路包含一个PWM模块以及一个"或非"门和一个"或" 门。
[0008] 进一步地，单级结构恒流输出变换器的输出端连接了一个滤波电容。
[0009] 此外，前级变换器可以为任意拓扑的单级结构恒流输出开关变换器，也可以是任 意拓扑的DC-DC变换器。
[0010] 这样，整个拓扑结构为两部分，一部分为母线电流控制器控制单级结构恒流输出 开关变换器输出恒流，另一部分为母线电流同步式分时复用控制器控制各输出支路电流， 即控制LED峰值电流最低支路的电流为直流量，其它高峰值电流的LED支路通过调节PWM占 空比来控制其输出平均电流，从而实现各输出支路的均流功能。此外，两部分为独立的控制 环路，便于电路的模块化。
[0011] 本发明的另一个目的是为上述拓扑结构提供控制方法.其具体方案为：
[0012] 采样如上所述LED驱动器拓扑的母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动 器的控制方法，控制器自动寻找峰值电流最低的LED支路且将其流过的电流控制为直流量， 其它高峰值电流LED支路通过调节该支路分时复用控制开关管的占空比来控制其输出平均 电流;在各支路LED差异不大的情况下，各支路分时复用控制开关管的占空比均接近或等于 1，从而提尚了各支路LED的利用率。
[0013] 实现各输出支路均流的具体做法是：
[0014] 对一个恒流母线用PWM的方式进行分时复用控制，其母线电流由单级结构单路输 出AC-DC变换器或单路输出DC-DC变换器提供，由分时复用控制开关管对母线电流进行同步 式分时复用控制，从而实现控制每个输出支路的平均电流均流。其中同步式分时复用母线 电流控制器由N个控制环路构成，每一个控制环路包含一个PWM模块以及一个"或非"门和一 个"或"门。根据分时复用开关管所在支路的输出电流情况同步调节其导通时间，在各支路 LED差异不大的情况下，各支路分时复用控制开关管的占空比接近1;当各支路LED不同时， 控制环路会自动控制峰值电流最低的LED支路的分时复用控制开关管"长通"，其它支路进 行PWM调节。
[0015] 与现有控制技术相比，本发明的有益效果是：
[0016] -、与现有的开关均流控制相比，本发明的本质是对一个恒流输出变换器的输出 进行同步式分时复用控制，相对于传统的控制母线电压恒定的多路有源均流方案，该控制 方式的母线电压根据各支路LED情况实现了自适应控制，从而达到了通过控制母线电流与 各支路电流来限制母线电压的目的，简化了控制；
[0017] 二、与现有的开关均流技术相比，本发明仅使用常用的PWM模块和简单的逻辑电路 组合即可实现多路输出均流，具有控制电路简单的优点；
[0018] 三、与现有的PWM均流技术相比，本发明具有LED高利用率的优点。
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的电路拓扑及控制框图。
[0021] 图2为本发明的等效电路图。
[0022] 图3为本发明的各支路电流工作时序图。
[0023]图4为本发明的分时复用控制环路及其控制时序图。
[0024]图5为本发明以理想恒流源为母线的三路输出实施例的电路拓扑图。
[0025]图6为图5实施例在三条LED支路等效动态电阻及等效正向压降相同时的主要时域 仿真波形图（闭环）。
[0026]图7为图5实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同时的主要 时域仿真波形图（闭环）。
[0027]图8为本发明对由高效率的单级CRM Buck PFC提供的恒流母线的三路输出为实施 例的电路拓扑图。
[0028]图9为图8实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同且输入电 压为1 lOVac时的主要时域仿真波形图（闭环）。
[0029]图10为图8实施例在三条LED支路等效动态电阻相同但等效正向压降不同且输入 电压为220Vac时的主要时域仿真波形图（闭环）。
【具体实施方式】
[0030] 下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。
[0031] 如图1所示，该发明对一个恒流母线用PWM的方式进行分时复用控制，其恒流母线 电流由单级结构恒流输出开关变换器提供，由分时复用控制开关管对母线电流进行同步式 分时复用控制，从而实现对每个输出支路的平均电流进行控制。其中电容C bus是为了防止分 时复用控制开关管均不导通而导致母线电压过高的情况发生。
[0032] 图2给出了母线电流同步式分时复用多路恒流输出LED驱动器拓扑及其控制方法 的等效电路图。其中各支路LED负载等效成一个正向电压源￥「 [1{]仏=1，2，-_，《和一个动态 等效电阻Re[k] (k= 1，2，…，N)串联的形式，其恒流母线等效成一个恒流源，各支路LED电流 的工作时序如图3所不。为了简化分析，基于图2所不的等效电路，假设Vfi>Vf2>…〉Vfn，当各 支路LED平均电流通过控制已经实现相等，每个支路LED压降可表示为νΙ?0[1?]=ν Ρω+ΙΡω XRe[k](k=l，2,…，Ν)。由于恒流源的输出端连接了一个滤波电容Cbus，假设滤波电容无限 大，根据图3，LED峰值电流最低支路的占空比将设置成1，因此，母线电压可以再次表示为 Vbus = VFl + ibus/NX Rel。为了使各支路电流的平均值相等，由 io[k]-av= ibus/N= Ip[k]D[k] (k= 1， 2，···，