CN102740568A - 带功率因数校正功能的非隔离式led电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带功率因数校正功能的非隔离式LED电源，用于解决现有的带功率因数校正功能的非隔离式LED电源对电网的瞬间波动响应慢的技术问题。技术方案是电源的控制电路由串联分压电阻（2）、电压比较器（3）、SR触发器（4）、振荡电路（5）、与门（6）、采样开关（12）和驱动电路（13）组成。由于仅用两个串联分压电阻产生半正弦基准电压，结构简单；在实现按正弦方式变化的PWM控制时，中间控制电路仅由电压比较器、与门和驱动电路组成，电路对于电网电压的瞬间变化响应速度快，驱动电流波形实时跟随电网电压波形。当电网频率从100Hz突变到45Hz时，背景技术需要6个半正弦周期才能响应该变化，而本发明实现了实时跟踪，即实现零响应时间的调整。

Description

带功率因数校正功能的非隔离式LED电源
技术领域
本发明涉及一种非隔离式LED电源，特别是涉及一种带功率因数校正功能的非隔离式LED电源。
背景技术
一个完整的LED照明系统由LED灯珠和电源两部分组成，目前市场上的LED电源主要有两种结构：隔离式和非隔离式。
隔离式LED电源又称为离线式电源，其特点是先将市电输入的正弦交流电压转换为直流电压，然后用该直流电压作为LED电源的输入电压，通过反馈控制实现对LED灯珠的恒流或恒压驱动。一个完整的隔离式LED电源包括两部分：一次控制部分和二次控制部分。一次控制部分包括对输入市电进行EMI滤波、桥式整流、电容滤波及开关控制等。二次控制是利用LC滤波，二极管续流、光耦合反馈等措施实现驱动电源的恒流或恒压输出。一次控制与二次控制之间通过变压器的磁耦合以实现驱动电源与电网的物理隔离，故称为隔离式电源。隔离式LED电源具有较好的安全性，但因为输入市电要经过较多的转换过程，造成较大的电源内部能量转换损失，使整个电源的效率低下，发热严重。另外，隔离式LED电源需要使用大容量电解质电容，LED电源的高温工作环境使电解质挥发较快，造成电解电容过早失效，从而导致整个LED电源及照明灯具寿命缩短。
非隔离式LED电源是一种新型的LED电源驱动技术。非隔离式LED电源的设计思想是，不需要变压器耦合，而将市电直接加在LED灯珠上，通过开关电源或线性电源的方式实现对流过LED灯珠的电流进行恒流控制。由于电网的输入电压较高，为了防止灯珠损坏，一部分电压需要被转移到电感或超高压MOSFET上。非隔离式LED电源由于使用市电直接驱动LED，使得中间转换环节大大减少，因此电源内部能量损失减少，电源效率大幅度提高。同时，由于避免了变压器和光耦器件的使用，电源成本也大幅度降低。另外，由于不需要使用电解质电容，电源的寿命得到较大延长。为了进一步减少电网的无功损耗以及对电网的谐波干扰，非隔离式LED电源通常都要内置功率因数校正（以下简称PFC）功能。
参照图3，文献“AN-9744 Smart LED Lamp Driver IC with PFC Function”，FairchildSemiconductor Corporation，Rev.1.0.0，2011年11月”公开了一种带PFC功能的非隔离式LED电源。该电源方案中，PFC功能是基于数字电路实现的。这种带PFC功能的非隔离式LED电源包括桥式整流器、电感、LED灯珠、续流二极管、超高压MOSFET、电流检测电阻和控制电路。电感与LED串联后与续流二极管并联；桥式整流器直接与市电相接，将市电的正弦输入进行整流后输出给所述电感、LED灯珠与续流二极管组成的电路；超高压MOSFET与电流检测电阻串联，并与电感、LED灯珠与续流二极管组成的电路相连；控制电路控制超高压MOSFET的栅极，采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式实现对流过LED电流的控制。为了实现PFC功能，一个零点检测（ZCD）电路用来检测半正弦波的零点，获得的零点信息被送给一个正弦产生模块（SineGenerator）来产生正弦数字信号，所生成的正弦数字信号经数-模变换（DAC）后产生半正弦基准电压，然后将半正弦基准电压与电流检测电阻的电压进行比较，并通过SR型触发器与振荡器所输出的同步信号进行拟合，产生脉冲宽度调制（PWM）式的超高压MOSFET的栅极控制信号。
文献1公开的PFC功能实现方法存在如下缺点：1）PFC实现电路复杂。为了实现PFC，需要零点检测电路、正弦信号产生模块（内嵌一个数字DSP算法）、数-模变换电路等。由于PFC实现电路完成了“模拟-数字信号处理-模拟”的转换，需要大量高精度的电路实现，这使得系统的成本增加。而且LED电源长时间工作在高温环境中，高精度电路受温度影响较大，容易较早失效，影响LED灯具的使用寿命。2）由于PFC实现电路经过的处理电路较多，系统的响应延时会比较大，很难对外部电网的瞬间波动作出快速实时响应。当电网频率发生波动时，如当电网频率从100Hz突变到45Hz时，大约需要6个半正弦周期才能实现稳定的PFC功能。
发明内容
为了克服现有的带功率因数校正功能的非隔离式LED电源对电网的瞬间波动响应慢的不足，本发明提供一种带功率因数校正功能的非隔离式LED电源。该电源采用两个串联分压电阻产生半正弦基准电压，结构简单，可以提高电路的可靠性，特别适合于高温环境下的LED电源使用；在实现按正弦方式变化的PWM控制时，中间控制电路仅由电压比较器、与门和驱动电路组成，电路对于电网电压的瞬间变化响应速度快，驱动电流波形实时跟随电网电压波形。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带功率因数校正功能的非隔离式LED电源，包括桥式整流器1、电感10、LED灯珠9、续流二极管11、超高压MOSFET8、电流检测电阻7和控制电路，所述电感10与LED灯珠9串联后与续流二极管11并联，桥式整流器1将市电的正弦输入进行整流后输出给所述电感10、LED灯珠9与续流二极管11组成的电路；超高压MOSFET8与电流检测电阻7串联，并与电感10、LED灯珠9与续流二极管11组成的电路相连，其特点是所述控制电路由串联分压电阻2、电压比较器3、SR触发器4、振荡电路5、与门6、采样开关12和驱动电路13组成；桥式整流器1输出端串联分压电阻2，用比例分压方式产生一个半正弦的基准电压送电压比较器3，采样开关12通过电流检测电阻7将与驱动电流线性相关的反馈电压送电压比较器3；反馈电压与半正弦的基准电压进行比较，比较结果输出到SR型触发器4的复位端，SR型触发器4的置位端由振荡电路5生成的周期性脉冲信号控制；SR型触发器4输出和振荡电路5输出的周期信号通过与门6输出给驱动电路13，用来驱动超高压MOSFET8的开关。在每个周期开始，由振荡电路5输出的周期性脉冲信号置位SR型触发器4，闭合超高压MOSFET8，此时电流流过电流检测电阻7，被转化成电压，并与此时采样到的半正弦基准电压比较，大于半正弦基准电压时，电压比较器3输出复位SR型触发器4，关闭超高压MOSFET8。
本发明的有益效果是：由于仅用两个串联分压电阻就能产生半正弦基准电压，结构简单，提高了电路的可靠性，特别适合于高温环境下的LED电源使用；在实现按正弦方式变化的PWM控制时，中间控制电路仅由电压比较器、与门和驱动电路组成，电路对于电网电压的瞬间变化响应速度快，驱动电流波形实时跟随电网电压波形。当电网频率从100Hz突变到45Hz时，背景技术需要6个半正弦周期才能响应该变化，而本发明实现了实时跟踪，即实现零响应时间的调整。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明带功率因数校正功能的非隔离式LED电源电路图。
图2是图1电路各节点信号的波形图。
图3是背景技术带功率因数校正功能的非隔离式LED电源电路图。
1-桥式整流器，2-串联分压电阻，3-电压比较器，4-SR型触发器，5-振荡电路，6-与门，7-电流检测电阻，8-超高压MOSFET，9-LED灯珠，10-电感，11-续流二极管，12-采样开关，13-驱动电路。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明带功率因数校正功能的非隔离式LED电源，包括桥式整流器1、电感10、LED灯珠9、续流二极管11、超高压MOSFET8、电流检测电阻7和控制电路，所述电感10与LED灯珠9串联后与续流二极管11并联，桥式整流器1将市电的正弦输入进行整流后输出给所述电感10、LED灯珠9与续流二极管11组成的电路；超高压MOSFET8与电流检测电阻7串联，并与电感10、LED灯珠9与续流二极管11组成的电路相连，所述控制电路由串联分压电阻2、电压比较器3、SR型触发器4、振荡电路5、与门6、采样开关12和驱动电路13组成。
控制电路在桥式整流器1输出端通过串联分压电阻2用比例分压方式产生一个半正弦的基准电压送电压比较器3，同时通过采样开关12从电流检测电阻7引入与驱动电流线性相关的反馈电压到电压比较器3；反馈电压与半正弦的基准电压进行比较，比较结果输出给SR型触发器4的复位端，SR型触发器4的置位端由一个振荡电路5生成的周期性脉冲信号控制；SR型触发器4输出和振荡电路5输出的周期信号通过与门6输出给驱动电路13，用来驱动超高压MOSFET8的开关。在每个周期开始，由振荡电路5输出的周期性脉冲信号置位SR型触发器4，闭合超高压MOSFET8，此时电流流过电流检测电阻7，被转化成电压，并与此时采样到的半正弦基准电压比较，大于半正弦基准电压时，电压比较器3输出复位SR型触发器4，关闭超高压MOSFET8。
220V交流市电经桥式整流器1被整形成半正弦波形，利用串联分压电阻2，将桥式整流器1输出的高压半正弦波形按照线性比例缩小成具有同样波形特征的低压半正弦波形，该低压半正弦波形是生成正弦式PWM的基准电压。流过超高压MOSFET8、电感10、LED灯珠9和续流二极管11的电流，通过电流检测电阻7被转化成电压并进行采样，由于电流检测电阻7的线性特性，采样电压与流过超高压MOSFET8、电感10、LED灯珠9和续流二极管11的电流是线性相关的。与驱动电流线性相关的采样电压和低压半正弦基准电压通过电压比较器3进行比较，若采样电压大于基准电压，说明流过超高压MOSFET8、电感10、LED灯珠9和续流二极管11的驱动电流大于当前周期正弦采样点的电压，此时将PWM脉冲复位到“0”，并关断超高压MOSFET 8；相反，若采样电压小于基准电压，说明流过超高压MOSFET8、电感10、LED灯珠9和续流二极管11的驱动电流小于当前周期正弦采样点的电压，此时PWM脉冲变为“1”，并闭合超高压MOSFET 8。由于电感10对电流的抑制作用会随时间的延长而逐步衰减，回路电流随超高压MOSFET 8闭合的时间延长而增大，与电流正相关的采样电压在有限时间内会最终超过当前周期正弦基准电压，使电压比较器3复位PWM脉冲，并打开超高压MOSFET 8。电压比较器3的输出用来复位PWM脉冲，振荡电路5的输出脉冲信号共有三个：CLK是占空比为1：1的信号，该信号的状态为“0”时PWM信号将强制与门6复位，状态为“1”时对PWM信号不产生影响；Spuse是周期性脉冲信号，它在每个周期的开始设置PWM脉冲为“1”，当CLK信号为状态“1”时，由电压比较器3复位PWM脉冲，否则PWM脉冲由CLK信号强制复位。Sclk信号是反馈电压采样信号，由于在每次超高压MOSFET8闭合时，会产生一个较大的尖峰电流，该尖峰电流经电流检测电阻7转化成电压后会引发电压比较器3的误动作，进而影响到PWM波形的产生，故采用Sclk信号控制采样开关12来推后采样时间，避免采样开关12毛刺的影响。
由图2（A）可以看出，串联分压电阻2所产生的基准电压是电网输出电压波形的按比例缩小，是半正弦式的，电压比较器3强制使得电流检测电阻上的电压不超过该基准电压，图2（B）和2（C）分别为时钟信号和PWM脉冲信号，流过电流检测电阻的电流具有图2（D）所示的形状。在超高压MOSFET 8打开时，回路被切断，此时续流二极管11、电感10和LED灯珠9三个器件形成一个续流回路，消耗电感10上所存储的能量，最终使整个LED驱动电路的电流波形如图2（E）所示，该电流波形具有与输入电网电压相似的波形特征，从而最终实现PFC功能。

Claims (1)

1.一种带功率因数校正功能的非隔离式LED电源，包括桥式整流器（1）、电感（10）、LED灯珠（9）、续流二极管（11）、超高压MOSFET（8）、电流检测电阻（7）和控制电路，所述电感（10）与LED灯珠（9）串联后与续流二极管（11）并联，桥式整流器（1）将正弦输入进行整流后输出给所述电感（10）、LED灯珠（9）与续流二极管（11）组成的电路；超高压MOSFET（8）与电流检测电阻（7）串联，并与电感（10）、LED灯珠（9）与续流二极管（11）组成的电路相连，其特征在于所述控制电路由串联分压电阻（2）、电压比较器（3）、SR触发器（4）、振荡电路（5）、与门（6）、采样开关（12）和驱动电路（13）组成；桥式整流器（1）输出端串联分压电阻（2），用比例分压方式产生一个半正弦的基准电压送电压比较器（3），采样开关（12）通过电流检测电阻（7）将与驱动电流线性相关的反馈电压送电压比较器（3）；反馈电压与半正弦的基准电压进行比较，比较结果输出到SR型触发器（4）的复位端，SR型触发器（4）的置位端由振荡电路（5）生成的周期性脉冲信号控制；SR型触发器（4）输出和振荡电路（5）输出的周期信号通过与门（6）输出给驱动电路（13），用来驱动超高压MOSFET（8）的开关；在每个周期开始，由振荡电路（5）输出的周期性脉冲信号置位SR型触发器（4），闭合超高压MOSFET（8），此时电流流过电流检测电阻（7），被转化成电压，并与此时采样到的半正弦基准电压比较，大于半正弦基准电压时，电压比较器（3）输出复位SR型触发器（4），关闭超高压MOSFET（8）。
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