CN111182689A - 基于单级正激led驱动电路的可见光通信调制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路及方法，包括：Boost PFC变换器电路、单级双管正激的双输出同步整流电路和LED灯负载；所述Boost PFC变换器电路和单级双管正激的双输出同步整流电路集成为单级电路；所述单级双管正激的双输出同步整流电路的副边连接LED灯负载的两端。其将Boost PFC电路和副边采用双同步整流的双管正激电路有机集成为单级驱动电路，采用输出直流电流偏置叠加高频频谱电流调制通信信号，具体采用QAM调制方式实现LED的照明与可见光通信，提高通信调制设备功率水平和转换效率。

Description

基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路及方法

技术领域

本发明涉及LED照明和可见光通信领域，尤其涉及一种基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路及方法，实现LED照明和可见光通信调制。

背景技术

可见光通信技术是近十年来迅速发展的一种新型无线通信方式，通过在公共基础照明设施上增加数据传输附加功能，将通信与室内照明光源相结合，就可构建室内可见光无线通信网络，实现信息从服务器到达客户端的无线传输。在这种情况下，与白炽灯和荧光灯相比，LED作为光源具有很大的优势，因此LED的频率响应为许多应用提供足够的带宽，以足够的速率传输数字数据。VLC可以为常规照明***扩大使用功能，不仅提供更高质量的人工照明，还提供不干扰普通射频（RF）通信的无线通信媒体。

正交振幅调制(QAM)是一种具有高频谱利用率，且可以根据传输环境与传输信源的不同，自适应地调整其调制速率的调制技术，因此能很好地缓和可用频带紧张状况及实现多速率的多媒体综合业务传输。面对用户的迅速增加及人们对高速、宽带多媒体通信的需求，射频功放通信范围已变得越来越有限。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路及方法，考虑到LED 的使用开关变换器的可见光无线通信光频段传输信息具有宽广的通信带宽，避免了电磁干扰冲突又无需申请频段使用执照，能满足下一代多媒体通信的要求。将Boost PFC电路和副边采用双同步整流的双管正激电路有机集成为单级驱动电路，采用输出直流电流偏置叠加高频频谱电流调制通信信号，具体采用QAM调制方式实现LED的照明与可见光通信，提高通信调制设备功率水平和转换效率。

为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

一种基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于，包括：Boost PFC变换器电路、单级双管正激的双输出同步整流电路和LED灯负载；所述Boost PFC变换器电路和单级双管正激的双输出同步整流电路集成为单级电路；所述单级双管正激的双输出同步整流电路的副边连接LED灯负载的两端。

进一步地，交流电源经整流电路连接所述Boost PFC变换器电路。

优选地，所述Boost PFC变换器电路包括：PFC电感L、第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁、直流母线电容C_b；所述单级双管正激的双输出同步整流电路与Boost PFC变换器电路复用第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁，还包括：高频变压器T、第二功率MOS开关管S₂、第三功率MOS开关管S₃、第四功率MOS开关管S₄、第五功率MOS开关管S₅、第六功率MOS开关管S₆、第二功率二极管D₂、直流母线电容C_b、输出电解电容C₀、以及DC-DC电感L_a和L_b构成双输出同步整流正激DC-DC单元；所述整流电路包括4个二极管组成的整流桥BD₁。

优选地，交流源AC连接所述二极管整流桥BD₁；所述二极管整流桥BD₁的正向输出端连接连接PFC电感L的a₁端，所述PFC电感L的a₂端连接第一功率MOS开关管S₁的漏极、第一功率二极管D₁的阳极和高频变压器T原边绕组N_p的非同名端；所述的第一功率MOS开关管S₁的源极连接第二功率二极管D₂的阳极和直流母线电容C_b的负端；所述第一功率二极管D₁的阴极连接第二功率MOS开关管S₂的漏极和直流母线电容C_b的正端；所述第二功率MOS开关管S₂的源极连接高频变压器T原边绕组N_p的同名端和第二功率二极管D₂的阴极；所述高频变压器T副边绕组N_s1的同名端连接第三功率MOS开关管S₃的漏极；所述第三功率MOS开关管S₃的源极连接第五功率MOS开关管S₅的漏极和DC-DC电感L_a的b₁端；所述DC-DC电感L_a的b₂连接DC-DC电感L_b的c₂端、输出电解电容C₀的正端和LED灯负载的正端；所述高频变压器T副边绕组N_s2的同名端连接第四功率MOS开关管S₄的漏极；所述第四功率MOS开关管S₄的源极连接DC-DC电感L_b的c₁端和第六功率MOS开关管S₆的漏极；所述第六功率MOS开关管S₆的源极连接高频变压器T副边绕组N_s2的非同名端、输出电解电容C₀的负端、第五功率MOS开关管S₅的源极、高频变压器T副边绕组N_s1的非同名端和LED灯负载的负端；所述DC-DC电感L_b的c₂端连接DC-DC电感L_a的b₂端、输出电解电容C₀的正端和LED灯负载的正端。

优选地，所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组N_p的同名端与副边绕组N_s1、N_s2的励磁同名端相同。

优选地，所述二极管整流桥BD₁采用的4个二极管均为整流慢速功率二极管；所述第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D₆均为快恢复功率二极管。

以及根据以上优选电路方案的调制方法，其特征在于：所述高频变压器T的副边绕组N_s1和N_s2上的电压V_in是同幅值，同相位的；通过分别控制第三功率MOS开关管S₃、第四功率MOS开关管S₄和第五功率MOS开关管S₅、第六功率MOS开关管S₆的导通关断时间，调节单级双管正激的双输出同步整流电路输出的开关节点电压v_X1、v_X2的相位，以控制输出电流纹波的高频频谱幅值和相位，实现LED可见光通信的数据调制，其中所述第三功率MOS开关管S₃和第五功率MOS开关管S₅互补控制构成其中一路输出相位和幅值的VLC通信信号；所述第四功率MOS开关管S₄和第六功率MOS开关管S₆互补控制构成其中另一路输出相位和幅值VLC通信信号；每相开关管的开关频率和占空比相同。

优选地，采用QAM通信调制方法，所述第三功率MOS开关管S₃和第五功率MOS开关管S₅互补控制构成其中一路输出相位和幅值的VLC通信信号；所述第四功率MOS开关管S₄和第六功率MOS开关管S₆互补控制构成其中另一路输出相位和幅值VLC通信信号。

本发明及其优选方案具有如下有益效果：

1、充分发挥单级正激变换变换电路高效、高功率的优势。

2、利用双路同步整流电路调控输出电流的高频频谱幅值与相位，采用QAM调制实现高功率、高效通信方法。

附图说明

图1是本发明实施例电路原理图。

图2是本发明实施例单级正激电路正向导通，双管正激副边第一绕组输出导通的模态1示意图。

图3是本发明实施例单级正激电路正向导通，双管正激副边两绕组输出导通的模态2示意图。

图4是本发明实施例单级正激电路正向导通，双管正激副边第二绕组输出导通的模态3示意图。

图5是本发明实施例具有相同幅度和相位频率但相位不同的两个正弦波形的总和的工作原理示意图。

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，本发明提供了基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路及方法，其中电路部分的设计内容包括：输入交流电源AC、二极管整流桥BD₁、高频变压器T、第一功率MOS开关管S₁、第二功率MOS开关管S₂、第三功率MOS开关管S₃、第四功率MOS开关管S₄、第五功率MOS开关管S₅、第六功率MOS开关管S₆、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、直流母线电容C_b、输出电解电容C₀、PFC电感L、DC-DC电感L_a和L_b、LED灯负载；交流源AC连接二极管整流桥BD₁；二极管整流桥BD₁的正向输出端连接PFC电感L的a₁端，PFC电感L的a₂端的连接第一功率MOS开关管S₁的漏极、第一功率二极管D₁的阳极和高频变压器T原边绕组N_p的非同名端；的第一功率MOS开关管S₁的源极连接第二功率二极管D₂的阳极和直流母线电容C_b的负端；第一功率二极管D₁的阴极连接第二功率MOS开关管S₂的漏极和直流母线电容C_b的正端；第二功率MOS开关管S₂的源极连接高频变压器T原边绕组N_p的同名端和第二功率二极管D₂的阴极；高频变压器T副边绕组N_s1的同名端连接第三功率MOS开关管S₃的漏极；第三功率MOS开关管S₃的源极连接第五功率MOS开关管S₅的漏极和DC-DC电感L_a的b₁端；DC-DC电感L_a的b₂连接DC-DC电感L_b的c₂端、输出电解电容C₀的正端和LED灯负载的正端；高频变压器T副边绕组N_s2的同名端连接第四功率MOS开关管S₄的漏极；第四功率MOS开关管S₄的源极连接DC-DC电感L_b的c₁端和第六功率MOS开关管S₆的漏极；第六功率MOS开关管S₆的源极连接高频变压器T副边绕组N_s2的非同名端、输出电解电容C₀的负端、第五功率MOS开关管S₅的源极、高频变压器T副边绕组N_s1的非同名端和LED灯负载的负端；DC-DC电感L_b的c₂端连接DC-DC电感L_a的b₂端、输出电解电容C₀的正端和LED灯负载的正端。第一功率MOS开关管S₁和第二功率MOS开关管S₂采用PWM或者PFM控制用于实现Boost电路PFC功能和DC-DC恒流输出的功能；第三功率MOS开关管S₃、第五功率MOS开关管S₅、第四功率MOS开关管S₄和第六功率MOS开关管S₆构成正激副边双输出同步整流变换电路。

以下为本发明的一具体实施例：

本发明通过利用单级双管正激的双输出同步整流电路作为LED的驱动电路，然后利用QAM调制方式实现LED可见光通信。双管正激式单级PFC变换器，实现高效、高PF和输出电流控制。下面具体说明本发明的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制方法，如图2、图3、图4和图5所示。

参照图2，是单级正激电路原边开关导通，双管正激副边第一绕组输出导通的模态1示意图。单级正激电路开关管S₁、S₂导通，PFC电感L储能；直流母线电容C_b供电，将能量传递到变压器T副边，开关管S₃导通，S₅截止，第一绕组输出将能量传递到负载LED，绕组 N_s1一路同步整流电路输出纹波波形为v _A (t)，通过控制开关管S₃和S₅的导通关断，改变v _A (t)的相位；开关管S₆导通，S₄截止，DC-DC电感L_b通过开关管S₆续流；绕组N_s2另一路同步整流电路输出纹波波形为v _B (t)，通过控制开关管S₄和S₆的导通关断，改变v _B (t)的相位；两相变换电路输出v _C (t)波形将能量传递到负载LED。

参照图3，是单级正激电路原边开关导通，双管正激副边两绕组输出导通的模态2示意图。单级正激电路开关管S₁、S₂导通，PFC电感L储能；直流母线电容C_b供电，将能量传递到变压器T副边，开关管S₃、S₄导通，S₅、S₆截止，两相变换电路输出v _C (t)波形将能量传递到负载LED。

参照图4，是单级正激电路原边开关导通，双管正激副边第二绕组输出导通的模态3示意图。单级正激电路开关管S₁、S₂导通，PFC电感L储能；直流母线电容C_b供电，将能量传递到变压器T副边，开关管S₄导通，S₆截止，第二绕组输出将能量传递到负载LED，绕组N_s2另一路同步整流电路输出纹波波形为v _B (t)，通过控制开关管S₄和S₆的导通关断，改变v _B (t)的相位；开关管S₅导通，S₃截止，DC-DC电感L_a通过开关管S₅续流；通过控制开关管S₃和S₅的导通关断，改变v _A (t)的相位；两相变换电路输出v _C (t)波形将能量传递到负载LED。

参照图5，是具有相同幅度和相位频率但相位不同的两个正弦波形的总和的工作原理示意图。图中第三个波形（v _C (t)）中为两个正弦波之和（v _A (t)）和（v _B (t)）,两者具有相同的幅度和频率，但具有不同的相位（分别为-γ₁•2•π和-γ₂•2•π）；这两个正弦波形的总和等于具有相同频率的第三正弦波形（v _C (t)）；表达式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通过调节开关管S₃、S₅和S₄、S₆的导通与关断，改变v _A (t)和v _B (t)的相位，可以调节最终输出电压v _C (t)的相位和幅值；当第一相绕组同步整流电路输出电压纹波和第二相绕组同步整流电路输出电压纹波的相位差α下降时，v _C (t)的幅值增加；当α增大时，v _C (t)的幅值降低，当第一相绕组输出电压纹波和第二相绕组输出电压纹波的相位和2·β值增大时，v _C (t)的相位下降；当β值减小时，v _C (t)的相位增加。所以总输出电压纹波v _C (t)的幅度取决于α参数，相位取决于β参数，其中γ₁、γ₂和β在0到1的范围内变化；α在0到0.5范围内变化。故得知振幅和相位可独立控制的正弦波可以是由两个相同振幅和相同频率且可控制相位的两个正弦波之和产生，所以可以通过分别调制两相同步整流电路输出的电压的纹波相位而调节输出电压纹波，以达到可见光通信数据调制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)

1.一种基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于，包括：BoostPFC变换器电路、单级双管正激的双输出同步整流电路和LED灯负载；所述Boost PFC变换器电路和单级双管正激的双输出同步整流电路集成为单级电路；所述单级双管正激的双输出同步整流电路的副边连接LED灯负载的两端。

2.根据权利要求1所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于：交流电源经整流电路连接所述Boost PFC变换器电路。

3.根据权利要求1所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于：所述Boost PFC变换器电路包括：PFC电感L、第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁、直流母线电容C_b；所述单级双管正激的双输出同步整流电路与Boost PFC变换器电路复用第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁，还包括：高频变压器T、第二功率MOS开关管S₂、第三功率MOS开关管S₃、第四功率MOS开关管S₄、第五功率MOS开关管S₅、第六功率MOS开关管S₆、第二功率二极管D₂、直流母线电容C_b、输出电解电容C₀、以及DC-DC电感L_a和L_b构成双输出同步整流正激DC-DC单元；所述整流电路包括4个二极管组成的整流桥BD₁。

4.根据权利要求3所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于：交流源AC连接所述二极管整流桥BD₁；所述二极管整流桥BD₁的正向输出端连接连接PFC电感L的a₁端，所述PFC电感L的a₂端连接第一功率MOS开关管S₁的漏极、第一功率二极管D₁的阳极和高频变压器T原边绕组N_p的非同名端；所述的第一功率MOS开关管S₁的源极连接第二功率二极管D₂的阳极和直流母线电容C_b的负端；所述第一功率二极管D₁的阴极连接第二功率MOS开关管S₂的漏极和直流母线电容C_b的正端；所述第二功率MOS开关管S₂的源极连接高频变压器T原边绕组N_p的同名端和第二功率二极管D₂的阴极；所述高频变压器T副边绕组N_s1的同名端连接第三功率MOS开关管S₃的漏极；所述第三功率MOS开关管S₃的源极连接第五功率MOS开关管S₅的漏极和DC-DC电感L_a的b₁端；所述DC-DC电感L_a的b₂连接DC-DC电感L_b的c₂端、输出电解电容C₀的正端和LED灯负载的正端；所述高频变压器T副边绕组N_s2的同名端连接第四功率MOS开关管S₄的漏极；所述第四功率MOS开关管S₄的源极连接DC-DC电感L_b的c₁端和第六功率MOS开关管S₆的漏极；所述第六功率MOS开关管S₆的源极连接高频变压器T副边绕组N_s2的非同名端、输出电解电容C₀的负端、第五功率MOS开关管S₅的源极、高频变压器T副边绕组N_s1的非同名端和LED灯负载的负端；所述DC-DC电感L_b的c₂端连接DC-DC电感L_a的b₂端、输出电解电容C₀的正端和LED灯负载的正端。

5.根据权利要求4所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于：所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组N_p的同名端与副边绕组N_s1、N_s2的励磁同名端相同。

6.根据权利要求4所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路，其特征在于：所述二极管整流桥BD₁采用的4个二极管均为整流慢速功率二极管；所述第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D₆均为快恢复功率二极管。

7.根据权利要求4所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路的调制方法，其特征在于：所述高频变压器T的副边绕组N_s1和N_s2上的电压V_in是同幅值，同相位的；通过分别控制第三功率MOS开关管S₃、第四功率MOS开关管S₄和第五功率MOS开关管S₅、第六功率MOS开关管S₆的导通关断时间，调节单级双管正激的双输出同步整流电路输出的开关节点电压v_X1、v_X2的相位，以控制输出电流纹波的高频频谱幅值和相位，实现LED可见光通信的数据调制，其中所述第三功率MOS开关管S₃和第五功率MOS开关管S₅互补控制构成其中一路输出相位和幅值的VLC通信信号；所述第四功率MOS开关管S₄和第六功率MOS开关管S₆互补控制构成其中另一路输出相位和幅值VLC通信信号；每相开关管的开关频率和占空比相同。

8.根据权利要求4所述的基于单级正激LED驱动电路的可见光通信调制电路的调制方法，其特征在于：采用QAM通信调制方法，所述第三功率MOS开关管S₃和第五功率MOS开关管S₅互补控制构成其中一路输出相位和幅值的VLC通信信号；所述第四功率MOS开关管S₄和第六功率MOS开关管S₆互补控制构成其中另一路输出相位和幅值VLC通信信号。

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