CN105764180A - 动态负载的自适应pwm驱动 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动态负载的PWM驱动***，根据负载的驱动特性以及工作状态，利用先进的数字电源和PWM调控算法，将实时接入的负载与PWM驱动同步联动，将负载需要的驱动功率通过PWM调制的脉宽实时输出到负载上。多个不同的功率的负载通过控制***切换、组合到工作环境中，以满足应用需求；PWM脉宽的调制通过多个方法实现，在不损害负载的情况下，(1)将多个功率变化不大的负载等同看待或者区别对待；(2)在多个负载处于工作状态，而组合中几个或者多个负载在工作状态切换入或者切换出时，总功率变化不大则PWM无需跟随每个负载或者每种负载组合的切换变化；(3)将负载的时变参数写入PWM驱动模型，或者在产品成型后，通过测试台将每个负载和负载符合的参数写入驱动模型，从而使得驱动能够与负载实现1对1的匹配。

Description

动态负载的自适应PWM驱动

技术领域

本发明涉及集成电路、电路硬件设计和嵌入式软件设计、PC测试软件以及算法设计、测试设备，根据单个负载和组合负载的驱动特性以及工作状态，利用先进的数字电源和PWM调控算法，将实时接入的负载与PWM驱动同步联动，将负载需要的驱动功率通过PWM调制的脉宽实时输出到负载上。

技术背景

生活水平的提高，使得在某些环境中的设备必须与不同的应用场景一致，有多种变化。设备在跟随场景变化时，使得驱动电路的输出跟随变化，驱动电路输出的功率、电流电压的相位等按照时序不同。以当前应用广泛的LED照明灯具为例，当前在从简单的照明功能，向因时而变、因用而变过渡。

LED照明灯具是恒定电流驱动模式的，简单的照明***不具备在一个灯具上有多种应用的不同的LED负载的组合的功能。当前***如图1所示。

连接关系如下：输入DC电源与芯片KTD258的Vin管脚、电感L的一端连接，电感L的另外一端与芯片的lx管脚、二极管的P极连接，二极管的N极与输出电容Cout、芯片的Vout管脚连接，一串照明用LED跨接在芯片管脚Vout和FB之间，芯片管脚FB与地之间接入电流测量电阻，芯片管脚EN与外部的使能(工作指令)enable连接，芯片管脚GND、电流检测电阻和输入电容Cin、输出电容Cout的另外一端接地。

工作过程如下：在接到工作指令(enable)后，管脚lx按照内置程序以PWM模式导通。在lx为导通接地时，电感L中的电流增加，能量增加；当芯片管脚lx不接地呈现高阻态时，电感L中增加的能量以电流模式，导通二极管进入输出电容Cout的正极。输出电容上的电荷流过一串照明用LED，LED发光消耗能量。电流检测电阻检测流过照明LED串的电流，如果电流小于恒流额定数值，则增加电感L的能量传送；电流大于恒流额定数值，则减少电感L的能量传送。

目前负载类型和个数在一个环境中是固定的，不能够按需改变；驱动电路使用传统的恒流模式，使用电流的检测数据进行反馈控制。

当前***的主要缺陷是：

每一个有差异的环境都需要一个不同类型的负载以及负载个数的配置，负载以及驱动PCB的基板多种多样，批量降低成本困难。

负载的动态切换困难。由于是反馈控制，在负载切换时如果切换前后的输出变化大、切换频率过快，则导致整个***的振荡而无法工作。

输出电路仅仅是恒流控制，单串负载的恒流比较简单，但是多串恒流负载在工作中的均流困难。

在不同的应用场景需要不同负载工作，以及需要不同的负载组合工作时，需要多个产品的组合，安装困难，成本高昂。

仅仅能够实现开关控制，对每个负载的细节控制无法进行。

本发明内容

本发明是通过如下方法实现的。

如图2所示为动态负载的PWM驱动框架，***分为两个部分：驱动电路和动态负载。

驱动电路连接关系为：电感L1一端与输入电源VDC连接，另外一端与晶体管NMOS7的漏极、二极管D1的P极连接，二极管D1的N极与电容C1、C2的正极以及动态负载连接，动态负载和C1、C2的另外一端，以及NMOS7的源极接地，NMOS7的栅极与PWM1连接。

动态负载模式有7个：4个由单个负载构成如动态负载1、动态负载2、动态负载3、动态负载4；3个由不同负载的组合构成：动态负载2+3、动态负载2+4、动态负载3+4。

工作原理为：当晶体管NMOS7的栅极驱动PWM1为高时，NMOS7导通，电感L1接地；电源VDC电压施加在电感L1的两端，电感中的电流增加，电流增加的计算公式为

L1*(di/dt)＝VDC

当PWM1为低时，NMOS7截止，电感L1中的电流不能够瞬间变化，于是电感L1的电流继续原先的流动方向，通过二极管D1给电容充电，电容上的电压升高而电感上的电流降低。

电感在给电容充电时的公式为

L1*(di/dt)＝VDC-(动态负载上的压降)

每个PWM周期，电感L1经历一次电流增加和降低的过程，输出电容C1、C2经历一次电压降低升高的过程，于是电感上的能量传递到输出电容上，输出电容给动态负载供电，让动态负载正常工作。

PWM1的占空比，决定了每个周期内电感L1的能量变化的大小；当PWM1的占空比与动态负载的实际需求存在一个对应关系时，则动态负载与PWM1实现同步的功率匹配，***稳定工作。

在单个负载的动态负载模式1、2、3、4以及两个负载组合提示工作的动态负载模式2+3、2+4、3+4下，均有一个对应的PWM1的占空比，这样动态负载在不同模式下，均可以正常工作。

本发明的优点为：

同样的基板，按照环境配置不同类型的负载，或者配置不同个数的负载；

负载在不同环境中应用时，多个负载可以动态组合工作；

负载的动态组合导致功率的需求以及电流电压相位的变化，驱动电路的输出功率必须跟随变化；

相同的负载也有细微的个体差异，通过产品制造的测试环节，将负载的特征逐个测试识别，与驱动电路的输出逐一匹配；

驱动电路采用PWM模式输出功率，PWM的频率和脉宽的调整根据算法进行。

附图说明。

图1：当前的负载驱动***

图2：动态负载的PWM驱动框架

图3：基于测试台的负载参数写入与驱动关联原理图

图4：多负载的动态组合切入切出原理图

图5：恒流LED负载的动态组合与PWM调制的功率输出同步

图6：负载动态组合的时序切入下PWM调控原理

图7：基于驱动模型或测试台的负载与驱动参数获得与计算

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。

如图3所示基于测试台的负载参数写入与驱动关联原理图。测试台除了测试设备的管理外，包含两个软件模组：PWM1控制指令模组、动态负载接入指令模组，分别对产品中的时变动态负载驱动电路提供PWM指令，以及控制动态负载切入切出电路将不同的负载接入到工作回路进入工作状态。

测试台外接I、V测量和动态负载P测量模组，对接入的负载进行工作状态下的数据测量；测试台获得I、V、P测试数据后，计算得到每个动态负载的特征参数，以及每个产品上驱动电路本身的功耗、温升等参数，计算得到每个动态负载的PWM驱动配置数据，通过面向动态负载的PWM配置数据模组，将数据配置到产品中。

每个动态负载本身的性能都有些微的差异，通过测试获得驱动数据，可以使得每个动态负载和动态负载本身的组合，都有各自的PWM驱动参数对应，实现动态负载与PWM的精确匹配。

如图4所示多负载的动态组合切入切出原理图，连接关系为：24VDC接电感L1的一端以及电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12的一端，电感L1的另外一端接NMOS7的漏极、二极管D1的P极，二极管P1的N极与电容C1、C2正极连接，NMOS7的栅极连接PWM1，GND与NMOS7的源极、C1和C2的负极连接，电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12的另外一端分别与控制总线CB【1～6】、晶体管NMOS1、NMOS2、NMOS3、NMOS4、NMOS5、NMOS6的栅极连接，晶体管NMOS1、NMOS2、NMOS3、NMOS4、NMOS5、NMOS6串联跨接在电容C1两极，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6串联跨接在电容C1两极，动态负载单元CW、WW、NW、R、G、B串联跨接在电容C1两极，晶体管NMOS1、动态负载CW、电阻R1并联，晶体管NMOS2、动态负载WW、电阻R2并联，晶体管NMOS3、动态负载NW、电阻R3并联，晶体管NMOS4、动态负载R、电阻R4并联，晶体管NMOS5、动态负载G、电阻R5并联，晶体管NMOS6、动态负载B、电阻R6并联。

工作原理为：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6为0欧姆电阻，决定在某个应用环境下动态负载在基板上的配置类型的数量。当0欧姆电阻接入，对应的动态负载类型就不在基板上配置，当然也就不需要对应的晶体管进行切入切出的操作。如R4、R5、R6三个0欧姆电阻都在基板上贴片，则动态负载RGB被旁路，晶体管NMOS4、NMOS5、NMOS6也被旁路，但是动态负载CW、WW、NW的动态控制不受影响。

当某个0欧姆电阻不存在时，对应的动态负载和晶体管实现将负载动态切入切出的控制。如R4、R5、R6电阻在基板上没有贴片不存在，而动态负载RGB和晶体管NMOS4、NMOS5、NMOS6存在，那么，通过控制总线CB【1～6】中CB【4、5、6】的高阻低阻状态控制负载RGB是否在工作状态。如CB【4】为高阻状态而CB【5、6】为低阻状态，则NMOS4导通，负载R被旁路不在工作状态，NMOS5、NMOS6被截止，负载G、B在回路中处于工作状态。

0欧姆电阻与其并联的负载单元、晶体管等，可以制作为一个统一的基板；在不同的应用环境下，选择不同的部件进行贴片，即可实现统一基板上的按需配置负载，以及负载在应用中的动态切入切出。

如图5所示恒流LED负载的动态组合与PWM调制的功率输出同步，连接关系为：电感L1一端与输入电源VDC连接，另外一端与晶体管NMOS7的漏极、二极管D1的P极连接，二极管D1的N极与电容C1、C2的正极以及动态负载连接，动态负载和C1、C2的另外一端，以及NMOS7的源极接地，NMOS7的栅极与PWM1连接。动态负载模式有7个：4个由单个负载构成如动态负载1、动态负载2、动态负载3、动态负载4；3个由不同负载的组合构成：动态负载2+3、动态负载2+4、动态负载3+4。

工作原理为：通过测试台(要求不高时可以通过批量抽样算法进行测算即可)，将不同的负载接入，使其达到稳定的工作状态，在针对恒流负载如照明LED时，就是把电流达到需要的数值保持稳定，此时测量LED的电压或者测量LED的功率。

以1WLED为例，将冷白CW、暖白WW、中性白NW的LED组合负载切入到回路中，调整PWM的输出，直至串联的LED负载组合工作电流达到设定的350mA，此时测量LED组合的电压，计算得到CW+WW+NW的功率，或者直接测量CW+WW+NW的功率，得到4.37W。在电路器件固定的情况下，得到此时PWM数据为：PWM频率100KHZ，6.1us开3.9us关，即占空比61％。

以此类推，得到产品中的对应动态组合负载的PWM脉宽数据表

负载模式	功率(W)	对应占空比(％)	PWM导通/关断时间100KHz	序号
					动态负载模式1	4.37	61％	6.1us/3.9us	1
动态负载模式2	0.98	32％	3.2us/6.8us	2
					动态负载模式3	1.12	34％	3.4us/6.6us	3
动态负载模式4	1.26	36％	3.6us/6.4us	4
					动态负载模式2+3	2.10	46％	4.6us/5.4us	5
动态负载模式2+4	2.24	48％	4.8us/5.2us	6
					动态负载模式3+4	2.38	49％	4.9us/5.1us	7

将负载模式栏数据、和对应的PWM导通/关断时间100KHz栏中的导通时间写入产品的内部存储中即可。

同类型动态负载的个性化差异，通过测试平台后能够得到精确的占空比匹配；

存储在产品内存中的PWM导通时间数据，可以是其他方式的存在，如基于基准时钟的时钟数目。如基准时钟为16MHz，则动态负载模式1在工作状态，导通时间6.1us的另外一个表示形式就是时钟数目，即16*6.1＝98个时钟。

在动态负载切入切出时，不同的晶体管NMOS【1～6】的差异存在，并且需要导通的爬升过程以及关断的下降过程的匹配；在动态负载很小的状况下，不考虑切入切出过程的变化，仅考虑前后稳定工作状态的变化。

驱动电路部件的个性化差异，在测试台上自动校准；在不使用测试台时，需要对部件的性能进行采样和测算，将相关数据纳入PWM的占空比计算中。如二极管D1的功耗，根据二极管D1的前向压降与导通阻抗各不相同，可以根据某个批量数据计算得到最大相似值，保证PWM实际输出与需求之间的误差最小。

如图6所示负载动态组合的时序切入下PWM调控原理。驱动电路的输出功率必须等于动态负载的实际功率，才会有平衡状态；在动态负载本身的功率有变化范围时，驱动电路的输出也必须在负载的变化范围内。处于工作状态的负载的功率根据需要变化时，驱动电路的输出功率也需要跟随PWM的输出进行改变。

动态负载以及相应的控制电路，由于电子元器件的存在以及其他部件，本身必须具备一定的功耗才能够工作。这种功耗由于在切换不同的负载，不是静态功耗。

在工作环境中，根据环境以及应用需求，其起始的工作状态不同，从而导致后续切入切出(控制)的负载的种类以及数量不同。如图6中的6种负载，在累加模式下工作，第1种环境下的时序和功率要求为：

第2种环境下的时序和功率要求为：

由于驱动电路本身的特性，在不同的环境和初始条件下，在切入切出一个负载时，增减的功耗不同。如环境1的初始时刻1的静态功耗Ps1与环境2的初始时刻1的静态功耗Ps2有差别，同时环境1的初始时刻1的负载1与环境2的初始时刻4的负载功耗也不同，从而导致整个***的初始时刻不同。在初始时刻后，每一个后续时刻增减的负载均不相同，所以每个时刻的驱动电路的PWM控制不相同，即使是在某个时刻的负载的类型和种类都一样。

动态负载可以是循环式工作的，某些负载在第一次切入切出工作状态和第二次切入切出时的需要的功率相同但是控制驱动电路输出此功率的PWM有可能不同。

面对此种负载和工作时序的要求，在非关键应用中，采取以下存储在产品中的数据进行PWM控制。

针对不同初始时刻和后续增减负载的状况，上表存储的数据在控制PWM导通/截止时间的使用方法是：

第1步：启动动态负载2，负载2进入工作状态，此时的PWM导通/截止时间100KHz条件下为3.2us/6.8us；

第2步：新增动态负载3，负载2+3进入工作状态，此时的PWM导通/截止时间100KHz条件下为【3.2us/6.8us】+增量【+1.2us/-1.2us】＝【4.6us/5.4us】；

第3步：新增动态负载1，负载2+3+1进入工作状态，此时的PWM导通/截止时间100KHz条件下为【4.6us/5.4us】+增量【+4.4us/-4.4us】＝【9.0us/1.0us】；

第4步：将负载3切出工作状态，仅负载2+1进入工作状态，此时的PWM导通/截止时间100KHz条件下为【9.0us/1.0us】-【+1.2us/-1.2us】＝【7.8us/2.2us】；

第5步：......

第Y步：本次工作结束

如图7所示基于驱动模型或测试台的负载与驱动参数获得与计算。这个表可以通过计算或者测试数据得到。

通过电路仿真或计算模型数据，可以得到相关数据。

通过对实际产品的测试，得到电流I、电压V数据，计算得到功率P数据，或者直接测量得到功率P数据。

通过以上方法，得到基于时序的初始时刻和后续时刻的负载切换与对应的PWM导通截止时间100KHz的数据，从而支持基于时序的动态负载工作。

设定有N个不同的负载，则计算或者测试得到N*N+N个数据，就可以让任意组合的负载工作，而工作的功率通过相应的PWM来控制，实现负载需要的功率与驱动电路输出功率之间的匹配。

Claims (10)

1.本发明涉及动态负载的PWM驱动***，根据单个负载和组合负载的驱动特性以及工作状态，利用先进的数字电源和PWM调控算法，将实时接入的负载与PWM驱动同步联动，将负载需要的驱动功率通过PWM调制的脉宽实时输出到负载上。在一个产品中嵌入多个特性与功率不同的负载，通过外部控制的方法将多个负载按照应用需求，切入到工作状态；在切入不同的负载和负载组合到工作状态和退出工作状态时，驱动电路提供的负载必须与负载的变化同步，而驱动电路输出的功率是PWM控制的。多个不同的功率的负载通过控制***切换、组合到工作环境中，以满足应用需求；PWM脉宽的调制通过多个方法实现，在不损害负载的情况下，(1)将多个功率变化不大的负载等同看待或者区别对待；(2)在多个负载处于工作状态，而组合中几个或者多个负载在工作状态切换入或者切换出时，总功率变化不大则PWM无需跟随每个负载或者每种负载组合的切换变化；(3)将负载的时变参数写入PWM驱动模型，或者在产品成型后，通过测试台将每个负载和负载符合的参数写入驱动模型，从而使得驱动能够与负载实现1对1的匹配。

2.根据权利要求书1所述的嵌入多个不同负载的产品，其特征为：嵌入负载的种类、特征以及驱动功率可以不同，也可以相同；不同负载的嵌入数量的配置，在不同的应用环境中可以动态配置，在负载不在某个环境中使用时，此负载可以不配置；负载的配置是使用同样的一个基板，在基板上利用短路装置实现，负载不配置时，可以使用短路器件将此负载旁路而不影响其他负载在基板上的配置。

3.根据权利要求书1所述的PWM驱动电路的输出，其特征为：输出可以是电流连续模式的，也可以是电流断续模式的；负载的特征不同，无论是基于电压模式工作还是基于恒流模式工作，在切入或者切出工作模式时，都必须以PWM电路输出的功率的变化为能源；PWM的频率和脉宽与输出的功率可以是正向关系，也可以是负向关系。

4.根据权利要求书1所述的负载动态组合与驱动电路输出之间的同步，其特征为：同步可以基于反馈模式，也可以基于开路模式；反馈模式下需要对负载的特征进行监控，如检测负载或者负载组合的电压或者电流等，通过反馈回路来达到设定的电压电流标准值；开路模式下，测试得到每个负载的特征，在该负载切入工作状态时，则增加相应负载的功率输出而该负载被切出脱离工作环境时，则减少相应负载的功率输出。

5.根据权利要求书1所述的负载动态组合与驱动电路输出之间的同步算法，其特征为：同步是针对不同的负载在切入切出工作状态而言的，在负载在切入切出时负载需要的功率是瞬时变化的，而电路提供的功率的变化是一个过程，算法需要保证在切换(负载切入切出)时不导致处于工作状态的负载出现不正常；处于切换状态的负载可以与已经处于工作状态的负载相同，也可以不同；驱动电路的输出功率不仅考虑切换过程的时变效应，同时考虑负载特征导致的电压电流的波形与相位关系。

6.根据权利要求书2所述的基于共用基板的不同负载的配置和动态组合，其特征为：一个基板上可以配置N个负载，在某个环境下配置【N-X】个负载时，可以使用X个短路部件如X个0欧姆电阻将没有实际配置的X个负载旁路，而不影响已经配置的【N-X】个负载的工作；【N-X】在动态组合时，通过开关部件将配置好的负载切入切出工作环境；开关部件与【N-X】个负载可以是并联的，也可以是串联的。

7.根据权利要求书5所述的基于同样负载的负载动态组合与驱动电路输出之间的同步算法，其特征为：同样负载在组合时，只要处于工作状态的负载的总数不变，如同时将位置A的X个负载切入和位置B的X个负载切出，则驱动电路的输出不变，即负载的变化不影响驱动电路的PWM变化。

8.根据权利要求书5所述的基于不同负载的负载动态组合与驱动电路输出之间的同步算法，其特征为：不同负载在切入切出时会导致需要的总功率以及供电的电压电流相位会发生变化；在功率变化时，根据内置算法调整PWM的输出；驱动电路的PWM输出的功率是PWM的脉宽或者频率控制，而调整是针对切换前和切换后的功率变化。

9.根据权利要求书5所述的通过测试平台获得负载和驱动参数的负载动态组合与驱动电路输出之间的同步算法，其特征为：负载制造商提供的关于功率的特性都是基于制造商的测定方法，即使是相同的负载也会有些微的变化，或者不同批次的负载虽然型号相同但是实际数据差别较大，或者负载个体之间差异较大；而内嵌驱动电路和负载的本发明的产品，可以通过产品的制造过程中的测试平台，实现负载与驱动电路输出的逐个匹配，或者负载的组合模式与驱动电路的逐个匹配。

10.根据权利要求书5所述的时序组合控制下负载与驱动电路输出功率的PWM增量算法，其特征为：一个负载按照不同的时序切入或者切出工作状态时，其造成的切入切出前后的功率变化对驱动电路的影响是不同的，在容错范围内，可以使用最小均方根算法等，将某个负载在不同时序下的切入切出的功率变化等，作为一个恒定值看待，从而导致PWM的频率和脉宽的变化是固定的。