《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種單開(kāi)關(guān)多路均流輸出LED驅(qū)動(dòng)電路的分析與設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
魏曉群，常天海
華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州510640
摘要： 針對(duì)現(xiàn)有多通道LED均流技術(shù)的結(jié)構(gòu)和控制邏輯較復(fù)雜的問(wèn)題，提出一種基于諧振電容的單開(kāi)關(guān)多路輸出LED驅(qū)動(dòng)電路。與傳統(tǒng)的有源和無(wú)源均流方法相比，該驅(qū)動(dòng)電路只使用一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管和一個(gè)磁性元件，如電感或變壓器，而且可以驅(qū)動(dòng)奇數(shù)或偶數(shù)通道的LED負(fù)載，因此該電路具有體積小、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)。另外，該驅(qū)動(dòng)電路只需通過(guò)控制一條支路的電流便可實(shí)現(xiàn)各通道的電流平衡，控制電路和控制邏輯均較為簡(jiǎn)單。對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路的均流原理進(jìn)行了分析，并通過(guò)PSIM仿真軟件和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
中圖分類(lèi)號(hào)： TM461
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166329
中文引用格式： 魏曉群，常天海. 一種單開(kāi)關(guān)多路均流輸出LED驅(qū)動(dòng)電路的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：144-146，150.
英文引用格式： Wei Xiaoqun，Chang Tianhai. Analysis and design of a single-switch multi-output LED driver[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：144-146，150.
Analysis and design of a single-switch multi-output LED driver
Wei Xiaoqun，Chang Tianhai
School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China
Abstract： In view of the complicated structure and control logic of the multichannel LED current-balancing technology, a single-switch multi-output LED driver based on resonant capacitor is proposed. Compared with conventional passive and active balancing methods, the proposed driver only uses one active switch and one inductor or magnetic component, and can drive odd or even channels’ LED load, thus it benefits from small volume, low cost and high performance. Moreover, the control circuit and control logic are simple, because the drive circuit can achieve current balance of each channel by only controlling the current of a branch. In this paper, the principle of the driving circuit is analyzed, and the theoretical results are verified by the PSIM simulation software and the experimental prototype.
Key words : current-balancing technology；resonant capacitor；single switch；LED driver

0 引言

    發(fā)光二極管（LED）因其壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上已變得越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。為了得到所需的亮度，往往需要將多顆LED燈珠進(jìn)行串接或并接。但是，串接的方法將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)高輸出電壓，而由于LED本身的非線(xiàn)性特性，并接又無(wú)法保證各LED串的電流達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，多路LED串的均流技術(shù)便更加受到關(guān)注。

    近年來(lái)，多路輸出均流技術(shù)主要分為有源均流技術(shù)[3]和無(wú)源均流技術(shù)[4]。有源均流技術(shù)采用較多的有源器件，控制電路和控制邏輯復(fù)雜。無(wú)源均流技術(shù)主要利用電容、電感等元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單/成本低等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。文獻(xiàn)[7，8]中，提出了一系列具有單開(kāi)關(guān)的多輸出LED均流驅(qū)動(dòng)電路，但只適合于驅(qū)動(dòng)偶數(shù)通道LED串[7-8]。為了實(shí)現(xiàn)任意通道數(shù)的均流效果，一種方法是采用復(fù)雜的變壓器結(jié)構(gòu)[9]，在多個(gè)次級(jí)輸出回路中再采用級(jí)聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)通道均流；另一種方法是采用對(duì)稱(chēng)跨接的電容結(jié)構(gòu)[10]，但是該電路需要與通道數(shù)相同數(shù)量的開(kāi)關(guān)管，因此驅(qū)動(dòng)電路的效率和控制必將受到影響。

    本文在傳統(tǒng)正激變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上，利用諧振電容的特性，實(shí)現(xiàn)多路LED串的均流，所需的諧振電容數(shù)量為通道數(shù)量減一。

1 驅(qū)動(dòng)電路

    本文以三通道輸出為例，對(duì)所采用的均流原理進(jìn)行闡述，偶數(shù)通道的原理與奇數(shù)通道的原理相同，而且由于偶數(shù)通道具有良好的對(duì)稱(chēng)性，分析過(guò)程更為簡(jiǎn)單。圖1和圖2分別為該驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要波形圖。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，提出了以下幾點(diǎn)假設(shè)：

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    (1)開(kāi)關(guān)管、二極管、電容和電感均為理想元件；

    (2)諧振電容取值為：Cr1≤Cr2；

    (3)輸出電容Co1、Co2、Co3的值足夠大，所以L(fǎng)ED串的輸出紋波可以忽略。

1.1 電路結(jié)構(gòu)

    電路主要包括一個(gè)Boost升壓拓?fù)浜鸵粋€(gè)控制模塊電路。與典型的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的是，輸入與負(fù)載之間不是直接級(jí)聯(lián)，而是采用諧振電容。并且為了抑制電容在開(kāi)關(guān)切換時(shí)出現(xiàn)的電流脈沖，加入了一個(gè)小電感Lr。而控制模塊可分為一個(gè)帶2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大電路和一個(gè)比較電路，基于PWM調(diào)制原理，通過(guò)采樣電阻Rs對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)LED的恒流控制，該控制方法較為成熟，本文不作詳細(xì)介紹。

1.2 工作原理

    如圖2所示，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)，該驅(qū)動(dòng)電路可分為4個(gè)階段。

    階段模態(tài)1 [t0～t1]：開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，輸入電壓Vin對(duì)電感L進(jìn)行充電，電容Cr1、Cr2與電感Lr組成諧振回路，為通道2的LED串提供能量。

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    為了保證二極管Cr1的零電流關(guān)斷，需保證：

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2 均流原理

    根據(jù)電感的伏秒平衡準(zhǔn)則，由式(1)~式(4)，可得：

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    因此，有：

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    由式(6)、(7)可知，流過(guò)各通道LED的平均電流相同。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為了驗(yàn)證本文所提出的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)PSIM軟件對(duì)電路原理進(jìn)行仿真，并制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)的電路參數(shù)如表1所示。

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    仿真結(jié)果如圖3所示，電路能夠穩(wěn)定工作。

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    圖4為樣機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的部分波形圖，包括開(kāi)關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)電壓Vg、負(fù)載LED2的電流、二極管Dr2的電流，占空比約為0.6。圖5為樣機(jī)的輸入電流和負(fù)載電流波形圖。表2給出了不同負(fù)載電流時(shí)電路的均流誤差。可以看出，均流誤差保持在0.35%以下。

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4 結(jié)論

    通過(guò)理論分析、電路仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本文提出的多通路LED均流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用元件數(shù)量較少、性能高，可以有效地實(shí)現(xiàn)多路LED負(fù)載的均流效果。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

魏曉群，常天海

（華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州510640）

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