CN101282606B - 无电解电容led灯电源适配器的控制方法 - Google Patents

无电解电容led灯电源适配器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明采用数码方法控制LED所需的稳定电压、恒定电流的恒流电源的值，采用单片机软件方法，产生多相高频方波脉冲群，用多组不同相位的高频方波脉冲，分别控制多相位电力电子开关的“通”和“断”，实现用多相高频整流的有源方法来抑平纹波；采用高频整流，特别是用多相高频整流，以及波形九十度电角度移相位移峰填谷，以有源的电力电子方法取代传统贮能电解电容，用数码方式提供LED灯所需稳定电压、恒定电流的恒流电源，用多相高频整流的有源方式，来抑平纹波的控制方法，提供一种耐高温、寿命长达数万小时、高可靠性的、与LED数万小时寿命可以匹配的LED灯无电解电容的电源适配器的控制方法。

Description

无电解电容LED灯电源适配器的控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，特别涉及一种专为LED灯匹配的无电解电容的电源适配器的控制方法。
背景技术
电光源经历了第一代钨丝发热至白炽高温放光的白炽灯泡时代；第二代是光效比白炽灯泡高数倍的荧光灯(包括“节能灯)时代；第三代是控光性好且光效很高的点光源高强度气体放电灯(HID灯)时代；第四代电光源是高光效长寿命半导体发光二极管照明灯(LED灯)时代。LED灯的优点之一是有长达数万小时的使用寿命，为此，十分迫切需要有一种与之匹配、使用寿命也可达数万小时的LED灯电源适配器。
迄今为止，关于LED灯的电源适配器有上千种，但是，无一例外，全部都是采用可靠性很差的电解电容的。
电解电容内部存在电解质，除了客观上可能存在电解质污染之外，电解质的沸点温度还制约了电解电容的工作温度(一般民品85℃，工业品105℃，特殊用途125℃)；并且电解质工作欠稳定，寿命较短(一般0.3万小时，优质的也只有0.5至0.6万小时，即使特制昂贵的电解电容应用于高温也很难突破1万小时)。电解电容顶部有K字形凹纹，允许电解电容从K字部位爆炸，可见，电解电容生产者，对电解电容可能爆炸的可能性，是心知肚明的。
据“木桶理论”分析，LED灯电源适配器的可靠性，取决于其中可靠性最差的零件，即电解电容。所以必须找到不用电解电容的方法，才有可能从根本上解决现有LED灯电源适配器的寿命短问题，才能实际生产出可以与LED长寿命匹配，使用寿命也可达数万小时的LED灯电源适配器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无电解电容LED灯电源适配器的控制方法，根除电解电容的缺点，使LED灯用电源适配器达到与LED寿命相匹配的要求。
本发明以如下技术方案，解决上述技术问题：
采用单片机软件方法，产生多相高频方波脉冲群；用多组不同相位的高频方波脉冲，分别控制多相位电力电子开关的“通”和“断”，实现用多相高频整流的有源方法以抑平纹波，取代传统无源电解电容贮能抑平纹波方法。采用数码方法控制LED所需的稳定电压、恒定电流的恒流电源的值。
当电源电压波动下浮时，如上述有源方法提供给LED的能量不足，谷值纹波增大时，自动反馈数码控制立即增加相数，提升频率，并扩展脉宽，用数码方法增加有源供电能量抑平纹波；
当电源电压波动上浮时，如上述有源方法提供给LED的能量过多，峰值纹波增大时，自动反馈数码控制立即减少相数，降低频率，并缩小脉宽，用数码方法减少有源供电能量抑平纹波；
当电源是低压电源时，用Boost升压拓扑，采用数码控制的非单相Boost方式，受控方式为数码自适应软件程序的高频多相开关量实现预设目标的多代自动回归过程；
当电源是高压电源时，用BUCK降压拓扑，采用数码控制的非单相BUCK方式，受控方式为数码自适应软件程序的高频多相开关量实现预设目标的多代自动回归过程；
当电源是时高时低变化的电源时，用数码方式前馈侦察判断后，指令启动高频多相Boost拓扑，或指令启动高频多相BUCK，用单片判断并指令满足LED灯对电压稳压及对电流恒流之需求。
本发明采用了高频整流、特别是用多相高频整流，以及波形九十度电角度移相位移峰填谷，以有源的电力电子学方法取代无源贮能电解电容，用数码方式实现提供LED灯所需稳定电压、恒定电流的恒流电源，用多相高频整流的有源方式，来抑平纹波的控制方法，实现了取消不可靠的电解电容，提升电源适配器的可靠性、耐高温、寿命长达数万小时，与LED数万小时寿命相匹配。
附图说明
图1为无电解电容LED灯电源适配器的控制方法示意图
图2为无电解电容LED灯电源适配器拓扑原理图。
具体实施方式
结合图1说明本发明的实施方式如下。
从电解电容在传统的LED灯电源适配器之中的功能看，电解电容最主要的作用，是把高峰值的电荷，贮能于电解电容之中，称为充电。然后，在下陷低谷值时释放出电荷，称为放电。电解电容的“充电”和“放电”的实质，是为了抑平直流电源的纹波。
一般无源等效替代，是用没有电解质的长寿命电容器一微法，来取代有电解质的短寿命电解电容一微法，这种等电容替代方法，是实现无电解电容的基本消极策略之一，但治标不治本。本发明提供更积极的方法是：用高频整流、特别是用多相高频整流、以及波形九十度电角度移相位移峰填谷的电力电子学方法取代电解电容，实现根本不用可靠性最差的电解电容，才是最根本最可靠的方法。
本发明基于电力电子学的方式，提供不用电解电容的、可靠性高、耐高温、寿命长达数万小时、与LED数万小时寿命可以匹配的LED灯电源适配器的控制方法。
本发明采用的具体措施为：
(1)针对LED灯具体实际需要恒流电源的大小，用数码方法，而非传统模拟方法，设计与LED灯所需稳定电压并恒定电流的恒流电源。
(2)用单片机软件方法，而非传统模拟方法，产生多相高频方波脉冲群。
(3)用多组不同相位的高频方波脉冲，分别控制多相位电力电子开关的“通”(ON)和“断”(OFF)，实现用多相高频整流的有源方法，来抑平纹波，而不是用每壹瓦壹微法贮能电解电容传统的无源的方法、只依赖电解电容贮存电荷抑平纹波。
(4)当电源电压波动下浮时，上述有源方法提供给LED的能量如有不足，谷值纹波增大时，自动反馈数码控制迅即增加相数，提升频率，并扩展脉宽，用数码方法增加有源供电能量，抑平纹波，是数控回归过程之一。
(5)当电源电压波动上浮时，上述有源方法提供给LED的能量太充足，峰值纹波增大时，反馈数码控制迅即减少相数，降低频率，并缩小脉宽，用数码方法减少有源供电能量，抑平纹波，是数控回归过程之一。又能够实现动态的减少损耗，实现动态的提升电功效率。
(6)当电源是低压电源时，用Boost升压拓扑，但采用的是数码控制的非单相Boost方式，而不是传统模拟芯片控制的单一单相Boost方式。受控方式不再是传统的闭环模拟量负反馈方式，而是数码自适应软件程序的高频多相开关量实现预设目标的多代自动回归过程。
(7)当电源是高压电源时，用BUCK降压拓扑，但是用数码控制的非单相BUCK方式，而不是传统模拟芯片控制的单一单相BUCK方式。受控方式不再是传统的闭环模拟量负反馈方式，而是数码自适应软件程序的高频多相开关量实现预设目标的多代自动回归过程。
(8)当电源是时高时低变化的电源时，用数码方式前馈侦察判断后，指令启动高频多相Boost拓扑，或指令启动高频多相BUCK。用单片机智能化自动判断并指令满足LED灯要求的电压稳压及对LED灯电流恒流之需求。
(9)不同品牌LED发光二极管，每个管需要供给直流电压ΔULED是一具体的值，加上温度上下限时的直流电压ΔULED的上下限为(+ΔU％和-ΔU％)。
①串联N个LED需要提供电压为∑U＝N·ΔULED。
上述的上下限为：∑Umax＝N·(ΔULED+ΔU％)
∑Umin＝N·(ΔULED-ΔU％)
②实测出这串LED的工作电流ILED恒流值。不论温度在上下限之间任何位置，必须确保工作电流ILED的恒定。
③于是可以设计实际需要的“无电解电容的LED灯适配器”功率为
POUT＝∑Umax·ILED
④按功率POUT的大小，套用相应功率已知拓扑的电力电子开关相应的规格产品，列出材料表，优化元件器件的型号与成本。
⑤设计总拓扑图的方框图。
⑥对比可选用的单片机型号的性能价格比，从中优选单片机。
⑦根据上述第④和第⑤来设计弱电部份的数码电路硬件和软件。
⑧与强电的电力电子开关配合联动，合成仿真，预测该拓扑各关键波形及数据。
⑨做具体实物实验，从实际实测数据分析与理念仿真的差异是否存在，如相差太远，须推倒重来。如相去不远，求大同存小异，以实测数据为准。
⑩上述实物连同与之适配的LED灯一起用光学仪器分析，得到全套“光学——电气”相关的数据。
结合图2说明本发明的实施方式如下。
以单片机智能数码控制为核心，用软件的方法，而并非传统模拟方法，产生三相(或更多相)的高频矩形脉冲；这些高频矩形脉冲的相数、频率、脉冲宽度，均受输入电源电压UIN、输出电压U0、输出电流I0温度T℃，以及各种异常保护和各种时控、群控等功能调控软件，实现满足LED工作电压和工作电流为目标。
输入电源电压UIN大于所需输出电压U0，则单片机判定启动BUCK数码控制，以三相为例，即三相电力电子开关(VSA1、VSB1、VSC1)受控工作；而关闭BOOST数码控制，三相电力电子开关(VSA2、VSB2、VSC2)处于断开状态，不进行开关工作。
输入电源电压UIN小于所需输出电压U0，则单片机判定启动BOOST数码控制，以三相为例，即三相电力电子开关(VSA2、VSB2、VSC2)受控工作；而关闭BUCK数码控制，三相电力电子开关(VSA1、VSB1、VSC1)处于导通状态，不进行开关工作。
当输出电压U0超高时，单片机智能数码控制指令减少矩形脉冲宽度，或者减少开关工作的相数，直到输出电压U0回归额定值，维持开关工作参数不变，实现输出电压U0稳压。
当输出电压U0不足时，单片机智能数码控制指令增加矩形脉冲宽度，或者增加开关工作的相数，直到输出电压U0回归额定值，维持开关工作参数不变，实现输出电压U0稳压。
当输出电流I0超高时，单片机智能数码控制指令减少矩形脉冲宽度，或者减少开关工作的相数，直到输出电流I0回归额定值，维持开关工作参数不变，实现输出电流I0恒流。
当输出电流I0不足时，单片机智能数码控制指令增加矩形脉冲宽度，或者增加开关工作的相数，直到输出电流I0回归额定值，维持开关工作参数不变，实现输出电流I0恒流。
当环境温度升高，为了半导体发光二极管不致因高温而老化或损坏，单片机智能数码控制指令冷却风扇或液冷泵开动，并变频工作，维持LED工作温度在安全范围内。当上述变频冷却失效或不足够冷却降温时，单片机智能数码控制指令降低输出电流I0，使温升下降，保证LED不过热烧坏。
当需要夜间分别时段降低照明功率节能时，也由单片机实现智能化时段控制节约电能。
当需要照明实现：“人在或车来才照明，无人或无车通过时降低照明功率节约电能”，也由传感器侦知有人或有车时提升照明工作额定功率。
当需要照明系统群控时，由系统主令控制单片机，实现整个照明系统的智能化群控。

Claims (1)

1.无电解电容LED灯电源适配器的控制方法，其特征是，采用单片机软件方法，产生多相高频方波脉冲群，用多组不同相位的高频方波脉冲，分别控制多相位电力电子开关的“通”和“断”，实现用多相高频整流的有源方法以抑平纹波，用数码方法控制实现供LED所需的稳定电压、恒定电流的恒流电源的值；
当电源电压波动下浮，提供给LED的能量不足，谷值纹波增大时，自动反馈数码控制立即增加相数，提升频率，并扩展脉宽，用数码方法增加有源供电能量抑平纹波；
当电源电压波动上浮，提供给LED的能量过多，峰值纹波增大时，自动反馈数码控制立即减少相数，降低频率，并缩小脉宽，用数码方法减少有源供电能量抑平纹波；
当电源是低压电源时，用Boost升压拓扑，采用数码控制的单相Boost方式，受控方式采用数码自适应软件程序的高频多相开关量实现预设目标的多代自动回归过程，控制的目标为预选设定；
当电源是高压电源时，用BUCK降压拓扑，采用数码控制的非单相BUCK方式，受控方式采用数码自适应软件程序的高频多相开关量实现预设目标的多代自动回归过程，控制的目标为预选设定；
当电源是时高时低变化的电源时，用数码方式前馈侦察判断后，指令启动高频三相Boost拓扑，或指令启动高频三相BUCK，用单片判断并指令满足LED灯对电压稳压及对电流恒流之需求。
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