本發(fā)明涉及l(fā)ed驅(qū)動(dòng)控制策略領(lǐng)域，特別是涉及一種led恒光電流驅(qū)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

led因其體積小巧，發(fā)光效率高，使用壽命長(zhǎng)，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)在顯示、照明、通訊等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。無論是在起簡(jiǎn)單指示作用的場(chǎng)合還是在需要精確照明的應(yīng)用場(chǎng)所，led都占有一席之地，并逐漸走向主導(dǎo)。在led使用的所有領(lǐng)域里，都離不開led的驅(qū)動(dòng)控制策略。這不但關(guān)系到led的使用壽命長(zhǎng)短，而且關(guān)系到led的使用效果能否滿足人們所需。

目前常見的led驅(qū)動(dòng)控制策略有恒流控制和恒功率控制。

恒流控制策略就是通過控制led輸出平均電流的大小恒定而實(shí)現(xiàn)led所需光通量大小的控制。這種控制策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但是沒有考慮到芯片結(jié)溫對(duì)led輸出光通量的影響。相關(guān)研究表明：隨著芯片結(jié)溫的上升，led將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的光衰現(xiàn)象，也即led的輸出光通量下降顯著。如果在環(huán)境溫度變化較大或是對(duì)于led發(fā)光質(zhì)量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，恒流控制策略顯然不適用。

恒功率控制策略就是通過控制輸入功率大小恒定來實(shí)現(xiàn)維持輸出光通量大小恒定的。恒功率控制策略雖有考慮到溫度對(duì)led正向電壓的影響，但沒有考慮溫度對(duì)發(fā)熱系數(shù)的作用，故其控制效果比恒流控制稍好，但控制led因受溫度影響而引起的光衰效果并不明顯。

所以，為了實(shí)現(xiàn)led輸出光通量精確、有效的控制，研究新型led驅(qū)動(dòng)控制策略十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種led恒光電流驅(qū)動(dòng)控制方法，能較好地實(shí)現(xiàn)led恒光通量控制或精確調(diào)光控制。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種led恒光電流驅(qū)動(dòng)控制方法，包括以下步驟：

步驟s1：根據(jù)具體的led芯片型號(hào)，查閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)或者進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)來獲取建立led光電流的算法模型的所需參數(shù)。在光電流計(jì)算電路中，建立相應(yīng)的led光電流模型iopt＝f(u,id)；在光電流基準(zhǔn)電路中，建立led光電流iopt與光通量φ的模型iopt＝f(φ)。

步驟s2：在光電流基準(zhǔn)電路中設(shè)定led光通量的基準(zhǔn)值φref，通過相應(yīng)的算法得到相應(yīng)的光電流基準(zhǔn)信號(hào)ioptref；采樣led負(fù)載的正向電壓u和正向電流id送到光電流計(jì)算電路，通過相應(yīng)的算法得到光電流iopt。

步驟s3：將基準(zhǔn)光電流ioptref與光電流iopt進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)ε，并送入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到一控制信號(hào)(例如：占空比)，該信號(hào)控制led驅(qū)動(dòng)電路，使驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生與基準(zhǔn)光電流ioptref對(duì)應(yīng)大小的led正向電流id，從而實(shí)現(xiàn)led輸出的光通量大小為設(shè)定的光通量基準(zhǔn)值φref，從而較好地實(shí)現(xiàn)led輸出光通量的控制。

在所述步驟s1中，建立光電流iopt與正向電壓u、正向電流id的關(guān)系模型iopt＝f(u,id)，具體步驟為：

步驟s11：供給led的功率pd分為兩部分，一部分用于發(fā)光，即光功率popt，另一部分產(chǎn)生熱量，即熱功率，定義為ph；則在一定的范圍內(nèi)，如果led正向電壓u不變，設(shè)led的電流id也分為兩部分，一部分用于發(fā)光，定義為光電流iopt，一部分產(chǎn)生熱量，定義為熱電流ih；根據(jù)功率與電流的關(guān)系，熱電流ih的表達(dá)式為：

定義led的熱功率與電功率的比值為發(fā)熱系數(shù)kh，其表達(dá)式為：

由光電熱理論可知，當(dāng)芯片結(jié)溫tj恒定時(shí)，發(fā)熱系數(shù)kh將隨正向電流id上升近似線性上升，當(dāng)正向電流id固定時(shí)，發(fā)熱系數(shù)kh將隨結(jié)溫tj的上升也近似線性上升。同時(shí)，當(dāng)正向電流id固定時(shí)，led的正向電壓u會(huì)隨著芯片結(jié)溫tj上升而近似線性下降，即發(fā)熱系數(shù)kh與正向電壓u近似線性關(guān)系，則發(fā)熱系數(shù)kh用(3)式表達(dá)如下：

式(3)中，系數(shù)k1、k2、k3、k4、γ由光學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得；

步驟s12：在可用的范圍內(nèi)，根據(jù)(1)、(2)、(3)式推得光電流iopt的表達(dá)式為：

iopt(u,id)＝[1-kh(u,id)]×id

(4)

由此，建立得光電流iopt同正向電壓u、正向電流id的數(shù)學(xué)模型，并且，iopt同u的關(guān)系通過發(fā)熱系數(shù)kh來表示。

進(jìn)一步地，所述步驟s1中，建立基準(zhǔn)光通量φref同基準(zhǔn)光電流ioptref的算法模型具體步驟為：

步驟s13：led的伏安特性與普通二極管類似，故其伏安特性表達(dá)為：

其中，id為正向電流；u為正向電壓；is為led反向飽和電流，其值相比于id很?。籷＝1.6×10^-6c，稱為電子電荷量；k為波爾茲曼常數(shù)；tj表示熱力學(xué)溫度，單位為k；n為一常數(shù)，通常取1～2；

根據(jù)(5)式反推出正向電壓u同正向電流id的關(guān)系式為：

由(6)式得到，在0<id<1a時(shí)，由于is<<id，故在ln(id+is)一項(xiàng)中將is省略，并通過泰勒展開，結(jié)合led輸入電功率與電壓和電流的關(guān)系，進(jìn)一步推出pd的表達(dá)式近似如下：

由于id<1且is<<id，所以項(xiàng)比項(xiàng)要小很多，可忽略不計(jì)，由此將(7)式簡(jiǎn)化為：

式(8)中，在正常使用溫度范圍內(nèi)，a近似為一個(gè)常數(shù)，即id與pd線性相關(guān)；

步驟s14：已知popt為led光功率，在可用范圍內(nèi)，根據(jù)式(4)和式(8)得到popt與光電流iopt的關(guān)系式為：

popt＝(1-kh)pd

＝(1-kh)a×id

＝a×iopt

(9)

又因?yàn)閜opt與輸出光通量φ是線性的，所以，結(jié)合式(9)得到光電流與φ成正比，得到表達(dá)式如下：

iopt＝kφ

(10)

其中，k為一個(gè)常系數(shù)，其值通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到。

綜上所述，根據(jù)式(10)得到led光電流iopt同輸出光通量φ之間滿足一定的線性關(guān)系，因此通過設(shè)定基準(zhǔn)光通量φref來反求基準(zhǔn)光電流ioptref。

進(jìn)一步地，所述步驟s2中，在光電流基準(zhǔn)電路中設(shè)定led光通量的基準(zhǔn)值φref，通過已經(jīng)建立的算法模型iopt＝kφ得到相應(yīng)的光電流基準(zhǔn)信號(hào)ioptref；與此同時(shí)，采樣led負(fù)載的正向電壓u和正向電流id給光電流計(jì)算電路，通過已經(jīng)建立的算法模型iopt＝f(u,id)得到光電流iopt。

進(jìn)一步地，所述步驟s3中，每一個(gè)設(shè)定的光通量φref都與led的一個(gè)基準(zhǔn)光電流ioptref相對(duì)應(yīng)，將基準(zhǔn)光電流ioptref與光電流iopt進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)ε，就是讓led的實(shí)際光電流iopt跟隨基準(zhǔn)光電流ioptref，其信號(hào)經(jīng)過補(bǔ)償后控制led驅(qū)動(dòng)電路，使其產(chǎn)生與基準(zhǔn)光電流ioptref對(duì)應(yīng)大小的led正向電流id，從而實(shí)現(xiàn)led輸出的光通量為φref，較好地實(shí)現(xiàn)led恒光通量控制或精確調(diào)光控制。

在本發(fā)明中，該led恒光電流驅(qū)動(dòng)控制方法主要由光電流計(jì)算電路、光電流基準(zhǔn)電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，該控制方法的實(shí)現(xiàn)原理如下：在光電流基準(zhǔn)電路中，設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)光通量φref；并通過一定的算法得到相應(yīng)的光電流基準(zhǔn)值ioptref，該值作為光電流計(jì)算電路所得的光電流iopt的基準(zhǔn)信號(hào)。在驅(qū)動(dòng)電路的輸出端采樣led負(fù)載的正向電壓信號(hào)u和正向電流信號(hào)id，將其送入到光電流計(jì)算電路中，經(jīng)過特定的算法得到相應(yīng)的光電流iopt，并將其輸出。該光電流iopt與光電流基準(zhǔn)電路所得的光電流基準(zhǔn)值ioptref進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)ε，并經(jīng)由補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到一個(gè)控制信號(hào)。在該控制信號(hào)的作用下，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)led負(fù)載提供一個(gè)與光電流基準(zhǔn)值ioptref相對(duì)應(yīng)的正向電流id，從而實(shí)現(xiàn)光電流的恒定控制，亦即實(shí)現(xiàn)了led輸出光通量的恒定。該控制策略的核心部分為光電流計(jì)算電路和光電流基準(zhǔn)電路的算法，該算法是基于led的光電熱模型推導(dǎo)得到。led的輸出光通量大小與led的正向電流和溫度密切相關(guān)。當(dāng)led正向電流恒定時(shí)，led的正向電壓與溫度之間存在近似線性關(guān)系，此時(shí)正向電壓變化可以反映溫度變化情況。本發(fā)明通過采用正向電壓表示溫度變量，基于led的光電熱理論建立的led光電模型，得到了以正向電壓u和正向電流id為變量的led光電流iopt算法模型，通過控制led光電流的恒定，從而實(shí)現(xiàn)led的光通量恒定控制。

相較于傳統(tǒng)的恒流控制和恒功率控制方式，該控制方法不僅考慮到正向電流對(duì)led輸出光通量的影響，而且還考慮到了溫度對(duì)led輸出光通量的影響，因此可以較好地實(shí)現(xiàn)led恒光通量控制或精確調(diào)光控制。本發(fā)明簡(jiǎn)便實(shí)用，是一種高效的led控制策略。

附圖說明

圖1是本發(fā)明led光電流驅(qū)動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)框圖。

圖2是固定正向電流時(shí)，發(fā)熱系數(shù)與正向電壓的擬合曲線關(guān)系圖。

圖3是固定正向電壓時(shí)，發(fā)熱系數(shù)與正向電流的擬合曲線關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明，以下實(shí)施例只是進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本實(shí)施例提供一種led恒光電流驅(qū)動(dòng)控制方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟s1：根據(jù)具體的led芯片型號(hào)，查閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)或者進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)來獲取建立led光電流的算法模型的所需參數(shù)。在光電流計(jì)算電路中，建立相應(yīng)的led光電流模型iopt＝f(u,id)；在光電流基準(zhǔn)電路中，建立led光電流iopt與光通量φ的模型iopt＝f(φ)。

步驟s2：在光電流基準(zhǔn)電路中設(shè)定led光通量的基準(zhǔn)值φref，通過相應(yīng)的算法得到相應(yīng)的光電流基準(zhǔn)信號(hào)ioptref；采樣led負(fù)載的正向電壓u和正向電流id送到光電流計(jì)算電路，通過相應(yīng)的算法得到光電流iopt。

步驟s3：將基準(zhǔn)光電流ioptref與光電流iopt進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)ε，并送入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到一控制信號(hào)(例如：占空比)，該信號(hào)控制led驅(qū)動(dòng)電路，使驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生與基準(zhǔn)光電流ioptref對(duì)應(yīng)大小的led正向電流id，從而實(shí)現(xiàn)led輸出的光通量大小為設(shè)定的光通量基準(zhǔn)值φref，從而較好地實(shí)現(xiàn)led輸出光通量的控制。

在本實(shí)施例中，所述步驟s1中，建立光電流iopt與正向電壓u、正向電流id的關(guān)系模型iopt＝f(u,id)，具體步驟為：

步驟s11：供給led的功率pd分為兩部分，一部分用于發(fā)光，即光功率popt，另一部分產(chǎn)生熱量，即熱功率，定義為ph；則在一定的范圍內(nèi)，如果led正向電壓u不變，設(shè)led的電流id也分為兩部分，一部分用于發(fā)光，定義為光電流iopt，一部分產(chǎn)生熱量，定義為熱電流ih；根據(jù)功率與電流的關(guān)系，熱電流ih的表達(dá)式為：

定義led的熱功率與電功率的比值為發(fā)熱系數(shù)kh，其表達(dá)式為：

由光電熱理論可知，當(dāng)芯片結(jié)溫tj恒定時(shí)，發(fā)熱系數(shù)kh將隨正向電流id上升近似線性上升，當(dāng)正向電流id固定時(shí)，發(fā)熱系數(shù)kh將隨結(jié)溫tj的上升也近似線性上升。同時(shí)，當(dāng)正向電流id固定時(shí)，led的正向電壓u會(huì)隨著芯片結(jié)溫tj上升而近似線性下降，即發(fā)熱系數(shù)kh與正向電壓u近似線性關(guān)系，則發(fā)熱系數(shù)kh用(3)式表達(dá)如下：

式(3)中，系數(shù)k1、k2、k3、k4、γ由光學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得；

步驟s12：在可用的范圍內(nèi)，根據(jù)(1)、(2)、(3)式推得光電流iopt的表達(dá)式為：

iopt(u,id)＝[1-kh(u,id)]×id

(4)

由此，建立得光電流iopt同正向電壓u、正向電流id的數(shù)學(xué)模型，并且，iopt同u的關(guān)系通過發(fā)熱系數(shù)kh來表示。

在本實(shí)施例中，所述步驟s1中，建立基準(zhǔn)光通量φref同基準(zhǔn)光電流ioptref的算法模型具體步驟為：

步驟s13：led的伏安特性與普通二極管類似，故其伏安特性表達(dá)為：

其中，id為正向電流；u為正向電壓；is為led反向飽和電流，其值相比于id很??；q＝1.6×10^-6c，稱為電子電荷量；k為波爾茲曼常數(shù)；tj表示熱力學(xué)溫度，單位為k；n為一常數(shù)，通常取1～2；

根據(jù)(5)式反推出正向電壓u同正向電流id的關(guān)系式為：

由(6)式得到，在0<id<1a時(shí)，由于is<<id，故在ln(id+is)一項(xiàng)中將is省略，并通過泰勒展開，結(jié)合led輸入電功率與電壓和電流的關(guān)系，進(jìn)一步推出pd的表達(dá)式近似如下：

由于id<1且is<<id，所以由于id<1且is<<id，所以項(xiàng)比項(xiàng)要小很多，可忽略不計(jì)，由此將(7)式簡(jiǎn)化為：

式(8)中，在正常使用溫度范圍內(nèi)，a近似為一個(gè)常數(shù)，即id與pd線性相關(guān)；

步驟s14：已知popt為led光功率，在可用范圍內(nèi)，根據(jù)式(4)和式(8)得到popt與光電流iopt的關(guān)系式為：

popt＝(1-kh)pd

＝(1-kh)a×id

＝a×iopt

(9)

又因?yàn)閜opt與輸出光通量φ是線性的，所以，結(jié)合式(9)得到光電流與φ成正比，得到表達(dá)式如下：

iopt＝kφ

(10)

其中，k為一個(gè)常系數(shù)，其值通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到。

綜上所述，根據(jù)式(10)得到led光電流iopt同輸出光通量φ之間滿足一定的線性關(guān)系，因此通過設(shè)定基準(zhǔn)光通量φref來反求基準(zhǔn)光電流ioptref。

在本實(shí)施例中，所述步驟s2中，在光電流基準(zhǔn)電路中設(shè)定led光通量的基準(zhǔn)值φref，通過已經(jīng)建立的算法模型iopt＝kφ得到相應(yīng)的光電流基準(zhǔn)信號(hào)ioptref；與此同時(shí)，采樣led負(fù)載的正向電壓u和正向電流id給光電流計(jì)算電路，通過已經(jīng)建立的算法模型iopt＝f(u,id)得到光電流iopt。

在本實(shí)施例中，所述步驟s3中，每一個(gè)設(shè)定的光通量φref都與led的一個(gè)基準(zhǔn)光電流ioptref相對(duì)應(yīng)，將基準(zhǔn)光電流ioptref與光電流iopt進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)ε，就是讓led的實(shí)際光電流iopt跟隨基準(zhǔn)光電流ioptref，其信號(hào)經(jīng)過補(bǔ)償后控制led驅(qū)動(dòng)電路，使其產(chǎn)生與基準(zhǔn)光電流ioptref對(duì)應(yīng)大小的led正向電流id，從而實(shí)現(xiàn)led輸出的光通量為φref，較好地實(shí)現(xiàn)led恒光通量控制或精確調(diào)光控制。

在本實(shí)施例中，將該控制方法應(yīng)用在buck變換器，變換器負(fù)載為cree公司的xpgr4芯片。根據(jù)所述步驟s1，建立led光電流模

根據(jù)cree公司的xpgr4芯片的光學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合式(3)便可擬合出其發(fā)熱系數(shù)kh。如圖3所示，正向電流恒為id恒為0.5a時(shí)，kh隨正向電壓u近似線性變化，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合可得系數(shù)k1為-0.1061、k2為0.9218。同理，當(dāng)正向電壓u固定為2.87v時(shí)，kh隨正向電流id近似線性變化，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合可得系數(shù)k3為0.1438、k4為0.5427。γ為0.61785，是當(dāng)正向電流id為0.5a，正向電壓u為2.87v時(shí)對(duì)應(yīng)的kh值。由此，便可得到發(fā)熱系數(shù)kh表達(dá)式，從圖2和圖3可以看出模型與實(shí)測(cè)點(diǎn)的擬合效果達(dá)到了較為理想的吻合。根據(jù)(4)式，可建立光電流iopt的數(shù)學(xué)模型如下：

因此，采樣正向電流id和正向電壓u，便可計(jì)算得對(duì)應(yīng)的光電流iopt。

同樣的，在本實(shí)施例中，根據(jù)所述步驟s1，建立led光電流iopt與光通量φ的模型iopt＝f(φ)。以cree公司的xpgr4芯片組件在散熱片溫度為70℃的條件下獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，根據(jù)式(4)，可得該芯片的光電流iopt與光通量φ的關(guān)系表達(dá)式如下：

iopt＝0.0013×φ

因此，只要在光電流基準(zhǔn)電路中，設(shè)定好光通量φ同光電流的比例系數(shù)k(在本例中，k＝0.0013)，然后給定光通量基準(zhǔn)值φref就可以得到對(duì)應(yīng)光電流基準(zhǔn)值ioptref。

在本實(shí)施例中，根據(jù)所述步驟s2，在光電流基準(zhǔn)電路中設(shè)定led光通量的基準(zhǔn)值φref，通過相應(yīng)的算法得到相應(yīng)的光電流基準(zhǔn)信號(hào)ioptref；采樣led負(fù)載的正向電壓u和正向電流id送到光電流計(jì)算電路，通過相應(yīng)的算法得到光電流iopt。

在本實(shí)施例中，根據(jù)所述步驟s3，將基準(zhǔn)光電流ioptref與光電流iopt進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)ε，并送入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到一占空比控制信號(hào)d，該信號(hào)控制buck電路開關(guān)管的通斷，使buck電路產(chǎn)生與基準(zhǔn)光電流ioptref對(duì)應(yīng)大小的輸出電流id去驅(qū)動(dòng)led負(fù)載，實(shí)現(xiàn)led輸出的光通量大小為設(shè)定的光通量基準(zhǔn)值φref，從而較好地實(shí)現(xiàn)led輸出光通量的控制。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。