用于兩個或多個并聯(lián)led燈串的驅(qū)動器的制造方法
【專利摘要】一種用于多個LED燈串的LED驅(qū)動器，其具有公共節(jié)點和用于連接多個LED燈串的多個驅(qū)動器輸出節(jié)點。提供主功率電路，該主功率電路具有與公共節(jié)點連接的主輸出。提供多個從屬功率電路，所述從屬功率電路分別具有與相應(yīng)的其中一個驅(qū)動器輸出節(jié)點連接的從屬輸出。
【專利說明】用于兩個或多個并聯(lián)LED燈串的驅(qū)動器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED驅(qū)動器電路，且具體地涉及用于并聯(lián)LED燈串的驅(qū)動器電路及驅(qū)動并聯(lián)LED燈串的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于固態(tài)照明技術(shù)上的快速發(fā)展，發(fā)光二極管(LEDs)已在液晶顯示器、標牌及通用照明中獲得廣泛應(yīng)用。與現(xiàn)有的普通發(fā)光源(諸如白熾燈和熒光燈)相比，由于不存在燈絲的高場濺射，LEDs具有80，000-100，000小時的相對較長的工作壽命。市場上銷售的LEDs現(xiàn)在用較少的玻璃密封，這使得對于操縱者而言它們的可靠性和安全性得到明顯改善。由于不含有毒的汞，LED在其壽命盡頭可以被安全地處置。其它的諸如無閃爍、平滑調(diào)光、低壓工作和現(xiàn)色性良好等有利特點使得LED成為一項新興的技術(shù)，其在不久的將來會在照明市場上占據(jù)主要地位。
[0003]廣義的光一電一熱(PET)理論指出，與單芯片高功率設(shè)計相比，使用低功率芯片的設(shè)備級多芯片設(shè)計具有功效更高和結(jié)溫更低等有利特點。類似地，在系統(tǒng)級上，與系統(tǒng)功率相同的由數(shù)量較少的高功率LEDs構(gòu)成的集中式系統(tǒng)相比，基于多個功率相對低的LED的分布式LED系統(tǒng)具有類似的優(yōu)點。由于LED為電流驅(qū)動的設(shè)備且其發(fā)光強度與施加的正向電流直接相關(guān)，因此在驅(qū)動多個LED時，串聯(lián)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，因為串聯(lián)燈串中的所有LED可以在相同電流下工作，而不存在電流共用和色品變化問題。然而，串聯(lián)連接的LED數(shù)量在很大程度上受到電源提供的輸出低壓的限制，因此并聯(lián)的LED燈串特別適用于高功率應(yīng)用(即>25W)。由于LED的制造公差、老化和溫度變化，這種并聯(lián)LED燈串結(jié)構(gòu)會引發(fā)電流失衡問題，從而導(dǎo)致發(fā)光強度和顏色變化。此外，當在無電流共用裝置的情況下使用并聯(lián)LED燈串時，即使各個LED燈串的平均電流小于額定電流，某個或多個LED燈串也可能超出其最大絕對額定電流。
[0004]存在數(shù)種用于驅(qū)動并聯(lián)連接的多串LED的電流共用法。一種直接的方式是使用與各LED燈串串聯(lián)的鎮(zhèn)流電阻器以使電流差最小。這種方式非常簡單；然而，它的工作效率很差，因為在使用的鎮(zhèn)流電阻器上會產(chǎn)生非常大的功耗?？梢允褂脽o損耗的電容器來替代有損耗的鎮(zhèn)流電阻器，以在LED用AC交流電源驅(qū)動或者與整流器耦聯(lián)時減少不必要的損耗。這些方法的主要缺陷在于不能精確控制各LED燈串的正向電流。目前，已在各個燈串上使用線性電流調(diào)節(jié)器來確保良好的電流共用效果，但是電流調(diào)節(jié)器上要耗費相當大的功耗。另一種方式是為各個LED燈串設(shè)立單獨的電壓源?？梢允褂靡环N基于并聯(lián)或串聯(lián)輸入連接的轉(zhuǎn)換器的模塊式功率轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其中所述轉(zhuǎn)換器具有獨立的LED燈串負載。獨立檢測和控制各LED燈串的電流以遵循相同基準。由于不存在有損耗的鎮(zhèn)流電阻器或線性電流調(diào)節(jié)器，這兩種LED驅(qū)動器結(jié)構(gòu)具有相對更高的轉(zhuǎn)換效率。然而，這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴，因為每個LED燈串都需要一套主電路和控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明提供了 一種用于驅(qū)動多個并聯(lián)LED燈串的LED驅(qū)動器，其具有公共的主功率轉(zhuǎn)換器和并聯(lián)級聯(lián)的從屬功率轉(zhuǎn)換器。主功率轉(zhuǎn)換器被用于提供驅(qū)動器電壓的絕大部分，具有電壓調(diào)節(jié)的多個從屬轉(zhuǎn)換器模塊提供剩余的平衡電壓以分別控制各個LED燈串電流。主功率轉(zhuǎn)換器可以受到PWM控制以對LED燈串進行調(diào)光。主功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)提供總輸出電壓的絕大部分，同時從屬功率轉(zhuǎn)換器提供這種電壓的剩余少量部分。優(yōu)選但非必要地，主功率轉(zhuǎn)換器提供LED燈串的標稱供電電壓的百分之九十(90%)。關(guān)于各LED燈串的電壓的剩余百分之十(10%)由從屬功率轉(zhuǎn)換器之一提供。從屬功率轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)剩余電壓以平衡各并聯(lián)LED燈串上的電流。從屬轉(zhuǎn)換器可以使用半導(dǎo)體開關(guān)(諸如功率M0SFET)或磁放大器以進行開關(guān)控制。
[0006]本發(fā)明還提供了通過從單個主功率轉(zhuǎn)換器電路提供燈串供電電壓的第一部分和從獨立的從屬功率轉(zhuǎn)換器提供各個LED燈串的電壓的第二剩余部分來驅(qū)動兩個或多個并聯(lián)LED燈串的方法。獨立的從屬功率轉(zhuǎn)換器用于各個LED燈串，且該方法包括獨立調(diào)節(jié)剩余的電壓部分以平衡各LED燈串中的電流。
[0007]因此，此處公開了一種LED驅(qū)動器，該驅(qū)動器包括公共節(jié)點，多個驅(qū)動器輸出節(jié)點，其中在使用中，多個LED燈串被連接在相應(yīng)的驅(qū)動器輸出節(jié)點和公共節(jié)點之間，具有與公共節(jié)點連接的主輸出的主功率電路，以及多個從屬功率電路，各個從屬功率電路具有與相應(yīng)的其中一個驅(qū)動器輸出節(jié)點連接的從屬輸出。
[0008]此處還公開了一種LED驅(qū)動器，該驅(qū)動器包括公共節(jié)點，至少兩個輸出節(jié)點，生成與公共節(jié)點連接的主電壓輸出的主功率電路，至少兩個從屬功率電路，每個從屬功率電路生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓輸出，經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓輸出與相應(yīng)的其中一個輸出節(jié)點相連，其中公共節(jié)點和其中一個驅(qū)動器輸出節(jié)點之間的驅(qū)動器電壓包括主電壓和相應(yīng)的其中一個從屬電壓之和。
[0009]各從屬輸出可以與主輸出串聯(lián)連接。主功率電路和從屬功率電路優(yōu)選被設(shè)置成主電壓大于任何從屬電壓，且更優(yōu)選地比任何從屬電壓大大約9倍，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在優(yōu)選方面，次級電路是獨立調(diào)節(jié)的，因此電壓比在使用中可以發(fā)生改變。
[0010]主功率電路和/或從屬功率電路優(yōu)選為開關(guān)模式的功率源。更優(yōu)選地，功率電路包括具有變壓器的正向轉(zhuǎn)換器，所述變壓器具有第一和第二次級繞組，其中主功率電路連接第一次級繞組，各從屬功率電路連接第二次級繞組。各從屬功率電路可以具有半導(dǎo)體開關(guān)(諸如功率M0SFET)或磁放大器，以及反饋電路以獨立調(diào)節(jié)各從屬功率電路。初級電路連接變壓器的初級繞組，且包括PWM控制開關(guān)以調(diào)節(jié)初級繞組的功率。
[0011]本發(fā)明的其它方面將從下面描述中變得顯而易見，所述描述只是以舉例方式給出以說明本發(fā)明的具體實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]現(xiàn)在將參見附圖描述本發(fā)明，其中:
[0013]圖la、Ib和Ic是用于減少并聯(lián)LED燈串中電流失衡的三種現(xiàn)有技術(shù)方法的示意圖；
[0014]圖2a是根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器的示意圖；
[0015]圖2b是LED驅(qū)動器的電壓輸出的圖示；[0016]圖3是LED驅(qū)動器的電路圖；
[0017]圖4示出了 LED驅(qū)動器的Lf — Vm曲線；
[0018]圖5是具有PWM調(diào)光的、根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器的第二實施例的電路圖；
[0019]圖6是具有PSPWM調(diào)光的、根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器的第三實施例的電路圖；
[0020]圖7示出了對于(a)匹配的LED燈串和(b)失配的LED燈串，以根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器為例的初級開關(guān)電流Ip和次級整流器電壓Vr、VrU Vr2和Vr3的波形；
[0021]圖8示出了在(a) 100%、(b)80%、(c) 50%和(d) 20 %的傳統(tǒng)PWM調(diào)光操作下，測量得到的關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器實例的LED燈串電流波形；
[0022]圖9示出了在(a) 80%、(b) 50 %和(c) 20 %的PSPWM調(diào)光操作下，測量得到的關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器實例的LED燈串電流波形；
[0023]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器實例與現(xiàn)有技術(shù)的多輸出磁放大器調(diào)節(jié)的驅(qū)動器之間的效率比較；以及
[0024]圖11是用于與紅色、綠色和藍色(RGB) LED燈串一同使用的根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動器的第三實施例的電路圖。
【具體實施方式】
[0025]在詳細描述本發(fā)明的實施例之前，應(yīng)認識到本發(fā)明的應(yīng)用不限于下列描述中提出或附圖中示出的結(jié)構(gòu)細節(jié)。本發(fā)明能夠具有其它實施例，并且可以以各種方式實施或?qū)崿F(xiàn)。還應(yīng)認識到，此處使用的用語和術(shù)語是描述性的，不應(yīng)被視為限制性的。
[0026]本發(fā)明提供了一種用于并聯(lián)LED燈串的驅(qū)動器，其具有用于所有LED燈串的“公共”主電壓源(Vm)和用于各LED燈串(SI，S2..Sn)以進行電流調(diào)節(jié)的獨立從屬電壓源(Vsl-Vsn)，如圖2a中所示。參見圖2a和圖2b，各燈串中消耗的功率的大部分由“主”電壓源(Vm)饋送，而相應(yīng)的從屬電壓源(Vsl，Vs2…Vsn)用于調(diào)節(jié)各LED燈串(SI，S2…Sn)中的電流以便電流平衡。為避免更大的功耗，所有主直流源和從屬直流源應(yīng)為開關(guān)模式的轉(zhuǎn)換器。這對于具有寬的設(shè)備參數(shù)公差的LED而言是非常重要的。例如，在45mA下，8個LED燈串的正向電壓會在21.9V - 31.7V之間變化。如果使用線性電流調(diào)節(jié)器，正向電壓最小的燈串的線性電流調(diào)節(jié)器兩側(cè)的壓降將高達9.8V，在正向電流較大的情況下，電流調(diào)節(jié)器上的功耗是不可接受的。例如，典型的0.3A的燈串電流將在各個燈串上導(dǎo)致約3W的功耗。根據(jù)所提出的LED驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，可以在各個燈串中建立為所有8個燈串公用的20V主源和覆蓋并聯(lián)LED燈串之間壓差的獨立低壓從屬電壓源。因此，大部分功率由主源提供，只有剩余功率由相應(yīng)的從屬源提供。
[0027]在本發(fā)明中可以使用各種具有多個獨立輸出的布局。然而,對于商業(yè)應(yīng)用而言,驅(qū)動器應(yīng)優(yōu)選滿足以下技術(shù)要求:
[0028]1)電隔離:在主源和從屬源之間需要電隔離，因為它們的終端不能共用相同的接地。然而，在從屬源之間不必進行電隔離。
[0029]2)經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出:LED燈串兩端的電壓應(yīng)進行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同正向電流和環(huán)境溫度。因此，優(yōu)選經(jīng)獨立和精確調(diào)節(jié)的多個輸出；
[0030]3)模塊化:這種布局優(yōu)選是容易擴展的，因此優(yōu)選模塊式方式。
[0031]4)功率分配:大部分的LED功率應(yīng)由主源提供，且剩余功率由從屬源提供。該電路的實施方式應(yīng)實現(xiàn)這種功率分配。
[0032]基于這些考慮，圖3中示出了 LED驅(qū)動器布局的第一實施例，其具有磁放大器(mag-amp)后級調(diào)節(jié)器。磁放大器后級調(diào)節(jié)器布局具有效率高、穩(wěn)定性高、功率密度高、控制簡單和電磁干擾低等特點。然而應(yīng)注意到，基于功率半導(dǎo)體開關(guān)(諸如MOSFET而非磁放大器)的標準開關(guān)模式功率調(diào)節(jié)器也可以用于圖3中的從屬后級調(diào)節(jié)器。只需要變壓器的兩個次級繞組Nsl和Ns2來生成多個(兩個以上)輸出。一個次級繞組Nsl的輸出用于主源Vm，其受到初級側(cè)上的功率轉(zhuǎn)換器的PWM控制。另一次級繞組Ns2的輸出被用于通過檢測LED正向電流基于具有反饋回路vl、v2的獨立磁放大器調(diào)節(jié)器Lml、Lm2生成多個從屬源Vsl，Vs2-，Vsn (圖3中只示出兩個從屬源，但是更多的源可以被用于更多的LED燈串)。值得注意的是，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的兩個優(yōu)點是:首先，只需要兩個次級繞組來生成多個輸出，從而形成更為簡單的變壓器結(jié)構(gòu)、更低的生產(chǎn)成本和更少的漏感；其次，各個磁放大器調(diào)節(jié)器Lml、Lm2只被用于處理各個LED燈串上的小部分功率，因此磁放大器芯的尺寸要小很多并且其功耗較低。
[0033]磁放大器調(diào)節(jié)器為各LED燈串上的部分功率提供功率調(diào)節(jié)功能。如果燈串電流1l大于參考電流Iref，則磁放大器電感Lml的阻斷持續(xù)時間將通過調(diào)節(jié)重置電路的輸出而增加，使得Vsl下降及1l相應(yīng)減小以符合Iref。如圖3中所示，可以看到為各LED燈串提供的功率由兩部分構(gòu)成，即主源和獨立的從屬源。如果LED燈串的正向壓降恒定，則在主源和從屬源之間存在無數(shù)種分布組合。因此，在此將定性分析如何找到最佳的分布。
[0034]A.功率分布
[0035]首先，在所有工作狀態(tài)下，主源的電壓必須低于LED燈串的所有正向壓降，因為主源應(yīng)提供所有LED燈串的功率的絕大部分(但非全部)，即Vm〈Vled_min。從屬源應(yīng)當能夠調(diào)節(jié)LED燈串兩端電壓部分以調(diào)節(jié)它們的正向電流。
[0036]其次，主源越低，從屬源則越`高，因為它們的總和應(yīng)等于整個LED燈串兩端的電壓。在極端情況下，如果主源電`壓為零，則所提出的電路簡化成常規(guī)的具有多個輸出的轉(zhuǎn)換器，在這種情況下，各LED燈串完全由單個源供電。在這種極端情況下存在兩個缺點。各個源中的整流二極管的電壓壓力將明顯增大，因此必須使用壓降相對較高的高壓二極管。第二個缺點是，在各個源中需要更大的輸出濾波器電感來滿足輸出電流紋波要求。除此之外，磁放大器上的功耗將增大，因為它必須阻斷對于整個LED燈串而言足夠高的電壓。在本發(fā)明中，公共功率源為所有LED燈串提供主要電壓。因此，可以為從屬源選擇諸如Schottky二極管的具有低額定電壓和低正向壓降的功率二極管，以及更小的輸出濾波器電感。
[0037]在該分析中，假定所有LED燈串共用相同電流和具有相同的正向壓降VF，且所有燈串電流的總和為IF。所有輸出濾波器電感電流被假設(shè)具有相同的紋波電流因子Y。對于各LED燈串完全由單個源提供功率的場合而言，每個輸出中需要的輸出濾波器電感為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于多個LED燈串的LED驅(qū)動器，該驅(qū)動器包括: 公共節(jié)點； 多個驅(qū)動器輸出節(jié)點，其中在使用中，多個LED燈串被連接在相應(yīng)的驅(qū)動器輸出節(jié)點和公共節(jié)點之間； 具有與公共節(jié)點連接的主輸出的主功率電路，以及 多個從屬功率電路，各個從屬功率電路具有與相應(yīng)驅(qū)動器輸出節(jié)點連接的從屬輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的LED驅(qū)動器，其中各從屬輸出與主輸出串聯(lián)連接。
3.如權(quán)利要求1所述的LED驅(qū)動器,其中主輸出具有主電壓,各從屬輸出具有從屬電壓，公共節(jié)點和驅(qū)動器輸出節(jié)點之間的驅(qū)動器電壓包括主電壓和相應(yīng)的其中一個從屬電壓之和。
4.如權(quán)利要求3所述的LED驅(qū)動器，其中主功率電路和從屬功率電路被設(shè)置成主電壓大于任一從屬電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的LED驅(qū)動器，其中主功率電路和從屬功率電路被設(shè)置成主電壓比任一從屬電壓大大約9倍。
6.如權(quán)利要求1所述的LED驅(qū)動器，其中主功率電路包括開關(guān)模式的功率源。
7.如權(quán)利要求1所述的LED驅(qū)動器，其中各從屬功率電路包括開關(guān)模式的功率源。
8.如權(quán)利要求1所述的LED驅(qū)動器，其中功率電路包括具有變壓器的功率轉(zhuǎn)換器，所述變壓器具有第一次級繞組和第二次級繞組，其中主功率電路連接第一次級繞組，各從屬功率電路連接第二次級繞組。
9.如權(quán)利要求8所述的LED驅(qū)動器，其中功率電路包括倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器或正向轉(zhuǎn)換器之一。
10.如權(quán)利要求8所述的LED驅(qū)動器，其中各從屬功率電路包括磁放大器或功率半導(dǎo)體開關(guān)之一以獨立調(diào)節(jié)各從屬功率電路。
11.如權(quán)利要求10所述的LED驅(qū)動器，其還包括用于控制至少一個從屬功率電路的飽和的反饋電路。
12.如權(quán)利要求8所述的LED驅(qū)動器，其中LED驅(qū)動器包括連接變壓器的初級繞組的初級電路，該初級電路包括PWM控制開關(guān)以調(diào)節(jié)初級繞組的功率。
13.—種用于多個LED燈串的LED驅(qū)動器,該驅(qū)動器包括: 公共節(jié)點； 至少兩個輸出節(jié)點； 生成與公共節(jié)點連接的主電壓輸出的主功率電路； 至少兩個從屬功率電路，每個從屬功率電路生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓輸出，經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓輸出與相應(yīng)的其中一個輸出節(jié)點相連，其中 公共節(jié)點和其中一個驅(qū)動器輸出節(jié)點之間的驅(qū)動器電壓包括主電壓和相應(yīng)的其中一個從屬電壓之和。
14.如權(quán)利要求13所述的LED驅(qū)動器，其中主功率電路和從屬功率電路被設(shè)置成主電壓大于任一從屬電壓。
15.如權(quán)利要求14所述的LED驅(qū)動器，其中主功率電路和從屬功率電路被設(shè)置成主電壓比任一從屬電壓大大約9倍。
16.如權(quán)利要求13所述的LED驅(qū)動器，其中主功率電路包括開關(guān)模式的功率源。
17.如權(quán)利要求13所述的LED驅(qū)動器，其中各從屬功率電路包括開關(guān)模式的功率源。
18.如權(quán)利要求12所述的LED驅(qū)動器，其中功率電路包括具有變壓器的功率轉(zhuǎn)換器，所述變壓器具有第一次級繞組和第二次級繞組，其中主功率電路連接第一次級繞組，各從屬功率電路連接第二次級繞組。
19.如權(quán)利要求18所述的LED驅(qū)動器，其中各從屬功率電路包括磁放大器或功率半導(dǎo)體開關(guān)之一以獨立調(diào)節(jié)各從屬功率電路。
20.如權(quán)利要求19所述的LED驅(qū)動器，其還包括用于控制至少一個從屬功率電路的飽和的反饋電路。
21.如權(quán)利要求18所述的LED驅(qū)動器，其中LED驅(qū)動器包括連接變壓器的初級繞組的初級電路，該初級電路包括PWM控制開關(guān)以調(diào)節(jié)初級繞組的功率。
【文檔編號】H05B37/02GK103493594SQ201080071063
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月5日
【發(fā)明者】W·陳, 樹源·R·許 申請人:香港城市大學