專利名稱：高效率led驅動控制方法
高效率LED驅動控制方法背景介紹 發明所屬領城
LED正在給照明領域帶來一場革命性的變化。效率高，體積小，壽命 長，無污染，以及伴隨固體發光特性而來的機械可靠性，便攜性等使得 它在許多領域成為發光器件的最佳選擇。尤其在背光領域如LCD顯示器 的背光照明等其效率高，體積小，壽命長等優點更使得超薄型，低功耗 的髙性能顯示器成為現實。
由于LED的正向導通壓降有相當大的離散性，而且LED的正向電流電 壓特性為較陡的指數曲線，多串直接并聯時各串電流會出現較大的差異 以至于造成各串發光不均勻和壽命不一致。因此多串并聯時需要加均流 控制措施。目前最常用的做法是串聯線性調節線路的閉環控制，如
圖1 所示。圖l中的M0SFET管Q1， Q2，......等就是調節控制元件。圖l中Rl, R2， ......Rk為電流檢測元件。檢測到的電流信號I—SNS1 ......I—SNSk等反饋到誤差放大器EA1, EA2， ...... EAk等通過和參考信號IREF進行比較來實現閉環控制。LED串的供電電壓由另一個環路電流反饋信號進行 控制。控制目標是保持能使最大正向壓降的LED串維持設定電流的最小 電壓值。這樣通過調節控制管來維持各串LED的電流相等。而背光系統 的調光主要是采用脈寬控制方式，也即用改變LED導通的占空比來控制 亮度。各串LED都工作在相同的占空比。
綜上所述，本發明的目的就是要提供一種高性能、高效率、電路簡單 而且成本低廉的多組LED驅動方案。本方案突破了傳統的利用調節控制管的線性管壓降來平衡LED串的瞬時電流而對LED串進行等占空比 PWM控制的調光方式，釆用LED串的平均電流控制方式，該方式利 用各LED串的PWM占空比變化來凈h^ LED串電流的不均衡，使得調 節控制管工作在飽和導通的開關狀態，從而可以大大地提高LED驅動 系統的效率和可靠性，并且降低產品的成本。
本發明還提出了一種利用平衡變壓器網絡來保持LED串電流均衡，而 對各LED串進行統一的PWM控制的驅動方案。該方案同樣可以大幅 度地提高LED驅動系統的效率和可靠性，并降低系統的成本。附閨說明[畫]圖1所示為傳統的LED驅動方案。 附圖中的文字注釋4流反饋信號PWM —-PWM調光脈沖序列EA —-誤差放大器VDC+ — -LED供電電壓Q ——調節控制管R — -LED電淡尿樣電阻LED— -發光二極管DC SUPPLY--直流供電圖2描述了本發明所釆用的平均電流控制LED驅動電路結構。 附圖中的文字注釋REF —平均電流控制參考信號I-SNS —-LED電流反饋信號EA — -誤差放大器PG ——PWM信號發生器VDC+ — -LED供電電壓Q —-調節控制管R ——LED電流取樣電阻Rf ——低通濾波電阻Cf —-低通濾波電容RAMP — -鋸齒波LED—-發光二極管DC SUPPLY——直流供電圖3描述了實現平均電流控制占空比的功能模型。 附圖中的文字注釋REF -—-平均電流控制參考信號D -一占空比信號I-SNS —-電流反饋信號IREF——電流控制參考信號EA --i吳差放大器A/B ——除法器X —-乘法器圖4描述了利用平衡變壓器網絡來均衡LED電流的驅動方式。 附圖中的文字注釋IREF -一電流控制參考信號PWMPWM調光脈沖序列I-SNS——電流反饋信號EA — -i吳差放大器T —平衡變壓器Q -一PWM調光控制管DD ——續流二極管H ---LED電該來樣電阻I —電流Nl -一變壓器初級線團N2 — -變壓器次級線團LED-—發光^L管DC SUPPLY——直流供電發明翁詳鮰描述
圖2中所示為本發明的基本概念之一。與圖l相比較不難發現圖2中的 電流反饋增加了一個由Rfi,Cfl ......，Rft，Cft等所組成的低通濾波器。并且控制參考信也采用平均電流值REF-D x扱EF.由誤差放大器EA (EA1......EAk等)所產生的模擬調節信號不是直接去控制調節控制管Ql......Qk等的電壓降，而是和一個鋸齒波通過相應的比較器PG(PG1......PGk等)進行比較后轉換成PWM脈寬調節信號(D1......Dk等)去控制調節控制管的導通和截止。這樣調節控制管就工作在開關狀 態，導通時處于全導通狀態。因此管壓降很低。而不是象圖l那樣導通 時工作在線性狀態，管壓降隨LED串的特性而變，而且通常大大高于 圖2的情形。[■〗在亮度控制方面圖2的方法也可以達到和圖l所示的傳統方法一樣的效 果。圖2中的低通濾波器Rf，Cf其實是一個積分電路。由此而得到的反 饋到EA的反饋信號是LED串電流的平均值，也即LED電流和調節控 制管工作占空比的乘積。這樣雖然調節控制管只做開關控制而不去控制 LED的瞬時電流值，但各LED串的平均電流被控制在同樣的水平。在 較大的范圍內LED的發光亮度和電流大小基本上成正比，所以只要 LED串的平均電流相等，其發光亮度也就相等。從而達到了在最低功 耗的情況下有效地控制LED串均句發光。在這種情形下LED串的直流 供電電壓可以采用和圖1所示傳統控制方法一樣的控制規則，或者直接 用一個固定的直流電壓，只要保證正向工作電壓最高的LED串能達到 要求的工作電流值即可。
7本發明的概念除了能夠大大地提高LED背光驅動系統的效率外，同時 也可以大大地提高系統的工作可靠性，特別是當個別LED出現短路時。 在傳統的控制方案中一旦LED出現短路調節控制管上的電壓降勢必要 增加以保持電流的平衡。這樣必然要增加調節控制管的功耗并引起過 熱。為避免調節控制管過熱損壞在器件逸擇或散熱設計方面一定要留有 足夠大的余量，而且情況嚴重時必須要停止相應電路的工作以確保安 全。在使用本發明概念的系統中當個別LED出現短路時該路的PWM 工作占空比會隨著LED電流的增加相應減小。整個LED串的平均電流 維持不變，而且因為調節控制管工作在飽和導通的開關狀態，其導通功 耗的增加也并不顯著。所以電路可以維持繼續安全工作，而且在器件選 擇和散熱設計方面也不需要留過大的余量，從而可以節約產品成本。
在上述方法中由于平衡變壓器網絡的自動均流作用，只要工作在同樣的 PWM占空比各LED串的發光亮度就自然均勻。所以只需要用一個功 率開關對所有的LED串作PWM控制即可滿足調光的要求，如圖4所示。而且功率管在導通時也是處于飽和導通狀態，因而損耗很低，也是 一種高效率、低成本的控制方案。
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該方法需要注意的是平衡變壓器不能工作在純直流條件下。所以PWM 調光的占空比不能達到百分之百。而且導通脈沖之間的間隔時間要保證 平衡變壓器工作磁通的復位到零。圖4中的二極管DD既是專為平衡變 壓器的磁通復位提供通路而設。當Q關斷時儲存在平衡變壓器中的電 磁能量就通過DD和LED串逐漸衰減到零，為下一個導通周期做好準 備。如前所述，平衡變壓器的工作磁通密度很低，所以恢復時間也很短。
這種方法對于LED短路同樣具有很強的可靠性。在個別LED短路時平 衡變壓器網絡仍能維持各LED串的電流均衡并可保持整個系統繼續安 全運行。但是在某個LED開路時其它LED串的電流也會受到影響。這 是該方案的一個局限性。另一方面，當某個LED串開路時，由于在相 應的平衡變壓器中沒有初級電流去抵消次級電流所產生的磁動勢,該平 衡變壓器的磁通密度和初、次級電壓都會升高。利用這一特性我們可以 通過監測平衡變壓器的次級電壓來檢測LED開路故障。
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以上段落詳細地描述了本發明所提供的高效率LED驅動控制方法 及工作原理。這種方案不僅工作性能好，而且控制線路簡單，電路成 本低，具有非常優良的實用價值。值得提醒的是，除了用于LED驅動 控制外，本發明的概念也可以用于其它多路并聯負載控制的應用。同 時除了在本文圖中所示的MOSFET器件，其它合適的功率器件也可以作 為圖示電路中的功率控制器件來實現同樣的功能。本發明的概念可以 用離散電路，也可以用集成電路來實現。
權利要求
1、本發明所提出的在對同一電供電下的多路發光二極管(LED)進行脈寬式(PWM)驅動控制時，通道對各路LED的平均電流，也即各路LED在導通應用的電流和導通占空比的乘積來進行控制。
2 、 在進行聲明1)、所描述的驅動控制時各路LED的驅動控制管在導通期間工作在全導通狀態所保持最低導通損粍。各路LED的平均電流通過脈寬的調節變化來補償導通電流的不均勻性。
3 、 各路LED的平均電流反饋信號通過如圖二中所示的Rf、 Cf積分電路來獲取。
4. 、 LED的導通占空比信號通過用平均電流指令除以LED導通電流值來獲 取。或如圖三(b)中所示方法，在閉環反饋回路用LED電流和導通占 空比相乘的乘法器來獲取。上述算法可以用模擬，也可以用數字方法 來實現。
5 . 各路LED的導通電流也可以在PfM驅動控制的過程中采用圖四中所示 的平衡變壓器網絡來實現平衡。在這種情況下，各路LED的導通和關 斷進行同步的操作。
全文摘要
本發明提出了一種對多路LED進行高效率調光驅動控制的方法，避免了傳統方法中通過調節采取驅動控制管的管壓降來保持各路LED電流相等的做法。而是利用對各路LED平均電流進行控制的方法使得驅動控制管在脈寬調光控制的導通期間處于全導通狀態。通過LED導通占空比的調節變化來補償LED導通電流的不均勻性最終達到各路LED平均電流相等的效果。這種驅動控制方案把驅動控制管的導通損耗降低到最低限度，從而實現了高效率的LED驅動控制，降低了驅動控制系統的成本，并大大地提高了系統的可靠性。本發明也同時提出了在脈寬調光控制過程中利用平衡變壓器網絡來均衡各路LED電流的方案。同樣避免了使驅動控制管工作在線性導通狀態的情形，同樣實現了高效率、高可靠性的LED驅動控制。
文檔編號H05B37/02GK101668363SQ20081004255
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月5日 優先權日2008年9月5日
發明者范劍平 申請人:艾默龍電子科技(嘉興)有限公司