本實用新型涉及電子電路，尤其涉及LED驅動器及其控制方法。
背景技術：
：由于高光效和長壽命，LED被認為是非常出色的照明光源。在過去十余年，其光效不斷提高，成本快速下降。一個典型的LED照明方案由LED負載和驅動器組成，驅動器根據負載情況可能為多路輸出，也可能為單路輸出。大多數應用中，LED負載包含有數十顆LED，這種設計有利于配光。眾所周知，流過單顆LED的電流必須要小于其額定值以避免其因過熱而損壞。對于多個LED，需要使流過LED的電流相同且小于額定值，這樣有利于配光設計且保證了LED的可靠性。為了使流過LED的電流相同，將所有LED串聯成一串是一個簡單的解決方法。但是，在功率稍大的應用中，LED數量較多，整串的電壓可能太高而對爬電距離、絕緣以及驅動器的優化帶來不利影響。因此，LED負載常常被分成并聯的多串，形成陣列結構。由于元器件的偏差，陣列中不同串LED的伏安特性(V-Iproperty)也不相同。故在陣列中，很多串中可能有電流超過額定值的情形存在，這可能會造成該串損壞。一種解決由于電流不均衡而造成各串電流過高的現有辦法是對各串LED的電流進行均流。如圖1A所示，LED驅動器為AC/DC多路輸出恒壓源，每一串LED都帶有一個后級調整器(postregulator)。該后級調整器可以是有源電路(如線性電源或開關電源)，可以是無源電路(如電阻、電容或者耦合電感)。由于后級調整器的存在，流過各串的電流可以被平衡且不超過LED的額定值。盡管多路輸出均流的方案能很好地解決負載內部電流不均衡和過流問題，但是其電路結構較復雜、成本較高、效率較低。因而在實際應用中，負載常常被設計成只有一個接線端子的陣列式模組，而驅動器則被設計為沒有后級調整器的單路輸出恒流源，如圖1B所示。一般情況下，驅動器輸出的恒定電流需要被設計成保證負載中各串電流在穩態下均小于LED的額定值，這可以被認為是驅動器與負載匹配的情形。但是當負載由于老化或其他因素影響造成改變的情況下，有些串的電流可能超出額定值，使得驅動器輸出的恒定電流不再適合負載，導致驅動器與負載不匹配。這種情形可能會導致負載進一步失效，甚至由于驅動器長時間工作在非最優態而縮短其壽命。技術實現要素：為了解決上述問題，本實用新型提出一種LED驅動器自適應負載匹配技術，使驅動器的輸出電流能根據負載結構進行自適應調整，以保證陣列式模組負載中各串電流都小于額定值。根據本實用新型實施例的一種LED驅動器的控制方法，包括：根據不同結構的LED負載的伏安特性建立數據庫；檢測LED驅動器的輸出電壓和輸出電流；將檢測到的輸出電壓和輸出電流與數據庫中的數據進行對比，以判斷LED負載的結構；以及根據判斷出的負載結構調節LED驅動器的輸出電流，使流過每一串LED的電流均小于其額定值。根據本實用新型實施例的一種LED驅動器，包括：開關變換器，將輸入信號轉換為輸出電壓和輸出電流以驅動LED負載；存儲器，記錄不同結構的LED負載的伏安特性；數字控制器，耦接至開關變換器和存儲器，檢測輸出電壓和輸出電流，并將檢測到的輸出電壓和輸出電流與存儲器中的數據進行對比，以判斷LED負載的結構，然后基于判斷出的負載結構，調節開關變換器的輸出電流，使流過每串LED的電流均小于額定值。根據本實用新型實施例的一種用于LED驅動器的控制器，其中LED驅動器提供輸出電壓和輸出電流以驅動LED負載，該控制器包括：存儲器，記錄不同結構的LED負載的伏安特性；數字控制器，耦接至存儲器，檢測輸出電壓和輸出電流，并將檢測到的輸出電壓和輸出電流與存儲器中的數據進行對比，以判斷LED負載的結構，然后基于判斷出的負載結構，產生輸出電流參考電平；以及邏輯控制電路，耦接至數字控制器以接收電流參考電平，根據輸出電流參考電平產生控制信號以調節輸出電流，使流過每一串LED的電流均小于其額定值。在本實用新型的實施例中，首先根據不同結構負載的伏安特性建立數據庫，然后通過檢測LED驅動器的輸出電流和電壓，將其與數據庫數據比較，判斷出負載結構。最后，根據負載結構調節LED驅動器的輸出電流來實現自適應控制。通過這樣的方法，在LED驅動器的運行過程中，即使負載由于故障導致結構發生變化，LED驅動器輸出也可以自適應匹配負載，由此提高LED照明系統的可靠性。附圖說明圖1A和圖1B為現有LED驅動器的示意性框圖；圖2為根據本實用新型實施例的LED驅動器控制方法的工作流程圖；圖3為根據本實用新型實施例的LED驅動器300的原理性框圖；圖4示出陣列式LED負載除開路與短路外的所有可能負載結構；圖5示出根據本實用新型實施例的LED負載結構的伏安特性工作曲線和穩態工作點確定方法；圖6為根據本實用新型實施例的LED驅動器300A的電路原理圖；圖7A-7C為三種示例性的LED負載結構SaA、SaB、SaC；圖8示出根據本實用新型實施例的LED負載結構SaA、SaB、SaC的伏安特性工作曲線CurveA、CurveB、CurveC；圖9為根據本實用新型實施例的圖6所示LED驅動器300A的工作波形圖。具體實施方式下面將詳細描述本實用新型的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本實用新型。在以下描述中，為了提供對本實用新型的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對于本領域普通技術人員顯而易見的是，不必采用這些特定細節來實行本實用新型。在其他實例中，為了避免混淆本實用新型，未具體描述公知的電路、材料或方法。在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特征、結構或特性被包含在本實用新型至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特征、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。應當理解，當稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這里使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的項目的任何和所有組合。LED照明系統中驅動器與負載一般有兩種典型的失配情形。一種可稱之為靜態失配情形，即驅動器上電起機前就與負載不匹配。例如，上電前負載中有些LED已經損壞，若驅動器還是提供原有的輸出電流，則兩者不匹配。另一種可稱之為動態失配情形，即驅動器上電起機后，負載結構突變所導致與原有驅動器輸出電流的不匹配。通常這種結構突變是由負載中某些LED損壞或者運行過程中有老化等因素造成接觸不良所引起的。以有多串LED的陣列式模組負載為例，在驅動器輸出電流恒定的情況下，若其中某一串開路，則其余串將承擔更大的電流，有可能超過額定值，縮短其壽命。上述兩種情形在實際應用中對于LED照明系統的可靠性均有負面影響，它們都是由驅動器輸出的恒定電流不能根據負載結構變化調整所造成的。為使驅動器能自動調整輸出電流來匹配不同結構的負載，本實用新型提出了一種如圖2所示的LED驅動器自適應負載匹配技術，包括：步驟S201,根據不同結構負載的伏安特性建立數據庫；步驟S202，檢測LED驅動器的輸出電壓和輸出電流；步驟S203，將檢測到的輸出電壓和輸出電流與數據庫中的數據進行對比，以判斷耦接至LED驅動器輸出的負載的結構；步驟S204，根據判斷出的負載結構調節LED驅動器的輸出電流，使流過每一串LED的電流均小于其額定值。圖3為根據本實用新型實施例的LED驅動器300的原理性框圖。其中開關變換器301將輸入信號轉換為輸出電壓vo和輸出電流io以驅動LED負載。不同結構負載的伏安特性以數據庫的形式記錄在存儲器304中。數字控制器303檢測輸出電壓vo和輸出電流io(例如，通過分壓器、采樣電阻以及模數轉換器等)，并將檢測得到的數據與存儲器304中數據庫的數據進行比較，以判斷LED負載的結構。隨后，數字控制器303基于判斷出的負載結構，通過邏輯控制電路302調節控制開關變換器301的控制信號DRV，從而改變輸出電流io，使流過每串LED的電流均小于額定值Irated，實現LED驅動器與負載的匹配。根據實際應用的不同，存儲器304可以如圖3所示獨立于數字控制器303之外，也可以與數字控制器303集成在一起。在某些特定應用中，邏輯控制電路302甚至可以被省略，控制信號DRV由數字控制器303直接產生。對于圖3所示m行n列的陣列式模組負載，可以采用負載結構矩陣Sarray來表示其結構：Sarray=s11s12...s1ns21s22...s2n............sm1sm2...smnm×n---(1)]]>其中sxy(x＝1,2…，m,y＝1,2…，n)表示陣列中位于第x行第y列的LED的狀態，sxy＝0表示該LED失效(開路或者短路)而不再發光，sxy＝1表示該LED正常工作。以m＝2、n＝2為例，矩陣表示第2行、第2列的LED短路，矩陣表示第2串開路。根據窮舉法，該m×n陣列的負載如果不計算整個負載短路和開路的結構，其所有可能衍生的結構數量如圖4所示，可表達為：TQ=Cm+nn-1=(m+n)!m!n!-1---(2)]]>對于某一結構Sj，其伏安特性可以表達為：vload＝hj(iload)(3)其中hj是結構Sj的伏安特性函數，iload和vload分別為結構Sj的電流和電壓，其具體數據可參考LED的規格書進行推算，也可以根據測試得到。這樣，陣列式模組負載的不同結構以及對應的伏安特性可以以曲線上各點電壓、電流的形式被記錄在存儲器304中，形成數據庫。為直觀起見，負載結構的伏安特性曲線在此以圖5中圖形化方式表示。對于不同結構的負載，其所期望的穩態工作點，也就是LED驅動器的輸出電壓電流也不一樣。這些穩態工作點也可以數據的形式記錄在前述數據庫中。以圖5為例，為保證負載中每一串LED的安全，流過每串的電流不能超過單顆LED的額定值Irated。若在所有串中流過第p串的電流最大，則只要保證該串電流ip小于額定值Irated即可。為充分利用負載，得到盡量大的光通量，可將負載的工作點(Io，Vo)設計為使其中第p串的電流ip等于額定值Irated。經過上述步驟，包含每個負載結構對應的負載結構矩陣、伏安特性曲線以及穩態工作點的數據庫可被建立。隨后，LED驅動器可以通過檢測其輸出電壓vo、電流io，并將之與數據庫中的數據進行對比，來判斷耦接至其輸出端的負載的結構，并根據該結構的穩態工作點來提供相應的輸出電流。準確實現自適應負載匹配的前提是能夠根據采樣的輸出電壓、電流來判斷負載結構。但是實際應用中，在剛上電起機時，由于LED驅動器的輸出電容較大，輸出電壓vo由零上升到穩定通常需要一段時間。在這個時間段內，驅動器輸出變化較大，因而采樣準確度難以保證，故驅動器在此期間內判斷出負載結構較為困難。為了解決這個問題，可以將LED驅動器的工作過程分為兩個階段——啟動(run-up)階段和正常工作(burn)階段，并在啟動階段使LED驅動器的輸出電流io以固定步長逐步增大，以實現對輸出電壓和電流的準確檢測。由于高效率的特點，LLC諧振變換器常被用在LED驅動器中。以下以采用脈沖頻率調制(pulsewidthmodulation,PFM)的LLC諧振變換器為例對本實用新型的自適應負載匹配技術進行詳細介紹。但本領域技術人員可以理解，這并非用于限制本實用新型，其他合適的拓撲結構或控制方式也同樣適用。圖6給出了根據本實用新型實施例的LED驅動器300A的原理圖，包括前級的功率因數校正(PFC)電路與后級的半橋LLC諧振變換器。LLC諧振變換器的諧振腔包含諧振電容Cr、諧振電感Lr以及勵磁電感Lm。電平Viref和Vvref分別是驅動器輸出電流io和輸出電壓vo的參考電平，通過電壓環和電流環實現恒壓、恒流控制。微程序控制器(MCU，microcontrolunit，例如單片機)用作數字控制器，其內部存儲器被用于儲存負載結構相關數據。在工作過程中，驅動器的輸出電壓vo和輸出電流io被MCU的模數轉換器ADC1和ADC2實時采樣，并與數據庫中所存儲的伏安特性曲線對比來確認負載結構以及相應的穩態工作點。然后，MCU根據工作點提供相應的參考電平Viref。邏輯控制電路302A基于參考電平Viref，通過其中的誤差放大器OP_I、光電耦合器以及壓控振蕩器(voltage-controlledoscillator,VCO)控制晶體管M1、M2的開關頻率，從而調節輸出電流io并實現驅動器與負載的自動匹配。以下結合圖7-9來說明圖6所示驅動器的工作過程。圖7A-7C給出了三種LED負載結構，其中結構SaA是一個正常的LED負載，結構SaB和SaC分別是有一個LED短路和開路的情況。假設每顆LED的伏安特性是相同的，則相應地可以將三種結構的伏安特性曲線提供在圖8中，分別為CurveA、CurveB和CurveC，其中點A、B、C分別是這三種結構對應的穩態工作點。LED負載在驅動器剛啟動時具有結構SaA。進入正常工作階段后，位于第x行第y列的LED發生短路，負載結構由SaA變為SaB，伏安特性曲線也由CurveA變為CurveB。參見圖9，驅動器的整個具體工作過程如下：[t0～t1]:驅動器上電，輸出電流為Io1。此時驅動器中的LLC諧振變換器以最大頻率工作在間歇模式(burstmode)下。由于[t0～t1]對于采樣足夠長，驅動器中的MCU能夠檢測到輸出電壓vo和輸出電流io，并將它們與數據庫中的曲線CurveA、CurveB、CurveC進行比較以判斷負載結構。本例中，由于采樣得到的輸出電流電壓(Io1，Vo1)位于曲線CurveA上，故驅動器判斷出負載結構SaA并選擇該結構對應的工作點A作為輸出的目標值。[t1～t2]:輸出電流io以一個固定步長ΔI增大到Io1+ΔI。[t2～t4]:驅動器的輸出電流io繼續以固定步長ΔI逐步增大。特別地，在[t2～t3]時間段，LLC諧振變換器由burst模式進入連續工作模式，開關頻率也開始下降。[t4～t5]:驅動器的輸出電流io達到了目標值IoA并保持穩定，VoA、IoA分別為結構SaA對應工作點A的電壓和電流值。[t5～t6]:在t5時刻，由于有LED失效，負載結構變化，伏安特性曲線由CurveA變為CurveB，輸出電壓vo由VoA變為Vo2。在此階段，負載中可能有電流不平衡和過流現象存在，為失配情形。[t6～]驅動器確定負載變化后，將電流參考電平Viref調整，使輸出目標值切換到伏安特性曲線CurveB對應的工作點B，這樣驅動器與負載又重新匹配。驅動器輸出電流io以固定步長逐步增大的[t0～t4]階段就是前文所稱的啟動階段。由于這個控制策略，驅動器能夠在剛起機時較準確地檢測輸出電壓和電流，有利于準確判斷負載結構以解決靜態失配情形。啟動階段的持續時間取決于采樣速度、輸出電容容值以及驅動器的功率等級。t4時刻后為正常工作階段。進入該階段后，輸出電壓vo和輸出電流io仍然被MCU采樣。如果負載突變，驅動器能夠自動調整輸出電流來匹配負載。前面介紹了建立負載結構數據庫的方法，但是實際應用中，還要考慮負載伏安特性偏差和溫度造成的影響。式(3)為一個負載結構的伏安特性表達式。由于批量生產的單顆LED的伏安特性彼此都有差異,故實際應用中式(3)也許不夠準確。另外一個影響是負載的伏安特性曲線會隨著溫度的變化而變化。由于這兩種因素，在一些實施例中，需要對數據庫中的負載結構的伏安特性進行校準。考慮到上述因素，式(3)中可增加一個偏差項vdev和負載溫度Tload。圖6的示例電路中，負載溫度Tload被驅動器中的MCU所檢測。修正后的式(3)表示為：|vload-hj(iload,Tload)|≤vjdev(4)vjdev的值源于產品說明書中數據的計算結果，或者來自同一負載結構下大量負載的測試結果。該修正后的表達式表明，數據庫中以負載伏安特性區域代替原來的負載伏安特性曲線。若所測量的輸出電壓電流在該區域內，則可判斷為該負載結構。這種做法也適合軟件操作，這是因為在測量誤差的影響下，采樣的輸出電壓電流剛好在負載伏安特性曲線上是很困難的，更合理的程序處理方式是同樣電流下，判斷采樣的電壓是否超出伏安特性曲線的范圍，沒有超出，則表示為該負載結構。理論上，所有LED負載結構的伏安特性都可以被計算或者測量出來。理想情況下，數據庫中包含的負載結構越多，驅動器可以匹配更多的負載，系統也更可靠。然而有兩個因素會影響數據庫中所存儲的負載結構數量。第一，根據式(2)，結構越復雜的負載，即m、n越大，負載所包含的衍生結構就越多，這對建立數據庫可能會帶來非常復雜的計算與測量工作，更復雜的結構也可能會有更多的結構誤判情形。第二，有很多負載結構嚴重影響照明效果，不宜勉強使用。由于這兩個因素，數據庫可以被簡化為僅存儲重要的負載結構。必須強調的是，即使數據庫的負載結構經過簡化，驅動器也能夠自適應判斷一部分負載結構，與傳統的無自適應判斷功能的驅動器相比，依然提高了照明系統的可靠性。LED應用過程中，LED驅動器和陣列式負載的可靠性與兩者間的匹配程度有關。對于有固定輸出電流的驅動器，當負載的伏安特性變化后，負載中可能存在電流不平衡和超出額定值的現象，從而加速驅動器與負載的損壞。本實用新型提出的自適應負載匹配技術可以使驅動器適應多種負載結構，改善上述問題，提高照明方案可靠性。雖然已參照幾個典型實施例描述了本實用新型，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本實用新型能夠以多種形式具體實施而不脫離實用新型的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。當前第1頁1 2 3