CN102711322A - 高效节能led照明的均流模块 - Google Patents

高效节能led照明的均流模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效节能LED照明的均流模块,将其用于LED路灯多路输出电路,既可提高该输出电路均流时的转换效率,又可减小驱动电源的体积,还可降低其制造成本。该均流模块,包括恒流适配电源、由多条LED输出支路并联构成的输出电路,恒流适配电源的输入端与市电相接,其输出端与输出电路相接,每条输出支路由负载电路和均流控制电路构成,负载电路由输出滤波电感、LED灯珠串负载和采样电阻串联后再与输出滤波电容并联构成,由于采用前级恒流适配电源+后级直流斩波式均流控制电路的结构,从而使本发明在工作时,可使LED路灯多路输出电路的输入/输出转换效率达99%以上,适用于家庭、公共广场等地的LED照明装置中。

Description

高效节能LED照明的均流模块
技术领域
[0001] 本发明涉及一种串联降压开关电源BUCK拓扑电路,特别涉及ー种低耗高转换效率的LED路灯多路输出的均流电路控制模块。
背景技术
[0002] 半导体照明是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命,半导体照明技术发展迅速、应用领域广泛、产业带动性强、节能潜カ大,被各国公认为最有发展前景的高效照明产业。由于半导体照明的光源是发光二极管(LED)和有机发光二极管(0LED),而这两者都需要通过驱动电源来提供能量,所以如何提高驱动电源的性价比和可靠性就摆在了众多开关电源厂家面前。目前LED路灯驱动电源行业里普遍采用的电路结构为:PFC+PWM+BUCK、 前级电源恒压+后级恒流的模式,其中BUCK电路采用的芯片大都是美国国家半导体公司LM3402—LM3409系列,这些芯片本就是针对早期的LED驱动电源开发的,它的优点是集成度高,缺点是整机效率低、体积大且成本也太高,已经不适合现代社会对绿色能源的要求;近期研发的第二代LED路灯驱动电源它的模式是:前级采用恒流适配电源+后级采用磁性元件作均流控制电路,一度将单路恒流模块的成本降低了近一半的水准,但在体积和效率方面,仍然没能得到改进。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供ー种高效节能LED照明的均流模块,将该均流模块用于LED路灯多路输出电路,既可提高多路输出电路在均流时的转换效率,又可减小LED路灯驱动电源的体积,同时还可以降低该输出电路的制造成本。
[0004] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
[0005] 本发明的高效节能LED照明的均流模块,包括恒流适配电源、由至少两条结构相同的LED输出支路并联构成的输出电路,恒流适配电源的输入端与市电相接,其输出端与输出电路相接,每条LED输出支路由负载电路和均流控制电路构成,所述负载电路由输出滤波电感、LED灯珠串负载和米样电阻串联后再与输出滤波电容并联构成,输出滤波电感与输出滤波电容的正极并接端与恒流适配电源的输出端相接,输出滤波电感的另一端与LED灯珠串负载的正极相接,采样电阻与输出滤波电容的负极并接端与输出电路的地线端相接,采样电阻的另一端接于LED灯珠串负载的负极并与所述均流控制电路相接。
[0006] 所述均流控制电路由功率开关管、电流检测放大器、回差比较器、光耦控制电路、基准电压和辅助电源构成,其中:
[0007] I)功率开关管为场效应晶体管,其源极接恒流适配电源的地线端,栅极接光耦控制电路中光耦的第四脚;漏极接输出电路的地线端;
[0008] 2)电流检测放大器由第一运算放大器,第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第七电容和第八电容组成;第九电阻的一端与电流检测端、所述的LED灯珠串负载的负极相接,其另一端接于第一运算放大器的正向输入端并通过第七电容与地线端相接;第十电阻的一端接基准电压的VREF端;其另一端接于第一运算放大器反向输入端并通过第十一电阻与输出电路的地线端相接,同时,通过第八电容、第十二电阻的串联接于第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的正向输入端;
[0009] 3)回差比较器由第二运算放大器、第六电阻、第七电阻和第八电阻组成;第六电阻的一端接基准电压的VREF端,另一端接于第二运算放大器的反向输入端并通过第七电阻接输出电路的地线端;第八电阻接于第二运算放大器的正向输入端与输出端之间并通过第四电阻与光耦的第一脚相接;
[0010] 4)光耦控制电路由光耦、第四电阻和第五电阻组成;光耦的第二脚接输出电路的地线端,其第三脚接恒流适配电源的地线端、其第四脚接于场效应晶体管的栅极并通过第五电阻接于恒流适配电源的+12V电源端;
[0011] 5)基准电压由可调分流基准源、第三电阻和第六电容组成;第三电阻接于辅助电源的VCCl端和可调分流基准源的阴极与基准极并接端之间并通过第六电容接输出电路的地线端,可调分流基准源的阳极接输出电路的地线端;
[0012] 6)辅助电源由ニ极管和第五电容组成;ニ极管的正极接恒流适配电源的+12V电源端,负极接于辅助电源的VCCl端和第五电容的正极,第五电容的负极与输出电路的地线端相接。
[0013] 本发明所述的LED灯珠串负载是由至少两个LED灯珠串并联而成。
[0014] 本发明的第一运算放大器和第二运算放大器为双运算放大器,其型号为LM358。
[0015] 本发明所述的可调分流基准源为德州仪器公司生产,其型号为TL431。
[0016] 本发明的第三电容和第五电容为电解电容,其型号分别为100UF/63V、47UF/25V。
[0017] 本发明所述的光耦为夏普公司生产,其型号为PC817。
[0018] 本发明所述的场效应晶体管,为ST公司生产,其型号为STP20NE06。
[0019] 与现在技术相比,本发明由于在LED路灯多路输出电路中采用:前级恒流适配电源+后级直流斩波式均流控制电路的结构,从而使本发明的高效节能LED照明的均流模块工作时,可使LED路灯多路输出电路各支路的输入/输出转换效率均在99%以上,又由于该模块结构简单所用元器件较少,因而,大大地优化了电路、降低了成本并缩小了体积,其用途广泛适用于家庭、办公、商店、公共广场等地的LED照明装置中。
附图说明
[0020] 图I是本发明的电路方框图。
[0021] 图2是图I所示的电路原理图。
[0022] 图3是输出电路为三条输出支路时的电路图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进ー步的详细说明。
[0024] 如图I所示,本发明的高效节能LED照明的均流模块是由:前级为恒流适配电源和后级为直流斩波式均流控制电路的输出电路构成,所述输出电路是由多条结构相同的LED输出支路并联而成,每条LED输出支路又包括功率开关管I、负载电路2、电流检测放大器3、回差比较器4、光耦控制电路5、基准电压6和辅助电源7,其中:PGND是恒流适配电源8的地线端;VOUT是恒流适配电源8的输出电压端;GND是输出电路的地线端;V0UT1是输出电路的正输出电压端;IS既是电流检测放大器3的电流检测端也是输出电路的负输出电压端;+12V电源是恒流适配电源8的+12V输出端。
[0025] 如图2、3所示,本发明的高效节能LED照明的均流模块,包括恒流适配电源8、输出电路,恒流适配电源8的输入端与市电相接,其输出端与输出电路相接,每条LED输出支路由负载电路2和均流控制电路构成,所述负载电路2由输出滤波电感LI、由多个LED灯珠串并联而成的LED灯珠串负载RL和采样电阻R2串联后再与输出滤波电容C3并联构成,输出滤波电感LI与输出滤波电容C3的正极并接端与恒流适配电源8的输出电压端相接,输出滤波电感LI的另一端与LED灯珠串负载RL的正极相接,采样电阻R2与输出滤波电容C3的负极并接端与输出电路的地线端GND (以下简称输出地端GND)相接,采样电阻R2的另一端接于LED灯珠串负载RL的负极并与所述均流控制电路相接。
[0026] 所述均流控制电路由功率开关管I、电流检测放大器3、回差比较器4、光耦控制电路5、基准电压6和辅助电源7构成,其中: [0027] I)功率开关管I为场效应晶体管Ql,其为意法半导体公司(简称ST公司)生产,型号为STP20NE06,其源极S接恒流适配电源8的地线端PGND (以下简称电源地端PGND),栅极G接光耦控制电路5中光耦OTl的第四脚;漏极D接输出地端GND ;
[0028] 2)电流检测放大器3由第一运算放大器U1-A,第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第七电容C7和第八电容C8组成;第九电阻R9的一端与电流检测端IS、所述的LED灯珠串负载RL的负极相接,其另一端接于第一运算放大器Ul-A的正向输入端并通过第七电容C7与输出地端GND相接;第十电阻RlO的一端接基准电压6的VREF端,其另一端接于第一运算放大器Ul-A反向输入端并通过第十一电阻Rll与输出地端GND相接,同时,通过第八电容CS、第十二电阻R12的串联接于第一运算放大器的Ul-A输出端和第二运算放大器的Ul-B正向输入端;第一运算放大器Ul-A和第二运算放大器Ul-B均为双运算放大器,其型号为LM358 ;
[0029] 3)回差比较器4由第二运算放大器U1-B、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8组成;第六电阻R6的一端接基准电压6的VREF端,另一端接于第二运算放大器的反向输入端Ul-B并通过第七电阻R7接输出地端GND ;第八电阻R8接于第二运算放大器Ul-B的正向输入端与输出端之间并通过第四电阻R4与光耦OTl的第一脚相接;
[0030] 4)光f禹控制电路5由光f禹OTl、第四电阻R4和第五电阻R5组成;光|禹OTl的第二脚接输出地端GND,其第三脚接电源地端PGND、其第四脚接于场效应晶体管Ql的栅极G并通过第五电阻R5接于恒流适配电源的+12V电源端;所述的光耦OTl为夏普公司生产,其型号为PC817 ;
[0031] 5)基准电压6由可调分流基准源U2、第三电阻R3和第六电容C6组成;第三电阻R3接于辅助电源VCCl和可调分流基准源U2阴极与基准极并接端之间并通过第六电容C6接输出地端GND,可调分流基准源U2的阳极接输出地端GND ;所述可调分流基准源为德州仪器公司生产,其型号为TL431 ;
[0032] 6)辅助电源7由ニ极管D4和第五电容C5组成;ニ极管D4的正极接恒流适配电源的+12V电源端,负极接于辅助电源7的VCCl端和第五电容(C5)的正极,第五电容(C5)的负极与输出电路的地线端(GND)相接。[0033] 第三电容C3和第五电容C5为电解电容,其型号分别为100UF/63V、47UF/25V。
[0034] 如图2所示,本发明的电路工作原理如下:本发明电路结构为串联降压开关电路,相比BUCK拓扑少了 I个续流电感、I个续流ニ极管和PWM控制芯片。
[0035] 通常,BUCK拓扑电路的输出电压VOUT与输入电压VIN的关系式为:
[0036] D=VOUTMn
[0037] 其中,D为占空比=Ton/ (Ton+Toff) ;Ton为导通时间、Toff为关断时间。理论上当D为I时电路的转换效率为最高(忽略场效应晶体管Ql的通态电阻、输出滤波电感LI和电流检测电阻R2),即是说,当D为I时,输入电压VIN值全部转换为输出电压VOUT值。图2中的输出电路的输入端电压即为前级恒流适配电源8的输出端电压V0UT,当场效应晶体管Ql导通时,恒流适配电源8的输出电压VOUT通过输出滤波电感LI (直流状态时电感的电抗为零)直接加在LED灯珠串负载RL上,即所述的占空比D为I,此时,输出电路的转换效率为最高。
[0038] 为了尽可能提高所述的转换效率,可根据输出电路每条输出支路中所用的LED灯珠串负载RL来设计恒流适配电源8的输出电流值,当所用的LED灯珠串负载RL的工作电流參数一致性好且为负温度特性时,在恒流适配电源8的输出电流值一定的情况下,输出电路将会得到较高的转换效率。
[0039] 本发明是通过以下电路结构使输出电路获得较高转换效率的:
[0040] 将输出电路中甸条输出支路所允许通过的最大和最小工作电流,做为电流检测放大器3的电流检测端IS的设定值,再根据该设定值确定回差比较器4的阀值和回调值。
[0041] 当输出支路中流过采样电阻R2的电流大于所述的设定值时,经电流检测放大器
3、回差比较器4的比较后,第二运算放大器Ul-B的输出端输出高电平,该高电平使光耦OTl三极管导通,导致场效应晶体管Ql的栅极G电压被拉低至电源地端PGND电压,由此使场效应晶体管Ql关断,从而令该输出支路中的负载电流逐步降低,此时,第三电容C3开始向支路中的负载放电,当输出支路中流过采样电阻R2的电流逐渐下降至小于所述的设定值吋,经电流检测放大器3、回差比较器4的比较后,第二运算放大器Ul-B的输出端输出低电平,光耦OTl的ニ极管中无电流流过,光耦OTl的三极管断开,此时,场效应晶体管Ql的栅极G电压为正偏置电压,使场效应晶体管Ql又处于导通状态,在恒流适配电源8输出电压的作用下,输出支路中的负载电流逐步回升,由此,实现输出电路中各输出支路的LED灯珠串负载RL中的电流的均流。
[0042] 通过合理设置回差比较器4的回调值即第八电阻R8的值、输出滤波电容C3及输出滤波电感LI的大小,来调节场效应晶体管Ql的导通和断开频率。这3个元器件值选取 的是否合适,会直接影响所述输出电路的各输出支路是否能够理想均流。
[0043] 例如:将本发明的高效节能LED照明的均流模块中的输出电路设定三条输出支路,每条输出支路的LED灯珠串负载由十个同品牌、性能一致的LED灯珠串联而成,每只LED灯珠在25°C时的PN结电压为3. 5V,由此,选取前级恒流适配电源8的输出电压为35V,总的恒流电流值为I. 05A。恒流适配电源8和LED灯珠串负载RL确定后,为了实现各输出支路均流,将各输出支路中的电流检测放大器3的电流检测值设定为350MA,回调值(即所述误差电流)设定为20MA,设置电流检测放大器3的放大倍数为10,第二电阻R2取值0. 51欧,第一运算放大器Ul-A的第二脚即其反向输入端电压设定为0. 178V,第二运算放大器Ul-B的第六脚即其反向输入端电压设定为1.78V,当输出电路中某输出支路的电流大于350MA时,该输出支路中的第一运算放大器Ul-A的输出端电压会大于I. 78V,由于第二运算放大器Ul-B是ー个带有回差的比较器,所以第二运算放大器Ul-B的输出端会翻转成高电平,该高电平通过第四电阻R4加给光耦OTl的ニ极管,光耦OTl的三极管导通,将拉低场效应晶体管Ql的栅极G电压,由此关闭场效应晶体管Ql ;相反,当所述电流小于330MA时(这个电流值即回调值取决于第八电阻R8、输出滤波电容C3、输出滤波电感LI的大小),该场效应晶体管Ql又导通;以此调节各输出支路中的负载电流,最终达到整个输出电路中各输出支路电流均流。
[0044] 即便因LED灯珠所处环境温度上升,导致恒流适配电源8的输出电压VOUT会随LED灯珠PN结电压的下降而缓慢下降(因所选LED灯珠具有负温度系数的特性所致),但在恒流适配电源8输出电流为恒流值的情况下,电流平均值(电流平均值是指恒流适配电源输出的恒流电流平均分配给各输出支路的电流值)就不会变,这样,本发明仍可适用。
[0045] 当完全适配时(完全适配是指:输出电路的各输出支路中的负载电流始终未超出 所述的电流设定值350MA时,各输出支路中的场效应晶体管Ql总处于导通状态),场效应晶体管Ql —直是处于导通状态,此时,输出电路的输入电压和输出电压的转换效率为最高。
[0046] 当输出支路中某个LED灯珠有ー颗或几颗短路时,此时,该输出支路中流过负载的电流会増大,此时,称为不完全适配,一旦所述电流大于350MA后,该输出支路中的场效应晶体管Ql则处于导通、关闭频繁切换状态,此时所述的转换效率有所下降,所述的占空比D小于I ;为了不干扰其他输出支路正常的均流工作状态,该输出支路中的输出滤波电感LI承担了因LED灯珠短路造成的电压差值,其表达式如下:
[0047] Ll=(V0UT-V0UTl)*dt/IL1 Vli=VOUT-VOUTI XL1=2 n
[0048] 其中,LI为输出滤波电感,Vli为输出滤波电感LI端电压,Xli为输出滤波电感LI中产生的电抗。
[0049] 因为此时场效应晶体管Ql处于开关状态即有工作频率了,输出滤波电感LI的Xu电抗不再为零,输出滤波电感LI的另ー个作用也是为了防止安装过程中意外短路时场效应晶体管Ql不损坏(恒流适配电源8在负载短路后会即刻拉垮输出电压V0UT)。
[0050] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进ー步详细说明,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技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1. 一种高效节能LED照明的均流模块,包括恒流适配电源(8)、由至少两条结构相同的LED输出支路并联构成的输出电路,恒流适配电源(8)的输入端与市电相接,其输出端与输出电路相接,其特征在于:每条LED输出支路由负载电路(2)和均流控制电路构成,所述负载电路(2)由输出滤波电感(LI)、LED灯珠串负载(RL)和采样电阻(R2)串联后再与输出滤波电容(C3)并联构成,输出滤波电感(LI)与输出滤波电容(C3)的正极并接端与恒流适配电源(8)的输出端相接,输出滤波电感(LI)的另一端与LED灯珠串负载(RL)的正极相接,采样电阻(R2 )与输出滤波电容(C3 )的负极并接端与输出电路的地线端(GND )相接,采样电阻(R2)的另一端接于LED灯珠串负载(RL)的负极并与所述均流控制电路相接。
2.根据权利要求I所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:所述均流控制电路由功率开关管(I)、电流检测放大器(3)、回差比较器(4)、光耦控制电路(5)、基准电压(6)和辅助电源(7)构成,其中: 1)功率开关管(I)为场效应晶体管(Q1),其源极(S)接恒流适配电源的地线端(PGND),栅极(G)接光耦控制电路中光耦(OTl)的第四脚;漏极(D)接输出电路的地线端(GND); 2)电流检测放大器(3)由第一运算放大器(Ul-Α),第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第i^一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第七电容(C7)和第八电容(CS)组成;第九电阻(R9)的一端与电流检测端(IS)、所述的LED灯珠串负载(RL)的负极相接,其另一端接于第一运算放大器(Ul-A)的正向输入端并通过第七电容(C7)与地线端(GND)相接;第十电阻(RlO)的一端接基准电压(6)的VREF端;其另一端接于第一运算放大器(Ul-A)反向输入端并通过第H^一电阻(Rll)与输出电路的地线端(GND)相接,同时,通过第八电容(CS)、第十二电阻(R12)的串联接于第一运算放大器的(Ul-A)输出端和第二运算放大器的(Ul-B)正向输入端; 3)回差比较器(4)由第二运算放大器(Ul-Β)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)和第八电阻(R8)组成;第六电阻(R6)的一端接基准电压(6)的VREF端,另一端接于第二运算放大器的反向输入端(Ul-B)并通过第七电阻(R7)接输出电路的地线端(GND);第八电阻(R8)接于第二运算放大器(Ul-B)的正向输入端与输出端之间并通过第四电阻(R4)与光耦(OTl)的第一脚相接; 4)光耦控制电路(5)由光耦(0T1)、第四电阻(R4)和第五电阻(R5)组成;光耦(OTl)的第二脚接输出电路的地线端(GND),其第三脚接恒流适配电源的地线端(PGND)、其第四脚接于场效应晶体管(Ql)的栅极(G)并通过第五电阻(R5)接于恒流适配电源的+12V电源端; 5 )基准电压(6 )由可调分流基准源(U2 )、第三电阻(R3 )和第六电容(C6 )组成;第三电阻(R3 )接于辅助电源(7 )的VCCl端和可调分流基准源(U2 )的阴极与基准极并接端之间并通过第六电容(C6)接输出电路的地线端(GND),可调分流基准源(U2)的阳极接输出电路的地线端(GND); 6)辅助电源(7)由二极管(D4)和第五电容(C5)组成;二极管(D4)的正极接恒流适配电源的+12V电源端,负极接于辅助电源(7)的VCCl端和第五电容(C5)的正极,第五电容(C5)的负极与输出电路的地线端(GND)相接。
3.根据权利要求I或2所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:所述的LED灯珠串负载(RL)是由至少两个LED灯珠串并联而成。
4.根据权利要求2所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:第一运算放大器(Ul-A)和第二运算放大器(Ul-B)为双运算放大器,其型号为LM358。
5.根据权利要求2所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:所述可调分流基准源(U2)为德州仪器公司生产,其型号为TL431。
6.根据权利要求2所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:第三电容(C3)和第五电容(C5)为电解电容,其型号分别为100UF/63V、47UF/25V。
7.根据权利要求2所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:所述的光耦(OTl)为夏普公司生产,其型号为PC817。
8.根据权利要求2所述的高效节能LED照明的均流模块,其特征在于:所述场效应晶体管(Ql ),为ST公司生产,其型号为STP20NE06。
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