一种面向分段式LED驱动系统的负载优化方法

摘要

一种面向分段式LED驱动系统的负载优化方法，包括四个步骤的LED负载组合M1至Mn的优化过程，采用先逐步缩小LED负载组合可选范围再遍历的策略，既可减少了遍历次数，又可保证在宽输入电压范围内系统综合性能近似最优，实现负载优化速度和效果的提升，负载优化结果可令宽输入电压范围工作的分段式LED驱动系统在满足电路成本及尺寸、PF、THDi、输入电流谐波标准等要求的前提下实现效率最高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种负载优化方法，主要面向宽输入电压范围的分段式LED驱动系统。

背景技术

如图1所示，一种常见的分段式LED驱动系统由单相整流电路、电子开关1至电子开关N、函数发生器、分段控制器、受控电流源、 LED串1至LED串N组成。单相整流电路的输入电压vac和输出电压满足Vac为vac的有效值，T为周期。分段控制器根据vo的值决定LED串1至LED串N的接入状态，由其端口e1至en分别控制电子开关1至电子开关N的通断状态。函数发生器是受控电流源的控制源，产生单相整流电路输入电流iac的包络函数f(vac)，f(vac)与vac相关。

假设LED工作电压vj是LED串J的端口lj+至LED串1的端口 l1-的电压差，LED导通电压Vj是LED串1至LED串J的总导通压降，LED工作电流ij是经电子开关J流入LED串J的电流，J的取值范围为1至N，j的取值范围是1至n。如图2所示，当Vj<|vac|<Vj+1 时，唯有电子开关J处于导通状态，而其余所有的电子开关均处于关断状态，LED串1至LED串J均导通。此时，ij≈|iac|≈A(vac)×f(vac)， A(vac)为受控电流源的比例系数，A(vac)与vac相关。

进一步可知，输入电流iac、相位系数m、LED导通电压Vj、LED 总颗数M分别满足：

式中VLED为单颗LED的平均导通压降，Mi为LED串I中的LED 颗数。

假设LED总串数N和LED总颗数M都确定，当M>N时，可能的LED负载组合M1至Mn的数目将多达如果仅采用遍历的方法，从个LED负载组合中筛选出系统综合性能(如：功率因数 PF、输入电流总谐波畸变率THDi、输入电流的x次谐波分量Iac(x)、效率η、电路成本及尺寸等)最优或近似最优的一组，那么在M>>N 且N较大的情况下这将是件很耗费时间的事情。但是，如果只是简单地采用平均分布的方法，即Mj≈M/N，j的取值范围为1至n，那么在N较小的情况下这将无法确保系统的综合性能达到最优或近似最优。

发明内容

为了克服单一遍历或平均分布方法在为分段式LED驱动系统配置负载的应用中表现出的不足，即无法兼顾优化速度和优化效果，本发明提供一种面向分段式LED驱动系统的负载优化方法，采用先逐步缩小LED负载组合可选范围再遍历的策略，既可减少遍历次数，又可保证在宽输入电压范围内系统综合性能近似最优，实现负载优化速度和效果的提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种面向分段式LED驱动系统的负载优化方法，包括四个步骤的LED负载组合M1至Mn的优化过程，

步骤一：根据输入电压下限Vac_min、输入电压上限Vac_max、电路成本及尺寸的要求，确定LED总串数N、仅在范围内导通的LED串数 X、LED导通电压Vn-x至Vn、LED总颗数M以及LED串N-X+1中的LED颗数Mn-x+1至LED串N中的LED颗数Mn，其中vac为输入电压且Vac为vac的有效值，Vn-x至Vn、M以及Mn-x+1至Mn 分别满足：

式中ΔV为电压冗余量，VLED为单颗LED的平均导通压降，Mk为 LED串K中的LED颗数，N-X+1≤K≤N，n-x+1≤k≤n。

步骤二：根据功率因数PF、输入电流总谐波畸变率THDi以及输入电流谐波标准的要求，在输入电压Vac_min至Vac_max的范围内确定满足要求的相位系数m、LED导通电压V1以及LED串1中的LED 颗数M1，输入电流iac、m、V1、M1分别满足：

式中vac为输入电压，T为周期，t为时间，f(vac)为iac的包络函数， A(vac)为iac的比例系数，y为整数，VLED为单颗LED的平均导通压降。

步骤三：在特定的输入电压条件下，即Vac＝Vac_certain，(例如： Vac_certain＝Vac_min或Vac_max)，考察与所有可能的LED负载组合 M2至Mn-x对应的效率η，取最高的L个效率η_maxL，粗选出对应的 L组LED导通电压组合V2至Vn-x-1和L组LED负载组合M2至 Mn-x，其中V2至Vn-x-1以及M2至Mn-x满足：

式中VLED为单颗LED的平均导通压降，Mk为LED串K中的LED 颗数，2≤K≤N-X，2≤k≤n-x。

步骤四：在标称的输入电压条件下，即Vac＝Vac_rating，考察与所述L组LED负载组合M2至Mn-x对应的效率η，取最高效率η_max，精选出对应的1组LED导通电压组合V2至Vn-x-1和1组LED负载组合M2至Mn-x，完成整个LED负载组合M1至Mn的优化过程。

进一步，所述步骤一的处理过程为：

(1.1)根据Vac_min、Vac_max、电路成本及尺寸的要求和设定的ΔV，确定N、X和Vn-x；

(1.2)在至的范围内采用平均分布的方法确定Vn-x+1至Vn；

(1.3)根据VLED，计算M和Mn-x+1至Mn。

再进一步，所述步骤二的处理过程为：

(2.1)根据f(vac)和A(ac)，在Vac＝Vac_certain条件下采用扫描m的方法确定满足PF、THDi以及输入电流谐波标准要求的m上限 m_max；

(2.2)根据设定的相位系数冗余量Δm，取m＝m_max-Δm，计算V1和M1；

(2.3)考察Vac_min至Vac_max的范围内所述V1能否令输入电流iac满足PF、THDi以及输入电流谐波标准要求，其中iac满足：

(2.4)若满足要求，进行步骤三；若不满足要求，则调整Δm，重复所述(2.2)。

所述步骤三的处理过程为：

(3.1)采用遍历的方法，计算Vac＝Vac_certain条件下与所有可能的LED负载组合M2至Mn-x对应的η；

(3.2)筛选出η_maxL，获得对应的L组LED导通电压组合V2 至Vn-x-1和L组LED负载组合M2至Mn-x。

所述步骤四的处理过程为：

(4.1)采用遍历的方法，计算Vac＝Vac_rating条件下与所述L 组LED负载组合M2至Mn-x对应的η；

(4.2)筛选出η_max，获得对应的1组LED导通电压组合V2至Vn-x-1和1组LED负载组合M2至Mn-x。

另一种优选方案，所述步骤二的处理过程为：

(2.1)根据f(vac)和A(ac)，在Vac_min至Vac_max的范围内采用扫描m的方法确定满足PF、THDi以及输入电流谐波标准要求的m 上限m_max；

(2.2)根据设定的相位系数冗余量Δm，取m＝m_max-Δm，计算V1和M1。

本发明的技术构思为：面向分段式LED驱动系统，采用先逐步缩小LED负载组合可选范围再遍历的策略，既可减少遍历次数，又可保证在宽输入电压范围内系统综合性能近似最优，实现负载优化速度和效果的提升。

本发明的有益效果主要表现在：LED负载组合的优化结果可令宽输入电压范围工作的分段式LED驱动系统在满足电路成本及尺寸、 PF、THDi、输入电流谐波标准等多项要求的前提下实现效率最高，同时优化过程中的遍历次数从下降至

附图说明

图1是一种常见的分段式LED驱动系统。

图2是图1所示分段式LED驱动系统的典型波形图。

图3是本发明的方法步骤图。

图4是本发明的方法效果图。

图5是本发明实施例1的细化流程图。

图6是本发明实施例1在Vac＝Vac_min条件下PF、THDi和 IEC61000-3-2Class D满足情况与m的关系图。

图7是本发明实施例1在LED负载组合优化后的PF、THDi和IEC61000-3-2Class D满足情况与Vac的关系图。

图8是本发明实施例1在LED负载组合优化后的η与Vac的关系图。

图9是本发明实施例2的细化流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图3～图9，一种面向分段式LED驱动系统的负载优化方法，包括四个步骤的LED负载组合M1至Mn的优化过程。

步骤一：根据输入电压下限Vac_min、输入电压上限Vac_max、电路成本及尺寸的要求，确定LED总串数N、仅在范围内导通的LED串数 X、LED导通电压Vn-x至Vn、LED总颗数M以及LED串N-X+1中的LED颗数Mn-x+1至LED串N中的LED颗数Mn，其中vac为输入电压且Vac为vac的有效值，Vn-x至Vn、M以及Mn-x+1至Mn 分别满足：

式中ΔV为电压冗余量，VLED为单颗LED的平均导通压降，Mk为 LED串K中的LED颗数，N-X+1≤K≤N，n-x+1≤k≤n。

步骤二：根据功率因数PF、输入电流总谐波畸变率THDi以及输入电流谐波标准的要求，在输入电压Vac_min至Vac_max的范围内确定满足要求的相位系数m、LED导通电压V1以及LED串1中的LED 颗数M1，输入电流iac、m、V1、M1分别满足：

式中vac为输入电压，T为周期，t为时间，f(vac)为iac的包络函数， A(vac)为iac的比例系数，y为整数，VLED为单颗LED的平均导通压降。

步骤三：在特定的输入电压条件下，即Vac＝Vac_certain，(例如： Vac_certain＝Vac_min或Vac_max)，考察与所有可能的LED负载组合 M2至Mn-x对应的效率η，取最高的L个效率η_maxL，粗选出对应的 L组LED导通电压组合V2至Vn-x-1和L组LED负载组合M2至 Mn-x，其中V2至Vn-x-1以及M2至Mn-x满足：

式中VLED为单颗LED的平均导通压降，Mk为LED串K中的LED 颗数，2≤K≤N-X，2≤k≤n-x。

步骤四：在标称的输入电压条件下，即Vac＝Vac_rating，考察与所述L组LED负载组合M2至Mn-x对应的效率η，取最高效率η_max，精选出对应的1组LED导通电压组合V2至Vn-x-1和1组LED负载组合M2至Mn-x，完成整个LED负载组合M1至Mn的优化过程。

实施例1

参照图3至图5，实施例1的步骤一至步骤四得到进一步细化。

所述步骤一的处理过程为：

(1.1)根据Vac_min、Vac_max、电路成本及尺寸的要求和设定的ΔV，确定N、X和Vn-x；

(1.2)在至的范围内采用平均分布的方法确定Vn-x+1至Vn；

(1.3)根据VLED，计算M和Mn-x+1至Mn。

所述步骤二的处理过程为：

(2.1)根据f(vac)和A(ac)，在Vac＝Vac_certain条件下采用扫描 m的方法确定满足PF、THDi以及输入电流谐波标准要求的m上限 m_max；

(2.2)根据设定的相位系数冗余量Δm，取m＝m_max-Δm，计算V1和M1；

(2.3)考察Vac_min至Vac_max的范围内所述V1能否令输入电流iac满足PF、THDi以及输入电流谐波标准要求，其中iac满足

(2.4)若满足要求，进行步骤三；若不满足要求，则调整Δm，重复所述(2.2)。

所述步骤三的处理过程为：

(3.1)采用遍历的方法，计算Vac＝Vac_certain条件下与所有可能的LED负载组合M2至Mn-x对应的η；

(3.2)筛选出η_maxL，获得对应的L组LED导通电压组合V2 至Vn-x-1和L组LED负载组合M2至Mn-x。

所述步骤四的处理过程为：

(4.1)采用遍历的方法，计算Vac＝Vac_rating条件下与所述L 组LED负载组合M2至Mn-x对应的η；

(4.2)筛选出η_max，获得对应的1组LED导通电压组合V2至 Vn-x-1和1组LED负载组合M2至Mn-x。

假设实施例1的Vac_min＝190V，Vac_max＝250V，Vac_rating＝ 220V,A(vac)为常数，VLED＝2.95 V。要求PF>0.95，THDi<30％，输入电流谐波标准采用IEC61000-3-2 Class D。取N＝4，X＝1，ΔV＝12V，Δm＝0.015，L＝5，Vac_cartain ＝Vac_min，部分计算结果如图6至图8所示。图6是在Vac＝Vac_min 条件下PF、THDi和IEC61000-3-2Class D满足情况与m的关系图。图7是在LED负载组合优化后的PF、THDi和IEC61000-3-2Class D 满足情况与Vac的关系图。图8是在LED负载组合优化后的η与Vac 的关系图。由图可知，实施例1的LED负载组合优化结果可令分段式 LED驱动系统具有接近最优的综合性能。

实施例2

参照图3、图4至图9，实施例1的步骤一至步骤四得到进一步细化。

所述步骤二的处理过程为：

(2.1)根据f(vac)和A(ac)，在Vac_min至Vac_max的范围内采用扫描m的方法确定满足PF、THDi以及输入电流谐波标准要求的m 上限m_max；

(2.2)根据设定的相位系数冗余量Δm，取m＝m_max-Δm，计算V1和M1。

除了步骤二，本实施例的其他步骤与实施例1相同，优化效果也与实施例1相似。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。