高效的插入式LED阵列驱动接口电路

薛建军，陈 怡

（浙江工业大学信息工程学院，杭州310023）

高效的插入式LED阵列驱动接口电路

薛建军，陈 怡

（浙江工业大学信息工程学院，杭州310023）

基于插入技术以及能量回馈策略，提出一种插入式LED阵列驱动接口电路，可高效率地驱动规则及不规则LED阵列。在分析电路工作原理的基础上，推导了其主要关系式。制作并优化了单通道的插入式LED阵列驱动接口电路样机。实验结果表明在全负载范围内实验数据与理论分析值大致吻合，而且样机能实现高效率的LED驱动。

LED阵列；插入式接口电路；能量回馈

LED具有发光效率高、使用寿命长、色彩丰富和体积小等优点［1,2］，在很多情况下它以阵列的应用形式出现［3,4］。目前，普遍采用低成本LED阵列驱动方案是用一个DC/DC或AC/DC变换器级联多个线性调整管来控制由多个LED串组成的LED阵列的工作电流。在此基础上为了进一步提高效率，文献［5-6］都提出了关于DC/DC变换器输出自适应方案。该类方案在规则LED阵列应用场合可以实现高效率，但是在不规则LED阵列应用场合却很难保持高效率。

基于文献［7-9］以及能量回馈策略，本文提出一种插入式LED阵列驱动接口电路，可高效率地驱动规则以及不规则LED阵列。

1 插入式LED阵列驱动接口电路

如图1所示，插入式LED阵列驱动接口电路由n个相对独立的通道电路组成，可恒流驱动规则或不规则的LED阵列。在通道电路j（1≤j≤n）中，采用增量式PI控制方法恒频变占空比地控制MOS管Mj，以实现LED串j工作电流的恒定；采用恒频恒占空比的方式来控制MOS管Maj，利用耦合电感Laj和Lbj将电路中多余的能量（与输入电压Vin和输出电压Voj之间的电压差成正比）回馈至输入端，从而实现LED阵列的高效率驱动。

图1 插入式LED阵列驱动接口电路Fig.1 An add-in interface circuit for LED matrix driving

1.1 工作原理分析

插入式LED阵列驱动接口电路的n个通道电路采用了相同的结构和控制方法，但工作时彼此独立。为方便起见，本文仅重点分析通道电路j的工作原理。根据MOS管Mj的占空比Dj、MOS管Maj的占空比Daj、二极管Dacj的占空比Dbj三者之间的大小关系，通道电路j的工作情况可分为3种：Daj+ Dbj＜Dj、Daj＜Dj＜Daj+Dbj、Dj＜Daj。

以Daj+Dbj＜Dj的情况为例。令电感电流iLj连续，电感电流iLaj和iLbj断续，电容Caj足够大，且Mj、Maj、Dcj和Dacj近似为理想开关，则对应的通道电路j的工作稳态可分为4个阶段，其等效电路及其主要工作波形分别如图2和图3所示。

阶段1（t0～t1）：如图2（a）和图3（a）所示，MOS管Mj和Maj导通，二极管Dcj和Dacj截止。电感电流iLj增加，电感Lj充磁；电容Caj放电，将存储电路中多余能量转移到耦合电感 Laj中；电感电流iLaj从0开始增加，电感Laj充磁。电流iLj和iLaj分别表示为

式中，VCaj为电容Caj的电压平均值。

阶段2（t1～t2）：如图2（b）和图3（a）所示，MOS管Mj导通，Maj截止，二极管Dcj截止，Dacj导通。电感电流iLj继续增加；电感电流iLbj减小至0，耦合电感Lbj放磁，电路中多余的能量通过电感Lbj回馈至输入端。电流iLbj表达式为

图2 通道电路j（1≤j≤n）的等效电路Fig.2 Equivalent circuits of the jth channel of the propose circuit（1≤j≤n）

图3 通道电路的主要理想工作波形Fig.3 Main ideal operation waveforms of the jth channel of the proposed circuit

阶段3（t2～t3）：如图2（c）和图3（a）所示，MOS管Mj导通，Maj截止，二极管Dcj和Dacj都截止。电感电流iLj继续增加。

阶段4（t3～t4）：如图2（d）和图3（a）所示，MOS管Mj和Maj都截止，二极管Dcj导通，Dacj截止。电感电流iLj减小，电感Lj放磁，电感电流iLj给电容 Caj充电，电路中多余的能量存储到电容Caj中。电流iLj的表达式为

在Daj＜Dj＜Daj+Dbj和Dj＜Daj两种情况下，通道电路j的工作状态与Daj+Dbj＜Dj情况相似，其主要的理想工作波形分别见图3（b）和图3（c）。

1.2 主要关系式推导

以Daj+Dbj＜Dj和Daj＜Dj＜Daj+Dbj两种情况为例，推导关于通道电路j的主要关系式。当电路处于稳定状态时，电感电流iLj连续，根据电感伏秒平衡原理可得MOS管Mj的占空比Dj为

在一个开关周期Ts内，电容Caj电压变化量ΔVCaj和所存储的电路中多余能量ΔECaj分别为

式中：ILj为电感Lj的电流平均值 （约等于输出电流Ioj）；VCaj_max和 VCaj_min分别为电容 Caj电压的最大值和最小值。

若不考虑损耗，电容Caj存储的电路中多余能量全部通过耦合电感Laj和Lbj回馈至输入端，则有

考虑电容Caj的耐压问题，由式（5）、式（7）和式（8）可得VCaj和Dj分别为

式中：VCaj_p为电容Caj的电压最大允许值。

因电感电流iLj连续以及电感电流iLaj和iLbj断续，通道电路j还需要满足的条件为

由式（9）～式（12）可得到Maj占空比Daj的取值范围为

其中：

与Daj+Dbj＜Dj和Daj＜Dj＜Daj+Dbj两种情况不同，在Dj＜Daj情况下通道电路j处于阶段2（t1～t2），见图3（c））时，Dcj和MOS管Maj同时导通。此时，电感电流iLj一部分给电容Caj充电，另一部分给电感Laj充磁，再用式（6）～式（8）来描述电路中多余的能量回馈至输入端的过程是存在一定误差的。

2 实验验证

为验证插入式LED阵列驱动接口电路的可行性，制作了一个单通道的电路样机（即n=1）。样机的输入电压Vin为24 V，输出电流Io1为100 mA，负载范围为1～7个白光LED（WLED），其主要电路参数如表1所示，控制电路主要采用TMS320F28335核心板同时实现对MOS管M1的恒频变占空比的控制和对MOS管Ma1的恒频恒占空比的控制。

表1 单通道样机的主要电路参数Tab.1 Main components and devices of one-channel prototype circuit

2.1 以实测平均效率最大为Da1优先取值策略

Da1的取值直接影响整个样机的性能，本文以实测平均效率最大来选取Da1的优化值。根据式（13）以及VCaj_p=45 V的要求，可计算得到对应1～7个WLED负载的Da1取值范围，如表2所示。

由表2可知，Da1∈［0.279，0.528］，满足整个负载范围。考虑实际控制电路的精度问题，Da1的实际取值范围确定为0.28～0.52。

表2 不同负载情况下Da1的计算取值范围Tab.2 Calculated allowable ranges of Da1at different load conditions

对应Da1的实际取值范围，VCa1的计算值与实测值如图4所示，D1的计算值与实测值如图5所示，结果表明在整个负载范围内，VCa1和D1的实测值与理论计算值大致相符。

图4 不同负载情况下，VCa1的计算值与实测值Fig.4 Calculated and experimental data of VCa1at different load conditions

图5 不同负载情况下，D1的计算值和实测值Fig.5 Calculated and experimental data of D1at different load conditions

图6所示为不同负载情况下样机的实测效率η。以实测平均效率最大为优选条件选取Da1=0.47，对应的平均效率，即全负载范围内各效率的平均值为85%，负载为7个WLED时效率高达97%。

图6 不同负载情况下样机的实测效率ηFig.6 Experimental data of η at different load conditions

2.2 Da1优化后的样机工作状态

在整个负载范围内，样机的电感L1均工作在CCM状态，耦合电感La1和Lb1均工作在DCM状态。图7为7个WLED负载时iin1和vgs_M1的波形，图中的输入电流iin1在t1～t2时段出现下陷的部分正是耦合电感Lb1将电路中多余的能量回馈至输入端的时段，与图3（a）所示的理论波形相符。图8为6个WLED负载时iin1和vgs_M1的波形，图中的输入电流iin1在t1～t3时段出现下陷的部分正是耦合电感Lb1将电路中多余的能量回馈至输入端的时段，与图3（b）所示的理论波形相符。图9为1个WLED负载时iin1和vgs_M1的波形， 图中的输入电流iin1在 t2～t3时段出现下陷的部分正是耦合电感Lb1将电路中多余的能量回馈至输入端的时段，与图3（c）所示的理论波形相符。

图7 负载为7个WLED时iin1和vgs_M1的实验波形Fig.7 Experimental Waveforms of iin1and vgs_M1with a 7-WLED load

图8 负载为6个WLED时iin1和vgs_M1的实验波形,Fig.8 Experimental Waveforms of iin1and vgs_M1with a 6-WLED load

图9 负载为1个WLED时iin1和vgs_M1的实验波形Fig.9 Experimental waveforms of iin1and vgs_M1with a 1-WLED load

3 讨论

因为插入式LED阵列驱动接口电路的各通道电路之间是相对独立的，所以在单通道电路的基础上可较容易地扩展成多通道电路以实现高效的规则或者不规则LED阵列驱动。若扩展的多个通道电路依然采用本文提出的控制方法（即，采用增量式PI控制方法恒频变占空比地控制MOS管Mj以及采用恒频恒占空比的方式来控制MOS管Maj）且令控制时序相同，则各通道电路中多余的能量将在同一时刻回馈至输入端，输入总电流的下陷部分会使其纹波过大。因此，我们可以采用交错控制的策略来实现所有通道电路的分时能量回馈，来减小输入总电流纹波。n通道的插入式LED阵列驱动接口电路的交错控制时序如图10所示。

图10 n通道插入式LED阵列驱动接口电路交错控制时序Fig.10 Interleaving control sequence of an n-channel add-in interface circuit for LED matrix driving

4 结语

本文提出了一种插入式LED阵列驱动接口电路，分析了电路的工作原理，推导了主要的关系式，并制作了单通道的插入式LED阵列驱动接口电路样机。在输入电压为24 V的情况下样机可提供100 mA的电流驱动1～7个WLED。在以实测平均效率最大为优选条件对Da1（MOS管Ma1的占空比）的取值进行优化以后，样机的平均效率达到85%，最高效率达到97%，实现了高效率。此外，在整个负载范围内VCa1和D1（MOS管M1的占空比）的实测值与理论计算值大致相符，实测波形与理论波形也大致相符。

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High-efficiency Add-in Interface Circuit for LED Matrix Driving

XUE Jianjun,CHEN Yi
（College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China）

By adopting an add-in technology and an energy feedback strategy,a hig-efficiency add-in interface circuit is proposed for normal and abnormal LED matrix driving.The operation principle of the proposed circuit is introduced and the main equations and inequations are given.A prototype add-in interface circuit of one channel was implemented and optimized.The experimental results show that most of the experimental data agreed with the theoretical ones within the whole load range and the prototype circuit was able to drive the LEDs with high efficiency.

LED matrix;add-in interface circuit;energy feedback

薛建军（1991-），男，硕士研究生，研究方向：LED照明驱动电路，E-mail：xue jianjun897@163.com。

薛建军

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.43

：TM 46;TM 923

：A

2015-12-06

国家自然科学基金资助项目（51207141）；浙江省自然科学基金资助项目（LY15E070005）；浙江省“控制科学与工程”重中之重学科开放基金资助项目（201501）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51207141）;Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China（LY15E070005）;Zhejiang“Control Science and Engineering”Open Foundation of the Most Important Subjects（201501）

陈怡（1977-），女，通信作者，博士，教授，研究方向：LED照明驱动电路及系统、微能量收集系统、太阳能发电系统等，E-mail：eeyzchen@zjut.edu.cn。