《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種單開關(guān)多路均流輸出LED驅(qū)動電路的分析與設(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)雜的問題,提出一種基于諧振電容的單開關(guān)多路輸出LED驅(qū)動電路。與傳統(tǒng)的有源和無源均流方法相比,該驅(qū)動電路只使用一個半導(dǎo)體開關(guān)管和一個磁性元件,如電感或變壓器,而且可以驅(qū)動奇數(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)動電路只需通過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單。對該驅(qū)動電路的均流原理進(jìn)行了分析,并通過PSIM仿真軟件和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
中圖分類號: TM461
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166329
中文引用格式: 魏曉群,常天海. 一種單開關(guān)多路均流輸出LED驅(qū)動電路的分析與設(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、效率高等優(yōu)點(diǎn),在市場上已變得越來越有競爭力[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,串接的方法將會導(dǎo)致一個高輸出電壓,而由于LED本身的非線性特性,并接又無法保證各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,多路輸出均流技術(shù)主要分為有源均流技術(shù)[3]和無源均流技術(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。無源均流技術(shù)主要利用電容、電感等元件,具有結(jié)構(gòu)簡單/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關(guān)的多輸出LED均流驅(qū)動電路,但只適合于驅(qū)動偶數(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],在多個次級輸出回路中再采用級聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)通道均流;另一種方法是采用對稱跨接的電容結(jié)構(gòu)[10],但是該電路需要與通道數(shù)相同數(shù)量的開關(guān)管,因此驅(qū)動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)動電路

    本文以三通道輸出為例,對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)通道具有良好的對稱性,分析過程更為簡單。圖1和圖2分別為該驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要波形圖。為了簡化分析過程,提出了以下幾點(diǎn)假設(shè):

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    (1)開關(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LED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Boost升壓拓?fù)浜鸵粋€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)載之間不是直接級聯(lián),而是采用諧振電容。并且為了抑制電容在開關(guān)切換時(shí)出現(xiàn)的電流脈沖,加入了一個小電感Lr。而控制模塊可分為一個帶2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大電路和一個比較電路,基于PWM調(diào)制原理,通過采樣電阻Rs對輸出電流進(jìn)行檢測,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,在一個開關(guān)周期Ts內(nèi),該驅(qū)動電路可分為4個階段。

    階段模態(tài)1 [t0~t1]:開關(guān)管S1導(dǎo)通,輸入電壓Vin對電感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)動電路,通過PSIM軟件對電路原理進(jìn)行仿真,并制作一個實(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,包括開關(guān)管S1的驅(qū)動電壓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??梢钥闯?,均流誤差保持在0.35%以下。

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4 結(jié)論

    通過理論分析、電路仿真和實(shí)驗(yàn)測試表明,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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