CN102340903B - 高精度反激式隔离恒流控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高精度反激式隔离恒流控制系统。该恒流控制系统包括输入反比模块、输出反比模块、控制模块。该输入反比模块产生一个与该反激式变换器输入电压(Vin_dc)成反比的第一信号。该输出反比模块产生一个与该反激式变换器输出电压(VLED)成反比的第二信号。该控制模块接收来自该输入反比模块的第一信号，并基于该第一信号控制所述开关管(M3)的开启时间(Ton)，使其与所述输入电压(Vin_dc)成反比；并且该控制模块接收来自该输出反比模块的第二信号，并基于该第二信号控制所述开关管(M3)的周期(Tsw)，使其与所述输出电压(VLED)成反比。本发明广泛适用于基于反激式变换器的恒流系统中。

Description

高精度反激式隔离恒流控制系统

技术领域

本发明涉及市电LED照明系统，尤其涉及采用反激式变换器为市电LED灯供电的电路系统。

背景技术

用大功率LED灯进行市电照明符合节能环保要求，LED照明是市电照明发展的必然趋势。

目前，LED灯市电照明通常采用反激式变换器为其提供电能。图1是现有技术中的反激式变换器结构原理图。图1中，NMOS管M3是开关管，用于驱动变压器T1的主级线圈电感；LED1、LED2......LEDn是用于市电照明的若干串联大功率LED灯，设该若干串联LED灯正向导通压降为VLED，即输出电压为VLED。

现将变压器T1设置成非连续模式，在开关管M3的一个周期Tsw内，次级线圈的输出电流(即输出至市电LED灯电流)通过电容C4滤波后，此输出电流平均值为，

$\mathrm{Iout}=\frac{\mathrm{Ep}}{\mathrm{VLED}\·\mathrm{Tsw}}---\left(1\right)$

其中，Iout为次级线圈输出平均电流，也即LED正向偏置电流，Tsw为开关管M3周期，Ep为在开关管M3一个周期内变压器T1主级线圈存储能量，且满足

$\mathrm{Ep}=\frac{1}{2}{\mathrm{Ip}}^2\∋\·\mathrm{Lp}=\frac{1}{2}{\left(\frac{V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}\·\mathrm{Ton}}{\mathrm{Lp}}\right)}^2\·\mathrm{Lp}=\frac{1}{2}\frac{{(V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}\·\mathrm{Ton})}^2}{\mathrm{Lp}}---\left(2\right)$

其中，Ip是流经主级线圈的电流，Lp是主级线圈的电感值，Vin_dc是变压器的主级输入电压，Ton是开关管M3的开启时间。

将公式(2)代入公式(1)得，

$\mathrm{Iout}=\frac{1}{2\·\mathrm{Lp}}\frac{{(V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}\·\mathrm{Ton})}^2}{\mathrm{VLED}\·\mathrm{Tsw}}---\left(3\right)$

从公式(3)可以看出，主级线圈电感值Lp不变，则次级线圈输出电流Iout(LED正向偏置电流)由输入电压Vin_dc、开关管开启时间Ton、次级线圈正向导通压降VLED以及开关管M3的周期Tsw决定。

LED正向偏置电流Iout的精度直接影响LED灯的亮度、色温和使用寿命，因此LED正向偏置电流Iout精度是LED照明系统的关键参数。

目前市电输入电压范围较宽，即Vin_dc偏差较大，由公式(3)可知，输入电压偏差较大将直接影响LED正向偏置电流Iout精度。并且大功率LED灯正向压降偏差较大，通常具有±25％左右的电压偏差，且多个LED灯串联后会进一步加大它们的正向压降偏差，因此LED正向导通压降VLED偏差较大，由公式(3)可知，较大正向导通压降VLED偏差将降低输入电流Iout精度。

由此可见，宽输入电压范围和较大正向压降偏差是高精度市电LED照明系统设计的难点所在。

发明内容

本发明提供了一种能解决以上问题的高精度反激式隔离恒流控制系统。

在第一方面，本发明提供了一种恒流控制系统，该系统包括反激式变换器，且该变换器包括开关管。该恒流控制系统包括输入反比模块、输出反比模块、控制模块。

该输入反比模块用于产生一个与该反激式变换器输入电压Vin_dc成反比的第一信号。该输出反比模块用于产生一个与该反激式变换器输出电压VLED成反比的第二信号。

该控制模块接收该第一信号，并基于该第一信号控制该开关管的开启时间，使该开关管开启时间与所述输入电压Vin_dc成反比；同时该控制模块接收该第二信号，并基于该第二信号控制所述开关管的周期，使该开关管周期与所述输出电压VLED成反比。

在第二方面，本发明提供了一种基于控制反激式变换器中开关管开启的恒流控制方法。该方法首先产生一个与该反激式变换器输入电压Vin_dc成反比的第一信号，并产生一个与该反激式变换器输出电压VLED成反比的第二信号。然后基于该第一信号控制该开关管的开启时间，使该开关管开启时间与所述输入电压Vin_dc成反比；同时基于该第二信号控制该开关管的周期，使该开关管周期与所述输出电压VLED成反比。

本发明通过控制反激式变换器中的开关管，使开关管开启时间与输入电压Vin_dc成反比，并使开关管周期Tsw与输出电压VLED成反比，从而使输出至LED灯的电流Iout不受输入电压及输出电压影响，进而实现了高精度的LED正向偏置电流。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中：

图1是现有技术中的反激式变换器的结构原理图；

图2是本发明一个实施例的反激式恒流控制系统框图；

图3是图2反激式控制系统的一个具体实现电路图；

图4是V1点、V2点、V3点电压变化波形图。

具体实施方式

图2是本发明一个实施例的反激式恒流控制系统框图。该恒流控制系统包括若干串联LED照明灯、反激式变换器210、控制电路220。其中，该若干LED照明灯由LED1......LEDn串联组成，且该若干串联LED的压降为VLED；该控制电路220包括输入反比模块221、输出反比模块222、PWM控制模块223。较佳地，该反激式恒流控制系统还包括输出电压采样模块230。

该反激式变换器210可以是现有技术中的任意一种反激式变换电路，图2仅示意出一种常见的反激式变换器结构，其用于向LED灯提供电能。图2中，反激式变换器210包括变压器T1、MOS管M3、二极管D2、电容C4，且该变压器T1的主级线圈与开关管M3相连，该变压器T1的次级线圈与二极管D2、电容C4相连。

该输出电压采样模块230用于采样输出电压VLED，并得到与该输出电压VLED线性相关的采样信号。该输出反比模块222接收来自输出电压采样模块的采样信号，并根据该采样信号产生一个与输出电压VLED成反比的输出反比信号。

该输入反比模块221与输入电压Vin_dc相连，其用于产生一个与输入电压Vin_dc成反比的输入反比信号。

该PWM控制模块223接收来自输入反比模块221的与输入电压Vin_dc成反比的输入反比信号，并根据该输入反比信号控制反激式变换器210中开关管M3的开启时间Ton，使开关管M3开启时间Ton与输入电压Vin_dc成反比；同时PWM控制模块223接收来自输出反比模块222的与输出电压VLED成反比的输出反比信号，并根据该输出反比信号控制开关管M3的周期Tsw，使开关管M3周期Tsw与输出电压VLED成反比。

根据公式(3)可知，在开关管M3开启时间Ton与输入电压Vin_dc成反比，且开关管M3周期Tsw与输出电压VLED成反比情况下，输出至LED灯的电流Iout恒定不变。

图3是图2反激式恒流控制系统的一个具体实现电路图，该反激式恒流控制系统包括缓冲器310、交流直流转换模块320，以及包括未做标注的输入反比模块、输出电压采样模块、输出反比模块、PWM控制模块、反激式变换器和若干LED照明灯。其中，输入反比模块包括电阻R1、电容C1、参考电压源Vref1、MOS管MN1、RS触发器RS1、比较器Comp1；输出电压采样模块包括辅助线圈、二极管D3、电阻R6、电容C5；输出反比模块包括电阻R2、电容C2、参考电压源Vref2、MOS管MN2、比较器Comp2；反激式变换器包括RS触发器RS2所属的PWM控制模块；MOS管M3、主级线圈、次级线圈、二极管D2、电容C4；若干LED照明灯包括相互串联的LED1......LEDn，且该若干串联LED灯的压降为VLED。

缓冲器310用于保护反激式变换器210中的MOS管M3，使其不被主级电感线圈的感生电动势击穿。具体地，该缓冲器310包括电阻R3、电容C3、电阻R4、二极管D1，且该电阻R3与电容C3并联后再与电阻R4、二极管D1串联。需要说明的是，该缓冲器310可以是任意一种缓冲器，不限于此种缓冲器结构。

交流直流转换模块320用于将交流电Vin_ac转换成直流电Vin_dc。具体地，交流电Vin_ac经过桥式整流器321和电容C10滤波后，被转换成直流电Vin_dc。

直流电Vin_dc通过电阻R1对电容C1充电，当电容C1两端电压(即V1点电压)达到参考电压Vref1时，比较器Comp1输出逻辑电平1至触发器RS2的R端，使触发器RS2复位到0，则RS2输出Q端电压为0，即V3点电压为0，开关管M3关闭；同时，比较器Comp1输出逻辑电平1至触发器RS1的S端，使触发器RS1被置位为逻辑电平1，则RS1输出Q端电压为1，从而使NMOS管MN1被开启，进而使电容C1、NMOS管MN1构成回路，电容C1被迅速放电至0，V1点电压为0。由于此时NMOS管MN1处于开启状态，电容C1、NMOS管MN1构成回路，因此直流电Vin_dc无法通过电阻R1对电容C1充电，需要等待NMOS管MN1被触发器RS1关闭后，才能通过电阻R1对电容C1充电。下面阐述如何通过控制触发器RS1中的R端使MN1关闭。

输出电压采样模块包括辅助线圈、二极管D3、电阻R6、电容C5，且该辅助线圈分别与相互串联的二极管D3、电阻R6及电容C5相连，其用于采样若干串联LED灯的电压VLED，以便使LED灯绝缘。假设辅助线圈与次级线圈的匝数比为k，则辅助线圈电压经过二极管D3整流后的直流电压为k*VLED，而后该直流电压k*VLED再通过电阻R2对电容C2进行充电。

当电容C2两端电压(V2点电压)达到参考电压Vref2时，比较器Comp2输出逻辑电平1至触发器RS1的R端及触发器RS2的S端，使触发器RS1复位，使触发器RS2置位；此时NMOS管MN1接收来自RS1的逻辑电平0后被关闭，C1又开始充电，节点V1电压从0上升至Vref1，且此时V3点电压为逻辑电平1，开关管M3被开启。

在比较器Comp2输出逻辑电平1至RS1中R端的同时，该比较器Comp2同时输出逻辑电平1至NMOS管MN2，使MN2开启，在MN2被开启的瞬间，节点V2通过MN2与地相连，则V2点电压为0，此时比较器Comp2输出电压又翻转到逻辑电平0，MN2被关闭，电容C2又重新被直流电压kVLED通过电阻R2充电，直到节点V2电压再次达到参考电压Vref2。

图4是V1点、V2点、V3点电压变化波形图。图4中，V1点电压由0上升至Vref1，又迅速降至0，并等待V2点电压为0后，继续由0上升至Vref1；V2点电压由0上升至Vref2，又迅速降至0，而后又由0上升至Vref2。在V1点电压由0上升至Vref1时V3点电压为1，在V1点电压为0时V3点电压为0。

下面阐述图3中输出电流Iout的推导过程。

图3中，在电容C1充电过程中，V3点电压为逻辑电平1，此时开关管M3被开启，直流电压Vin_dc对变压器的主级线圈电感Lp充电，其充电时间Ton等于M3开启时间，也即等于电容C1充电时间，因此主级线圈电感Lp充电时间Ton满足，

$\mathrm{Ton}=\frac{C1\·\mathrm{Vref}1}{I1}=\frac{R1\·C1\·\mathrm{Vref}1}{V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}}---\left(4\right)$

则主级线圈的电感电流在Ton时间内为，

$\mathrm{Ip}=\frac{V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}}{\mathrm{Lp}}\mathrm{Ton}---\left(5\right)$

在Ton时间内，变压器主级线圈电感储存的能量为，

$\mathrm{Ep}=\frac{1}{2}{\mathrm{Ip}}^2\mathrm{Lp}=\frac{1}{2}{\left(\frac{V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}\·\mathrm{Ton}}{\mathrm{Lp}}\right)}^2\mathrm{Lp}=\frac{1}{2}\frac{{V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}}^2\·{\mathrm{Ton}}^2}{\mathrm{Lp}}---\left(6\right)$

将式(4)带入式(6)中得到，

$\mathrm{Ep}=\frac{1}{2}\frac{{R1}^2\·{C1}^2\·{\mathrm{Vref}1}^2}{\mathrm{Lp}}---\left(7\right)$

当V3点电压为0时，开关管M3被关闭，变压器主级线圈电感Lp电流被耦合到次级线圈中，且所有在主级线圈电感上储存的能量都被耦合到次级线圈，则变压器次级线圈电感存储的能量也为Ep。

开关管M3周期Tsw即为V3点电压变化周期，V3点电压变化周期等于V2点电压变化周期，即等于C2充电时间，则开关管M3周期Tsw为，

$\mathrm{Tsw}=\frac{C2\·\mathrm{Vref}2}{I2}=\frac{R2\·C2\·\mathrm{Vref}2}{k\·\mathrm{VLED}}---\left(8\right)$

次级线圈的平均输出电流Iout为，

$\mathrm{Iout}=\frac{\mathrm{Ep}}{\mathrm{VLED}\·\mathrm{Tsw}}=\frac{k\·\mathrm{Ep}}{R2\·C2\·\mathrm{Vref}2}---\left(9\right)$

将公式(7)带入到公式(9)中，得

$\mathrm{Iout}=\frac{k}{2}\frac{{R1}^2\·{C1}^2\·{\mathrm{Vref}1}^2}{\mathrm{Lp}\·R2\·C2\·\mathrm{Vref}2}---\left(10\right)$

由公式(10)可以看出，由于k、R1、C1、Vref1、Lp、R2、C2、Vref2恒定不变，则输出至LED灯的电流Iout恒定不变，其与输入电压Vin_dc、开关管开启时间Ton、次级线圈正向导通压降VLED以及开关管M3的周期Tsw均无关。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (9)

1.一种恒流控制系统，其中，该系统包括反激式变换器，且该变换器包括开关管(M3)，其特征在于，该恒流控制系统包括输入反比模块、输出反比模块、控制模块；

所述输入反比模块产生一个与该反激式变换器输入电压(Vin_dc)成反比的第一信号；

所述输出反比模块产生一个与该反激式变换器输出电压(VLED)成反比的第二信号；

所述控制模块接收该第一信号，并基于该第一信号控制所述开关管(M3)的开启时间(Ton)，使该开关管开启时间(Ton)与所述输入电压(Vin_dc)成反比；同时所述控制模块接收该第二信号，并基于该第二信号控制所述开关管(M3)的周期(Tsw)，使该开关管周期(Tsw)与所述输出电压(VLED)成反比；

所述输出反比模块包括第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第二晶体管(MN2)、第二比较器(Comp2)；

所述第二比较器(Comp2)同相端连接至所述第二电阻(R2)与第二电容(C2)之间的连接点，且该第二比较器(Comp2)与该第二晶体管(MN2)漏极相连；该第二比较器(Comp2)反相端与第二参考电压相连；且该第二比较器(Comp2)输出端与该第二晶体管(MN2)栅极相连；

所述输入反比模块包括第一电阻(R1)、第一电容(C1)、第一比较器(Compl)、第一晶体管(MNl)、第一触发器(Rs1)；

所述第一比较器(Compl)同相端连接至所述第一电阻(R1)与第一电容(C1)之间的连接点，且该第一比较器(compl)与该第一晶体管(MNl)漏极相连；该第一比较器(Compl)反相端与第一参考电压相连；该第一比较器(compl)输出端与该第一触发器(Rs1)的输入端相连；且该第一触发器(RSl)输出端与该第一晶体管(MNl)栅极相连；

所述控制模块包括第二触发器(RS2)，且该第二触发器(RS2)的一个输入端与所述输入反比模块输出端相连，另一个输入端与所述输出反比模块输出端相连；并将该第二触发器(RS2)输出端连接至所述开关管。

2.如权利要求1所述的一种恒流控制系统，其特征在于，所述恒流控制系统包括输出电压采样模块，该输出电压采样模块一端与所述输出电压(VLED)相连，另一端与所述输出反比模块相连；且该输出电压采样模块用于采样所述输出电压(VLED)，以便所述输出反比模块基于该采样信号产生所述第二信号。

3.如权利要求2所述的一种恒流控制系统，其特征在于，所述反激式变换器包括变压器(T1)，该输出电压采样模块包括辅助线圈、第三二极管(D3)、第六电阻(R6)，且该辅助线圈耦合所述变压器（T1)的次级线圈，再经过该第三二极管(D3)、第六电阻(R6)整流后得到所述采样信号。

4.如权利要求1所述的种恒流控制系统，其特征在于，所述恒流控制系统包括交流直流转换模块，且该交流直流转换模块用于将市政交流电压(vin_ac)转换成直流电压，以便为所述恒流控制系统提供直流的输入电压(Vin_dc)。

5.如权利要求1所述的一种恒流控制系统，其特征在于，所述恒流控制系统包括缓冲器，该缓冲器用于保护所述反激式变换器中的开关管(M3)，以免该开关管被所述变压器(T1)的主级电感线圈的感生电动势击穿。

6.如权利要求1所述的一种恒流控制系统，其特征在于，所述恒流控制系统为LED灯供电。

7.如权利要求1所述的一种恒流控制系统，其特征在于，所述开关管开启时间（Ton)满足，

$\mathrm{Ton}=\frac{R1\·C1\·\mathrm{Vref}1}{V_{\mathrm{in}-\mathrm{dc}}}$

其中，R1是所述第一电阻，C1是所述第一电容，Vref1是所述第一参考电压，Vin_dc是所述输入电压。

8.如权利要求1所述的一种恒流控制系统，其特征在于，所述开关管周期(Tsw)满足，

$\mathrm{Tsw}=\frac{R2\·C2\·\mathrm{Vref}2}{k\·\mathrm{VLED}}$

其中，R2是所述第二电阻，C2是所述第二电容，Vref2是所述第二参考电压，k是常数，VLED是所述输出电压。

9.一种基于控制反激式变换器中开关管开启的恒流控制方法，其特征在于，包括：

首先，产生一个与该反激式变换器输入电压(Vin_dc)成反比的第一信号，并产生一个与该反激式变换器输出电压(VLED)成反比的第二信号；

然后，基于该第一信号控制所述开关管的开启时间(Ton)，使该开关管开启时间(Ton)与所述输入电压(Vin_dc)成反比；同时基于该第二信号控制所述开关管的周期(Tsw)，使该开关管周期(Tsw)与所述输出电压(VLED)成反比。

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