CN102348319A - 发光二极管灯驱动电源 - Google Patents

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王斌
李震
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Abstract

本发明公开一种发光二极管灯驱动电源，其主要由自恢复保险电阻、瞬时过电压抑制器、整流桥、控制单元、输入侧电感、功率开关管、能量传送电容、续流二极管、高频降压变压器、输出整流二极管、输出续流二极管、输出滤波电感和发光二极管灯组成。其中输入侧电感、功率开关管、能量传送电容、续流二极管和高频降压变压器的一次侧绕组构成Cuk变换器。本发明具有输入功率因数高、输出电流稳定、结构简单和可靠性高等特点。

Description

发光二极管灯驱动电源
技术领域
本发明涉及电源电路领域，具体涉及一种发光二极管(LED)灯驱动电源。
背景技术
发光二极管(LED)灯具有耗电量少、寿命长、色彩丰富、耐震动、可控性强等特点，是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命。由于LED属于直流电流型元件，根据LED正向电压-电流电气特性，电压的微小变化就会引起电流很大变化。因此由市电供电时，若要充分发挥LED灯的优点，其驱动电源电路需要满足如下的性能要求：
1.输入功率因数高，输入电流谐波因数小，减少电网“公害”；
2.LED工作电流脉动系数小、稳定度高，充分提高LED的寿命；
3.工作效率高，节能；
4.线路简单、可靠，成本低，满足民用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发光二极管灯驱动电源，其具有输入功率因数高、输出电流稳定、结构简单和可靠性高等特点。
为解决上述问题，本发明所设计的一种发光二极管灯驱动电源，其主要由自恢复保险电阻、瞬时过电压抑制器、整流桥、控制单元、输入侧电感、功率开关管、能量传送电容、续流二极管、高频降压变压器、输出整流二极管、输出续流二极管、输出滤波电感和发光二极管灯组成。其中输入侧电感、功率开关管、能量传送电容、续流二极管和高频降压变压器的一次侧绕组构成Cuk变换器。市电经过自恢复保险电阻输入到瞬时过电压抑制器；瞬时过电压抑制器的输出端接入整流桥的交流输入侧。整流桥的正输出端分为2路，其中一路接入控制单元的正输入端，另一路则经过Cuk变换器的输入侧电感接至Cuk变换器的功率开关管的集电极和Cuk变换器的能量传送电容的输入端；整流桥的负输出端分别与Cuk变换器的功率开关管的发射极和控制单元的负输入端相接；控制单元的输出控制脉冲信号端接至Cuk变换器的功率开关管的控制极；Cuk变换器的能量传送电容的输出端同时与Cuk变换器的续流二极管的阳极和高频降压变压器的一次侧绕组的非标识端相接；Cuk变换器的续流二极管的阴极与高频降压变压变压器的一次侧绕组的标识端并接后再接至整流桥负输出端；高频降压变压器的二次侧绕组的非标识端与输出续流二极管的阳极和发光二极管灯的阴极相接。高频降压变压器的二次侧绕组的标识端接至输出整流二极管的阳极；输出整流二极管的阴极同时与输出续流二极管的阴极和输出滤波电感的输入端相接；输出滤波电感的输出端与发光二极管灯的阳极相接。
上述方案中，所述瞬时过电压抑制器由相互并联的压敏电阻和高频电容组成。
上述方案中，所述控制单元包括555时基电路、稳压二极管、电位器、4个电阻和3个电容。第一电容和稳压二极管并联后的电路与第一电阻串联组成555时基电路的稳压供电电源，其中第一电阻的输入端接至整流桥的正输出端，第一电阻的输出端分别与稳压二极管的阴极、555时基电路的第4和第8管脚相连，稳压二极管的阳极与整流桥的负输出端相连；555时基电路及其外接元件第二电阻、第三电阻、电位器和第二电容组成多谐振动器，其中第二电阻的输入端与整流桥的正输出端连接，第二电阻的输出端与555时基电路的第7管脚相连；第三电阻的一端连接在555时基电路的第7管脚上，另一端则同时与电位器的其中一个固定端和调节端相连；电位器的另一个固定端连接至555时基电路的第6和第2管脚上；555时基电路的第6和第2管脚经过第二电容与整流桥的负输出端连接。555时基电路的第1管脚和整流桥的负输出端；555时基电路的第5管脚通过第三电容与整流桥的负输出端相连；555时基电路的第3管脚通过第四电阻与功率开关管的控制极连接。
与现有技术相比，本发明电源采用市电全波不控整流供电、Cuk变换器调节电路和高频变压器变流构成，其结构简单、造价低廉，特别是无需电解电容器，有效提高了电路的可靠性和使用寿命；全波不控整流以及Cuk变换技术，使得交流侧电流波形连续，接近正弦波，且功率因数接近1；Cuk变换器采用高频脉宽调制(PWM)技术，输出采用电感滤波，使得流过发光二极管的直流电流的纹波系数很小；Cuk变换器的占空比受瞬时输入电压幅值控制，自动抑制电网波动对输出的影响，稳定了输出电流；Cuk变换器为开关变换控制方式较其它电阻限流、线性控制调节、充电泵升压等控制方式效率要高。
附图说明
图1为一种发光二极管灯驱动电源的电路原理图；
1-自恢复保险电阻，2-瞬时过电压抑制器，3-整流桥，4-控制单元，5-输入侧电感，6-功率开关管，7-能量传送电容，8-续流二极管，9-高频降压变压器，10-输出整流二极管，11-输出续流二极管，12-输出滤波电感，13-发光二极管灯。
图2为图1所示控制单元的电路原理图；
401-第一电阻，402-第一电容，403-稳压二极管，404-第二电阻，405-第三电阻，406-电位器，407-第二电容，408-第三电容，409-第四电阻，410-555时基电路。
图3为图2所示控制单元中G端的输出波形。
具体实施方式
参见图1，一种发光二极管灯驱动电源，主要由自恢复保险电阻1、瞬时过电压抑制器2、整流桥3、控制单元4、输入侧电感5、功率开关管6、能量传送电容7、续流二极管8、高频降压变压器9、输出整流二极管10、输出滤波电感11和发光二极管灯12组成。其中输入侧电感5、功率开关管6、能量传送电容7、续流二极管8和高频降压变压器9的一次侧绕组构成Cuk变换器。市电经过自恢复保险电阻1输入到瞬时过电压抑制器2；瞬时过电压抑制器2的输出端接入整流桥3的交流输入侧；整流桥3的正输出端
Figure BDA0000102894450000031
分为2路，其中一路接入控制单元4的正输入端另一路则经过Cuk变换器的输入侧电感5接至Cuk变换器的功率开关管6的集电极和Cuk变换器的能量传送电容7的输入端；整流桥3的负输出端
Figure BDA0000102894450000033
分别与Cuk变换器的功率开关管6的发射极和控制单元4的负输入端相接；控制单元4的输出控制脉冲信号端接至Cuk变换器的功率开关管6的控制极G；Cuk变换器的能量传送电容7的输出端同时与Cuk变换器的续流二极管8的阳极和高频降压变压器9的一次侧绕组的非标识端相接；Cuk变换器的续流二极管8的阴极与高频降压变压变压器9的一次侧绕组的标识端并接后再接至整流桥3负输出端
Figure BDA0000102894450000035
高频降压变压器9的二次侧绕组的非标识端与输出续流二极管11的阳极和发光二极管灯13的阴极相接；高频降压变压器9的二次侧绕组的标识端接至输出整流二极管10的阳极；输出整流二极管10的阴极同时与输出续流二极管11的阴极和输出滤波电感12的输入端相接；输出滤波电感12的输出端与发光二极管灯13的阳极相接。
上述瞬时过电压抑制器2由相互并联的压敏电阻和高频电容组成。
上述控制单元4如图2所示，包括第一电阻401、第一电容402、稳压二极管403、第二电阻404、第三电阻405、电位器406、第二电容407、第三电容408、第四电阻409和555时基电路410。第一电容402和稳压二极管403并联后的电路与第一电阻401串联组成555时基电路410的稳压供电电源，其中第一电阻401的输入端接至整流桥3的正输出端
Figure BDA0000102894450000036
第一电阻401的输出端分别与稳压二极管403的阴极、555时基电路410的第4和第8管脚相连，稳压二极管403的阳极与整流桥3的负输出端
Figure BDA0000102894450000037
相连。555时基电路410及其外接元件第二电阻404、第三电阻405、电位器406和第二电容407组成多谐振动器，其中第二电阻404的输入端与整流桥3的正输出端
Figure BDA0000102894450000038
连接，第二电阻404的输出端与555时基电路410的第7管脚相连；第三电阻405的一端连接在555时基电路410的第7管脚上，另一端则同时与电位器406的其中一个固定端和调节端相连；电位器406的另一个固定端连接至555时基电路410的第6和第2管脚上；555时基电路410的第6和第2管脚经过第二电容407与整流桥3的负输出端连接；555时基电路410的第1管脚和整流桥3的负输出端
Figure BDA0000102894450000042
555时基电路410的第5管脚通过第三电容408与整流桥3的负输出端
Figure BDA0000102894450000043
相连；555时基电路410的第3管脚通过第四电阻409与功率开关管6的控制极G连接。
上述发光二极管灯与现有技术相同，即可以由2个或2个以上的发光二极管相互串联而成。
本发明的工作原理如下：
在Cuk变换器的功率开关管6导通时间段ton，整流器3的输出电源给Cuk变换器的输入侧电感5充电，同时Cuk变换器的能量传送电容7通过功率开关管6给高频降压变压器9的一次侧放电，Cuk变换器的续流二极管8承受反压而截止，高频降压变压器9的二次侧感应出电动势通过输出整流二极管10和输出滤波电感12给发光二极管灯13供电，同时输出滤波电感12充电贮存能量。
在Cuk变换器的功率开关管6截止时间段toff，整流器3的输出电源和Cuk变换器的输入侧电感5的贮存能量共同作用，通过Cuk变换器的续流二极管8形成回路给Cuk变换器的能量传送电容7充电；输出滤波电感12通过输出续流二极管11给发光二极管灯灯13放电。
参见图3，控制单元4控制占空比
Figure BDA0000102894450000044
而toff＝(R405+R406)C407ln2，改变电位器406，就可以改变toff时间的大小，固定电位器406阻值，则toff时间就保持不变。
Figure BDA0000102894450000045
其中UI为整流桥3直流输出电压值，UZ为稳压二极管403的稳压值。UI升高时，ton减少，占空比D减小，反之亦然。
Cuk变换器的功率开关管6截止时间段toff，Cuk变换器的续流二极管8的电流连续时，输出电压
Figure BDA0000102894450000046
UI升高时，占空比D减小，有利于稳定输出电压U0。
Cuk变换器的功率开关管6截止时间段toff，Cuk变换器的续流二极管8的电流断续时，输出电压
Figure BDA0000102894450000047
UI升高时，占空比D减小，亦有利于稳定输出电压U0。
发光二极管灯13负载的特殊性，其工作电压基本保持不变，同时Cuk变换器的负载端无滤波电容器，实际电路与上述分析有些差异，但通过优化选择控制单元4的电路参数，对输入发光二极管灯13的电流有较好的稳流功效。
在Cuk变换器的功率开关管6截止和导通两种状态下，整流桥3都有电流输出，保证交流侧电流波形连续，且接近正弦波。Cuk变换器的工作频率10kHZ～50kHZ，选择适当的输出滤波电感12的电感值，使得流过发光二极管灯13的直流电流的纹波系数小于15％(额定工作点)；Cuk变换器的占空比受瞬时输入电压幅值控制，自动抑制电网波动对输出的影响，稳定了输出电流；Cuk变换器为开关变换控制方式较其它电阻限流、线性控制调节、充电泵升压等控制方式效率要高；控制线路结构简单，造价低廉，特别是整个电路无电解电容器，进一步提高了电路的可靠性和使用寿命。

Claims (3)

1.发光二极管灯驱动电源，其特征在于：
主要由自恢复保险电阻(1)、瞬时过电压抑制器(2)、整流桥(3)、控制单元(4)、输入侧电感(5)、功率开关管(6)、能量传送电容(7)、续流二极管(8)、高频降压变压器(9)、输出整流二极管(10)、输出滤波电感(11)和发光二极管灯(12)组成；其中输入侧电感(5)、功率开关管(6)、能量传送电容(7)、续流二极管(8)和高频降压变压器(9)的一次侧绕组构成Cuk变换器；
市电经过自恢复保险电阻(1)输入到瞬时过电压抑制器(2)；瞬时过电压抑制器(2)的输出端接入整流桥(3)的交流输入侧；
整流桥(3)的正输出端分为2路，其中一路接入控制单元(4)的正输入端，另一路则经过输入侧电感(5)接至功率开关管(6)的集电极和能量传送电容(7)的输入端；整流桥(3)的负输出端分别与功率开关管(6)的发射极和控制单元(4)的负输入端相接；控制单元(4)的输出控制脉冲信号端接至功率开关管(6)的控制极；能量传送电容(7)的输出端同时与续流二极管(8)的阳极和高频降压变压器(9)的一次侧绕组的非标识端相接；续流二极管(8)的阴极与高频降压变压变压器(9)的一次侧绕组的标识端并接后再接至整流桥(3)负输出端；
高频降压变压器(9)的二次侧绕组的非标识端与输出续流二极管(11)的阳极和发光二极管灯(13)的阴极相接；高频降压变压器(9)的二次侧绕组的标识端接至输出整流二极管(10)的阳极；输出整流二极管(10)的阴极同时与输出续流二极管(11)的阴极和输出滤波电感(12)的输入端相接；输出滤波电感(12)的输出端与发光二极管灯(13)的阳极相接。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管灯驱动电源，其特征在于：所述瞬时过电压抑制器(2)由相互并联的压敏电阻和高频电容组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种发光二极管灯驱动电源，其特征在于：控制单元(4)包括第一电阻(401)、第一电容(402)、稳压二极管(403)、第二电阻(404)、第三电阻(405)、电位器(406)、第二电容(407)、第三电容(408)、第四电阻(409)和555时基电路(410)；
第一电阻(401)的输入端接至整流桥(3)的正输出端，第一电阻(401)的输出端分别与稳压二极管(403)的阴极、555时基电路(410)的第4和第8管脚相连，稳压二极管(403)的阳极与整流桥(3)的负输出端相连；第一电容(402)并联在稳压二极管(403)的两端；
第二电阻(404)的输入端与整流桥(3)的正输出端连接，第二电阻(404)的输出端与555时基电路(410)的第7管脚相连；第三电阻(405)的一端连接在555时基电路(410)的第7管脚上，另一端则同时与电位器(406)的调节端和其中一个固定端相连；电位器(406)的另一个固定端连接至555时基电路(410)的第6和第2管脚上；555时基电路(410)的第6和第2管脚经过第二电容(407)与整流桥(3)的负输出端连接；
555时基电路(410)的第1管脚直接连接整流桥(3)的负输出端；555时基电路(410)的第5管脚通过第三电容(408)与整流桥(3)的负输出端相连；555时基电路(410)的第3管脚通过第四电阻(409)与功率开关管(6)的控制极连接。
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