專利名稱：一種大功率led驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種大功率發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)：
白光LED因其壽命長、節(jié)能等突出優(yōu)點(diǎn)，被稱為“21世紀(jì)的新光源”。另外由于其三波長全彩、高流明的特點(diǎn)，十分適合作為顯示器背光源使用。
為了令LED能夠高效穩(wěn)定地工作，必須由專用的驅(qū)動(dòng)控制器為其提供電能。由于LED本身特性，目前LED驅(qū)動(dòng)器通常采用電流控制，即通過恒定流過LED的平均電流來維持穩(wěn)定的亮度和色彩。因此LED驅(qū)動(dòng)器的總體發(fā)展趨勢是在保證輸出電流控制精度的前提下進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率及輸出功率；減少外圍元件數(shù)目，趨向高度集成化；寬的輸入輸出電壓范圍。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，通?？梢圆捎脠D1中所示的浮動(dòng)式升降壓變換器電路，包括帶有第一極端和第二極端的電感L；與電感L形成一個(gè)回路的發(fā)光二極管LED和功率二極管PD；連接在發(fā)光二極管LED兩端的電容C；連接在電感L的第一極端和接地端之間的電壓源；連接在電感L的第二極端和接地端之間的功率開關(guān)管S。
此外，提高調(diào)光比也是一個(gè)研究重點(diǎn)。調(diào)光比，即驅(qū)動(dòng)器控制LED輸出最高和最低亮度間的比例。在作為背光源使用時(shí)，較高的調(diào)光比意味著較高的動(dòng)態(tài)對(duì)比度以及更能適應(yīng)周圍環(huán)境光線變化；當(dāng)被用于RGB三色點(diǎn)陣顯示時(shí)，較高的調(diào)光比意味著更豐富的色彩表現(xiàn)以及明暗層次。要實(shí)現(xiàn)調(diào)光，目前通行的辦法是在發(fā)光二極管支路增加一個(gè)開關(guān)管S1，如圖2所示。通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)控制該開關(guān)管，即以PWM頻率用額定電流接通和斷開LED。人眼察覺閃爍的閾值為每秒60幀，通過提高PWM頻率(例如提高到80Hz至100Hz)，人眼就感覺脈沖光源是連續(xù)穩(wěn)定的。隨后，通過調(diào)制占空比(“接通時(shí)間”的長度)，可以控制LED的光強(qiáng)。這種調(diào)光方法不會(huì)令LED發(fā)生色偏，因?yàn)榱鹘?jīng)LED的電流值在零與額定值間交替變換，過程如圖3所示。
但是這種調(diào)光方式存在缺陷，如圖4所示，首先當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)控制“接通”時(shí)，如果采用峰值電流型控制，受控制環(huán)路影響，LED電流需要經(jīng)過若干開關(guān)周期(即控制功率開關(guān)管的信號(hào)周期)才能達(dá)到額定電流值；其次開關(guān)信號(hào)與PWM調(diào)光信號(hào)不同步。由于以上兩個(gè)問題的存在，使得PWM調(diào)光信號(hào)最小“接通時(shí)間”為3-5個(gè)開關(guān)周期，這樣便限制了調(diào)光比和調(diào)光頻率。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器能夠根據(jù)應(yīng)用環(huán)境提供一個(gè)高于或者低于輸入電壓的輸出電壓(即若LED需要15V電壓才能工作，在輸入電壓小于15V時(shí)，驅(qū)動(dòng)器升壓工作；在輸入電壓大于15V時(shí)，驅(qū)動(dòng)器降壓工作)，并為LED提供穩(wěn)定的電流，LED即為發(fā)光二極管。
一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器，包括以電感L的第一極端和第二極端作為輸出端的升降壓型開關(guān)變換器，用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為合適的LED驅(qū)動(dòng)電壓；電感L的第一極端用于接入電壓信號(hào)；所述的大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)有用于檢測開關(guān)變換器中電感L的電流值的電流檢測器以及用于接收電流檢測器信號(hào)的控制器；所述的升降壓型開關(guān)變換器中設(shè)有周期控制電路，周期控制電路接收控制器的控制信號(hào)使電感L電流保持在一定門限內(nèi)，所述的周期控制電路同時(shí)具備調(diào)光功能。
所述的周期控制電路包括連接在電感L的第二極端與接地端之間的第一功率開關(guān)管s1和連接在電感L的第一極端和第二極端之間的第二功率開關(guān)管s2；所述的控制器帶有第一控制端M1和第二控制端M2分別控制第一功率開關(guān)管s1和第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通與斷開。
所述的第一功率開關(guān)管s1的漏極與電感L的第二極端相連，第一功率開關(guān)管s1的源極接地，第一功率開關(guān)管s1的柵極與第一控制端M1相連；所述的第二功率開關(guān)管s2的漏極與電感L的第二極端相連，第二功率開關(guān)管s2的源極與電感L的第一極端相連，第二功率開關(guān)管s2的柵極與第二控制端M2相連。
由電感L的第一極端和第二極端組成的輸出端接發(fā)光二極管；所述的第一極端接發(fā)光二極管的陰極，所述的第二極端接發(fā)光二極管的陽極。
電感L的第一極端用于接入電壓信號(hào)，即電感(L)的第一極端與接地端之間的電壓源，用于提供輸入電壓。
所述的LED驅(qū)動(dòng)器具有一般開關(guān)變換器的特點(diǎn)，其中電感L為主要儲(chǔ)能元件。當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管s1導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管s2斷開時(shí)，電感L的第二極端接地，輸入電壓源的電流通過電感L流回接地端，這一過程中電感電流逐漸上升，能量被存儲(chǔ)在電感L中。此時(shí)LED陽極電壓為低電位(即接地)，陰極為輸入電壓，陽極電壓低于陰極電壓，所以反向截至，無電流流過LED。唯一的電流從輸入端經(jīng)過電感和第一功率開關(guān)管S1流至地。
用戶設(shè)置電感電流的上門限Imax、下門限Imin、輸入電壓源的輸入電壓Vin、輸出電壓Vout，目標(biāo)開關(guān)頻率fs，即開關(guān)周期Ts。
當(dāng)電感電流上升到預(yù)設(shè)定的上門限Imax時(shí)，第一功率開關(guān)管斷開，第二功率開關(guān)管維持?jǐn)嚅_狀態(tài)，由于電感電流不能突變，原先存儲(chǔ)在電感L中的電流通過LED流回電感L的第一極端，點(diǎn)亮LED。
當(dāng)電感電流下降到控制器設(shè)定的下門限Imin時(shí)，第一功率開關(guān)管s1維持?jǐn)嚅_狀態(tài)，第二功率開關(guān)管s2導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED的陽極與陰極短接，無電流流過發(fā)光二極管LED，電感電流在第二功率開關(guān)管s2與電感L中循環(huán)，并維持在第二功率開關(guān)管s2剛導(dǎo)通那一刻的電流值。
對(duì)于一定范圍內(nèi)變化的輸入電壓Vin，控制器通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使得在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，第一功率開關(guān)管與第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間之和等于一個(gè)預(yù)設(shè)的時(shí)間，令開關(guān)周期Ts的長度恒定。
該LED驅(qū)動(dòng)器適合作為平板顯示中的背光源使用。如應(yīng)用在家用液晶電視機(jī)中，當(dāng)室內(nèi)光線隨時(shí)間季節(jié)等發(fā)生變化時(shí)，通過改變背光亮度，使得顯示與環(huán)境光強(qiáng)相適應(yīng)，不會(huì)令人眼感覺顯示亮度太高或太低。本發(fā)明的調(diào)光采用維持LED峰值電流，跳過若干開關(guān)周期的方式調(diào)光，并能實(shí)現(xiàn)在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)令LED峰值電流達(dá)到預(yù)設(shè)值，因此相較傳統(tǒng)的帶調(diào)光功能的LED驅(qū)動(dòng)器，不僅能實(shí)現(xiàn)在調(diào)光時(shí)LED的發(fā)光顏色保持不變，更能達(dá)到比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器高得多的調(diào)光比。
此外，由于本發(fā)明的電路利用了LED單向?qū)щ姷奶匦?，因此可以在同樣?shí)現(xiàn)調(diào)光功能的前提下，比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器減少使用一個(gè)功率二極管，降低了制造成本。



圖1是浮動(dòng)式升降壓變換器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是可調(diào)光浮動(dòng)式升降壓變換器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是傳統(tǒng)PWM調(diào)光示意圖； 圖4是傳統(tǒng)PWM調(diào)光的缺陷示意圖； 圖5是本發(fā)明大功率LED驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本發(fā)明大功率LED驅(qū)動(dòng)器非調(diào)光模式下控制策略示意圖； 圖7是本發(fā)明大功率LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光模式下控制策略示意圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器，如圖5所示，包括 包括電感L的升降壓型開關(guān)變換器用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為合適的LED驅(qū)動(dòng)電壓；該升降壓型開關(guān)變換器以電感L的第一極端和第二極端作為輸出端，開關(guān)變換器的電感L的第一極端接發(fā)光二極管LED的陰極，第二極端接發(fā)光二極管LED的陽極。電感L的第一極端用于接入電壓信號(hào)，即電感L的第一極端與接地端之間的電壓源Vin，用于提供輸入電壓。
電流檢測器用于檢測開關(guān)變換器中電感L的電流值，并將檢測得到的電流值提供給控制器。
控制器根據(jù)電流檢測器檢測得到的電流值，控制開關(guān)變換器使電感電流保持在一定門限內(nèi)，同時(shí)控制器也具備調(diào)光功能。
升降壓型開關(guān)變換器中設(shè)有周期控制電路，周期控制電路接收控制器的控制信號(hào)使電感L電流保持在一定門限內(nèi)，周期控制電路同時(shí)具備調(diào)光功能。周期控制電路包括連接在電感L的第二極端與接地端之間的第一功率開關(guān)管s1和連接在電感L的第一極端和第二極端之間的第二功率開關(guān)管s2；控制器帶有第一控制端M1和第二控制端M2分別控制第一功率開關(guān)管s1和第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通與斷開。
控制器設(shè)有控制端M1和控制端M2；控制端M1控制第一功率開關(guān)管s1的導(dǎo)通與斷開，控制端M2控制第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通與斷開。
當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管s1導(dǎo)通時(shí)，電感電流上升；當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管s1斷開時(shí)，電感電流下降并同時(shí)流過發(fā)光二極管。由于電感電流上升斜率為Vin/L，同輸入電壓大小有關(guān)，即輸入電壓越高，電感電流斜率越大；輸入電壓越低，電感電流斜率越小，而電感電流下降斜率為-VD/L，同發(fā)光二極管正向?qū)妷河嘘P(guān)(VD為發(fā)光二極管正向?qū)妷?，發(fā)光二極管正向?qū)妷簽橐欢ㄖ担噪姼须娏飨陆敌甭士梢钥醋魇呛愣ㄖ?。這就意味著輸入電壓的變化會(huì)引起開關(guān)周期的變化，反映在發(fā)光二極管上就是亮度和色彩的變化。
為了消除這種影響，本發(fā)明增加一個(gè)第二功率開關(guān)管s2，當(dāng)本發(fā)明的一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器處于非調(diào)光工作模式下時(shí)，具體工作流程如下 控制策略參見圖6，首先用戶設(shè)置電感電流的上門限Imax為2.1A、下門限Imin為1.9A、輸入電壓Vin的范圍是20-26V、輸出電壓Vout為21V(該電壓大約為6只白光LED的導(dǎo)通電壓)，目標(biāo)開關(guān)頻率fs為500kHz，即開關(guān)周期Ts為2μs。
設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，先忽略第二功率開關(guān)管作用，即假設(shè)其始終斷開。由電力電子學(xué)理論分析可知，輸入輸出電壓關(guān)系滿足其中D為占空比。將最小輸入電壓Vin(min)＝20V作為Vin代入，可得D約為0.5。設(shè)定固定蓄能時(shí)間Ta＝D×Ts＝1μs。
根據(jù)之前設(shè)定，電流紋波ID(ripple)為Imax-Imin＝0.2A。
根據(jù)公式ID(ripple)＝VIN(min)/L×D×1/fs，可得滿足設(shè)計(jì)所需的電感L大小為100μH。
周期開始，第一功率開關(guān)管s1導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管s2斷開，輸入電壓源對(duì)電感上電，電流檢測器監(jiān)視電感的電流。當(dāng)電流檢測器檢測到電感電流達(dá)到上門限Imax時(shí)，控制端M1控制第一功率開關(guān)管s1斷開，電感中儲(chǔ)存的電流經(jīng)發(fā)光二極管(LED)流回電感，同時(shí)電流值下降。該發(fā)光二極管(LED)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率二極管的功能。
當(dāng)電流檢測器檢測到電感電流下降至下門限Imin時(shí)，控制端M2控制第二功率開關(guān)管s2導(dǎo)通，電感電流在電感與第二功率開關(guān)管s2中循環(huán)。隨后第二功率開關(guān)管s2斷開，第一功率開關(guān)管s1導(dǎo)通，電感電流上升至上門限，完成一個(gè)開關(guān)周期Ts。
由于電感電流上升時(shí)間同輸入電壓Vin有關(guān)，輸入電壓Vin越高，電感電流上升時(shí)間越短；輸入電壓Vin越低，電感電流上升時(shí)間越長?？刂破魍ㄟ^控制第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通時(shí)間使得第一功率開關(guān)管s1與第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通時(shí)間之和等于預(yù)設(shè)的蓄能時(shí)間Ta；由于電感電流下降斜率是一個(gè)固定值為-VD/L，電感電流上下門限分別為Imax和Imin也為固定值，所以電感電流下降時(shí)間也為一固定值Tb。因此，整個(gè)開關(guān)周期長度為一固定值Ts＝Ta+Tb。這樣發(fā)光二極管(LED)的亮度和色彩均能維持穩(wěn)定。
當(dāng)本發(fā)明的一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器處于調(diào)光工作模式下時(shí)，具體工作流程如下 控制策略參見圖7，首先用戶設(shè)置電感電流的上門限Imax、下門限Imin、最大調(diào)光比以及最小輸入電壓Vin(min)，輸出電壓Vout確定一個(gè)固定的蓄能時(shí)間Ta。
輸入電壓對(duì)電感上電，電流檢測器監(jiān)視電感電流。
在調(diào)光工作模式下，LED驅(qū)動(dòng)器的基本控制方式同非調(diào)光工作模式下類似。當(dāng)調(diào)光比為3∶1時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器跳過2個(gè)工作周期，當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)器在跳過前兩個(gè)工作周期中時(shí)，控制端M1控制第一功率開關(guān)管s1斷開，控制端M2控制第二功率開關(guān)管s2導(dǎo)通，使電流始終在電感L和第二功率開關(guān)管s2中連續(xù)流動(dòng)，當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)器在第三個(gè)周期來到時(shí)，電流檢測器對(duì)電感電流進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到電感電流下降至下門限Imin時(shí)，控制端M1控制第一功率開關(guān)管s1導(dǎo)通，控制端M2控制第二功率開關(guān)管s2斷開，電感電流上升至上門限Imax，控制端M1和控制端M2控制第一功率開關(guān)管s1和第二功率開關(guān)管s2均斷開，電感L中儲(chǔ)存的電流經(jīng)發(fā)光二極管(LED)流回電感，同時(shí)電流值下降，直至下降到下門限Imin，完成一個(gè)調(diào)光周期。
控制器通過控制第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通時(shí)間，使得在一個(gè)調(diào)光周期內(nèi)，第一功率開關(guān)管s1與第二功率開關(guān)管s2的導(dǎo)通時(shí)間之和等于預(yù)設(shè)的蓄能時(shí)間Ta加上跳過周期的總時(shí)長。
由于發(fā)光二極管中電流能夠在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)值，因此可以在不超過人眼察覺閃爍閾值的前提下獲得更高的調(diào)光比。
權(quán)利要求
1.一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器，包括以電感(L)的第一極端和第二極端作為輸出端的升降壓型開關(guān)變換器，電感(L)的第一極端用于接入電壓信號(hào)，其特征在于，設(shè)有用于檢測開關(guān)變換器中電感(L)的電流值的電流檢測器以及用于接收電流檢測器信號(hào)的控制器；所述的升降壓型開關(guān)變換器中設(shè)有周期控制電路，周期控制電路接收控制器的控制信號(hào)使電感(L)電流保持在一定門限內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率LED驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述的周期控制電路包括連接在電感(L)的第二極端與接地端之間的第一功率開關(guān)管和連接在電感(L)的第一極端和第二極端之間的第二功率開關(guān)管；所述的控制器帶有第一控制端(M1)和第二控制端(M2)分別控制第一功率開關(guān)管和第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通與斷開。
3.如權(quán)利要求1所述的大功率LED驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述的電流檢測器連接并采樣自電感(L)的第一極端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率LED驅(qū)動(dòng)器，包括以電感的第一極端和第二極端作為輸出端的升降壓型開關(guān)變換器；用于檢測開關(guān)變換器中電感的電流值的電流檢測器以及用于接收電流檢測器信號(hào)的控制器。升降壓型開關(guān)變換器中設(shè)有周期控制電路，接收控制器的控制信號(hào)使電感電流保持在一定門限內(nèi)；周期控制電路包括連接在電感的第二極端與接地端之間的第一功率開關(guān)管和連接在電感的第一極端和第二極端之間的第二功率開關(guān)管；控制器帶有第一控制端和第二控制端分別控制第一功率開關(guān)管和第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通與斷開。本發(fā)明所述的LED驅(qū)動(dòng)器比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器減少一個(gè)功率元件，能為LED提供穩(wěn)定的電流，通過配合相應(yīng)控制策略，能達(dá)到比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更高的調(diào)光比。
文檔編號(hào)H05B37/02GK101578003SQ20091009888
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者孫越明, 吳曉波, 趙夢(mèng)戀 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)