CN101808448B - 开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法 - Google Patents
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Abstract
开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，由转换开关，开关型降压电流调节器，高亮度发光二极管负载和有源钳位电路构成；转换开关用于转换开关型降压电流调节器的输出电流从高亮度发光二极管负载到有源钳位电路或从有源钳位电路到高亮度发光二极管负载；开关型降压电流调节器由降压开关SA，续流二极管DA，降压电感L构成；有源钳位电路是由开关S1和S2，吸收开关变压器漏感能量的电容Cc，输出二极管D3和D4和开关变压器构成。使用本发明可产生用于高亮度发光二极管高性能调光应用的非常宽占空比变化范围的脉宽调制电流脉冲序列。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及高亮度发光二极管脉宽调制调光控制。更具体地说，本发明涉及一种用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法。
背景技术
高亮度发光二极管调光控制有两种控制方案。即，模拟调光和脉宽调制调光。模拟调光相对容易实现，但调光范围窄并带光的色温变化。脉宽调制调光能实现宽调光范围而又比较少光的色温变化。在大多数高性能应用中，如LCD TV LED背光，LED投影仪，脉宽调制调光是主要调光控制方案。
高亮度发光二极管的线性电流源驱动器是非常容易实现脉宽调制调光的，如它可以在400赫兹调制频率下输出占空比小于1％，但其驱动效率比较低。当所需的高亮度发光二极管的电流高时，这线性电流源驱动器的功耗也高。这产生了相当大的散热问题。
由于开关的导通关断，开关型直流-直流变换器可以得到相当高的效率，这使得散热问题容易解决。在开关型直流-直流变换器中，有储能元件。它与开关组合将输入能量有控制地传输到输出。正是这储能元件它使得开关型直流-直流变换器系统的响应速度要比线性电流源驱动器慢。用开关型直流-直流变换器实现高亮度发光二极管的脉宽调制调光是一热门课题。
在已有的方案中，典型的是在降压式开关变换器的输出负载上并接一短路开关，降压式开关变换器以平均电流模式控制如图1所示。正是这短路开关使得这电感电流可控制地流过高亮度发光二极管或这短路开关。这样只要这电感电流没变化，它可在高亮度发光二极管负载中产生很好的脉宽调制调光电流，也就是，这负载高亮度发光二极管能得到低占空比的电流方波。在实际应用中，当这负载电压增加，如200V在LCD TV背光应用中，这低占空比的电流方波有相当的失真。
发明内容
本发明的目的是以降压式开关变换器为基础产生窄脉宽电流脉冲序列。使用本发明可产生用于高亮度发光二极管高性能调光应用的非常宽占空比变化范围的脉宽调制电流脉冲序列。
本发明提出一种复合功率拓扑结构。它由开关降压电流调节器和有源钳位变换器组成。有源钳位变换器用于吸收能量并将其回收到输入电源或其他吸收电压电源。
本发明的开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其由转换开关，开关型降压电流调节器，高亮度发光二极管负载和有源钳位电路构成；所述转换开关是用于转换开关型降压电流调节器的输出电流从高亮度发光二极管负载到有源钳位电路或从有源钳位电路到高亮度发光二极管负载；所述开关型降压电流调节器由降压开关SA，续流二极管DA，降压电感L构成；所述有源钳位电路是由开关S1和S2，吸收开关变压器漏感能量的电容Cc，输出二极管D3和D4或全波整流桥和开关变压器T构成；开关变压器T的两个原边绕组分别与开关S1或S2串连；开关变压器T的两个原边绕组分别与开关S1或S2串连所形成的支路并联并分别作为有源钳位电路的输入端；用于吸收开关变压器漏感能量的Cc电容分别与开关S1或S2串连；开关变压器的两个付边绕组或一个付边绕组与输出二极管D3和D4或全波整流桥构成全波整流电路；全波整流电路的输出是输入电压源Vin或其他吸收电压电源。
开关型降压电流调节器是由平均电流型或准平均电流型或其他控制方法控制使得其输出电流恒定。
有源钳位电路中开关S1和S2交互导通，即S1导通，S2截止；S2导通，S1截止；这样有源钳位电路的输入电流可以从开关变压器的两个原边绕组相位相反地分别流入，开关变压器的付边经输出二极管D3和D4交互导通或经全波整流桥，以固定比例输出到输入电压源Vin或其他吸收电压电源。
以上所述开关S1和S2为自激驱动或它激驱动。
以上所述S1和S2的电压应力是由输入电压Vin或其他吸收电压电源和开关变压器原付边匝比决定的。
以上所述S1和S2的电流应力是由有源钳位电路的输入电流Io决定的。
与有源钳位电路相串联的转换开关可以省略。
本发明的优点之一是开关降压电流调节器使得系统能高效地产生输出电流，正是这有源钳位变换器能将不流过高亮度发光二极管的那部分电感电流完全回收到输入电源。
本发明的优点之二是开关降压电流调节器的电感工作条件可以保持不变，这样电感电流可以恒定。这恒定的电感电流在高亮度发光二极管负载和有源钳位变换器之一交替流过可使得高亮度发光二极管负载的输入脉冲电流非常接近方波。
本发明的优点之三是由于开关降压电流调节器的电感工作条件保持不变和电感电流恒定，这可使得所产生的脉宽调制音频噪音比较低。
附图说明
图1是现有高亮度发光二极管脉宽调制技术的调光方案。
图2是本发明的原理图。
图3是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体实例电路图。
图4是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第二实例电路图。
图5是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第三实例电路图。
图6是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第四实例电路图，降压开关SA以共地驱动方式来驱动。
图7是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第五实例电路图，降压开关SA以共地驱动方式来驱动。
图8是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第六实例电路图，降压开关SA以共地驱动方式来驱动。
图9是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第七实例电路图，两高亮度发光二极管串分别脉宽调制调光。
图10是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第八实例电路图，两高亮度发光二极管串分别脉宽调制调光。
图11是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第九实例电路图，两高亮度发光二极管串分别脉宽调制调光。
图12是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第十实例电路图，两高亮度发光二极管串分别脉宽调制调光及降压开关SA以共地驱动方式来驱动。
图13是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第十一实例电路图，两高亮度发光二极管串分别脉宽调制调光及降压开关SA以共地驱动方式来驱动。
图14是本发明的用于开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方案具体第十二实例电路图，两高亮度发光二极管串分别脉宽调制调光及降压开关SA以共地驱动方式来驱动。
具体实施方式
对降压式开关变换器而言，为了产生完整的方波电流脉冲，这需要一开关SK控制这电感电流是通过还是不通过高亮度发光二极管串。图1所示一已有的方案。该方案不能保证当开关SK开通和关断时电感工作条件保持不变，电感电流恒定。电感电流的变化程度取决于高亮度发光二极管串的输出电压Vo与输入电压Vin之比。尽管降压式开关变换器以平均电流模式控制，这电压比例越高这电感电流变化越大。
对高亮度发光二极管串的高输出电压应用，图1的方案是难以满足要求的。如果有一个如图2所示的等效的电压源Vrfl，它是接近高亮度发光二极管串的输出电压Vo，当开关SK开通和关断时电感工作条件可以很少变化，因此电感电流基本恒定。正是这基本恒定的电感电流才使得产生用于高亮度发光二极管脉宽调制调光的完整方波电流脉冲成为可能。在图2中这等效的电压源Vrfl是一个沉源，当开关SK开通时，用于吸收电感的储能。在实际应用中，这等效的电压源应该有能力回收这吸收的电感储能并反馈到输入电源。
图3给出本发明具体电路图。这等效的电压源Vrfl是由开关S1和S2，开关变压器T，二极管D3和D4，吸收开关变压器漏感能量的电容Cc和输入电源Vin构成。在这等效的电压源Vrfl中，开关S1和S2以50％占空比交替导通。正是开关S1和S2导通关断，当开关SK关断时，使得这输入电感电流经开关变压器，二极管D3和D4回收到输入电压源Vin。从输入电压源反射过来的电压是Vrfl。Vrfl＝Vin×Ns/Np。通过变压器的匝比选择很容易使得Vrfl接近这高亮度发光二极管串的输出电压Vo。在这等效的电压源Vrfl中，S1和S2的电压应力是2×Vrfl，其电流应力是电感电流。
在这电路中，开关SK与高亮度发光二极管串联。如果Vrfl是高于这高亮度发光二极管的输出电压Vo，当开关SK导通时，电感电流通过SK和高亮度发光二极管。当开关SK关断时，电感电流转道过通过等效的电压源Vrfl并被吸收和反馈到输入电源Vin。
图4给出本发明另一具体电路图，开关SK与等效的电压源Vrfl串联。如果Vrfl是低于这高亮度发光二极管的输出电压Vo，当开关SK关断时，电感电流通过高亮度发光二极管。当开关SK导通时，电感电流转道通过等效的电压源Vrfl并被吸收和反馈到输入电源Vin。
在图5中，有两个开关SK和SK1分别与高亮度发光二极管和等效的电压源Vrfl相串联。开关SK和SK1交替导通关断产生高亮度发光二极管脉宽调制调光的方波电流脉冲。选择Vrfl接近高亮度发光二极管的输出电压Vo以保证电感工作条件可以很少变化，因此电感电流基本恒定。
由于开关变压器的隔离作用，降压开关SA可以以低成本共地驱动方式来驱动，如图6、图7和图8所示。
本发明方案可用于多高亮度发光二极管串脉宽调制调光应用。图9，10，11，12，13和14示范两高亮度发光二极管串的脉宽调制调光应用。
在这类应用中，一个电流源可以驱动多高亮度发光二极管串并且各高亮度发光二极管可以相互独立脉宽调制调光。在等效的电压源Vrfl中，开关S1和S2只需以50％占空比驱动脉冲。这种脉宽调制调光方案是非常简单，可靠，低成本和高效率。
在图4、5、7、8、9、11、12、14中转换开关SK或SK1或SK2与有源钳位电路相串联。由于有源钳位电路中的开关S1和S2的等效开关作用，这转换开关SK或SK1或SK2可以省略以进一步降低系统成本。
Claims (7)
1.开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于由转换开关，开关型降压电流调节器，高亮度发光二极管负载和有源钳位电路构成；所述转换开关是用于转换开关型降压电流调节器的输出电流从高亮度发光二极管负载到有源钳位电路或从有源钳位电路到高亮度发光二极管负载；所述开关型降压电流调节器由降压开关SA，续流二极管DA，降压电感L构成；所述有源钳位电路是由开关S1和S2，吸收开关变压器T漏感能量的电容Cc，输出二极管D3和D4或全波整流桥和开关变压器T构成；开关变压器T的两个原边绕组分别与开关S1或S2串连；开关变压器T的两个原边绕组分别与开关S1或S2串连所形成的支路并联并分别作为有源钳位电路的输入端；用于吸收开关变压器T漏感能量的Cc电容分别与开关S1或S2串连；开关变压器T的两个付边绕组或一个付边绕组与输出二极管D3和D4或全波整流桥构成全波整流电路；全波整流电路的输出是输入电压源Vin或其他吸收电压电源。
2.如权利要求1所述开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于：开关型降压电流调节器是由平均电流型或准平均电流型或其他控制方法控制使得其输出电流恒定。
3.如权利要求1所述开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于：有源钳位电路中开关S1和S2交互导通，即S1导通，S2截止；S2导通，S1截止；这样有源钳位电路的输入电流可以从开关变压器T的两个原边绕组相位相反地分别流入，开关变压器T的付边经输出二极管D3和D4交互导通或经全波整流桥，以固定比例输出到输入电压源Vin或其他吸收电压电源。
4.如权利要求3所述开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于：开关S1和S2为自激驱动或它激驱动。
5.如权利要求3所述开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于：S1和S2的电压应力是由输入电压Vin或其他吸收电压电源和开关变压器T原付边匝比决定的。
6.如权利要求3所述开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于：S1和S2的电流应力是由有源钳位电路的输入电流Io决定的。
7.如权利要求1所述开关型直流-直流变换器的高亮度发光二极管脉宽调制调光方法，其特征在于：将与有源钳位电路相串联的转换开关省略。
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