高效率多路LED驱动控制方法技术

一种使用单个直流‑直流电源变换器对多路LED或者直流负载进行独立的电流或电压控制以及独立的工作状态控制的方案。该方案在同样实现多路LED电流独立控制的情况下能够替代传统的多个直流‑直流电源变换器驱动多路LED的方案，大大地减少了功率电子开关和电感等大型元器件的数量，节约了产品的成本和占有空间，尤其适用于汽车照明等输入电压范围宽，空间紧凑，需要高效率、高性能、多路智能控制的应用场合。

【技术实现步骤摘要】
背景介绍专利技术所属领域本专利申请是属于发光二极管(LED)驱动控制领域里的一项专利技术，具体地说是一种使用开关式驱动的高效率、低成本、宽电压范围的多路LED的驱动控制方案。相关的领域描述LED正在给照明领域带来一场革命性的变化。效率高，体积小，寿命长，无污染，以及伴随固体发光特性而来的机械可靠性，便携性等使得它在许多领域成为发光器件的最佳选择。随着LED的光效和功率水平的不断提高，LED的应用也相应地性能要求更高、发光强度更大的领域发展，汽车的前灯照明就是其中一个迅速发展和成长的领域。汽车的前灯照明，特别是夜间行车的照明大灯需要高强度、高功率密度的照明系统。其技术挑战性包括：a.高效率的LED发光器件和高效率的驱动电路以保持最低的功耗。功耗的降低不仅节约了宝贵的电能，同时也降低了由功耗所产生的热量。b.高效的散热系统，因为LED器件在高温下发光效率会下降，使用高效散热系统在有限的紧凑空间内把器件的温度维持在合理水平也是至关重要的。c.汽车照明系统都是由车载电池供电，而电池的电压变化通常都很大，以12V的电池为例，其电压变化范围通常在6V到14V之间，而且由于在汽车工作过程中如果因为某种原因发电机的负载突然断开时，其输出电压可能过冲到非常高的水平，而汽车中所配置的安全箝位电路通常只能把这种过冲电压箝位在40V左右，所以汽车照明系统的工作输入电压范围是6V到40V，这种宽范围的工作输入电压对于照明系统，特别是驱动电路提出了极大的挑战性。d.由于LED照明系统的成本和传统照明系统相比仍然较高，如何降低系统成本对于汽车照明系统的推广也是一个非常关键的因素。汽车的LED前照灯通常较大由三个照明部分组成：主灯(MainBeam，通常也叫大灯)，为夜间行驶提供照明；日间行车灯(Signature)，通常在行车过程中一直点亮，既作为一种安全照明，也作为汽车的一种标志和装饰；转向灯，作为汽车的转向指示。这三种照明设备都需要能适应6V到40V的宽工作电压范围，而且在汽车行驶过程中会处于多种不同的工作组合状态。另一方面，随着技术的进步汽车的照明系统也引进了更多的智能性功能，特别是大灯部分如果把多路LED按照特定的矩阵式分布，在行车过程中就能够在车子转向或上下坡时根据行驶状态和发光矩阵的空间分布状态通过对发光矩阵的控制自动地调节光束的方向来达到最佳的照明效果，从而可以省去高端汽车前照灯所配置的照明伺服系统。智能性大灯的另一个功能是夜间行车时能够根据行驶速度自动调节近光和远光的照射距离，或者调节前照的距离和角度来避免对对方相向而来的车辆的炫目干扰等。而转向灯的照明也由于LED的应用而出现新的显示方式，例如由间歇式闪烁变为一排LED等右左向右或右右向左的依次扫描方式等。以上所描述的汽车照明的应用特点和智能性功能等对LED汽车照明的驱动系统提出了一系列挑战性的要求。一方面由于宽范围的输入工作电压，驱动电路需要采用既能升压又能降压的电路架构，另一方面由于需要控制多路LED器件在各种不同工作状态组合的情况下协调工作，所以很显然汽车照明的LED驱动电路需要具有非常灵活的控制特性，而另一方面由于LED路数的增加，驱动电路的路数和复杂性也随着相应增加，成本自然也随着增加，在这种情况下如何设计出既有应用所需要的高性能、又具有成本竞争力的照明系统成为LED汽车照明能否得到大力推广的关键，本专利申请所公开的LED驱动原理正是为了在上述环境下提供一种创新性的方法来设计和生产出具有高性能和价格竞争力的汽车照明产品来推动该市场和行业的发展，并且进一步推广到其他相关的应用领域中。本专利技术的总结综上所述，本专利技术的目的是要提供一种高性能、高效率和低成本的多路LED驱动方案，而且能够在宽工作输入电压的情况下实现灵活的控制操作。本方案突破了目前市场上所普遍采用的每路LED配置单独的升降压开关式变换器的设计方法，只使用一个升压、降压、或升降压变换器在宽输入电压的情况下来实现对多路LED的独立驱动控制。该方案在保持高效率、高性能操作的同时节约了大量的功率半导体和电感等大型电子器件，大大地降低了系统的成本，同时也大大地降低了驱动电路所占有的空间，增加了汽车照明系统的可靠性和设计灵活性。本专利技术所公开的原理中还提供了一种对非隔离式电源变换器的软开关操作方法，能够进一步提高系统的工作效率并且降低开关工作时的噪音干扰，有利于对周围的通讯、控制电路提供一个更为有利的工作环境。附图说明图1所示为传统的多路LED汽车照明驱动方案。附图中的文字注释：IREF---电流控制参考信号IFB---LED电流反馈信号PWM---PWM脉宽调光信号VIN---直流输入电压QA，QB，QC，QD---变换器电子开关R---电流取样电阻LED---发光二极管L---电感图2描述了本专利技术使用降压式(Buck)变换器对多路LED进行电流控制的驱动方案的原理电路和相关的工作波形。附图中的文字注释：IREF---电流控制参考信号IFB----LED电流反馈信号PWM---PWM脉宽调光信号CTRL---电流控制信号VIN---直流输入电压QA，QB---变换器电子开关Q1，Q2，QK---LED控制开关R---电流取样电阻LED1，LED2，LEDK---发光二极管L1---电感图3描述了本专利技术所采用的升压式(Boost)变换器对多路LED进行电流控制的驱动方案的原理电路和相关的工作波形。附图中的文字注释：IREF---电流控制参考信号IFB----LED电流反馈信号PWM---PWM脉宽调光信号CTRL---电流控制信号VIN---直流输入电压QC，QD---变换器电子开关Q1，Q2，QK---LED控制开关R---电流取样电阻LED1，LED2，LEDK---发光二极管L1---电感图4描述了本专利技术所采用的升降压式(Buck-Boost)变换器对多路LED进行电流控制的驱动制方案的原理电路和相关的工作波形。附图中的文字注释：IREF---电流控制参考信号IFB----LED电流反馈信号PWM---PWM脉宽调光信号CTRL---电流控制信号VIN---直流输入电压QA，QB，QC，QD---变换器电子开关Q1，Q2，QK---LED控制开关R---电流取样电阻LED1，LED2，LEDK---发光二极管L1---电感图5描述了本专利技术使用一个用的升降压式(Buck-Boost)变换器对多路LED进行电压控制的驱动方案的原理电路和相关的工作波形。附图中的文字注释：VREF---电压控制参考信号VFB----LED电压反馈信号PWM---PWM脉宽调光信号CTRL---电流控制信号VIN---直流输入电压QA，QB，QC，QD---变换器电子开关Q1，Q2，QK---LED控制开关R---电流取样电阻LED1，LED2，LEDK---发光二极管L1---电感专利技术的详细描述图一所示为目前普遍采用的典型的三路汽车前灯LED照明驱动电路架构。如图一所示，由于输入电压范围是6V到40V，各路LED的工作电压一般都在十几伏到三十多伏之间，刚好落在输入电压范围之内，在工作过程中输入电压低于和高于LED工作电压的情形都可能出现，所以三个驱动电路都采用升降压(Buck-Boost)电路结构。图一所示的升降压电路能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用一个升降压式变换器对多路LED或者直流负载实现独立的电流控制和工作状态控制的驱动方法，其特征在于，一个直流输入电源，其负电压端作为地；一个由两个电子开关组成的降压操作桥臂，其上端电子开关的负端和下端电子开关的正端相连接形成开关节点1，上端电子开关的正端接到直流输入电源的正电压端，下端电子开关的负端接到地；一个由两个电子开关组成的升压操作桥臂，其上端电子开关的负端和下端电子开关的正端相连接形成开关节点2，上端电子开关的正端作为驱动负载的输出端，下端电子开关的负端接到地；一个电感，其第一端口接到开关节点1，第二端口接到开关节点2；多于一路的LED工作支路，每个LED支路包含一个至少含有一个LED的LED串，一个平滑电容，一个二极管，一个控制开关，和一个电流检测元件，平滑电容和LED串相并联，二极管和LED串相串联，串联后的正端作为LED工作支路的正端，串联后的负端和控制开关的正端相连接，控制开关的负端通过电流检测元件和地连接，所有LED工作支路的正端并联在一起再连接到升压操作桥臂上端电子开关的正端，各个LED串的工作电压在工作过程中允许高于或者低于直流输入电源的电压；一个控制单元，包含控制各个LED串的电流控制回路和对各条LED工作支路的工作状态进行控制的控制分配逻辑，上述电流控制回路根据各个LED工作支路的电流控制参考值和从相应的电流检测元件所取得的反馈信号对各个LED工作支路的电流进行控制，控制分配逻辑根据各个处于工作状态的LED工作支路的电流控制的需要以及相应的LED串的工作电压和输入电压的关系依序协调各个LED工作支路的控制开关和上述升降压变换器的操作来满足各个LED支路的工作要求，当LED串的工作电压低于输入电压时变换器处于降压变换模式，当LED串的工作电压高于输入电压时变换器处于升压变换模式。...

【技术特征摘要】
1.一种使用一个升降压式变换器对多路LED或者直流负载实现独立的电流控制和工作状态控制的驱动方法，其特征在于，一个直流输入电源，其负电压端作为地；一个由两个电子开关组成的降压操作桥臂，其上端电子开关的负端和下端电子开关的正端相连接形成开关节点1，上端电子开关的正端接到直流输入电源的正电压端，下端电子开关的负端接到地；一个由两个电子开关组成的升压操作桥臂，其上端电子开关的负端和下端电子开关的正端相连接形成开关节点2，上端电子开关的正端作为驱动负载的输出端，下端电子开关的负端接到地；一个电感，其第一端口接到开关节点1，第二端口接到开关节点2；多于一路的LED工作支路，每个LED支路包含一个至少含有一个LED的LED串，一个平滑电容，一个二极管，一个控制开关，和一个电流检测元件，平滑电容和LED串相并联，二极管和LED串相串联，串联后的正端作为LED工作支路的正端，串联后的负端和控制开关的正端相连接，控制开关的负端通过电流检测元件和地连接，所有LED工作支路的正端并联在一起再连接到升压操作桥臂上端电子开关的正端，各个LED串的工作电压在工作过程中允许高于或者低于直流输入电源的电压；一个控制单元，包含控制各个LED串的电流控制回路和对各条LED工作支路的工作状态进行控制的控制分配逻辑，上述电流控制回路根据各个LED工作支路的电流控制参考值和从相应的电流检测元件所取得的反馈信号对各个LED工作支路的电流进行控制，控制分配逻辑根据各个处于工作状态的LED工作支路的电流控制的需要以及相应的LED串的工作电压和输入电压的关系依序协调各个LED工作支路的控制开关和上述升降压变换器的操作来满足各个LED支路的工作要求，当LED串的工作电压低于输入电压时变换器处于降压变换模式，当LED串的工作电压高于输入电压时变换器处于升压变换模式。2.根据权利要求1，其特征在于把需要进行电流控制的LED串换成需要进行电流控制的直流负载来组成和LED工作支路相应的直流负载工作支路。3.根据权利要求1或者权利要求2，其特征在于控制分配逻辑把升降压变换器的各个开关操作周期依序地分配给各个处于工作状态的LED工作支路或者直流负载工作支路，得到分配的LED工作支路或者直流负载工作支路根据其相应的电流控制回路的控制信号对升降压变换器在相应的开关周期的操作进行控制，使得在分配到的开关操作周期内所获取的电流量正好满足其在整个工作过程中维持所要求的平均工作电流的需要，每个开关操作周期在电感电流降到零时结束，下一个开关操作周期紧接着开启。4.根据权利要求1或者权利要求2，其特征在于控制分配逻辑把升降压变换器的各个开关操作周期依序分配给各个处于工作状态的LED工作支路或者直流负载工作支路，得到分配的LED工作支路或者直流负载工作支路根据其相应的电流控制回路的控制信号对升降压变换器在相应的开关周期的操作进行控制，使得在分配到的开关操作周期内所获取的电流量正好满足其在整个工作过程中维持所要求的平均工作电流的需要，每个开关操作周期在电感电流降到零时辅助开关继续维持导通，直到电感电流改变方向后接近负方向的峰值时辅助开关关断，相应的开关操作周期结束，下一个开关操作周期紧接着开启。5.根据权利要求1或者权利要求2，其特征在于在操作过程中升降压变换器通过开关操作把电感的电流作为电流源控制在系统工作所需要的电流值，各路LED工作支路或者直流负载工作支路根据自身电流控制的需要通过其相应的控制回路和控制分配逻辑的控制依次从上述电流源获取所需要的电流，使得在分配到的操作周期内所获取的电流量正好满足其在整个工作过程中维持所要求的平均工作电流的需要。6.根据权利要求1或者权利要求2，其特征在于所有LED串或者直流负载的工作电压都低于输入电压的最低值，因而去掉升降压变换器电路中的升压桥臂，剩下的降压桥臂和电感组成降压变换器，各个LED工作支路或者直流负载工作支路的正端并联在一起连接到电感的第二端口，变换器电路在工作过程中只做降压变换操作。7.根据权利要求6，其特征在于控制分配逻辑把降压变换器的各个开关操作周期依序地分配给各个处于工作状态的LED工作支路或者直流负载工作支路，得到分配的LED工作支路或者直流负载工作支路根据其相应的电流控制回路的控制信号对降压变换器在相应的开关周期的操作进行控制，使得在分配到的开关操作周期内所获取的电流量正好满足其在整个工作过程中维持所要求的平均工作电流的需要，每个开关操作周期在电感电流降到零时结束，下一个开关操作周期紧接着开启。8.根据权利要求6，其特征在于控制分配逻辑把降压变换器的各个开关操作周期依序地分配给各个处于工作状态的LED工作支路或者直流负载工作支路，得到分配的LED工作支路或者直流负载工作支路根据其相应的电流控制回路的控制信号对降压变换器在相应的开关周期的操作进行控制，使得在分配到的开关操作周期内所获取的电流量正好满足其在整个工作过程中维持所要求的平均工作电流的需要，每个开关操作周期在电感电流降到零时辅助开关继续维持导通，直到电感电流改变方向后接近负方向的峰值时辅助开关关断，相应的开关操作周期结束，下一个开关操作周期紧接着开启。9.根据权利要求6，其特征在于在操作过程中降压变换器通...

【专利技术属性】
技术研发人员：范剑平，
申请(专利权)人：苏州奥曦特电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32