基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，将基于开关电容变换器的LED驱动系统在充电回路中电容CS的电流Ich作为的积分输入量送入可复位积分器，将基于开关电容变换器的LED驱动系统在放电回路中给定输出电流参考量Iref与基于开关电容变换器的LED驱动系统的整体输出电流Io反馈给加减法器作差，将加减法器的输出信号与可复位积分器的输出信号一起送入比较器进行比较再送入D触发器，然以后进入单稳态多谐振荡器中，从单稳态多谐振荡器输出的信号再经过输出驱动信号放大电路来驱动开关管S1和开关管S2，从而达到恒流输出的目的，且提高了基于开关电容变换器的LED驱动系统的动态响应速度。

Frequency conversion constant current control method of LED drive system based on switched capacitor converter

The invention discloses a frequency conversion constant current control method for LED drive system based on switched capacitor converter. The integrated input of current Ich of capacitor CS in charging circuit of LED drive system based on switched capacitor converter is fed into a reset integrator, and the LED drive system based on switched capacitor converter is fed into a discharge circuit. The output current reference Iref of the LED drive system based on the switched capacitor converter is fed back to the adder and subtractor to make a difference. The output signal of the adder and subtractor is sent to the comparator together with the output signal of the reset integrator for comparison and then to the D flip-flop, then to the monostable multivibrator. The output signal from the monostable multivibrator is then amplified by the output driving signal to drive the switch S1 and the switch S2, thus achieving the goal of constant current output and improving the dynamic response speed of the LED drive system based on the switched capacitor converter.

【技术实现步骤摘要】
基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法
本专利技术属于非线性控制方法
，涉及一种基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法。
技术介绍
随着智能电子产品越来越广泛的应用和其它电子技术的发展，LED已经一定规模上应用于照明领域(例如路灯照明、家居照明、电动汽车照明系统等)，一些先进产品需要的功能越来越多，因此LED照明系统需要更高的性能。由于有着较高发光效率和较长寿命的优点，LED已经广泛的应用于国内或者国际的自动化产业，工业和公共设施领域。LED的性能主要取决于驱动器，其性能的优劣将对LED产生非常大的影响。随着电子技术的发展，LED照明系统的驱动器应当满足性能优良、低成本并且具有很高的工作性能等特点。开关电容变换器是开关电源的一个重要分支，其电路仅由电容和开关管组成，与传统的感性电源变换器相比，具有质量轻、体积小、高功率密度和较小EMI噪声等优点。相较于感性开关电源变换器其集成更容易实现，现已被广泛的用作为LED照明系统、平板电脑、手机、电动汽车、太阳能发电系统和医学可植入设备等的供电电源。但是，限制开关电容变换器得到更广泛应用甚至取代传统感性开关变换器的一个重要因素是其控制方法的局限性。近年来开关电容变换器开始用作为LED照明的驱动系统并表现出高功率密度、高能量转换效率、低成本等优点。LED灯的平均电流取决于LED电源电压和正向电压的差值，LED的正向电压会影响LED阵列，谐振式开关电容变换器由于开始实现软开关技术，已经在大功率的开关电容变换器上应用，结合谐振式开关电容变换器，利用可变电感可以实现LED照明系统的模拟调光功能。针对开关电容变换器，学者们提出了很多种控制方法，比如PI方法、PWM控制方法、电流控制方法、变频控制方法等方法。但是，利用这些传统控制方法，开关电容变换器具有动态响应速度慢，输入电压和输出功率范围窄，输出电压不稳定等缺点，另外，这些控制方法主要是实现开关电容变换器的恒压控制方法。而采用恒流控制方法，有利于延长LED灯具的寿命，提高电能转换效率，对于开关电容变换器的恒流控制方法，现有文献和实际应用中暂无涉及。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，能有效实现开关电容变换器的恒流控制，且提高了基于开关电容变换器的LED驱动系统的动态响应速度。本专利技术所采用的技术方案是，基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，采用基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统，包括基于开关电容变换器的LED驱动系统，基于开关电容变换器的LED驱动系统连接有可复位积分器和加减法器，可复位积分器和加减法器的信号输出端均连接有比较器的信号输入端，比较器依次连接有D触发器和单稳态多谐振荡器，单稳态多谐振荡器输出端并列连接有两个输出驱动信号放大电路，一个输出驱动信号放大电路连接基于开关电容变换器的LED驱动系统，另一个输出驱动信号放大电路连接可复位积分器；基于开关电容变换器的LED驱动系统的具体结构为：包括电源Vin，电源Vin的正负极两端分别连接有开关管S1和开关管S2，开关管S1和开关管S2中间设有结点且连接有开关电容CS的正极，开关电容CS的负极连接有二极管D1和二极管D3，二极管D1的阴极连接有二极管D2的阴极，二极管D3的阳极连接有二极管D4的阳极，二极管D2、二极管D4中间设有结点且连接电源Vin的负极，二极管D1、二极管D2的阴极结点连接有电感LS相连，还包括LED等效电路，LED等效电路并联有输出滤波电容CO，输出滤波电容CO的正负极分别连接电感LS阴极和二极管D4的阳极节点；该基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统的运行方法为，在进行控制时，将基于开关电容变换器的LED驱动系统在充电回路中电容CS的电流Ich作为的积分输入量送入可复位积分器进行积分，将基于开关电容变换器的LED驱动系统在放电回路中将给定输出电流参考量Iref与基于开关电容变换器的LED驱动系统的整体输出电流Io反馈给加减法器作差，将加减法器的输出信号与可复位积分器的输出信号一起送入比较器进行比较，再送入D触发器，然后进入单稳态多谐振荡器中，从单稳态多谐振荡器输出的信号再经过输出驱动信号放大电路来驱动基于开关电容变换器的LED驱动系统中的开关管S1和开关管S2，其中，为电容Cs在放电过程中的电压平均值，是电感Ls的实时电压，Rdis放电回路的等效电阻。本专利技术的技术特征还在于，LED等效电路包括依次相连的二极管IdealDiode，LED的等效电阻RLED和等效电压VLED，等效电压VLED的负极与二极管IdealDiode的阳极分别与输出滤波电容CO的正负极连接。基于开关电容变换器的LED驱动系统在一个周期运行状态为：状态1，在(t0-t2)时间段，当开关管S1导通时和开关管S2关断时，电源Vin对电容Cs，电感Ls和输出滤波电容C0进行充电；状态2，在(t2-t3)时间段，当开关管S1和开关管S2关断时，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4导通，电感Ls对输出滤波电容C0和负载放电；状态3，在(t3-t4)时间段，输出滤波电容C0对负载放电；状态4，在(t4-t6)时间段，当开关管S2导通和开关管S1关断时，电容Cs对输出滤波电容C0和负载进行放电；状态5，在(t6-t7)时间段，当开关管S1和开关管S2关断时，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4导通，电感Ls对输出滤波电容C0和负载放电；状态6，在(t7-t8)时间段，输出滤波电容C0对负载放电。D触发器包括S输入端口和R输入端口，S输入端口和R输入端口分别接时钟信号和比较器的输出端。电容Cs在充电过程中的充电电流表示为：式(1)中：是电容Cs的实时电压，是电感Ls的实时电压，VO基于开关电容变换器的LED驱动系统的输出电压，Rch是充电回路的等效电阻，Cs是电容Cs的电容值；电容Cs在放电过程中的放电电流表示为：式(2)中：Rdis为放电回路的等效电阻；基于电容充电和放电的实时安秒平衡法则，在一个周期内，电容Cs的充电电量和放电电量守恒，其表达式如下：Qcharge+Qdischarge＝Ich(t)Ton+Idis(t)Toff＝0(3)；式(3)中，Ton和Toff分别是电容Cs的充电时间和放电时间，Qcharge为电容Cs的充电电量，Qdischarge为电容Cs的放电电量；当开关管S1开启，开关管S2关断，在Ton充电时间段内，电容Cs的充电电量表示为如下形式：当开关管S2开启，开关管S1关断，在Toff充电时间段内，电容Cs的放电电量表示为如下形式：式(5)中：为电容Cs在放电过程中的电压平均值；令则在一个周期内，电容Cs的实时安秒平衡公式能表示为如下形式：令又因为基于开关电容变换器的LED驱动系统的输出电流则公式(6)可变化为：该基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统的运行方法具体为，在一个周期开始时，固定占空比恒定频率的时钟信号Clock设置D触发器的QD端输出信号为高，即QD＝1，端输出信号为低，即当D触发器的输出信号QD的下降沿出现时，反馈控制回路中的单稳态多谐振荡器将会生成一个固定脉冲宽度的控制信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，其特征在于，采用基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统，包括基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)，所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)连接有可复位积分器(2)和加减法器(3)，所述可复位积分器(2)和加减法器(3)的信号输出端均连接有比较器(4)的信号输入端，所述比较器(4)依次连接有D触发器(5)和单稳态多谐振荡器(6)，所述单稳态多谐振荡器(6)输出端并列连接有两个输出驱动信号放大电路(7)，一个所述输出驱动信号放大电路(7)连接所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)，另一个所述输出驱动信号放大电路(7)连接所述可复位积分器(2)；所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)的具体结构为：包括电源Vin，电源Vin的正负极两端分别连接有开关管S1和开关管S2，开关管S1和开关管S2中间设有结点且连接有开关电容CS的正极，所述开关电容CS的负极连接有二极管D1和二极管D3，二极管D1的阴极连接有二极管D2的阴极，二极管D3的阳极连接有二极管D4的阳极，所述二极管D2、二极管D4中间设有结点且连接电源Vin的负极，二极管D1、二极管D2的阴极结点连接有电感LS相连，还包括LED等效电路，LED等效电路并联有输出滤波电容CO，输出滤波电容CO的正负极分别连接电感LS阴极和二极管D4的阳极节点；该基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统的运行方法为，在进行控制时，将基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)在充电回路中电容CS的电流Ich作为的积分输入量送入可复位积分器(2)进行积分，将基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)在放电回路中将给定输出电流参考量Iref与基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)的整体输出电流Io反馈给加减法器(3)作差，将加减法器(3)的输出信号与可复位积分器(2)的输出信号一起送入比较器(4)进行比较，再送入D触发器(5)，然以后进入单稳态多谐振荡器(6)中，从单稳态多谐振荡器(6)输出的信号再经过输出驱动信号放大电路(7)来驱动基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)中的开关管S1和开关管S2，其中，...

【技术特征摘要】
1.基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，其特征在于，采用基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统，包括基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)，所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)连接有可复位积分器(2)和加减法器(3)，所述可复位积分器(2)和加减法器(3)的信号输出端均连接有比较器(4)的信号输入端，所述比较器(4)依次连接有D触发器(5)和单稳态多谐振荡器(6)，所述单稳态多谐振荡器(6)输出端并列连接有两个输出驱动信号放大电路(7)，一个所述输出驱动信号放大电路(7)连接所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)，另一个所述输出驱动信号放大电路(7)连接所述可复位积分器(2)；所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)的具体结构为：包括电源Vin，电源Vin的正负极两端分别连接有开关管S1和开关管S2，开关管S1和开关管S2中间设有结点且连接有开关电容CS的正极，所述开关电容CS的负极连接有二极管D1和二极管D3，二极管D1的阴极连接有二极管D2的阴极，二极管D3的阳极连接有二极管D4的阳极，所述二极管D2、二极管D4中间设有结点且连接电源Vin的负极，二极管D1、二极管D2的阴极结点连接有电感LS相连，还包括LED等效电路，LED等效电路并联有输出滤波电容CO，输出滤波电容CO的正负极分别连接电感LS阴极和二极管D4的阳极节点；该基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制系统的运行方法为，在进行控制时，将基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)在充电回路中电容CS的电流Ich作为的积分输入量送入可复位积分器(2)进行积分，将基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)在放电回路中将给定输出电流参考量Iref与基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)的整体输出电流Io反馈给加减法器(3)作差，将加减法器(3)的输出信号与可复位积分器(2)的输出信号一起送入比较器(4)进行比较，再送入D触发器(5)，然以后进入单稳态多谐振荡器(6)中，从单稳态多谐振荡器(6)输出的信号再经过输出驱动信号放大电路(7)来驱动基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)中的开关管S1和开关管S2，其中，为电容Cs在放电过程中的电压平均值，是电感Ls的实时电压，Rdis放电回路的等效电阻。2.根据权利要求1所述的基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，其特征在于，所述LED等效电路包括依次相连的二极管IdealDiode，LED的等效电阻RLED和等效电压VLED，等效电压VLED的负极与二极管IdealDiode的阳极分别与所述输出滤波电容CO的正负极连接。3.根据权利要求2所述的基于开关电容变换器的LED驱动系统的变频恒流控制方法，其特征在于，所述基于开关电容变换器的LED驱动系统(1)在一个周期运行状态为：状态1，在(t0-t2)时间段，当开关管S1导通时和开关管S2关断时，电源Vin对电容Cs，电感Ls和输出滤波电容C0进行充电；状态2，在(t2-t3)时间段，当开关管S1和开关管S2关断时，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4导通，电感Ls对输出滤波电容C0和负载放电；状态3，在(t3-t4)时间段，输出滤波电容C0对负载放电；状态4，在(t4-t6)时间段，当开关管S2导通和开关管S1关断时，电容Cs对输出滤波电容C0和负载进行放电；状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨磊，于文倩，杨曦，张嘉翔，同向前，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61