[发明专利]动态负载的自适应PWM驱动

说明书

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，简单的照明系统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。当前系统如图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。

当前系统的主要缺陷是：

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，则导致整个系统的振荡而无法工作。

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，系统分为两个部分：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，系统稳定工作。