CN102497699A - 一种led照明灯亮度调整的方法以及用于pf调光功能的led驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED照明灯亮度调整的方法以及用于PF调光功能的LED驱动电路，所述方法包括：输入的电源信号经过整流桥之后，所述输入的电流含有许多高次谐波；增加PFC调节电路，对其功率因数进行校正；调节所设计PFC芯片的外围电阻R的大小，使PFC调节芯片驱动电路的输出信号发生变化，来控制开关管的导通与截止，从而调节了电路的功率因数(PF)，使得Fly-back电路的输入主电流(i_LP)的大小发生变化；输出电流(i_LS)随着输入电流(i_LP)的改变而改变，使得输出端负载LED灯的电流也将发生变化。

Description

一种LED照明灯亮度调整的方法以及用于PF调光功能的LED驱动电路

技术领域

本发明属于LED领域，更具体地涉及LED功率控制调节方法。

背景技术

随着全球资源的紧缺，低碳、环保、节能是社会发展的重要组成部分。LED灯作为绿色环保能源具有使用寿命长，节省能量的优势。随着LED灯的不断发展，人们对于LED灯的调光的需求也逐渐增加，因此调光电路也是LED灯发展的一个重要环节。由于LED灯调光相对其他照明系统来说比较困难，其调光驱动电路也就相对复杂，研究LED调光电路具有重要意义。

目前LED灯的调光技术有3种^{[1]，[2]，[3]}：模拟调光、可控硅调光[2]、PWM调光。

(1)模拟调光：在负载LED灯串接可调电阻R，通过改变电阻R的大小改变输出端负载的大小，从而改变了输出电流的大小，LED正向导通压降也会随着输出电流的改变而改变，从而达到了调光的目的，该电路简单且易于实现。

缺点：因可调电阻上消耗了部分输出功率，所以电能使用效率不高，而且由于输出电压、输出电流随着可调电阻的线性变化导致LED灯的发光色温发生偏移。

(2)可控硅调光^[3]：可控硅调光是基于三端双向可控硅元件，利用其所加的正负电源控制其导通与截止的。主要调光工作原理是主要是增加导通延迟，改变导通角来改变输出电压平均值的大小来达到调节LED灯的目的，如下图1所示。一般不能直接将线性调光电压和LED驱动器连接用来调节LED灯。主要是因为LED灯不能够获得足够的能量而工作，或者由于电流尖刺损坏LED灯，目前有许多半导体制造厂商生产出LED专门的可控硅调光芯片，虽然调光效率高，光色性能稳定，但其芯片价格昂贵。

但，上述现有技术存在如下缺点：需要专门的可控硅调光芯片，调光电路复杂，芯片价格昂贵。

(3)PWM调光^[2]：PWM调光主要工作原理即控制开关管的占空比来实现调光。目前PWM调光技术主要有脉冲控制和数字控制。脉冲控制主要是指输入占空比不同的脉冲信号来控制开关管的导通与截止，其电路相对来说简单，但其缺点是脉冲信号始终处于工作模式，浪费掉部分能量，而且调光容易产生人耳听见的噪声。基于数字控制的PWM调光技术，是在脉冲控制调光基础之上的改进，如下图2所示数字控制PWM调光芯片的原理简图。通过外围所输入数字信号，通过数字控制电路将输入的数字信号锁存起来，避免了脉冲控制调光始终处于连续工作状态的缺点，然后将数字信号转换成模拟信号，与反馈信号进行比较放大从而控制开关管Q的导通与截止。数字调光也是比较常用的调光电路，但其调光电路比较复杂，成本高，设计困难。

发明内容

为了克服现有技术中的上述确定，本发明提出了一种LED灯的功率因数调整方法，其中LED灯的正向导通时，其发光亮度与所流过自身的电流大小成正比，正向电流越大，LED灯的发光亮度也就越大，图3所示LED灯的驱动电流是与光通量之间的关系曲线。

当LED灯的正向导通电流增大时，LED灯两端的电压随着驱动电流的增大而增加，图4所示使得LED灯两端电压与正向电流之间关系。从图4中我们可以看出LED输出电流受LED两端电压影响较大，正向电压VF微小的变化可以引起LED电流很大的变化，因此LED灯采用恒流驱动。通过控制流过LED灯电流的大小就可以改变LED灯的亮度。

本发明提出的调整方法是通过功率因数(PF)来改变驱动电路的输入电流，从而实现LED灯的调光。图3为基于Fly-back变换器的LED照明电源调光主电路，该电路由PFC控制电路模块和Fly-back变换器组成的。输入电源信号经过整流桥之后，电路中输入电流含有许多高次谐波，故增加PFC调节电路，对其功率因数进行校正。通过调节所设计PFC芯片的外围电阻R的大小，使PFC调节芯片驱动电路的输出信号发生变化，来控制开关管的导通与截止，从而调节了电路的功率因数(PF)，使得Fly-back电路的输入主电流i_LP的大小发生变化。根据Fly-back架构电路可知，输出电流i_LS随着输入电流i_LP的改变而改变，所以输出端负载LED灯的电流也将发生变化，从而达到了调光的目的。

附图说明

附图1是现有技术中的相位控制调光器输出电压波形图；

附图2是现有技术中的LED驱动电路的数字调光原理图；

附图3是LED光通量与驱动电流大小关系的曲线图；

附图4是LED驱动电流与电压之间的关系的曲线图；

附图5是Fly-back调光电路模型的电路图；

附图6是fly-back电路模块的电路图；

附图7是电感Lp的电流波形图；

附图8是PF调光功能的LED驱动电路的系统框图；

附图9是电感电流波形和开关管驱动电压信号的波形图；

附图10是改变电阻R电感LP上电流变化波形和开关管Qm变化的波形图；

附图11是电阻与PF之间的关系曲线图；

附图12是PF与输出电流之间关系的曲线图；

附图13是输出功率P与PF之间关系的曲线图。

具体实施方式

Fly-back电路工作原理：如图6所示Fly-back电路，当开关管Qm导通时，电感Lp上的电流逐渐增大，LP两端电压为上正下负，此时LS两端电压为上负下正，二极管VD为截止。当开关管Qm关断时，Lp两端电压迅速改变极性，同时LS极性也发生改变，二极管VD导通，负载开始工作。假设Fly-back电路工作在临界导通态下，在稳态工作时，电感Lp、Ls电流的波形如图7所示。

在开关管Qm导通时，Lp两端电流线性增加，故可以得到Lp两端电流大小：

$i_{\mathrm{Lp}\max }=\frac{v_{\mathrm{io}}}{L_p}\mathrm{DT}---\left(1\right)$

其中D为占空比，v_io为瞬时电压，i_Lpmax为瞬时最大电流值。

在此过程中，变压器的铁芯被磁化，其磁通Φ也线性增加。磁通Φ的增加量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{(+)}=\frac{v_{\mathrm{io}}}{N_p}\mathrm{DT}---\left(2\right)$

当开关管关断时，VD导通，此时Ls两端电流线型增加，在此过程中，变压器铁芯去磁，其磁通Φ也线性减小，磁通Φ的减小量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{(-)}=\frac{v_o}{N_s}(1-D)T---\left(3\right)$

在稳态工作时开关管导通铁芯磁通的增加量ΔΦ₍₊₎＝ΔΦ_(-)，则由(2)和(3)式可得，

$\frac{v_o}{v_{\mathrm{io}}}=\frac{N_s}{N_p}\·\frac{D}{1-D}=\frac{1}{K_{12}}\·\frac{D}{1-D}---\left(4\right)$

式中K₁₂为变压器初次级匝数比。当K₁₂＝10时，

$\frac{v_o}{v_{\mathrm{io}}}=\frac{0.1D}{1-D}---\left(5\right)$

假设变压器的转换效率为100％，则可得到Lp与Ls之间的电流关系：

$\frac{i_{\mathrm{Ls}}}{i_{\mathrm{Lp}}}=\frac{1-D}{0.1D}---\left(6\right)$

由于V_in·I_in·PF＝V_io·I_LP，    (7)

又 $I_{\mathrm{LP}}=\frac{1}{2}\frac{V_{\mathrm{io}}}{L_p}{D}^{2}T---\left(8\right)$

由(7)和(8)可得，

$V_{\mathrm{io}}=\sqrt{\frac{2V_{\mathrm{in}}{I}_{\mathrm{in}}\·\mathrm{PF}\·L_p}{D^{2}T}}---\left(9\right)$

其中V_in，I_in，V_io，I_io分别为电路的有效电压和有效电流值，PF为功率因数。

由(6)、(8)、(9)可得，

$I_o=I_{\mathrm{LS}}=5\·\frac{V_{\mathrm{io}}}{L_p}D\·(1-D)T=\sqrt{\frac{50V_{\mathrm{in}}\·I_{\mathrm{in}}\·\mathrm{PF}\·T}{L_p}}(1-D)---\left(10\right)$

根据(10)可知，当占空比、输入电压、电流恒定时，输出电流I_o随PF的增大而递增。故改变PF就可以达到调整输出电流的目的，进而LED灯的亮度也就发生了变化。

本发明所提出的的PF调光功能的LED驱动电路框图如图8所示，其中虚线框内为基于PF调光的PFC控制芯片，芯片采用CRM方式下PWM控制方式，由三个反馈回路组成：一个通过负载采样电阻Rs采样LED灯上流过电流的值的大小得到采样电压，将获得采样电压作为芯片误差放大器的反相输入信号，与基准电压V_ref进行比较，经过误差放大器放大后所得的信号V_EO送入加法器的一个输入端，然后与可调电阻R上所得的采样电压进行叠加后所得的信号作为乘法器的一路输入V_M2，与乘法器的另一路输入信号V_M1相乘所得结果V_MO，将其输入到PWM比较器的反相输入端；另一路通过检测开关管Q_m上流过的电流，经过开关管电流检测模块将所得的检测电压V_AO作为电流误差放大器的另一路输入，与先前的V_MO信号比较放大，所得到的输出作为PWM比较器信号的同相输入。第三路通过一个变压器检测电感LP上的电流，通过零电流检测将信号送入控制逻辑单元，与PWM比较器输出信号共同控制开关管Q_M的开通与关断。

图9描绘出电感LP和LS上电流波形变化和PWM信号波形变化。当开关管Qm导通时，LP上的电流线性增加，当LP上电流到达电感电流峰值包络线时，开关管Qm截止，此时初级电感LP与LS上两端电压极性相反，电感LS上出现电流并逐渐减小，当检测到次级电感LS上电流为零时，开关管Qm再次导通。在临界模式下开关管导通时间为定值。

乘法器具有很好的线性转移特性可得，

V_MO＝K·V_M1·(V_EO-V_RO)    (11)

其中 $V_{\mathrm{RO}}=\frac{R}{R+R_1}{V}_{\mathrm{ref}},$ V_M1＝K₁V_in，(其中K，K1为常数)

PF与R之间关系式如下：

$\mathrm{PF}=\frac{L_p{(1+\sqrt{1+2K{K}_1{K_4}^2{K}_5\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2}{L_p}T[K_2(V_{\mathrm{ref}}-K_3{V}_{\mathrm{in}})-\frac{R}{R+R_1}{V}_{\mathrm{ref}}]})}^2}{2V_{\mathrm{in}}{I}_{\mathrm{in}}T{K_4}^2{K_5}^2}$ (0.7＜PF＜1，K＞1，

0＜k1，k2，k3，k4＜1，K5＞1)          (12)

其中所给的K₁，K₂、K₃、K₄都为常数，调节电阻R的大小就可以改变功率因数PF。

①电阻R的大小未改变之前，电路按照上述的CRM方式下进行工作，LED灯的亮度没有发生变化。图8所示电感LP、LS和Qm的波形图，其中蓝线表示初级电感LP上的电流波形，绿线表示次级电感LS上的电流波形。U_Qm1表示开关管驱动电压的波形。

②调节电阻R使其逐渐减小，与原来电阻未改变之前相比较，初级电感LP电流增大，相应次级电感电流也增大，LED灯变量亮。如图10所示，电阻增大之后，红线表示初级电感LP上的电流波形变化，紫红线表示次级电感LS上电流变化，相应的U_Qm2表示开关管驱动电压的变化情况。

其中，电阻R值未改变前：

i_LP1——初级电感LP上的电流；

i_LS1——次级电感LS上的电流；

I_LP1——初级电感LP上的电流峰值包络线；

i_LS1——次级电感LS上的电流峰值包络线；

U_Qm1——开关管Qm驱动电压波形；

电阻R减小之后：

i_LP2——初级电感LP上的电流；

I_LS2——次级电感LP上电流峰值包络线；

i_LP2——初级电感LP上的电流；

i_LS2——次级电感LP上电流峰值包络线；

U_Qm2——开关管Qm驱动电压波形

假设所给的各个变量参数如下：

V_in＝220V，I_in＝0.05A，L_P＝3mH，L_s＝3mH，V_ref＝2.5V，R₁＝10K，0.7＜PF＜1，变压器匝数比K₁₂＝2，驱动10盏1W大功率LED灯。

则根据(10)、(12)式可计算出电阻变化时功率因数与电阻之间关系，功率因数与输出电流之间关系。如下表1所示。

R	PF	Io(mA)	P(W)
				30k	0.75	170	5.1
20k	0.85	230	6.9
				15k	0.92	280	8.6
10k	0.98	320	10
				5k	0.99	350	11.2

从表1中可以看出随着电阻R的逐渐减小，功率因数随之增大。输出电流随着功率因数的增大而增大，输出功率也随之增大，LED灯的亮度得到调节。图11也反映了输出电阻与PF的关系曲线图。图12反映了PF与输出电流之间的关系，当PF从0.75-0.99之间变化时，输出电流Io从350mA-170mA变化。图13反映了输出功率P与PF之间的变化，因输出电压变化不怎么大，输出功率主要受到输出电流的影响，输出功率也随着PF的增大而增大，所以调节PF可以调节LED灯的亮度。

为了验证本发明采用调节电阻R来调节PF，从而调节LED灯的亮度，易算出调节电阻R上消耗的功率：

$P_{R\left(\max \right)}={\left(\frac{R}{R+R_1}{V}_{\mathrm{ref}}\right)}^2/R=0.0001172W,$ (取R＝30K)

可以看出调节电阻R上所消耗的功率可以忽略不计。

由上述实验结果数据及其数据可以看出，PF功率因数调光的可行性。该电路结构简单易行，而且耗能少，是一种比较新颖的调光方法。

本发明为了验证调节功率因数对LED灯进行亮度调整，驱动电路采取Fly-back电路，同样该PFC调光芯片同样适合其他拓扑结构的电路，如正激式、cuk电路等等。该电路通过在输入端外加PFC电路，通过改变外加电阻的阻值的大小来改变PF，进而使得所使用拓扑驱动电路的输入端的电流的大小改变，从而使的LED输出电流也就发生变化。本发明的关键点之处在进行PFC时，不需要任何其他电路，直接通过调节PF，就可以对LED灯进行调光，该电路简单，而且效率高，是一种比较新颖的调光方式。

虽然附图和前述说明给出了本发明的实施例。但可以理解的是，本领域技术人员将理解可以将这种组件中的一个或多个组件很好地组合成单个功能组件。在替换方案中，特定的组件可以分成多个功能组件，或反之。同时，本发明的范围并不受这些特定实例的限制。多种变化都是可能的，例如结构等上的差异，而无论其是否在说明书中被清晰地给出。本发明的范围至少与所附权利要求给出的范围一样宽。

Claims (2)

1.一种通过功率因数对基于Flyback架构的开关式LED照明灯进行亮度调整的方法，所述方法包括：

输入的电源信号经过整流桥之后，所述输入的电流含有许多高次谐波；

增加PFC调节电路，对其功率因数进行校正；

调节所设计PFC芯片的外围电阻R的大小，使PFC调节芯片驱动电路的输出信号发生变化，来控制开关管的导通与截止，从而调节了电路的功率因数(PF)，使得Fly-back电路的输入主电流(i_LP)的大小发生变化；

输出电流(i_LS)随着输入电流(i_LP)的改变而改变，使得输出端负载LED灯的电流也将发生变化。

2.一种用于PF调光功能的LED驱动电路，所述电路采用CRM方式下PWM控制方式，包括：

第一反馈回路，其通过负载采样电阻(Rs)采样LED灯上流过电流的值的大小得到采样电压，将获得采样电压作为误差放大器的反相输入信号，与基准电压(V_ref)进行比较，经过经过误差放大器放大后所得的信号(V_EO)被送入加法器的一个输入端，

然后与可调电阻(R)上所得的采样电压进行叠加后所得的信号作为乘法器的一路输入(V_M2)，与乘法器的另一路输入信号(V_M1)相乘产生结果信号(V_MO)，并将其输入到PWM比较器的反相输入端；

第二反馈电路，其通过检测开关管(Q_m)上流过的电流，经过开关管电流检测模块将所得的检测电压(V_AO)作为电流误差放大器的另一路输入，与先前的结果信号(V_MO)比较放大，并将所得到的输出作为PWM比较器信号的同相输入；

第三反馈电路，其通过变压器检测电感(LP)上的电流，通过零电流检测将信号送入控制逻辑单元，与PWM比较器的输出信号共同控制开关管(Q_M)的开通与关断。

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