一种电压自适应的多路LED均流方案

柯秉毅，林维明

（福州大学电气工程与自动化学院，福州350108）

一种电压自适应的多路LED均流方案

柯秉毅，林维明

（福州大学电气工程与自动化学院，福州350108）

针对多路LED驱动电路存在的电流不均衡的问题，对比分析了几种常见的LED均流方案的特点和不足，提出了一种无需信号线的电压自适应多路LED均流方案并分析了其工作原理和工作特性。该方案具有便于实现模块化和标准化，可实现LED负载热插拔等优点。最后设计了一台输出180 W的实验样机，实验结果表明，系统在正常工作及负载热插拔等情况下均能实现均流及输出电压的自适应。

多路LED；电压自适应均流方案；数字控制；负载热插拔

引言

LED由于具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，被广泛应用于路灯、液晶显示屏等各种照明场合［1］。单颗LED的功率一般只有几瓦左右，因此LED负载常采用多颗LED串并结合的形式。但由于LED灯珠离散性、温漂等因素的影响，多路LED会产生电流不均衡的问题，进而影响LED灯珠的使用寿命；再者，LED灯的发光亮度与其流过的电流成正比，多路均流问题也影响着LED灯具发光亮度的均匀性［2-3］。因此对多路LED均流的研究就显得尤为重要。

最简单的无源均流技术是在每路LED串联一个电阻［2］，其工作原理是：当某组LED的电流变大，电阻上的电压随之增大，而LED上的电压降低，近而减少LED的电流。该方案结构简单，成本最低，但均流精度与效率都较低。另一种常见的均流方式是为每路LED负载提供单独的电压源［4］，每路DC/ DC变换器通过检测各自LED负载电流实现恒流控制，与单输出AC/DC恒压模块形成三级多路LED驱动电路。这种控制方式可以实现各路LED电流的精确控制，但系统结构变得复杂，成本昂贵，也不利于实现标准化。同时三级电路结构也影响了系统的效率及电磁兼容特性。

1 一种电压自适应多路LED均流方案

传统多路LED驱动电源通常采用恒压源供电，在每路LED串联线性限流电路实现均流［5-7］。这种控制方式结构较简单，成本低。但为保证系统正常工作，要求恒压源的输出电压在各种情况均大于各路LED灯串的电压降。而限流电路承担恒压源和LED间的压差，造成了不必要的损耗。常用的改进方案是从每路LED引入信号线，检测各限流模块中的最小压降，引入反馈环调节输出电压，减少各路限流模块上的损耗，优化效率。其系统结构如图1所示。这种结构的缺点在于需要从负载侧引入信号线，不易布线成本也较高，同时产品也不容易实现模块化生产。

图1 传统线性均流电路结构框图Fig.1 Structure block diagram of conventional linear regulator current sharing circuit

本文所提出的电压自适应多路均流方案系统结构框图如图2所示。图2中自适应电压源包括主电路及单片机控制电路组成，主电路提供电压源，MCU单元采样总电流信号，通过单片机处理后产生控制信号调节主电路模块，最终使得系统工作在图3中I-V曲线的拐点A处，实现电压自适应。而限流模块由线性MOS管、电流采样电阻及其相应的控制电路组成，通过采样电流信号与基准比较，改变MOS管漏源极的等效阻抗以达到限流目的。与图1的传统方式相比，这种新型电压自适应均流方案具有如下特点：

（1）连线简单。电压源和LED负载间只需要2根输出线连接，不需从负载侧引入信号线实现调整输出电压等于或接近电压最高一路LED灯的电压，就能使得限流电路的损耗最小化，优化效率。

（2）多路LED负载间完全独立，输出电流的均流精度与传统方式类似，由线性限流模块决定，而与自适应电压源无关；由于采样总电流的变化趋势，因而可实现在不影响其他路负载正常工作的前提下热插拔LED负载，对于隧道灯等维护成本较高的场合有广泛的应用前景；同时可根据实际需要配置适当路数的LED负载，实现了标准化、模块化的设计，有助于降低成本。

图2 电压自适应均流方案整体框图Fig.2 Block diagram of proposed adjustable-outputvoltage current sharing method

电压自适应的原理如图3所示，其中VO表示输出电压，IO表示总输出电流。

图3 电压自适应原理Fig.3 Working principle of adjustable-output-voltage

式中：Is为反向饱和电流；q为电子电荷量，1.602× 10-19C；k为波尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T为热力学温度，K；n为常数，n＝1，2。根据式（1），结合限流模块（本文限流点设置为0.7 A）的影响，令α＝nkT/ q，LED灯珠数量为m，可得到各路LED电压，即

而稳态情况下主电路输出电压

由于LED自身离散性、温漂等因素的影响，LED的伏安特性并不是严格一致的，表现为α与Is是不同的，导致即使在相同电流情况下各LED负载上的电压并不相等，为使得系统正常工作，恒压源的输出电压Vout需大于各路LED灯的电压降VLED，而限流电路则承担恒压源和LED间的压差Vx，采用电压自适应均流方案，可以使得输出电压跟随最高一路LED的压降，从而使得各限流模块上的压降Vxn降到最小。以图3中的工作曲线1为例，阐述系统的工作原理。

（1）当输出电压上调后电流上升，说明LED灯负载未全部到达限流点，需要提高输出电压。此时未达到限流点的LED电压，表达式见式（2），对应限流模块内MOS管完全导通，输出电压完全加在LED负载上。而已达到限流点时的LED负载电压表达式见式（3），对应限流模块上承受的压降为

（2）当输出电压上调后电流不变，说明LED灯负载全部到达限流点，但此时输出电压并不一定跟随最大一路LED负载电压，可能处于图3曲线的A-E工作区域，需要进行电压自适应调节。

当输出电压下降，电流不变时，说明输出电压还未跟随最高一路LED灯压降，输出电压可进一步下调，直至出现电流下降的现象，说明此时负载已离开限流点，需要上调输出电压。因而图3中曲线拐点A即为最佳自适应工作点。此时输出电压表达式为

（3）在限流点附近时，控制方案实际上是检测灯电压最高的一路LED的电流随输出电压调节的变化趋势。假设进行负载热插拔实验，当切换前后灯电压最高的一路数量保持一致时，电路的工作特性由曲线1变为曲线2，平衡点B的电压与A点的电压相同；若切换前后数量减少一颗，电路的工作特性由曲线1变为曲线3，此时系统将逐渐减少输出电压，直至达到新的平衡点C，则输出电压表达式为

对比式（6）发现，输出电压下降了约1颗LED的电压。

2 数字控制方法

本设计采用数字控制芯片PIC16F1827作为主控芯片。系统的软件程序主要由主程序及相关的中断服务子程序构成。主程序实现的主要功能是单片机相关控制寄存器及变量的设置，程序进入主循环等待中断响应，具体的主程序流程如图4所示。电压自适应控制子程序是整个软件设计的核心部分，作用是将系统工作点移至自适应工作点A处，其流程如图5所示。

具体控制方法为：单片机先等待各路LED负载均工作在恒流状态后再开始自适应控制，直至输出电压基本与最大路LED负载电压压降持平，此时退出自适应调压模式，进入恒压模式，驱动器输出电压保持恒定。为保证系统始终工作在I-V曲线斜率拐点处，当进入恒压模式较长时间或电流发生剧烈变化时，软件将自动退出恒压模式再次进入自适应调压模式。这种控制方式的优点在于系统有动态动作时（如输出负载热插拔、启机时），电流快速平稳上升或下降到新的工作点。而在稳态情况下，系统调节是以一种慢速调整的形式，使得输出电压始终工作在平衡点附近。

图4 主程序流程Fig.4 Flow chart of main routine

图5 电压自适应子程序流程Fig.5 Flow chart of adjustable-output-voltage subroutine

3 实验结果

本文设计了一台输出功率为180 W，输入电压范围为90～305 V，输出为5路带限流模块的LED灯串负载，各路LED灯珠数量为15颗，每路恒定电流为0.7 A的实验样机。图6为正常工作情况下实验样机的输出电压、A-E路限流模块压降与电流波形。可观察到由图可见，A路限流模块所承受的电压最低，平均值为256 mV；考虑限流模块内约0.34 Ω的固定阻抗，模块上的固定压降为238 mV。这充分说明输出电压已跟随最高一路LED灯电压，系统工作在自适应工作点。

图6 负载电压、各路限流模块压降与电流波形Fig.6 Waveforms of load output voltage，drop of each linear regulator and current of each LED string

进行负载热插拔实验时将B-E路灯总数各减少1颗，其输出电压、A-E路限流模块压降与电流波形如图7所示。图7（a）为切除A路负载时输出电压及总电流波形，输出电压与切除负载前相比下降了3.4 V，相当于1颗LED灯的工作电压，实现了电压的自适应调节；图7（b）为再继续切除B路负载时的电压电流波形，而由于B-E四路所接的LED数量一致，切除负载后输出电压基本保持不变；图7（c）和图7（d）分别为带电插入B路和A路后的电压电流波形，其波形变化情况同样说明了系统具有良好的自适应效果。

图7 热插拔负载实验波形Fig.7 Waveforms of output voltage and current when the load hot pluging

4 结语

本文提出并设计了一种无需信号线的电压自适应多路LED均流方案，采用数字控制技术，使得系统工作在I-V曲线拐点附近，实现了效率优化。这种控制方式相较传统多路LED均流方案还具有便于实现模块化和标准化和可实现LED负载热插拔等优势。样机实验结果表明，在正常工作情况及负载热插拔情况下均能实现良好的电压自适应效果，说明了均流方案的有效性。

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Novel Current-sharing Method of Adjustable-output-voltage for Multi-output LED Driver

KE Bingyi，LIN Weiming
（College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

Several traditional control methods for multi-output LED constant-current driver are introduced in this paper and the problems are also analyzed.A novel control method with adjustable-output-voltage without the signal lines for multi-output LED driver is proposed and the working principle is introduced.This method has the advantages of high modularization，standardization and realization of hot plug of the load.Finally the experiment results of the 180 W converter prototype show that the output voltage can be adjusted during normal working condition and the sudden change of the load.

multi-output LEDs；adjustable-output-voltage current-sharing method；digital control；load hotswappable

柯秉毅

柯秉毅（1989-）通信作者，男，硕士研究生，研究方向：电力电子变流技术，E-mail：649389942@qq.com；

林维明（1964-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向：电力电子变流技术，E-mail：weiming@fzu.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.35

：TM 46

：A

2014-08-06

福建省重大科技项目（2014H61010086）

Project Supported by Chinese Fujian Provincial industry universityresearchmajorproject（2014H61010086）