基于TV硬件的LED并聯均流控制方法

鄧遠釗

（廣州科技職業技術大學，廣東 廣州 510000）

1 引言

傳統多路LED均流控制方案中，對多路LED均流的控制需要獨立的多路調光控制芯片來實施，且該控制芯片還需要TV硬件模塊的核心控制器來提供啟動信號和驅動信號，實施起來較為繁瑣且成本較高。傳統多路LED均流控制方案中的多路調光控制芯片引腳是有限的，若需要更多路的LED驅動控制，則需要多片多路調光控制芯片，對系統的擴容有較大的局限性。

以往應用于傳統LED的均流方案采用的是當LED燈組的采樣電流值不小于預定電流值時，通過控制開關管的導通和關斷組成的總時間來使LED燈組上的平均電流等于預定電流值。該方法會導致恒流精度比較低，均流控制的效果比較差。本文設計一種基于TV硬件的LED并聯均流控制方法，與傳統的LED并聯均流控制方案相比，該方案省去了原有的多路調光控制芯片，直接采用TV硬件模塊中的TV核心控制器，并添加上驅動電路、采樣保護電路、開關驅動模塊等共同組成了新型的LED并聯均流的控制方案，使得系統調節精度提高和可靠性加強[1]。

2 系統模型

LED并聯均流控制方案共有三個大模塊，分別是供電模塊、TV硬件模塊、恒流輸出模塊，如圖1所示。

圖1 LED并聯均流控制方案

其中包含兩個驅動模塊，一個是由TV核心控制器、驅動電路、背光MOS組成的第一驅動模塊（又稱驅動信號驅動模塊）；另一個是由TV核心控制器、開關驅動模塊組成的第二驅動模塊（又稱PWM驅動模塊）。其中第一驅動模塊的作用是控制整個LED背光系統的輸出，包括控制總的輸出電流、功率等等。第二驅動模塊的作用是控制每一個LED背光燈條的電流、通斷等等[2]。

驅動電路由一個NPN型三極管和PNP型三極管組成推挽式的電路，該推挽電路由12V直接供電，推挽電路的輸出端由一個驅動電阻和穩壓管組成。這樣就可以將TV控制芯片輸出的較小驅動波形放大成驅動能力較高的驅動波形。這樣就可以完成TV控制芯片對背光MOSFET的驅動控制。

電流采樣電路中，其輸入端增加了精密取樣電阻器R6～R8。將電流信號轉換成電壓信號再進入到差分放大電路，電壓信號經過高精度電阻R3到差分運算放大器的負端。差分運算放大器正端接地和低通濾波器R2/C1。該放大器除了有差分放大的作用還可以將信號進行限幅。在差分運算放大器的輸出端，除了接有C3濾波電容外，還接有芯片接過來的3.3V上拉電路，將輸出信號控制在0～3.3V，使控制器的A/D接口可以識別。

圖2給出了該LED并聯均流的線路框圖。其中圖1中的供電模塊可以是圖2中的反激電路，其基本結構如圖所示，包括EMI模塊、反激電路原邊模塊，反激MOS、反激變壓器、反激SENSE電阻。反激MOS用于控制電路的開通和關斷，使原邊的能量按照一定的控制方法傳輸到副邊，變壓器是實現原邊能量傳輸到副邊的介質，同時將原邊和副邊隔離開來。反激SENSE電阻用于反激電路原邊模塊采集反激MOS的電流，防止反激電路過流[3]。變壓器副邊有兩路輸出，分別是12V輸出和恒流輸出。

圖2 線路框圖

3 并聯均流控制流程

圖3給出了均流控制的流程圖，系統開始時需先設定保護電流Im和預設額定電壓Um。然后需要設定每路LED的輸出電流Io。該電流是每一路LED燈的額定輸出電流。系統根據設定的Io值乘以LED路數N得到額定的輸出總電流。根據總電流可以計算出IoMAX（此處為方便可以設置為IoMAX=Im，且IoMAX＞N*Io）。根據IoMAX計算出需要的驅動信號頻率，接下來就是輸出固定頻率和占空比的驅動信號（驅動信號經過驅動電路放大后用于驅動背光MOS）。接下來系統開始采集每一路LED燈的電流信號Ireal1～IrealN（分別對應LED背光1～LED背光N的電流信號）和并聯回路的電壓信號Ureal。系統首選判斷LED背光電流是否超過保護電流值Im，用于判斷電路是否過流，若是，則進入過流保護，然后關閉輸出。若不超過保護電流值則判斷LED背光的電壓是否超過預設額定電壓Um，若超過預設電壓Um，則說明某路LED燈出現開路，這時候系統進入開路模式繼續工作[4]。若采樣的電壓電流均未超過Um和Im，則系統開始進行PID電流環調節每一路的輸出電流等于Io。經過PID電流環計算后，系統會輸出一個PWM占空比，該信號用于驅動開關驅動1～N模塊，從而控制每一路的輸出電流等于設定電流Io。接下來系統返回開始，重新上述步驟。調節輸出電流等于設定電流Io是一個動態調節的過程[5]。

圖3 均流控制流程圖

圖4給出了開路模式的控制流程圖，進入開路模式時，系統并不會關閉輸出，而是進入開路運行模式保證其他LED燈的正常運行。系統首選檢測開路LED的路數，開路的LED燈的電流為0。若檢測到開路的路數為M，則計算此時應輸出的總電流為Imax=Io*(N-M) 。那么系統會得到新的IoMAX和Im，此時的IoMAX＞Io*(N-M) ，通過得到IoMAX更新驅動信號的頻率重新調整輸出。

圖4 開路模式控制流程圖

4 仿真結果及其分析

本文模擬多路LED背光支路，需要每路的輸出電流為300mA。最大工作電壓為90V。那么額定輸出總電流Imax為300mA×8=2.4A，可以設定過流保護電流Im為2倍的額定電流為4.8A。此時可以設定IoMAX= 4.8A。預設額定電壓Um為95V（留一定裕量）。設定驅動信號固定占空比為50%，若經過計算后得出驅動信號工作頻率為200kHz。系統首選采樣輸出電壓和各路的輸出電流。先判斷總電流是否超過Im，若沒有則判斷輸出電壓是否超過95V。若沒有則對每一路的電流值進行電流環PID計算，使每一路的電流值Ireal達到設定值Io= 300mA，并穩定在300mA。

當檢測到輸出電壓超過95V時，則進入開路模式，檢測每一路的電流是否存在0電流的，若檢測為0電流則標記為開路，每檢測到一路，M加1。假設檢測到2路的LED開路，則降低驅動信號的工作頻率進而重新進行均流控制。

圖5給出了仿真后驅動信號與總輸出電流的關系圖。可以看到，當驅動信號頻率為nHz時，輸出電流值也為IoMAX。當驅動信號頻率為50%nHz時，輸出電流值也為50%IoMAX。驅動信號的頻率與總輸出電流成正比。

圖5 仿真驅動信號與總輸出電流的關系圖

圖6給出了仿真后PWM信號與各路輸出電流的關系圖，現設定第N路分得的最大電流值為IomaxN。從圖中可以看出，PWM信號的頻率為mHz，實際輸出電流的大小是由該路的最大電流值IomaxN和PWM信號的占空比共同決定的。實際的PWM信號的占空比應為動態變化的過程，根據每路LED輸出電流的實際值與設定值經過PID電流環計算得出。PWM信號相當于斬波的作用，將輸出電流斬成一個個的方波。經過濾波電容后，輸出平均電流為Iavg，而LED的平均輸出電流Iavg與PWM信號的占空比成正比，這意味著，當第N路的PWM信號的占空比為50%時，輸出電流為50%IomaxN。系統可以改變PWM信號的占空比來改變每路LED的實際電流值。

圖6 仿真PWM信號與各路輸出電流關系圖

5 結語

本文設計了一種基于TV硬件的LED并聯均流控制方法，設計方案中采用TV硬件模塊的核心控制器取代原來傳統的多路調光控制芯片，添加驅動、采樣電路，使控制更為高效可靠且降低了成本。TV硬件模塊的核心控制器本身就是含有多路復用的高性能芯片，若需要進行多組LED調光只需要對該核心控制器進行芯片引腳擴展，提高了系統的兼容性。均流方法采用條件PWM信號的占空比實現，取代了原有的通過控制開關管的導通和關斷組成的總時間來使LED燈組上的平均電流等于預定的電流值，使得系統的調節精度更高。添加了某路LED開路的控制方法，當某一路LED發生開路時，經過開路模式均流控制算法可以重新平衡其他LED燈路的運行，不影響系統的正常運性，一定程度增加了系統的可靠性。