可調光led驅動器及其控制方法

2023-10-29 05:23:37

可調光led驅動器及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用於通過配置為生成預定導通角（θ）的調光器（1）來運行的可調光LED驅動器。可調光LED驅動器包括：整流器（2），配置為將調光器輸出的交流轉換為直流；降壓型PFC組塊（3），配置為調整直流的輸出電壓，以獲得穩定的輸出電壓（V_buck）；第二降壓型DC/DC組塊（4），配置為在實現穩定輸出電壓（V_buck）之後實現恆定電流的輸出；調光組塊（5），配置為在實現恆定電流的輸出之後與第二降壓型DC/DC組塊（4）共同完成調光功能；以及，MCU（6），配置為控制降壓型PFC組塊（3）、第二降壓型DC/DC組塊（4）和調光組塊（5）。另外，本發明還涉及一種用於控制上述類型的可調光LED的方法。
【專利說明】可調光LED驅動器及其控制方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可調光LED驅動器和用於控制所述可調光LED驅動器的方法。
【背景技術】
[0002]在當前發光裝置中，LED發光系統的使用越來越多。在市場需求和能級調節下，出現高PF和高效率的可調光LED驅動器。但是，市場上具有高性能的可調光LED驅動裝置在某種程度上存在以下問題:a)使用很多控制晶片和複雜的外部電路，以滿足LED驅動的設計要求；b)某些可調光碟機動器使用單級PFC控制晶片，但可能會因此出現閃爍，並且LED會負載大量低頻(100Hz/120Hz)波紋電流，因此，需要使用大輸出電容器，以降低波紋電流的影響，但這又增加了整個驅動器的體積和成本，佔據較大結構空間；c)應用於LED驅動的傳統升壓型(BOOST) PFC+DC/DC結構效率不高，因為其輸出從非常高的電壓(升壓型(boost)PFC的輸出電壓通常為400V)變為非常低的電壓。另外，PFC和第二 DC-DC需要使用高壓額定部件，這增加了成本；d)傳統平均調光會影響光學效果並造成色溫變化，並影響LED的發光質量；以及e)缺乏可擴展性，難以滿足增加的新市場需求，例如，智能控制和混色。
[0003]目前，市場上有許多可調光LED驅動系統，用於解決相關問題。例如，IWATT的可調光LED驅動晶片IW3610使用非常少的零件解決了調光器匹配和頻繁閃爍的問題。該驅動晶片使用升壓型(BOOST) PFC+反激式結構，但無法平衡效率和高PF值的狀態，也無法實現PWM調光。另一種解決方案採用單級反激式LED驅動器，可以低成本實現高PF，例如，功率集成公司的調光LED驅動晶片LNK306PN和英飛凌公司的ICL8001。但LED應負載相當於額定電流的一倍或兩倍的商用電力頻率的波紋電流，這嚴重影響了 LED性能，調光過程中也容易出現頻繁閃爍。

【發明內容】

[0004]為了解決上述問題，本發明提供了一種可調光LED驅動器和用於控制該驅動器的方法。
[0005]本發明的第一目的通過以下可調光LED驅動器實現。該驅動器適用於通過配置為生成預定導通角的調光器來運行，其中，可調光LED驅動器包括:整流器，用於將調光器輸出的交流轉換為直流；降壓PFC組塊，用於調整直流的輸出電壓，以獲得穩定輸出電壓；第二降壓DC/DC組塊，用於在實現穩定輸出電壓之後實現恆定電流的輸出；調光組塊，用於在實現恆定電流的輸出之後與第二降壓DC/DC組塊共同完成調光功能；以及，MCU，用於控制降壓PFC組塊、第二降壓DC/DC組塊和調光組塊。根據本發明的可調光LED驅動器採用雙降壓結構，兩次降低輸出電壓，從而獲得較高效率。LED的電流由降壓型DC/DC組塊控制，工作頻率較高(>100Khz )，沒有低頻波紋電流流經LED，並且不會由於大量低頻波紋電流而出現閃爍問題；另外，與LED並聯的電容器非常小，顯著降低了整個驅動器的成本和體積。另外，由於降壓型PFC組塊將AC電壓轉換為電壓非常低的穩定DC電壓，對於第二降壓型DC/DC組塊，沒有必要使用電壓非常高的功率元件，這樣能降低成本，增加效率。另外，本發明中使用了 PWM調光模式，流經LED的峰值電流沒有變化，並且不會影響光學效果，不會產生色溫變化。此外，在根據本發明的可調光LED驅動器中，僅使用單個控制組塊控制所有組塊，大大簡化了電路，增加了靈活性，控制組塊的智能化和靈活性使功能擴展變得非常容易。
[0006]優選地，根據本發明，MCU根據降壓型PFC組塊的輸出電壓的第一取樣電壓的取樣值與設置的參考值之間的誤差調整輸出的PWM PFC信號的佔空比，以實現穩定的且符合參考值的輸出電壓(V_buck)。由於降壓型PFC組塊將AC電壓轉換為電壓非常低的穩定DC電壓，對於第二降壓型DC/DC組塊，沒有必要使用電壓非常高的功率元件，這樣能降低成本，增加效率。
[0007]優選地，根據本發明，MCU在獲得穩定輸出電壓之後生成PWM調光信號和PWM降壓信號，根據PWM降壓信號控制第二降壓型DC/DC組塊，以實現恆定電流的輸出，同時根據PWM調光信號控制調光組塊， 並與第二降壓型DC/DC組塊共同實現調光功能。在這種PWM調光模式下，流經LED的峰值電流沒有變化，不會影響光學效果，不會產生色溫變化。
[0008]根據本發明，MCU包括ADC、CPU、PWM PFC單元、PWM降壓單元、PWM調光單元和比較單元，其中，ADC與CPU的輸入端連接，CPU的輸出端與PWM PFC單元、PWM降壓單元、PWM調光單元的輸入端連接，而PWM降壓單元的另一個輸入端與比較單元的輸出端連接。僅使用單個控制組塊控制所有組塊，大大簡化了電路，增加了靈活性，另外，控制組塊的智能化和靈活性使功能擴展變得非常容易。
[0009]根據本發明的一個優選解決方案，降壓型PFC組塊包括第一 M0SFET、第一 MOSFET驅動器、第一濾波電感器、第二二極體、第一儲能電容器、第三電阻器和第四電阻器，其中，第一 MOSFET驅動器具有與PWM PFC單元連接的輸入端和與第一 MOSFET的柵極連接的輸出端，第一 MOSFET的漏極通過第一二極體與整流器的火線輸出端連接，並且其中，第一二極體具有與整流器的火線輸出端連接的陽極，並具有與第一 MOSFET的漏極連接的陰極，第一濾波電感器的一端和第二二極體的陰極與第一 MOSFET的源極連接，第一濾波電感器的另一端與第一儲能電容器的一端連接，第三電阻器的一端與LED的陽極連接，其中，第三電阻器的另一端與第四電阻器串聯，與ADC連接的第一引腳設於第三電阻器與第四電阻器之間，其中，第二二極體的陽極與第一儲能電容器的另一端以及一起接地的第四電阻器的另一端連接。MCU利用PWM PFC信號通過第一 MOSFET驅動器控制第一 MOSFET的開和關，以便切掉輸入電壓，並且MCU接收從第一引腳反饋的第一取樣電壓。第一取樣電壓,在由第三和第四電阻器分壓之後，反饋到MCU的ADC。通過該降壓型PFC組塊獲得了穩定的輸出電壓。
[0010]根據本發明的一個解決方案，MCU僅在AC電壓每次零交叉時調整PWM PFC信號的
佔空比，以確保佔空比在每半個AC周期內保持恆定。根據公式
【權利要求】
1.一種適用於通過配置為生成預定導通角(0 )的調光器(I)來運行的可調光LED驅動器，其中，所述可調光LED驅動器包括:整流器(2)，配置為通過將所述調光器(I)輸出的交流轉換為直流；降壓型PFC組塊(3)，配置為調整所述直流的輸出電壓，以獲得穩定的輸出電壓(V_buck);第二降壓型DC/DC組塊(4)，配置為在實現所述穩定的輸出電壓(V_buck)之後實現恆定電流的輸出；調光組塊(5)，配置為在實現所述恆定電流的輸出之後與所述第二降壓型DC/DC組塊(4)共同完成調光功能；以及，MCU (6)，配置為控制所述降壓型PFC組塊(3)、所述第二降壓型DC/DC組塊(4)和所述調光組塊(5)。
2.根據權利要求1所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)根據所述降壓型PFC組塊(3)的所述輸出電壓(V_buck)的第一取樣電壓(CSl)的取樣值與設置的參考值之間的誤差調整輸出的PWM PFC信號(PWM_PFC)的佔空比，以實現穩定的且符合參考值的所述輸出電壓(V_buck)。
3.根據權利要求2所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)在獲得所述穩定的輸出電壓(V_buck)之後生成PWM調光信號(PWM_DIM)和PWM降壓信號(PWM_BUCK)，根據所述PWM降壓信號(PWM_BUCK)控制所述第二降壓型DC/DC組塊(4)，以實現恆定電流的輸出，同時根據所述PWM調光信號(PWM_DM)控制所述調光組塊(5)，並與所述第二降壓型DC/DC組塊(4)共同實現調光功能。
4.根據權利要求1-3任 一項所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)包括ADC(7)、CPU (8)、PWM PFC單元(9)、PWM降壓單元(10)、PWM調光單元(11)和比較單元(12)，並且其中，所述ADC (7)與所述CPU (8)的輸入端連接，並且所述CPU (8)的輸出端與所述PWM PFC單元(9)、所述PWM降壓單元(10)和所述PWM調光單元(11)的輸入端連接，而所述PWM降壓單元(10)的另一個輸入端與所述比較單元(12)的輸出端(V_out)連接。
5.根據權利要求4所述的可調光LED驅動器，其中，所述降壓型PFC塊(3)包括第一MOSFET(Ql)、第一 MOSFET驅動器(U1_A)、第一濾波電感器(LI)、第二二極體(D2)、第一儲能電容器(Cl)、第三電阻器(R3)和第四電阻器(R4)，並且其中，所述第一 MOSFET驅動器(Ul_A)具有與所述PWM PFC單元(9)連接的輸入端和與所述第一 MOSFET (Ql)的柵極連接的輸出端，所述第一 MOSFET (Ql)的漏極通過所述第一二極體(Dl)與所述整流器(2)的火線輸出端連接，並且其中，所述第一二極體(Dl)具有與所述整流器(2)的所述火線輸出端連接的陽極，並具有與所述第一 MOSFET (Ql)的漏極連接的陰極，所述第一濾波電感器(LI)的一端和所述第二二極體(D2)的陰極與所述第一 MOSFET (Ql)的源極連接，所述第一濾波電感器(LI)的另一端與所述第一儲能電容器(Cl)的一端連接，並且所述第三電阻器(R3)的一端與LED的陽極連接，並且其中，所述第三電阻器(R3)的另一端與所述第四電阻器(R4)串聯，並且與所述ADC (7)連接的第一引腳(Pin V_s)設於所述第三電阻器(R3)與所述第四電阻器(R4)之間，並且其中，所述第二二極體(D2)的另一端與所述第一儲能電容器(Cl)的陽極和一起接地的所述第四電阻器(R4)的另一端連接。
6.根據權利要求5所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)利用所述PWM PFC信號(PWM_PFC)通過所述第一 MOSFET驅動器(U1_A)控制所述第一 MOSFET (Ql)的開和關，並且所述MCU (6)接收從所述第一引腳(Pin V_s)反饋的第一取樣電壓(CS1)。
7.根據權利要求6所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)僅在AC電壓每次零交叉時調整所述PWM PFC信號(PWM_PFC)的所述佔空比。
8.根據權利要求4所述的可調光LED驅動器，其中，所述第二降壓型DC/DC組塊(4)包括第三二極體(D3)、第二 MOSFET (Q2)、第二 MOSFET驅動器(U1_B)、第二濾波電感器(L2)、第五電阻器(R5)和第六電阻器(R6)，並且其中，所述第二 MOSFET驅動器(U1_B)具有通過所述第六電阻器(R6)與所述PWM降壓單元(10)連接的輸入端和與所述第二 MOSFET (Q2)的柵極連接的輸出端，所述第二 MOSFET (Q2)的漏極與所述第三二極體(D3)的陽極連接，並且所述第三二極體(D3)的陰極與LED的陽極連接，所述第三二極體(D3)的陽極通過所述第二濾波電感器(L2)與所述LED的陰極連接，所述第二 MOSFET (Q2)的源極分別與所述第五電阻器(R5)的一端和所述比較單元(12)的同相輸入端(VA)連接，所述比較單元(12)的反相輸入端(VB)與參考電壓(Vref)連接，並且所述第五電阻器(R5)的另一端接地。
9.根據權利要求8所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)生成所述PWM降壓信號(PWM_BUCK)，以控制所述第二 MOSFET (Q2)的打開，所述比較單元(12)的狀態在所述第五電阻器(R5)上的第二取樣電壓(CS2)達到所述參考電壓(Vref)時切換。
10.根據權利要求9所述的可調光LED驅動器，其中，所述第二降壓型DC/DC組塊(4)在峰值電流模式下運行。
11.根據權利要求8所述的可調光LED驅動器，其中，所述調光組塊(5)包括第一和第二電阻器(Rl，R2)和第四二極體(D4)，所述第一和第二電阻器(Rl，R2)串聯在所述整流器(2)的所述火線輸出端與零線輸出端之間，所述第二電阻器(R2)的另一端與所述零線輸出端共同接地，與所述ADC (7)連接的第二引腳(Pin V_dim)設於所述第一和第二電阻器(R1，R2)之間，並且所述第四二極體(D4)具有與所述PWM調光單元(11)連接的陰極和連接在所述第六電阻器(R6)與所述第二 MOSFET驅動器(U1_B)之間的陽極，並且其中，所述AC電壓由所述整流器(2)整流，並通過所述第二引腳引到所述MCU (6)內，並且由所述MCU (6)計算所述調光器(I)的所述導通角(9 )。
12.根據權利要求11所述的可調光LED驅動器，其中，所述MCU(6)通過所述PWM調光單元(11)生成所述PWM調光信號(PWM_DM)的一個信道，並根據所述導通角(0 )調整所述PWM調光信號(PWM_DM)的佔空比，所述PWM調光信號(PWM_DM)通過所述第四二極體(D4)輸出到所述第二 MOSFET驅動器(U1_B)，以控制所述第二 MOSFET (Q2)的開和關。
13.根據權利要求12所述的可調光LED驅動器，其中，所述PWM調光信號(PWM_DIM)的所述佔空比根據函數D=f ( e)計算。
14.根據權利要求12所述的可調光LED驅動器，其中，所述PWM調光信號(PWM_DIM)的所述佔空比以查找導通角(9 )與佔空比的預設對照表的方式獲得。
15.用於控制根據前述權利要求任一項的LED調光器的方法，其中，所述方法包括以下步驟: a)初始化系統； b)通過MCU(6)控制降壓型PFC組塊(3)的PWM PFC信號(PWM_PFC)的佔空比，以實現穩定的輸出電壓(V_buck);並且 c)通過所述MCU(6)控制第二降壓型DC/DC組塊(4)，以實現對恆定電流的輸出的控制，並且同時通過所述MCU (6)控制調光組塊(5)和所述第二降壓型DC/DC組塊(4)，以實現調光。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，在步驟b)中，通過所述MCU(6)分析反饋的所述輸出電壓(V_buck)的第一取樣電壓(CS1)，如果所述第一取樣電壓(CSl)的取樣值符合設置的參考值，執行步驟c);否則，調整輸出的所述PWM PFC信號(PWM_PFC)的所述佔空比。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，在步驟c)中，通過所述MCU(6)比較第二取樣電壓(CS2)和參考電壓(Vref)，以將流過LED的峰值電流控制在預定值(Vref/R5)。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，在步驟c)中，電壓在由整流器(2)整流之後由所述MCU(6)分壓和取樣，以計算所述調光器(I)的導通角(0 )，並發送PWM調光信號(PWM_DIM),以對所述LED進行調光。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，在步驟c)中，如果所述導通角(0)改變，則調整所述PWM調光信號(PW M DIM)的所述佔空比。
【文檔編號】H05B33/08GK103503563SQ201280021977
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年5月3日 優先權日:2011年5月6日
【發明者】盧卡·博爾汀, 陳玉立, 譚偉, 聶誓俊, 陳少屏 申請人:歐司朗有限公司