CN102202441A - Led照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于解决半导体照明灯具中驱动电源对灯具效率、寿命等方面影响的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路，由EMI电路、整流电路、功率因数校正电路和恒流驱动电路组成，EMI电路的输出端与整流电路的输入端联接，功率因数校正电路具有两个功率因数控制电路，其输入端与整流电路的输出端联接，两个功率因数控制电路的输出控制端分别接到LED照明灯串的1/3串列位置处和2/3串列位置处；恒流电路串接在LED照明灯串与整流电路之间。经实际检测，采用该拓扑电路使恒流控制器的电源转换效率大于95％，功率因数大于0.95，控制系统成本降低80％，使得电源寿命与LED光源的寿命相匹配，实现了LED照明灯的长寿命使用。

Description

LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路

技术领域

本发明属于半导体照明灯应用电路技术领域，涉及一种用于解决半导体照明灯具中驱动电源对灯具效率、寿命、成本及体积等方面影响的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路。

背景技术

LED照明灯具由于具有发光效率高、节电效果明显、寿命长、无污染、抗震动等显著优点，已日益受到世界各国的重视，有望在不久的将来全面取代传统的各种照明灯具。但目前这种灯具在实际应用中还存在以下一些不足之处：

1、电源转换效率不高：在LED照明灯具内必需安装将交流电变为直流电的恒流驱动电源，但这种电源的转换效率却普遍不高，目前较好的恒流源效率均低于85％；

2、电源寿命与光源寿命不匹配：由于开关电源中常用的电解电容器等的使用寿命一般都低于10000小时，虽然LED光源的寿命可达5万小时以上，但是电源损坏后，灯具即不能照明，因此直流驱动电源也是直接影响LED灯具使用寿命的制约因素之一；

3、电源成本很难降低：近年来，随着LED技术的推广应用，LED光源的价格也在大幅度降低，但是由于对可靠性和寿命要求较高，所以驱动电源的成本很难降下来，目前在大功率照明灯具中驱动电源的成本已经接近LED光源的成本，所以驱动电源的寿命与价格也已成为制约LED灯具推广应用的一个主要瓶颈。显然，如果LED灯具也象白炽灯那样，只要加入交流市电即可点亮照明，无疑将可以大大降低LED灯具的成本，并大大延长LED灯具的寿命，还可显著提高LED灯具的工作效率，节约更多的电能。

4、体积大：由于开关电源中含有变压器、AC/AC电源变换器等大的元器件，且电路复杂，导致开关电路的体积庞大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构新颖、成本低、工作效率高、使用寿命长、体积小的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路。

本发明的技术解决方案源于以下的理论依据：由于LED有导通阈值电压的存在，其负载特性并不是纯阻性负载，因此在交流输入时，其功率因数较低，在实际应用时就需要提高其功率因数，为此本发明特在交流直接驱动的基础上增加了功率因数校正电路和恒流驱动电路，使之适用于交流输入电压比较稳定的场合应用。根据上述方案而提供的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路由EMI电路、整流电路、功率因数校正电路和恒流驱动电路组成，其中，EMI电路的输出端与整流电路的输入端联接，功率因数校正电路具有两个功率因数控制电路，其输入端与整流电路的输出端联接，两个功率因数控制电路的输出控制端分别接到LED照明灯串的1/3串列位置处和2/3串列位置处；恒流电路串接在LED照明灯串与整流电路之间。

实际工作中，整流电路将经EMI电路输入的交流电整流为100Hz馒头波，加在LED照明灯串和恒流电路两端，恒流电路作用是当输入电压超过额定值时，确保流过LED照明灯的电流保持恒定；功率因数校正电路通过控制LED的导通角和关断角来控制LED的电流波形，使之跟随电压相位的变化而变化，其工作原理是：当输入交流电压在零到1/3峰值电压区间时，仅导通1/3的串联LED照明灯；当输入交流电压在1/3到2/3峰值电压区间时，仅导通2/3的串联LED照明灯；当输入交流电压高于2/3峰值电压时，导通所有的LED照明灯，如此即可通过改变串联LED照明灯的数量达到提高功率因数的目的。该功率因数校正电路的等效电路如附图3所示。

与现有技术相比，本发明针对目前半导体照明控制电源的技术瓶颈问题，提出了优化可行的驱动控制解决方案并设计了恒流驱动控制器拓扑电路，取得了技术突破——对100Hz馒头波进行电压自适应控制。经实际检测，采用该拓扑电路使恒流控制器的电源转换效率大于95％，功率因数大于0.95，控制系统成本降低80％，使得电源寿命与LED光源的寿命相匹配，实现了LED照明灯的长寿命使用。

附图说明

图1：本发明的工作结构原理的示意图。

图2：本发功率因数校正电路的等效电路图。

图3：本发明中恒流驱动电路的结构示意图。

图4：本发明中EMI电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见附图，本发明所述的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路由EMI电路1、整流电路2、功率因数校正电路和恒流驱动电路4。

功率因数校正电路的一个典型电路如图1所示，它包含了两个同由偏置电阻和三极管构成的功率因数控制电路31和32(图1中左边一个功率因数控制电路31由偏置电阻R6、R7和三极管K1构成，右边一个功率因数控制电路32由偏置电阻R9、R10和三极管K2构成)，它们的输出端分别接到LED照明灯串的1/3串列位置处和2/3串列位置处。实际工作中，当输入交流电压在零到1/3峰值电压区间时，仅导通1/3的串联LED照明灯；当输入交流电压在1/3到2/3峰值电压区间时，仅导通2/3的串联LED照明灯；当输入交流电压高于2/3峰值电压时，导通所有的LED照明灯，从而达到提高功率因数的目的。该功率因数校正电路的等效电路如图2所示。

串接在LED照明灯串与整流桥电路1之间的恒流电路4的结构如图3所示，包括一个由偏置采样电阻R1、R2和三极管K3构成的开关电路41，在开关电路41输出端接入有一个由MOS管V2、二极管V1和电阻R5组成的恒流源42。当输入电压超过额定值时，恒流电路4可确保流过LED的电流有效值不变。

图3电路结构中恒流源42和开关电路41的工作过程如下所述。

(1).计算电流：I＝V_ref/R5，二极管V1的V_ref＝2.5V。

(2).V2选取的是高耐压MOS集成三极管，V_f≥600V，电流≥3倍输入电流。

(3).电子开关电路41的工作原理：随着输入电压上升，K1的漏极和V2的栅极电压开始上升，分压值由电阻值决定

$V_{K1\mathrm{be}}=\mathrm{Vin}\×\frac{R2}{R1+R2}$ ${V2}_{\mathrm{GS}}=\mathrm{Vin}\×\frac{R4}{R3+R4}$

工作中要求先让V2导通，再让K1通，通过K1导通关断V2。

随着输入电压上升，R4取值较大，V2首先导通，使恒流源42工作。设定R1、R2的值，在0＜Vin＜1/3Vpp时，区间内K1断，即V_K1be的分压小于阈值电压(0.7V)，如果是MOS管，V_re的分压小于阈值电压(2.1V)。当Vin＝1/3Vpp时，R2上的分压等于V_K1be，则K1导通，将V2的栅极电压拉低，V2关断。电子开关电路中R2的取值较小，这样在Vin＝2/3Vpp时，K1才能导通。

图4为一个典型的EMI电路，使用电磁干扰(EMI)滤波器来抑制恒流控制器产生的传导噪声，通过地线的干扰电流在电源网上产生同相位的共模干扰电压以及提供最合适的衰减。

Claims (3)

1.一种LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路，其特征在于由EMI电路(1)、整流电路(2)、功率因数校正电路和恒流驱动电路(4)组成，EMI电路(1)的输出端与整流电路(2)的输入端联接，功率因数校正电路具有两个功率因数控制电路(31、32)，其输入端与整流电路(2)的输出端联接，两个功率因数控制电路(31、32)的输出控制端分别接到LED照明灯串的1/3串列位置处和2/3串列位置处；恒流电路(4)串接在LED照明灯串与整流电路(2)之间。

2.根据权利要求1所述的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路，其特征在于功率因数校正电路包含两个同由偏置采样电阻和三极管构成的功率因数控制电路(31、32)，它们的输出端分别接到LED照明灯串的1/3串列位置处和2/3串列位置处。

3.根据权利要求1所述的LED照明灯用交流电源直接供电的恒流控制器拓扑电路，其特征在于恒流电路(4)包括一个由偏置电阻(R1、R2)和三极管(K3)构成的开关电路(41)，在开关电路(41)输出端接入有一个由MOS管V2、二极管V1和电阻R5组成的恒流源(42)。

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