CN101917804B - 一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源 - Google Patents

一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源 Download PDF

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於红峰
王坚
邓玉峰
朱合进
庞里生
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Abstract

本发明提供了一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,所述电源包括:一抑涌单元;一LLC谐振变换单元;一同步整流单元;一个以上的恒流输出智能调光单元;所述抑涌单元中一功率电阻器与场效应晶体管的源极和漏极并接在一起,由于场效应晶体管的导通电阻非常小,使得浪涌抑制电路损耗很低,因而提高了电源的总体效率。本发明通过对LLC谐振网络参数的优化设计,获得高达95%输出效率。本发明的恒流输出智能调光单元电路在感应到人体红外线时,提高输出电流的占空比来提高输出电流平均值;反之,无人路过时,降低输出电流的占空比但不降低峰值,这样在保证LED发光效率的同时,不会产生灯光不落地问题。

Description

一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大功率LED驱动电源,尤其涉及一种驱动类似LED路灯的高效率电源的制造方法及电源装置。
【背景技术】
[0002] 现有技术中,为了抑制在开启电源的瞬间,浪涌电流过大而对整流二极管等器件所形成的冲击,传统的做法是在主回路中串接一功率较大的电阻,这种抑制浪涌电流的方法有其缺陷:若选用阻值较大的热敏电阻、开机浪涌电流较小,可对电源产生有效保护,但是由于热敏电阻串接在主电路中,在电路正常工作期间,损耗功率非常大,导致电源整体效率下降;若选用阻值较小的热敏电阻,可以减少电路损耗,但开机浪涌电流较大,电源经多次大浪涌电流冲击日益损坏,LED驱动电源寿命短。可见,对于LED驱动电源来说,无论热敏电阻如何取值,都会产生致命缺陷。
[0003] 述有,当大功率的LED灯具应用到某些应用场合的时候,可能需要其具有大范围的调光功能。比如大功率LED路灯,当夜幕降临,道路交通的繁忙的时候,一般要求LED灯发出的光通量最大,以使得道路得到充分照明,保障交通顺畅、安全;而在深夜时分,道路人流、车流稀少,这时候可以降低LED灯的发光通量,以减少能耗,进一步发挥LED灯的节能潜力。然而,当LED灯亮度降低、功耗下降时,驱动电源处于轻载状态。
[0004] 现有技术的LED驱动电源,当电源轻载时,效率下降。目前,一般大功率LED驱动电源的满载效率只有85%左右,轻载时效率更低,这不符合LED照明的发展需求。
[0005] 再有,现有技术中的二次整流中,若使用二极管整流,则二极管的管压降为O. 7V,损耗较大。
[0006] 现有技术还有一个缺陷:实际应用中要求LED照明灯具有调光功能。目前,线性调光的实质是通过调节控制回路信号的大小,改变输出电流大小,从而调节LED的发光通量。采用线性调光时,输出电流是恒定、连续的,随着输出电流的变小,LED器件发光减弱,发光效率降低,将会产生灯光不落地,即瞬间光强度不足,不能照射到地面的问题。
[0007] 尤其是当LED灯具应用在路灯照明时,将会对交通安全产生严重影响。
[0008] 而且,在不同照明领域,对LED调光的要求是不同的,线性调光已经不适应形势需要。
【发明内容】
[0009] 为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源。
[0010] 所述电源包括:
[0011] 一抑涌单元;
[0012] 一 LLC谐振变换单元;
[0013] 一同步整流单元;[0014] 一个以上的恒流输出智能调光单元;
[0015] 所述抑涌单元中场效应晶体管的栅极通过一电阻接在辅助电源的正极,主桥式整流器的负极端与场效应晶体管的源极连接,场效应晶体管的漏极接电源地,一只功率电阻器与场效应晶体管的源极和漏极并接在一起;
[0016] 所述LLC谐振变换单元中谐振芯片采用L6599型号或其兼容型号的集成电路,连接谐振芯片的Css脚和Rfmin脚之间的电阻的阻值为4. 7〜10ΚΩ,谐振电感L7的电感值为 80 〜120 μ H,最佳 ΙΟΟμΗ ;
[0017] 所述同步整流单元的变压器的次级TlA和TlC串接,其连接点为输出电压正极V+,TlA和TlC的另一端头分别接两场效应晶体管的源极,两场效应晶体管的漏极接输出负极,即电源地;
[0018] 两场效应晶体管的栅极分别接第一控制芯片和第二控制芯片的引脚4,所述第一控制芯片和第二控制芯片的引脚I分别连接两场效应晶体管的源极;
[0019] 当第一控制芯片和第二控制芯片的引脚I的电位为_340mv〜_50mv时,第一控制芯片和第二控制芯片的引脚4输出高电平,使两场效应晶体管导通;
[0020] 当第一控制芯片和第二控制芯片的引脚I的电位为-12mv以上时,第一控制芯片和第二控制芯片的引脚4输出低电平,使两场效应晶体管关断;
[0021] 两场效应晶体管各工作在50%周期;
[0022] 所述恒流输出智能调光单元由智能调光芯片、脉宽驱动芯片为主构成,所述智能调光芯片的信号输入引脚1,连接红外感应电路的输出端;所述智能调光芯片的电源引入脚4、红外感应电路的电源引入端都连接输出电压正极V+,脉宽驱动芯片的输出引脚I通过电感器、滤波器输出驱动电压Vout。
[0023] 所述智能调光芯片选用yH)78F9202,所述智能调光芯片的输出驱动信号是占空比在0%〜100%的脉冲宽度调制输出。
[0024] 所述抑涌单元中场效应晶体管选用AP6680或兼容型号,所述功率电阻器选用SCK1312412R/4A 热敏电阻。
[0025] 本发明的第一个优点在于:在开机瞬间,抑涌单元中场效应晶体管处于关断状态,此时利用阻值较大的热敏电阻来抑制浪涌电流,保证浪涌电流的大小在电路可承受范围之内;开机过后,辅助电源给抑涌单元中场效应晶体管栅极提供驱动信号,使抑涌单元中场效应晶体管饱和导通并维持在饱和导通状态。由于抑涌单元中场效应晶体管的导通电阻非常小,因此可以认为热敏电阻被短路,整个浪涌抑制电路损耗非常低,在获得良好的浪涌抑制效果的同时提高了电源的总体效率。
[0026] 本发明的第二个优点在于:通过对LLC谐振网络参数的优化设计,使得电源无论是轻载还是满载,都实现主开关管的零电压开关转换和输出整流二极管的零电流开关转换,电磁干扰小,开关损耗低,电能转换效率高,尤其适合作为具有调光功能的大功率LED驱动电源的基本拓扑结构;最终本发明的驱动电源获得高达95%输出效率。
[0027] 本发明的第三个优点在于:输出端采用自激式同步整流方式,利用场效应管导通内阻很小的原理,将整流导通期间的损失降到最低,以达到提高整机效率的目的。
[0028] 本发明的第四个优点在于:本发明的恒流输出电路接有智能调光单元,并采用时序调光加红外调光的工作方式。即,在人流密集时段,通过调光,使得LED发光亮度高,保证道路得到充分照明;在人流逐渐减少时,使LED发光亮度逐步降低;在人流稀少时段,启动红外感应调光功能。
[0029] 启动红外调光后,智能调光芯片不停地检测红外感应电路产生的输出信号,对驱动信号的占空比进行调整:当感应到人体红外线时,红外感应电路的输出信号“OUT”为“1”,智能调光芯片输出占空比为0%的脉冲宽度调制,恒流电路输出100%的额定功率,并维持该状态一定时间;当在上述时间内没有感应到人体红外光时,红外感应电路输出“OUT”为“0”,智能调光芯片输出为一定占空比的脉宽调制电压,保证道路最基本的照明需要。
[0030] 恒流输出智能调光单元输出电流是断续的,通过改变输出电流的占空比来改变输出电流平均值的大小来实现调光,这样,LED导通时,流过其电流时额定电流,发光效率高,不会产生灯光不落地问题。
【附图说明】
[0031] 图I是本发明一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源中抑制浪涌电流部分的原理示意图;
[0032] 图2是本发明一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源中LLC谐振变换单元部分的示意图;
[0033] 图3是本发明一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源中同步整流单元部分的示意图;
[0034] 图4是本发明一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源中恒流输出智能调光单元部分的示意图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
[0036] 设计制造一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,所述电源包括:
[0037] 一抑涌单元10 ;
[0038] 一 LLC谐振变换单元20 ;
[0039] 一同步整流单元30;
[0040] 一个以上的恒流输出智能调光单元40 ;
[0041] 如图I所示,所述抑涌单元10中场效应晶体管QlO的栅极通过一电阻R2接在辅助电源的正极Vcc,主桥式整流器BDl的负极端与场效应晶体管QlO的源极连接,场效应晶体管QlO的漏极接电源地PGND,一只功率电阻器RTl与场效应晶体管QlO的源极和漏极并
接在一起;
[0042] 以输出功率为300W的LED驱动电源为例,其输入电压为交流85V,稳态输入电流有效值:3. 4A。
[0043] 只利用热敏电阻作为浪涌抑制电路时,开机过后,浪涌抑制电路的损耗为:Ps =UXI = O. 92X3.4 = 3. 128W,其中,I为流过热敏电阻的稳态电流;U为热敏电阻在稳态电流下的压降,可由该型号的热敏电阻电压一电流特性曲线查得。[0044] 利用本发明的方案作为浪涌电流抑制电路时,开机过后,浪涌抑制电路的损耗为:Ps = I2XRnson = 3. 42X0. 011 = O. 127W。
[0045] 其中,Rnson为场效应晶体管QlO的导通电阻。
[0046] 由以上分析可知,在采用本发明的浪涌抑制方案后,可减少约3W的损耗,可将电源效率提高I个百分点,效果显著。
[0047] 所述LLC谐振变换单元20中谐振芯片U2采 用L6599型号或其兼容型号的集成电路,连接U2的Css脚和Rfmin脚之间的电阻R26和R13相加后的阻值为4. 7ΚΩ〜IOK Ω,谐振电感L7的电感值为80〜120 μ H,最佳100 μ H ;
[0048] 如图3所示,所述同步整流单元30的变压器Tll的次级TlA和TlC串接,其连接点为输出电压正极V+,TlA和TlC的另一端头分别接场效应晶体管Q18和Q19的源极,Q18和Q19的漏极接输出负极,即电源地;
[0049] Q18和Q19的栅极分别接第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚4,所述第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚I分别连接Q18和Q19的源极;
[0050] 当第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚I的电位为_340mv〜_50mv时,第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚4输出高电平,使Q18和Q19导通;
[0051] 当第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚I的电位为-12mv以上时,第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚4输出低电平,使Q18和Q19关断;
[0052] Q18和Q19各工作在50%周期;
[0053] 如图4所示,所述恒流输出智能调光单元40由智能调光芯片Ull、UlO为主构成,所述智能调光芯片Ull的信号输入引脚3,连接红外感应电路41的输出端;所述智能调光芯片Ull的电源引入脚4、红外感应电路41的电源引入端都连接输出电压正极V+,脉宽驱动芯片UlO的输出引脚I通过电感器L88输出驱动电压Vout。
[0054] 所述智能调光芯片UlO选用μ H)78F9202,所述智能调光芯片UlO的输出驱动信号为脉冲宽度调制占空比在O %〜100 %间变化的恒定电流以驱动LED,因此,LED灯的出射光线仍然可以照射到地面。
[0055] 所述抑涌单元中场效应晶体管QlO选用AP6680或兼容型号,所述功率电阻器RTl选用SCK1312412R/4A或相近型号。
[0056] 如图2所示的LLC谐振变换单元20 :
[0057] LLC谐振变换器是利用各百分之五十的工作周期驱动两功率开关Q8和Q9,因此在中性点将会产生O到Vin的方波,谐振组件分别为谐振电容Cr、变压器一次侧漏电感Lr(L7)与变压器的激磁电感Lm(Lm为变压器励磁电感量,集成在变压器中)。通过对LLC谐振网络参数的优化设计,使得电源无论是轻载述是满载,都可以实现主开关管的零电压开关转换和输出整流二极管的零电流开关转换。
[0058] 本发明所采的谐振网络优化设计方法为:
[0059] 与现有技术的磁元件集成法设计谐振电感不同,本发明的电源设计采用磁元件分立法设计两谐振电感Lr和Lm,这样使得电路易于调试,容易使谐振电路工作在主开关管和整流管都工作在软开关状态,提高了工作效率,而且避免了集成法设计电路时变压器发热严重的现象。
[0060] 现有技术的磁元件集成法是指通过对变压器的励磁电感和漏感进行设计,使得LLC谐振电路中所需两个谐振电感全部集成于开关变压器中,
[0061] 本发明的磁元件分立法是指,通过特别设计,使开关变压器的漏感非常小,以致可以忽略不计,利用其励磁电感作为LLC谐振电路中的谐振电感Lm,而LLC谐振电路的谐振电感Lr采用外接的方式,如本发明的L7来实现。
[0062] 在实现主开关管零电压开关转换和输出整流二极管的零电流开关转换的前提下,优化两个谐振电感Lr和Lm参数的设计,使得Lr/Lm的比值为O. 2〜O. 3,这个比值较小,这样,电路在获得相同功率输出的情况下,减小了流过开关变压器原边电流有效值,降低了主开关管的导通损耗和电源输入电路部分的损耗,进一步提高该驱动电源的效率。
[0063] 本发明的恒流输出智能调光单元40可以有多个或是其中的后级电路有多个。
[0064] 恒流输出智能调光单元40中的智能调光芯片Ull可以写入程序确定在夜间的不
同时段,不同环境,有不同的脉宽信号,使输出电流在0%〜100%脉冲宽度调制值之间变化。
[0065] 图4所示的最佳实施例中,电路包括两部分:前级由单片机μ PD78F9202构成智能调光芯片U11、红外感应电路41及电源组成;后级是恒流输出电路为主电路的一部分,主要由LM3404构成脉宽驱动芯片U10,以及滤波电路组成,后级为多组输出形式,可以共同利用单片机输出的脉冲宽度调制信号进行调光。
[0066] 其输入电源V+即为LLC谐振变换器的输出。
[0067] 该电路总的工作方式为:时序调光+红外调光,即,在应用于LED路灯的驱动时,在人流密集时段,通过调光,使得LED发光亮度高,保证道路得到充分照明;在人流逐渐减少时,使LED发光亮度逐步降低。
[0068] 在人流稀少时段,启动红外感应调光功能,减少光照。
[0069] 当先人经过道路时,只维持最基本的照明需要,这样,LED发光亮度降低,减少能耗。
[0070] 当重新有人经过时,增加LED的发光亮度并维持一段时间,保证交通安全。
[0071] 根据图4具体说明:在启动红外感应调光时段,人体红外感应电路将通过对环境进行不停的检测,检测有人或者无人路过,并将相关信号输入到单片机引脚I中,单片机根据该信号的变化对引脚10输出的脉冲宽度调制信号进行控制。
[0072] 当红外感应器感应到有人经过时,此时,单片机根据引脚10输出所需占空比的脉冲宽度调制信号来驱动三极管Q90,这样脉宽驱动芯片UlO的引脚3获得100%脉冲宽度调制占空比驱动,恒流输出智能调光单元40的输出电流平均值得到相应的调整,LED发光亮度也相应改变,并维持此亮度一定时间。
[0073] 当无人经过时,红外感应电路41也发送信号至智能调光芯片U11,单片机根据该信号输出所需占空比的脉冲宽度调制波对LED进行调光。
[0074] 以上参数是本发明针对150W电源所计算确定,当设计300W电源时,可根据本发明的计算方法另行计算。
[0075] 由于本发明的转换效率达95 %,所以本发明的电源基本不发热。
[0076] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范 围。

Claims (5)

1. 一种场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,其特征在于,所述电源包括: 一抑涌单元(10); 一 LLC谐振变换单元(20); 一同步整流单元(30); 一个以上的恒流输出智能调光单元(40); 所述抑涌单元(10)中场效应晶体管QlO的栅极通过一电阻R2接在辅助电源的正极Vcc,主桥式整流器BDl的负极端与场效应晶体管QlO的源极连接,场效应晶体管QlO的漏极接电源地PGND,一只功率电阻器RTl与场效应晶体管QlO的源极和漏极并接在一起;所述LLC谐振变换单元(20)中谐振芯片U2采用L6599型号或其兼容型号的集成电路,连接U2的Css脚和Rfmin脚之间的电阻R26和R13相加后的阻值为4. 7〜10 K Ω,谐振电感L7的电感值为34〜40 μ H ; 所述同步整流单元(30)的变压器Tll的次级TlA和TlC串接,其连接点为输出电压正极V+,TlA和TlC的另一端头分别接场效应晶体管Q18和Q19的源极,Q18和Q19的漏极接输出负极,即电源地; Q18和Q19的栅极分别接第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚4,所述第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚I分别连接Q18和Q19的源极; 当第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚I的电位为一 340mv〜一 50mv时,第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚4输出高电平,使Q18和Q19导通; 当第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚I的电位为一 12mv以上时,第一控制芯片U6和第二控制芯片U4的引脚4输出低电平,使Q18和Q19关断; Q18和Q19各工作在50%周期; 所述恒流输出智能调光单元(40)由智能调光芯片U11、脉宽驱动芯片UlO为主构成,所述智能调光芯片Ull的信号输入引脚I连接红外感应电路(41)的输出端;所述智能调光芯片Ull的电源引入脚4、红外感应电路(41)的电源引入端都连接输出电压正极V+,脉宽驱动芯片UlO的输出引脚I通过电感器L88输出驱动电压Vout。
2.根据权利要求I所述的场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,其特征在于: 所述智能调光芯片Ull选用少引脚低成本单片机μ H)78F9202,所述智能调光芯片Ull的输出驱动信号是占空比在0%〜100%的脉冲宽度调制输出。
3.根据权利要求I所述的场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,其特征在于: 所述QlO选用AP6680 ; 所述功率电阻器RTl选用SCK1312412R/4A。
4.根据权利要求I所述的场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,其特征在于: 所述谐振电感L7的电感值为80〜120 μ H。
5.根据权利要求I所述的场效应管抑制浪涌大功率智能型调光多路输出电源,其特征在于:所述L7/变压器的激磁电感Lm的比值为O. 2〜O. 3。
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Denomination of invention: Large-power intelligent dimming multiple-output power supply for suppressing electric surge with field-effect transistor

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Granted publication date: 20121114

Pledgee: China Co truction Bank Corp Dongguan branch

Pledgor: Dongguan Shilong Fuhua Electronics Co., Ltd.

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