一种高光效可独立调光的LED均流电路

KEY WORDS: LED driver; current sharing; luminous efficiency; dimming
摘要：发光二极管(light-emitting diode，LED)的伏安特性易 受温度影响，且个体间存在差异，当多条 LED 支路并联连 接于同一电压源时，会出现不均流现象。电流大的 LED 支 路老化加速，光效衰减，甚至过早熄灭，严重影响了 LED 照明的可靠性。针对此问题，提出一种最小导通电流幅值反 馈控制的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)均流电路， 该电路在常见的 PWM 均流基础上，自动调整 LED 支路的 供电电压，使得 LED 支路中存在至少一条支路的均流占空 比为 1，其他支路的占空比尽可能大，有效提高 LED 光源
LED 是半导体器件，其伏安特性符合指数关 系，即电压的微小变化会造成电流的显著变化。 LED 导通电压除了受驱动电流影响，还受工作温 度、时间及个体差异的影响。当多个 LED 支路并 联于同一电压源时，由于导通电压存在差异，每个 LED 支路中的电流并不完全相等，电流大的支路的 LED 灯易发生光衰、老化加速甚至熄灭，降低了
基金项目：国家自然科学基金项目(51107009)；香港研究资助局项 目(3-RBA3)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51107009); The Hong Kong Research Grants Council (3-RBA3).
ILED = I1D1 = I2 D2 = ... = IN DN
(1)
输入端口
输出端口UO
UIN
LED驱动电路
i1
i2
iN
k
控制器
Q1
Q2
QN
#1
#2
#N
图 1 PWM 均流调制的 LED 驱动电路
Fig. 1 LED driver with PWM current sharing circuit
QU Xiaohui1, TANG Yapeng1, WONG Siuchung2, TSE Chikong2, ZHANG Guobao3
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China; 2. Dept. of Electronic and Information Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China; 3. Uonone Group, Yangzhou 212211, Jiangsu Province, China)
一种高光效可独立调光的 LED 均流电路
曲小慧 1，唐亚鹏 1，WONG Siuchung2，TSE Chikong2，章国宝 3
(1．东南大学电气工程学院，江苏省 南京市 210096；2．香港理工大学电子及资讯工程学系，香港特别行 政区；3．有能集团，江苏省 扬中市 212211)
An LED Current Sharing Circuit With High Luminous Efficacy and Individual Dimming
的发光效率。此外，在该均流电路上，可容易实现 LED 支 路的独立调光，无需增加电路和成本。最后，以 Buck 变换 器驱动 3 条 LED 支路为例，搭建实验样机。实验结果证明 了所提出的均流电路可有效实现 LED 支路均流，提高 LED 发光效率，并具有独立调光功能。
关键词：LED 驱动器；均流；发光效率；调光
为提高 LED 灯的发光效率，本文提出一种最 小导通电流幅值反馈的 PWM 均流策略，在脉宽调 制(pulse width modulation，PWM)均流的基础上， 通过最小电流幅值反馈，调整 LED 支路供电电压 的大小，使得 LED 并联支路中存在至少一条支路 的均流占空比为 1，其他支路的占空比尽可能大， 提高 LED 光源的发光效率。另外，此电路在不增 加额外电路和控制的基础上，可同时精确调光。本 文以 Buck 变换器驱动三条 LED 支路为例，搭建一 台 18 W 的原理样机，实验结果证明所提出的均流 策略可有效实现 LED 支路均流，提高 LED 发光效 率，并具有独立调光功能。
从功率变换结构上看，采用同一个电压源供电 的结构是最简单的，但一个公共电压无法匹配不同 压降的 LED 支路，因此需要额外的器件来吸收电 压源与 LED 导通压降间的差异。文献[13-18]在 LED 支路上串联电容，当每条支路的电容阻抗远大于该 支路所有 LED 灯的等效内阻之和时，电流可实现 自动平衡。由于引入电容会增加无功功率，因此需 要选用电流应力更大的功率器件。文献[19-20]在线 性调制器的基础上提出了一种自适应的控制方法， 自适应调整 LED 支路电压，减小线性电流调制器 上的压降，从而减小其损耗。为进一步减小损耗， 可以将线性调节器控制为开关模式，即采用 PWM 控制，通过调整每条支路开关器件的占空比，可以 方便的实现电流平衡，该方式也被广泛应用于 LED 调光场合[21-22]。然而，LED 的发光效率与 LED 导 通电流有关，只考虑平均电流的 PWM 均流控制没 有考虑其对 LED 发光效率的影响。
I1
i1
ILED
D1TS
i2
D2TS iN
I2 ILED
IN ILED
DNTS
图 2 N 条 LED 支路电流示意图
Fig. 2 Current waveforms in different LED strings
由式(1)可知，PWM 均流保证了平均电流相等， 但对导通电流 I1,2..N 并未加以控制。且 UO 应不小于 任一支路的导通电压和，才能保证所有支路的 LED 导通。LED 是非线性半导体器件，其典型的伏安特 性如图 3 所示，在近似线性区内，导通电压的微小 变化会造成 LED 电流的很大改变，因此，UO 决定 了 LED 支路导通电流的大小，UO 增大会造成 I1,2..N 急剧增大。图 4 给出了输出通量与 LED 驱动电流 之间的关系，发光效率(lm/W)=输出光流明/(导通电 压×导通电流)，当 I1,2..N 工作在图 3 中的近似线性区 内时，LED 的导通电压变化相比于电流变化很小， 可近似为恒定。此时，图 4 中曲线的斜率可近似反 映出发光效率与导通电流 I1,2..N 之间的关系。当 I1,2..N 增大时，斜率下降，这是由于电流大带来的 LED
0 引言
LED 光源具有光效高和寿命长的特点，因此被 广泛应用在家用、商业和工业等领域[1]。目前市场 上大部分 LED 光源的单片封装功率为 1~3 W，这是 由于大功率的单片封装难以解决其散热问题。因 此，在大部分照明场合，如液晶背光源，街灯及普 通照明等，需要同时使用多个 LED 光源才能满足 照明强度要求，并且多个 LED 光源同时工作时， 必须满足亮度均匀。而 LED 的输出光频谱、发光 效率与 LED 的驱动电流直接相关，为满足亮度均 匀要求，需保证流过每只 LED 的电流相等。最简 单的方法是将多个 LED 灯串联连接，但串联连接 的可靠性低，当任意一灯损坏时，整个 LED 支路 无法工作，且串联个数有限，LED 支路电压通常为 几十伏，不超过安全电压限值[2]。因此，大部分 LED 照明采用 LED 串并联相结合的方式。
第 21 期
曲小慧等：一种高光效可独立调光的 LED 均流电路
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LED 灯的寿命和可靠性。 为了解决不均流问题，可给每个 LED 支路提
供独立的电压源，每条支路电流由单独的变换器控 制，电压源幅值等于 LED 导通压降，由 LED 电流 和 LED 本身的特性决定，支路间互不影响，保证 电流一致性。但该方法结构复杂，每个 LED 支路 需要独立的电流控制和驱动电路，增加了成本[3-8]。 为简化均流电路结构，可采用自均流的电路拓扑来 驱动 LED。如：利用输出整流前的交流电流正负半 周的电流相等的原理，自动实现均流[9]。然而，这 种方法需要将开关周期变为原来的两倍，增大了滤 波器。另外，根据电磁耦合理论，采用耦合电感或 变压器可实现电流自动均衡[10-12]。但耦合元件的寄 生参数影响了控制精度，且随着 LED 支路的增加， 耦合电感的个数及电路的复杂程度呈指数倍增加。
第 34 卷 第 21 期 3432edings of the CSEE
Vol.34 No.21 Jul.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.21.005 文章编号：0258-8013 (2014) 21-3432-08 中图分类号：TM 46
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中国电机工程学报
ABSTRACT: The light-emitting diode (LED) VI characteristics of temperature dependence and devices variation make LED be current imbalanced when parallelconnected LEDs are powered by the common voltage source. Current imbalance will cause fast degradation or even failure in some LEDs that should be avoided in LED applications. This paper proposes a current sharing circuit based on the pulse width modulation (PWM) of a common bus voltage to realize the required averaged current. If it is in balance, a small duty cycle will necessitate a large LED on-time current, which may cause temporal overheat and low luminous efficacy of LEDs. The minimum on-time current amplitude control scheme is then proposed to maximize the duty cycles and improve the LED luminous performance. Moreover, the individual dimming control in each LED string can readily be incorporated into the current sharing circuit without additional circuit and cost. The analysis, implementation and verification are detailed in this paper.