CN106714368B - 一种新型led驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型LED驱动控制方法，通过采样LED驱动电路的输出电压信号u，并送入到电流控制器中；电流控制器通过特定的算法得到一个与设定参考光通量Φ _ref相对应的参考电流信号i _ref，该电流参考信号i _ref与LED驱动器的输出电流i _d进行比较得到误差信号ε，并经过补偿网络得到控制信号。在该控制信号的控制下，驱动器对LED负载提供一个与电流控制器产生参考电流i _ref一样大的正向电流信号，从而使LED负载产生光通量保持与参考光通量Φ _ref一致，即实现了光通量的控制。本发明可以实现LED输出光通量的较精确控制。

Description

一种新型LED驱动控制方法

技术领域

本发明涉及LED驱动控制策略领域，特别是一种新型LED驱动控制方法。

背景技术

LED电光源应用场合越来广泛，小到显示、指示领域，大到道路照明、医疗、航空等高尖端领域。这些运用有的只需要LED能产生光输出，起到简单的指示作用即可，有的却需要能对LED输出光精确控制。无论何种应用都少不了LED的驱动控制。

目前常见的LED驱动控制策略是恒流控制和恒功率控制。LED的输出光通量的大小不仅与正向电流的大小有关，而且与芯片结温的高低密切相关。由建模分析可知，结温的变化不仅会影响输入电功率的大小，同时也会影响电能转换为光能的转换率大小。恒流控制时，当芯片结温较大上升，LED的正向电压将下降，输入功率下降，LED芯片将出现明显的光衰现象，也就是输出光通量明显下降；恒功率控制时，当芯片结温较大上升，LED的正向电压下降，恒功率控制通过相应提高输入电流的大小来弥补因结温升高造成电压的下降，但由于发热系数随着正向电压的下降而上升，还是会导致光通量的下降，因此恒功率控制也不能有效地改善因温度升高导致LED光通量的急剧衰减。

在结温变化比较大或对输出光质量要求比较高的场合，要实现LED输出光通量的精确控制，恒流控制和恒功率控制难以满足这样的要求，所以，基于优化LED光学特性的目的，研究新型的LED驱动控制策略是十分必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种新型LED驱动控制方法，同时考虑正向电流和温度变量对LED输出光通量的影响，改善了传统的恒流控制和恒功率控制方式常因较大温度上升所造成的光通量急剧下降的情况。并通过正向电压变量表示温度信息，便于该控制策略在LED驱动电路中的具体实现。

本发明采用以下方案实现：一种新型LED驱动控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据LED芯片，建立LED光电模型，并得到以光通量Φ和正向电压U为变量的正向电流I_d的算法模型I_d＝f^-1(φ，U)；

步骤S2：在电流控制器中，设定所需LED光通量的参考值Φ_ref，采样LED驱动变换器的输出电压U，并基于步骤S1所得的正向电流I_d的算法模型，得到相应的电流参考信号i_ref；

步骤S3：将电流控制器产生的电流参考信号i_ref与LED驱动器的输出电流采样信号i_d进行比较得到误差信号，并通过相应的补偿网络得到一控制信号，利用该控制信号控制LED驱动器产生一个大小为i_ref的电流输出。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：若LED正向输入电流小于1A，基于LED正向伏安特性并通过泰勒级数展开分析可得到LED功率P_d与正向电流I_d之间近似线性，其关系式如下：

P_d＝aI_d+b (1)

其中，a、b为常数，其值大小通过具体LED芯片的实测P_d与I_d数据获得；

步骤S12：若LED的正向电流I_d不变，其正向电压U会随结温T_j的增加而近似线性减少，将LED热阻R_j看成常量，正向电压U和散热片温度T_hs可近似为线性关系，其关系式如下：

T_hs＝cU+d (2)

其中，c、d为常数，其值大小通过具体LED芯片的实测T_hs与U数据获得；

步骤S13：定义LED发热功率为P_h，其与输入电功率P_d间的关系可用下式表达：

P_h＝K_hP_d (3)

其中，K_h为发热系数，即电热转换效率，用以决定LED用于发热和发光功率的大小；

步骤S14：当固定正向输入电流I_d时，发热系数K_h将随散热片温度的上升而线性上升；当固定散热片温度T_hs时，发热系数K_h将随正向输入电流的上升也线性上升。因此，基于关系式(2)，可得以正向电压U和正向电流I_d为变量的发热系数K_h模型式：

K_h(U,I_d)＝(k₁U+k₂)(k₃I_d+k₄)/γ (4)

其中，系数k₁、k₂、k₃、k₄、γ通过LED芯片厂家提供或实验测试结果获得；

步骤S15：根据式(1)、(2)、(3)、(4)，得到LED芯片结温的光电模型：

步骤S16：若正向输入电流I_d恒定，LED的光效E与结温T_j之间存在近似线性关系，可表示为下式：

E＝E₀[1+k_e(T_j-T₀)] (6)

其中，k_e为光效随温度的变化率，k_e小于零；T₀为结温25℃，E₀为结温25℃对应的额定光效，该值大小与输入额定电流I_d有关；

步骤S17：根据光通量的Φ与光效E的关系，结合(1)、(5)、(6)式，得到以电流和电压为变量的N颗LED芯片光通量的光电模型，如下式：

步骤S18：将具体LED芯片的参数代入，得到具体的LED光电模型表达式，并进一步反求出以光通量Φ和正向电压U为变量的正向电流I_d的算法模型，如下式：

I_d＝f^-1(φ,U) (8)。

进一步地，所述控制信号为占空比信号。

进一步地，根据(8)可得到一个与光通量Φ_ref，LED正向电压U相对应的电流参考信号i_ref，将电流参考信号i_ref与LED驱动器的输出电流采样信号i_d进行比较得到误差信号，并通过相应的补偿网络得到一占空比控制信号，控制驱动器开关的通断，进而使LED负载发出的光通量为设定的Φ_ref。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明同时考虑正向电流和温度变量对LED输出光通量的影响，改善了传统的恒流控制和恒功率控制方式下，常因较大温度上升所造成的光通量急剧下降的情况。并通过正向电压变量表示温度信息，便于该控制策略在LED驱动电路中的具体实现。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图2为本发明实施例在LED芯片中的应用，具体为CREE XPG R4芯片在不同正向电压下，正向电流随光通量变化的示意图。

图3为本发明实施例中CREE XPG R4芯片分别在恒光通量控制和恒流、恒功率控制下，正向电流随正向电压变化的曲线图。

图4为本发明实施例中CREE XPG R4芯片分别在恒光通量控制和恒流、恒功率控制策略下，光通量随正向电压变化的曲线图。

图5为本发明在Flyback驱动电路上的一个具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种新型LED驱动控制方法，主要有驱动器、电流控制器和补偿网络等。具体包括以下步骤：

步骤S1：根据LED芯片，建立LED光电模型，并得到以光通量Φ和正向电压U为变量的正向电流I_d的算法模型I_d＝f^-1(φ，U)；

步骤S2：在电流控制器中，设定所需LED光通量的参考值Φ_ref，采样LED驱动变换器的输出电压U，并基于步骤S1所得的正向电流I_d的算法模型，得到相应的电流参考信号i_ref；

步骤S3：将电流控制器产生的电流参考信号i_ref与LED驱动器的输出电流采样信号i_d进行比较得到误差信号，并通过相应的补偿网络得到一控制信号，利用该控制信号控制LED驱动器产生一个大小为i_ref的电流输出。

在本实施例中，以Cree公司XPG R4芯片组件在散热片温度为50℃时，所获取的实验数据为例，详细介绍LED光电模型的具体参数的确定过程：

在LED正向输入电流小于1A时，基于LED正向伏安特性并通过泰勒级数展开分析可得到LED功率P_d与正向电流I_d之间近似线性，其关系式如(1)：

P_d＝aI_d+b (1)

根据实测的Cree XPG R4芯片的P_d与I_d数据，可线性拟合得到a＝3.2409，b＝-0.09964。

当LED的正向电流I_d不变时，其正向电压U会随结温T_j的增加而近似线性减少。此芯片R_j为15℃/W，正向电压U和散热片温度T_hs可近似为线性关系(2)：

T_hs＝cU+d (2)

根据实测的Cree XPG R4芯片在不同散热片温度下T_hs与U数据，线性拟合得到c＝-394.74，d＝1186.3。

定义LED发热功率为P_h，其与输入电功率P_d间的关系可用式(3)表达。

P_h＝K_hP_d

(3)

式中K_h为发热系数，即电热转换效率；它将决定LED用于发热和发光功率的大小。

当固定正向输入电流I_d时，发热系数K_h将随散热片温度的上升而线性上升；当固定散热片温度T_hs时，发热系数K_h将随正向输入电流的上升也线性上升。因此，基于关系式(2)，可得以正向电压U和正向输入电流I_d为变量的发热系数K_h模型式(4)：

K_h(U,I_d)＝(k₁U+k₂)(k₃I_d+k₄)/γ (4)

通过具体实验数据可得到Cree XPG R4芯片的系数k₁＝-2.4353、k₂＝7.56、k₃＝0.173、k₄＝0.6064、γ＝0.663。

根据式(1)、(2)、(3)、(4)，可进一步的到LED芯片结温的光电模型(5)：

正向输入电流I_d恒定，LED的光效E与结温T_j之间存在近似线性关系，可表示为式(6)：

E＝E₀[1+k_e(T_j-T₀)] (6)

通过光学实验的结果得到CreeXPG R4芯片的k_e＝-0.012；T₀为结温25℃，其对应的额定光效E₀为69.282lm/W。

根据光通量的Φ与光效E的关系，结合(1)、(5)、(6)式，可得到以电流和电压为变量的LED光通量的光电模型，如式(7)：

Cree XPG R4芯片的所建光电模型的具体参数见表1。

表1 XPG R4芯片模型参数

k1(/V)	k2	k3(/A)	k4	a(V)	b(W)	c(℃/V)
							-2.4353	7.56	0.173	0.6064	3.2409	-0.09964	-394.74
d(℃)	E0(lm/W)	T0(℃)	Rj(℃/W)	ke	γ	N
							1186.3	69.282	60.149	15	-0.012	0.663	9

重复以上的步骤可得到不同电压下的光通量与正向电流的变化曲线图，如图2所示。图2中每一个正向电压U和光通量Φ对应一个正向电流I_d，此为电流控制器的电流算法的依据。

本实施例中，主要介绍本发明所提一种新型LED驱动控制方法在LED恒光通量控制中的应用。以CREE XPG R4芯片为研究对象，当散热片温度10℃，正向电流0.314A时，正向电压为2.978V，输入功率0.93W，输出光通量为106.23lm。通过仿真软件分析，得到该芯片分别在恒光通量控制、恒流控制、恒功率控制策略下，芯片正向电流随正向电压变化的曲线图，如图3所示；芯片光通量随正向电压变化的曲线图，如图4所示。由图3、图4可知，温度对光通量的影响较大，要克服其影响作用，真正要实现光通量恒定不变控制，必须大幅改变正向电流的大小。采用恒流控制和恒功率控制策略不能实现输出光通量不变的目的。只有恒光通量控制才能实现真正意义上的光通量恒定控制。

本实施例所提一种新型驱动控制方法，在具体LED驱动电路中应用的一个实施例，如图5所示。LED驱动器的主电路为Flyback变换器。在电流控制器中设定所需光通量的参考值Φ_ref并与Flyback变换器的输出电压采样值，通过电流算法得到相应的电流参考信号i_ref；电流控制器的产生的电流参考信号i_ref与Flyback变换器的输出电流采样信号i_d经误差放大器比较得到一误差信号，该误差信号经过光耦的送到变压器原边的控制电路，经过一PWM调整单元产生PWM信号，控制开关管通断，使Flyback变换器产生大小达到i_ref电流提供给LED负载，即使LED产生的光通量为Φ_ref。

以上所述仅为本发明的一个较佳实施例，该发明适用于一切适合LED的驱动变换电路。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种新型LED驱动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据LED芯片，建立LED光电模型，并得到以光通量Φ和正向电压U为变量的正向电流I_d的算法模型I_d＝f^-1(φ，U)；

步骤S2：在电流控制器中，设定所需LED光通量的参考值Φ_ref，采样LED驱动变换器的输出电压U，并基于步骤S1所得的正向电流I_d的算法模型，得到相应的电流参考信号i_ref；

步骤S3：将电流控制器产生的电流参考信号i_ref与LED驱动器的输出电流采样信号i_d进行比较得到误差信号，并通过相应的补偿网络得到一控制信号，利用该控制信号控制LED驱动器产生一个大小为i_ref的电流输出；

步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：若LED正向输入电流小于1A，基于LED正向伏安特性并通过泰勒级数展开分析可得到LED功率P_d与正向电流I_d之间近似线性，其关系式如下：

P_d＝aI_d+b (1)

其中，a、b为常数，其值大小通过具体LED芯片的实测P_d与I_d数据获得；

步骤S12：若LED的正向电流I_d不变，其正向电压U会随结温T_j的增加而近似线性减少，将LED热阻R_j看成常量，正向电压U和散热片温度T_hs可近似为线性关系，其关系式如下：

T_hs＝cU+d (2)

其中，c、d为常数，其值大小通过具体LED芯片的实测T_hs与U数据获得；

步骤S13：定义LED发热功率为P_h，其与输入电功率P_d间的关系可用下式表达：

P_h＝K_hP_d (3)

其中，K_h为发热系数，即电热转换效率，用以决定LED用于发热和发光功率的大小；

步骤S14：计算以正向电压U和正向电流I_d为变量的发热系数K_h模型式：

K_h(U,I_d)＝(k₁U+k₂)(k₃I_d+k₄)/γ (4)

其中，系数k₁、k₂、k₃、k₄、γ通过LED芯片厂家提供或实验测试结果获得；

步骤S15：根据式(1)、(2)、(3)、(4)，得到LED芯片结温的光电模型：

步骤S16：若正向输入电流I_d恒定，LED的光效E与结温T_j之间存在近似线性关系，可表示为下式：

E＝E₀[1+k_e(T_j-T₀)] (6)

其中，k_e为光效随温度的变化率，k_e小于零；T₀为结温25℃，E₀为结温25℃对应的额定光效，该值大小与输入额定电流I_d有关；

步骤S17：根据光通量的Φ与光效E的关系，结合(1)、(5)、(6)式，得到以电流和电压为变量的N颗LED芯片光通量的光电模型，如下式：

步骤S18：将具体LED芯片的参数代入，得到具体的LED光电模型表达式，并进一步反求出以光通量Φ和正向电压U为变量的正向电流I_d的算法模型，如下式：

I_d＝f^-1(φ,U) (8)。

2.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动控制方法，其特征在于：所述控制信号为占空比信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型LED驱动控制方法，其特征在于：每一个设定的光通量Φ_ref与LED正向电压U都对应一个正向参考电流i_ref，控制使得LED负载获得的实际正向电流i_d为LED驱动器产生的参考电流i_ref，进而使LED负载发出的光通量为设定的Φ_ref。