本實用新型涉及多路輸出應用，尤其是多串LED均流以及調光調色LED驅動技術領域。

背景技術：

作為最有發(fā)展和應用前景的綠色光源之一，LED以節(jié)能，環(huán)保，壽命長和控制簡單等特點，廣泛應用于液晶背光，汽車照明，交通燈以及通用照明。而LED的非線性和對溫度的敏感性，使其需采用恒流驅動。受單顆LED功率的限制，在許多高流明應用場合，需要同時使用多顆LED實現大功率輸出。但隨之而來的問題是需要對各路LED進行恒流控制。為了滿足混聯型LED的各支路恒流要求，近年來，學術界對多路恒流輸出開關變換器技術做了大量研究?，F有的LED多路恒流輸出技術基本上可以分為兩大類，即無源多路恒流輸出技術和有源多路恒流輸出技術。

無源多路恒流輸出技術利用電阻、電感、變壓器、電容等無源器件實現各輸出支路均流，其特點是以實現各支路電流相同為目的，通過對各支路電流的恒流控制，實現每一輸出支路的恒流控制。雖然無源多路恒流輸出技術具有控制電路簡單的優(yōu)點，但是不能實現LED的調光功能?，F有的調光方式主要有兩種，一種為模擬調光，即改變LED的正向電流來改變LED的光通量。另一種方式為PWM調光。PWM調光方式由于具有低色差的特性廣泛應用于LED背光等應用中。有源多路恒流輸出技術通過有源開關和相應的控制電路組成多個電流調節(jié)器，電流調節(jié)器和各支路的LED串聯在一起，進而實現各支路LED電流的獨立調節(jié)。該電流調節(jié)器可以是線性模式，也可以是開關模式。線性模式均流效率較低，只適用于小功率場合；開關模式均流效率高，但電路元件數目多，電路控制復雜，體積大，成本高。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種母線電流互補式分時復用多路恒流輸出LED驅動電源，使之克服現有有源均流技術電路元件數目多，電路控制復雜，體積 大，成本高等缺點。

本實用新型所采用的技術方案是：

一種母線電流互補式分時復用N路恒流輸出LED驅動器拓撲,包括恒流輸出開關變換器、N個LED負載以及各支路分時復用控制開關管及N-1個采樣電阻；恒流輸出開關變換器的輸出端并聯N個LED負載支路，第1至第N-1路LED負載支路由LED元件與一個分時復用控制開關管及一個采樣電阻串聯構成,第N路LED負載支路由LED元件與一個分時復用控制開關管構成；母線電流控制器控制恒流輸出開關變換器輸出恒流；母線電流分時復用控制器控制各輸出支路電流；母線電流分時復用控制器由N-1個PWM模塊和N-2個與門構成，除第N路，母線電流分時復用控制器的輸入端口和輸出端口分別與支路采樣電阻和各LED負載支路的分時復用控制開關管連接；除第1路和第N路,每一個控制環(huán)路均包含一個PWM模塊和一個與門；第N條輸出支路的控制信號取自第N-1路PWM模塊中的RS觸發(fā)器的輸出端

進一步地，恒流輸出開關變換器輸出端連接了一個濾波電容。

此外，恒流輸出開關變換器部分可以是單級結構恒流輸出開關變換器，也可以是恒流輸出DC-DC開關變換器。

這樣，整套驅動器拓撲分為兩部分，一部分為母線電流控制器控制單級結構恒流輸出開關變換器輸出恒流，另一部分為母線電流分時復用控制器控制各輸出支路電流，即通過分時復用控制各輸出支路開關管依次交替導通，可以實現各輸出支路的均流和PWM調光功能。此外，兩部分為獨立的控制環(huán)路，便于電路的模塊化。

進一步地，通過改變母線電流分時復用控制器中各環(huán)路PWM模塊中的參考電壓，實現各輸出支路的均流和PWM調光功能。

這樣，對一個恒流母線用PWM的方式進行分時復用控制，其恒流母線電流由單級結構單路恒流輸出PFC變換器或不具有功率因數校正功能的AC-DC變換器提供，由分時復用控制開關管對母線電流進行分時復用控制，從而實現控制每個輸出支路電流相等或不同。其中母線電流分時復用控制器由N-1個PWM模塊和N-2個與門構成，除第1路和第N路，每一個控制環(huán)路包含一個PWM模塊和一個與門，此外第N條輸出支路的控制信號即為第N-1路PWM模塊中的RS觸發(fā)器的輸出端根據分時復用開關管所在支路的輸出電流情況調節(jié)其導通時 間，母線電流分時復用控制中的邏輯電路確保了在任意時刻只有一個分時復用開關管開通，即各輸出支路開關管依次交替導通。通過改變母線電流分時復用控制器中各環(huán)路PWM模塊中的參考電壓，即可實現各輸出支路的均流和PWM調光。

與現有控制技術相比，本實用新型的有益效果是：

一、與現有的開關均流控制相比，本實用新型只采用了一個大的工頻濾波電容，其本質是對一個恒流輸出變換器的輸出進行分時復用控制，相對于傳統(tǒng)的多路輸出控制方案，省去了各輸出支路的輸出濾波電容，進一步減小了多路恒流輸出開關變換器的體積與成本；

二、與現有的開關均流技術相比，本實用新型僅需使用N-1個控制環(huán)路即可實現N路輸出支路的均流和PWM調光，且其母線電流分時復用控制中的邏輯電路也使得電路控制簡單；

三、與現有的開關均流技術相比，本實用新型具有母線電壓自適應調節(jié)的特性，簡化了控制。

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步說明。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路拓撲及控制框圖。

圖2a為本實用新型的分時復用控制過程的控制環(huán)路圖。

圖2b為其控制時序圖。

圖3為本實用新型的等效電路圖。

圖4為本實用新型的各支路電流工作時序圖。

圖5為本實用新型以理想恒流源為母線的三路輸出實施例的電路拓撲圖。

圖6為圖5實施例在三條LED支路等效動態(tài)電阻及等效正向壓降相同時的主要時域仿真波形圖(閉環(huán))。

圖7為圖5實施例在三條LED支路等效動態(tài)電阻相同但等效正向壓降不同時的主要時域仿真波形圖(閉環(huán))。

圖8為本實用新型對由高效率的單級CRM Buck PFC提供的恒流母線的兩路輸出為實施例的電路拓撲圖。

圖9為圖8實施例在兩條LED支路等效動態(tài)電阻及等效正向壓降相同且輸入電壓為110Vac時的主要時域仿真波形圖(閉環(huán))。

圖10為圖8實施例在兩條LED支路等效動態(tài)電阻相同但等效正向壓降不同且輸入電壓為220Vac時的主要時域仿真波形圖(閉環(huán))。

圖11為本實用新型以兩條LED輸出支路為例，通過調節(jié)第一個控制環(huán)路的參考電壓Vdim,兩個輸出支路的平均電流及母線電流波形圖。

具體實施方式

下面通過具體的實例并結合附圖對本實用新型做進一步詳細的描述。

如圖1所示，該實用新型為對一個恒流母線用PWM的方式進行分時復用控制，其恒流母線電流由單級結構恒流輸出開關變換器提供，由分時復用控制開關管對母線電流進行分時復用控制，從而實現控制每個輸出支路電流相等或不同。其中電容C_bus是為了防止分時復用控制開關管均不導通而導致母線電壓過高的情況發(fā)生，因而在恒流母線上加電容來抑制母線電壓突變。

圖2a給出了母線電流互補式分時復用多路恒流輸出LED驅動器控制方法中母線電流分時復用控制器的控制環(huán)路。由圖可知，N路輸出存在N-1個均流環(huán)路，根據電壓型PWM控制的原理，每個支路均可把采樣電流V_S[k]/R_S[k](k＝1,2,…,N-1)的平均值穩(wěn)定在V_ref[k]/R_S[k](k＝1,2,…,N-1)附近，即前N-1個支路的平均電流可以被調節(jié)到i_o[k]-av＝V_ref[k]/R_S[k](k＝1,2,…,N-1)。那么第N條輸出支路的電流可以被調節(jié)到前N-1個輸出支路的電流可以被調節(jié)到相應的設置值，母線電流i_bus由單級結構恒流輸出開關變換器控制，所以第N個輸出支路的電流實際上也得到了控制。因此，如圖2a所示，第N條輸出支路不需要PWM環(huán)路控制，簡化了均流電路的復雜性。若設置前N-1個支路的調節(jié)電流不等，則可以實現各支路LED的調光功能；若合理設置前N-1 個支路的調節(jié)電流，則各支路電流可以達到均衡，從而實現各支路均流，即i_o[k]-av＝i_bus/N。圖2b給出了各支路分時復用控制開關管的控制邏輯及其控制時序，圖2a中的每個PWM模塊中的v_saw和CLK一致以保證同步可以確保每個分時復用控制開關管依次交替打開，根據其所在支路的輸出電流情況調節(jié)其導通時間，其邏輯電路確保了在任意時刻只有一個分時復用開關管開通，理論上避免了恒流母線因無流通路徑而導致母線電壓過高的問題。

為了簡化分析，將圖1的電路等效成如圖3的形式，其中各支路LED負載等效成一個正向電壓源V_F[k](k＝1,2,…,N)和一個動態(tài)等效電阻R_e[k](k＝1,2,…,N)串聯的形式，其恒流母線等效成一個恒流源，各支路LED電流的工作時序如圖4所示。假設各支路LED平均電流通過控制已經實現相等，那么，每個支路LED壓降可表示為v_LED[k]＝V_F[k]+I_P[k]×R_e[k](k＝1,2,…,N)。由于恒流源的輸出端連接了一個濾波電容C_bus，假設濾波電容無限大，則正向壓降相對偏低的LED支路將流過較大的峰值電流，即I_P[k]＝(v_bus-V_F[k])/R_e[k](k＝1,2,…,N)。同時，由于前N-1個支路環(huán)路調節(jié)的作用，為了使各支路電流的平均值相等，則峰值電流大的支路，即LED正向壓降小的支路將被環(huán)路調節(jié)到比較小的占空比，因為i_o[k]-av＝i_bus/N＝I_P[k]D_[k](k＝1,2,…,N)。其中D_[k](k＝1,2,…,N)為各支路PWM調節(jié)的占空比，各支路占空比的和為1，因此可得母線電壓的表達式為 由以上分析可知，當各支路LED特性確定，母線電壓v_bus也相應確定，因而母線電壓具有自適應調節(jié)的特性。

以上主要分析了各支路輸出均流，而調光功能可以通過設置各主動調節(jié)支路的參考電壓來使各輸出支路均流。在某些應用場合，如LED調光調色等智能照明中，需要對各支路的色溫進行調節(jié)，且LED總電流不變。通過調節(jié)各支路不同色溫LED的電流分配，進而實現總色溫的調節(jié)。常見的應用有LED冷暖色 溫調節(jié)，RGB混合色溫調節(jié)等。而本實用新型提出的母線電流分時復用控制技術非常適合這些應用。對于LED冷暖色溫調節(jié)，假設LEDs1與LEDs2為不同色溫的LED，那么可以通過改變圖8中誤差放大器EA1的參考電壓V_dim實現LEDs1與LEDs2的電流調節(jié)，進而實現兩支路LED混合調色溫的功能。

仿真結果分析：

圖6為圖5實施例在三條LED支路等效動態(tài)電阻及等效正向壓降相同時的仿真波形，其仿真參數為：輸入恒流源i_bus＝150mA,電容C_bus＝10μF，分時復用控制開關周期T_s＝20μs，LEDs1、LEDs2與LEDs3的動態(tài)等效電阻R_e1＝R_e2＝R_e3＝84Ω，LEDs1、LEDs2與LEDs3的等效正向電壓源V_F1＝V_F2＝V_F3＝35V。由圖6可知，當三個LED支路等效正向壓降及等效動態(tài)電阻相同時，三個LED支路的峰值電流相同，均為150mA，三個支路PWM的占空比為33.3％，三個LED支路的平均電流被調節(jié)到50mA，而母線電壓被自動調節(jié)到42.725V。在實際的一批LED產品中，不同LED個體的等效動態(tài)電阻的變化量很小，可以近似為一個常數，因此，不同LED個體的差異主要由正向壓降決定。圖7為圖5實施例在三條LED支路等效動態(tài)電阻相同但等效正向壓降不同時的仿真波形，其仿真參數與圖6基本一致，除了正向電壓源不同，即V_F1＝35V，V_F2＝33V，V_F3＝31V。由圖7可知，當三個LED支路等效正向壓降不同時，三個LED支路的峰值電流不再相同，其中I_P1＝129mA，I_P2＝152mA，I_P3＝176mA，通過調節(jié)各支路的占空比，三個支路的平均電流被調節(jié)到近似相等，母線電壓被自動調節(jié)到約45.933V。

為了模擬實際系統(tǒng)，仿真中恒流母線由高效率的單級CRM Buck PFC提供，其電路拓撲圖如圖8所示。圖9、圖10為圖8在兩條LED支路等效動態(tài)電阻相同時的仿真波形，其電路參數為：輸入電壓V_in＝110Vac、220Vac,恒流母線電流i_bus＝150mA，Buck PFC功率電感感量L_m＝1.1mH，Buck PFC輸出濾波電容 C_bus＝220μF，分時復用控制開關周期T_s＝20μs，LEDs1與LEDs2的等效動態(tài)電阻為R_e1＝R_e2＝84Ω，LEDs1與LEDs2的等效正向電壓源分別為V_F1＝V_F2＝35V、V_F1＝35V，V_F2＝32V，采樣電阻R_S1＝1.67Ω。當恒流母線由單級CRM Buck PFC提供且穩(wěn)態(tài)時，輸出電流包絡含有2倍工頻分量，但是各支路平均電流在110Vac及220Vac輸入時均實現了較好的均流特性，且輸入電流跟隨輸入電壓，實現了功率因數校正功能。

圖11給出了分時復用控制母線電流的PFC變換器的調光曲線，由圖可知，在母線電流不變的情況下，LEDs1與LEDs2可以以互補的方式進行調光，從而實現各支路LED的色溫調節(jié)，通過兩個支路LED色溫的組合從而實現總的色溫調節(jié)。

綜上，本實用新型所提出的母線電流互補式分時復用多路恒流輸出LED驅動器拓撲及其控制方法，只采用了一個大的工頻濾波電容且只需要N-1個控制環(huán)路就可以實現N路輸出的均流和PWM調光功能，具有電路控制簡單，體積小，效率高，成本低以及母線電壓自適應調節(jié)的特點，為需要多路均流和調光的應用提供了一種高性能、低成本的解決方案。