CN102791055A - 具有功率反馈的开关电源保持灯恒定亮光 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电源和一种算法。在一个应用条件下，开关电源包括一个具有功率反馈的开关变流器输出恒定功率使得灯保持恒定亮光。功率反馈电路包括一个电流反馈电路和一个电压反馈电路。开关电源拥有一个控制器来调节主开关的导通时间和占空比从而保持输出功率恒定。

Description

具有功率反馈的开关电源保持灯恒定亮光

技术领域

本发明是一种具有功率反馈的开关电源，用以保持灯亮度的恒定。使得灯无频闪，无电磁辐射，具有防止眼睛疲劳近视和防止电磁辐射的保健功能。

背景技术

开关电源用来给很多种电气负载、仪器供电，例如灯。传统电源通常包括一个变流器。变流器是一种开关电源电路把交流或直流输入电压通过反馈变成设定指定值的直流输出电压。

图1展示传统开关电源100框图。在一种应用中，电源101是一个交流电压源。过滤器111防止高频电流进入电压源101。保护112在过电流情况下切断过滤器与后续电路的连接。桥式整流器113把交流正弦波形转变成直流波形。变流器102从桥式整流器113接受到一个整流产生的直流电压并且转换成直流电压供给输出器件103。变流器102是一个开关电源电路。电压反馈104对输出器件103的输出电压信号采样，然后把与电灯电压成比例的信号反馈给控制器110，并且通过运算放大器106与参考电压105比较。参考电压105是一个电子电路提供精确度非常高的直流电压。运算放大器106的输出是一个比较产生的误差信号，这个信号将会送到比较器108，而且与锯齿发生器107做比较。比较器108的脉冲输出信号送到驱动器109。驱动器109的输出将控制变流器102的主开关的导通时间，来控制输出电压在预定的恒定电压值，这个电压值由参考电压105来设定。

图2是传统开关电源100的一个应用电路。

电压源101是交流电压源。

在一个应用中，过滤器111包括一个电感和一个电阻。

在一个应用中，保护112包括一个熔端器F1。

桥式整流器113包括二极管D1，D2，D3，D4，把输入的交流电压转换成直流电压加在电容C1上。

变流器102包括一个反激变流电路，输入探测，过滤器，偏置电路和缓冲电路。反激变流电路包括一个反激拓扑电路，从桥式整流器113收到一个直流电压。变压器T1，场效应管M1，二极管D8和电容C6组成一个反激拓扑电路，把整流后的直流电压转换成预定值的直流电压。电阻R2，R3和电容C3构成输入检测电路。电容C5是一个过滤器来过滤送到集成电路控制器Vsense探针的电压反馈信号。辅助绕组T1B，二极管D7，齐纳二极管D6和电容C4构成集成电路控制器的偏置电压。电容C2，二极管D5和电阻R4构成缓冲电路来钳制场效应管M1栅极到源极的电压。

输出器件103是一个灯。

电压反馈电路104包括辅助绕组T1B和电阻R7，R8。

控制器110是一个集成电路控制器，具有探针Vcc，Vin，Vsense，GND和Output等。集成电路控制器具有内部集成的比较器108，锯齿发生器107，运算放大器106，参考电压105和驱动器109。

在一个应用中，灯是发光二极管(LED)，电流与电压成指数函数关系。

这里，I是二极管电流，Is是反向偏置饱和电流，VD是二极管电压，VT是热电压，n是理想因数，理想因数值在1到2之间。

图3是LED电流与电压关系图。当电压有微小变化，电流产生巨大变化。

因为在变流器输出与LED灯之间有长的电线连接，因此变流器输出与灯电压有电压降。还有一些因素影响电压变化。这些因素是参考电压误差，输出电压采样，反馈电压信号误差，变流器输出与灯电压有电压降的误差。所有的误差将会造成灯电压不断变化。对于LED灯，电压微小变化将会引起电流巨大变化，亮度与LED灯功率成比例。功率＝电压*电流，所以传统开关电源会给LED灯带来亮度大的变化。这会造成LED灯的大闪烁，进而造成人眼疲劳。

此后，电流反馈代替电压反馈。但是当输出器件是LED矩阵，比如3*20(3个串连再有20串并联)，往往每串与电阻串连。如果仅仅电流反馈，加在LED与电阻串上的电压将变化较大，导致电流分布极度不平衡，某些串很亮，某些串很暗，由于电压变动，亮暗分布也在变动，导致灯光闪烁，眼睛长期疲劳；另外某些串LED电流过大损坏或者影响可靠性从而大大地减少灯的使用寿命。

发明内容

为了克服传统照明灯具对人们的眼睛和身体的伤害，本发明设计了一个具有功率反馈的开关电源用以保持灯亮度的恒定，使得灯无频闪，无电磁辐射，具有防止眼睛疲劳近视和防止电磁辐射的保健功能。

一方面，本发明描述了一个具有功率反馈的开关电源保持灯亮度的恒定。有两个反馈环路：一个是电压反馈环路，用于采样灯电压并且把成比例的信号反馈给控制器；另一个是电流反馈环路，用于采样灯电流并且把成比例的信号反馈给控制器。在控制器中，电压反馈信号和电流反馈信号送到信号处理电路。信号处理电路产生一个功率反馈信号，这个信号是电压反馈信号和电流反馈信号的乘积。然后由功率反馈信号与参考电压产生的偏差信号产生脉冲，这个脉冲送到驱动器来改变主开关的导通时间使得输出功率保持恒定的预设值。这样灯的输出功率保持恒定而且灯亮光恒定没有闪烁。

特定的应用下可以包括以下特性。开关电源包含一个过滤器防止高频电流进入输入电压源。电源包括一个保护在短路或过电流时可以切断输入电压和开关电源之间的连接。电源还包括桥式整流电路把交流电压变成直流电压。桥式整流电路包括二极管构成桥式结构。变流器是一个反激拓扑结构把输入直流电压变成预定功率的直流输出电压供电给输出元件。控制器调节变流器主开关的导通时间。电压反馈电路可以通过辅助变压器绕组或光耦合器把信号从副边侧反馈到原边侧。电流反馈电路可以用电流探测电阻或信号变压器来采样电流信号。

另一方面，本发明描述了一种方法包括：同时采样电流和电压信号并且一起把信号反馈给控制器；通过电流和电压信号乘法运算产生一个功率反馈信号；功率反馈信号与运算放大器的参考电压做比较而产生脉冲信号给驱动器；控制主开关的导通时间输出恒定功率给输出元件。

本发明的有益效果是，具有功率反馈的开关电源保持了灯亮度的恒定，使得灯无频闪，无电磁辐射，具有防止眼睛疲劳近视和防止电磁辐射的保健功能。

附图说明

图1是传统电压反馈电源的框图。

图2是传统电压反馈电路开关电源电路图。

图3展示通常LED电流-电压特性。

图4是具有功率反馈的保持灯恒定亮度开关电源的框图。

图5展示脉冲信号，偏差功率信号和锯齿波的关系。

图6是具有功率反馈而保持灯亮光恒定的开关电源的电路图，其中电压反馈用原边侧绕组实现。

图7是是具有功率反馈而保持灯亮光恒定的开关电源的电路图，其中电压反馈用光耦合器实现。

具体实施方式

图4是具有功率反馈的保持灯恒定亮度开关电源400的框图，输出恒定功率给输出器件403。在一种应用条件下，输出器件403是灯。电源400从输入电压401接受到交流电压。过滤器415防止高频电流进入输入电压401或电源系统。保护414在过电流时切断电路与输入电压源或电源系统的连接，保护电源401。桥式整流器413把交流电转化成直流输入电压。变流器402把输入直流电压转换成预定功率值的直流电压给输出器件403，预定功率由参考电压407设定。电压反馈404采样灯403的电压并且把与电压成比例的信号反馈给控制器内部的信号处理器406。电流反馈405采样灯403的电流并且把与电流成比例的信号反馈给控制器内部的信号处理器406。信号处理器406收到电流反馈405和电压反馈404的信号，然后产生一个乘积信号并且送到运算放大器408。运算放大器408把来自信号处理器406的信号与参考电压407比较，然后带有增益的偏差信号送到比较器409。比较器409把来自运算放大器408的信号与锯齿波发生器410产生的锯齿波比较，然后产生信号脉冲给驱动器411。驱动器411收到比较器409产生的信号脉冲然后输出功率脉冲来控制变流器402中的主开关。主开关得以控制来输出预定功率值的直流输出功率保持灯亮光恒定。

变流器402可以是以下几种拓扑结构之一：升压拓扑，降-升压拓扑或反激拓扑。

图5展示控制器由偏差功率信号与锯齿波产生脉冲信号的过程。锯齿波由锯齿发生器410产生，偏差功率信号来自运算放大器408，而脉冲信号由比较器409产生。

现在我们把传统电压反馈与功率反馈做比较。

传统电压反馈信号是：电压误差Voltage error＝(V+delta(V))-V                (方程1)

这里V是预设电压值，delta(V)是纹波加上偏差信号。delta(V)由电压反馈采样电路误差，电阻误差，运算放大器误差，比较器误差，最小可控脉冲宽度和场效应管的特性决定。所以总有电压误差delta(V)存在。如果LED电压有微小变化，LED电流就会产生很大变化从而造成灯亮度变化。所以传统电压反馈不能保持LED灯亮度恒定从而LED灯在闪烁。

功率误差信号由以下方程产生：

功率误差Power error＝(V+delta(V))*(I+delta(I))-V*I＝V*delta(I)+I*delta(V)+delta(V)*delta(I)

delta(V)是微小量，delta(I)是微小量，所以delta(V)*delta(I)乘积更小结果可以忽略。

Power error＝V*delta(I)+I*delta(V)                                            (方程2)

LED电压通常在3到4伏之间，电流通常在100到400毫安。通常LED串连在一起甚至再并联在一起组成矩阵。这时输出电压要求在20到40伏之间。这时，电压偏差＝40*delta(I)+0.4*delta(V)。从应用的观点，电流误差放大40倍但是电压误差缩小到原来40％。所以电流最细小变化迅速察觉，从而保持灯的电流恒定并且电压恒定。因为电压小变化将会造成电流大变化从而造成灯闪烁。所以功率反馈通过更加灵敏检测电流而且检测电压来保持输出功率恒定。

图6是开关电源400的一个应用电路图，其中电压反馈环路用原边侧绕组做反馈。输入电压401是交流电压源。输出器件403是灯。过滤器415包括电感L1和电阻R1，它们构成了电磁干扰过滤器。保护414包括熔断器F1，这是过电流保护电路。桥式整流器413包括二极管D1，D2，D3和D4，它们构成桥式整流器把输入电压源401来的交流电压转换成直流电压加在电容C1上。变流器402包括反激拓扑变流器电路，输入探测电路，偏置电路和缓冲电路。电压反馈电路404包括辅助绕组T1B和电阻R7，R8.电流反馈电路405包括电阻R9。控制器412是一个集成电路控制器，具有探针Vcc，Vin，Vsense，Isense，output，gnd和其他探针。集成电路控制器具有比较器409，锯齿发生器410，运算放大器408，参考电压407，驱动器411和信号处理406，这些器件集成在控制器内部。

参考图6，反激变流电路包括一个反激拓扑电路，从桥式整流器413收到一个直流电压。变压器T1，场效应管M1，二极管D8和电容C6组成一个反激拓扑电路，把整流后的直流电压转换成预定值的直流电压。电阻R2，R3和电容C3构成输入检测电路。电容C5是一个过滤器来过滤送到集成电路控制器Vsense探针的电压反馈信号。辅助绕组T1B，二极管D7，齐纳二极管D6和电容C4构成集成电路控制器的偏置电压。电容C2，二极管D5和电阻R4构成缓冲电路来钳制场效应管M1栅极到源极的电压。

具体地说，输入电压源401的正极端连接于熔断器F1的第一节点。熔断器F1的第二节点连接于二极管D1的正极端和二极管D3的负极端。输入电压源401的负极端连接于电感L1和电阻R1的第一节点。电感1和电阻R1的第二节点相连，并且连接于二极管D2的正极端和二极管D4的负极端。二极管D1-D2的负极端与电容C1，C2，电阻R2，R4，变压器原边侧绕组T1A的第一节点相连。二极管D3-D4的正极端与地和电容C1的第二节点相连。电阻R2的第二节点与电阻R3的第一节点相连。电阻R3的第二节点与电容C1的第一节点和控制器探针Vin相连。电容C3的第二节点与地连接。电容C2的第二节点与二极管D5的负极和电阻R4的第二节点相连。二极管D5的正极与变压器原边侧的第二节点和场效应管M1的栅极相连。场效应管M1的门极与电阻R5的第二节点和电阻R6的第一节点相连。电阻R5的第一节点与控制器412的Output探针相连。场效应管M1的源极与电阻R6的第二节点，电阻R9的第一节点，和控制器412的Isense探针相连。电阻R9的第二节点与地和变压器辅助绕组T1B的第一节点相连。变压器辅助绕组T1B的第二节点与二极管D7的正极和电阻R7的第一节点相连。二极管D7的负极与二极管D6和电容C4的第一节点，控制器412的Vcc探针相连。二极管D6和电容C4的第二节点与地相连。电阻R7的第二节点与电阻R8，电容C5的第一节点和控制器412的Vsense探针相连。电阻R8，电容C5的第二节点与地相连。控制器412的GND探针与原边地相连。变压器副边侧的第二节点与二极管D8的正极相连。二极管D8的负极与电容C6的第一节点和输出器件403的正极相连。变压器副边侧的第一节点与电容C6的第二节点和输出器件403的负极相连。

参考图6，输出电压按以下方式确定：

电压Vc1是交流输入电压整流后的直流电压。Vc1电压近似等于交流电压的峰值。N2是变压器副边侧的圈数。N1是变压器原边侧的圈数。

在场效应管M1导通时，变压器T1原边侧电压是(Vc1-Io*N2/N1*R9)，变压器原边侧两端中标有“*”端相对于另一端电压为正。所以变压器T1副边侧，辅助绕组两端中标有“*”端相对于另一端电压为正。二极管D8，D7反向偏置。

在场效应管M1关断时，变压器T1原边侧电压极性改变，变压器原边侧两端中标有“*”端相对于另一端电压为负。所以变压器T1副边侧，辅助绕组两端中标有“*”端相对于另一端电压为负。二极管D8，D7正向导通。耦合到变压器原变侧的电压是Vo*(N1/N2)。N1/N2是变压器原边侧与副边侧圈数比。

在稳定状态时，变压器原边侧平均电压为0。D’＝1-D

D*(Vc1-Io*N2/N1*R9)+(-D’*Vo*(N1/N2))＝0，所以

Vo＝D*(Vc1-Io*N2/N1*R9)*(N2/N1)/D’                                  (方程3)

Vo＝Io*Rload，所以

Io＝(D/D’)*Vc1*(N2/N1)/(Rload+(D/D’)*R9*(N2/N1)*(N2/N1))           (方程4)

或Vo＝(D/D’)Vc1(N2/N1)/(1+(D/D’)*(N2/N1)^2*R9/Rload)               (方程5)

在操作中，可以通过调节占空比D来设置输出电流Io和输出电压Vo恒定，D’＝1-D

电压反馈信号：FBv＝Vo*(Naux)/Nsec*R8/(R7+R8)                         (方程6)

电流反馈信号：FBi＝Io*(Nsec)/Npri*R9                                 (方程7)

信号处理406输出信号是电压反馈信号和电流反馈信号的乘积：

FBv*FBi＝Vo*Io*(Naux/Npri)*R8*R9/(R7+R8)

功率反馈信号：FBp＝FBv*FBi＝Vo*Io*(Naux/Npri)*R8*R9/(R7+R8)                (方程8)

Naux，Npri，R7，R8 and R9是定值。所以FBp可以写成：FBp＝Vo*Io*k             (方程9)

这里k＝(Naux/Npri)*R8*R9/(R7+R8)，输出功率Po＝Vo*Io，so FBp＝Po*k          (方程10)

反馈信号送到控制器U1中的运算放大器与参考电压做比较。带有增益的偏差信号送到控制器U1内部的比较器与锯齿波比较。比较器的输出送到控制器U1内部的驱动器产生脉冲。控制器U1中的驱动器输出脉冲到场效应管M1的门极来控制输出恒定功率的直流电压加于电容C6，这样恒定输出功率使灯发出恒定亮光。

图7描述了开关电源400用光耦合器反馈的一个应用电路，其他功能块与图6相同，只有反馈404与图6不同。

具体地说，输出正极端与运算放大器U2正极端和电阻R15，R7的第一节点相连。运算放大器U2负极端与副边侧地相连。电阻R15的第二节点与光耦合器二极管正极相连。电阻R7的第二节点与电阻R10的第一节点，电阻R16和电容C5的第二节点，电阻R8的第一节点和可控分流调节器U3参考电压探针相连。光耦合器二极管负极与电容C7，C5的第一节点和可控分流调节器U3负极探针相连。电容C7的第二节点与电阻R16的第一节点相连。可控分流调节器U3正极探针与副变侧地和电阻R11的第一节点相连。电阻R8，R11的第二节点与电阻R12的第一节点相连。电阻R12的第二节点与电容C8的第二节点与运算放大器U2的反向输入端相连。运算放大器U2的正向输入端与电阻R13的第一节点相连。电阻R13的第二节点与电阻R14的第一节点，输出器件的负端相连。电阻R14的第二节点与副边侧地相连。光耦合器中的三极管的收集极连与控制器U1的Vsense探针，光耦合器中的三极管的发射极与原边侧地相连。

许多应用电路得到阐述。然而，许多电路变化或修改不会偏离发明指导思想和范围。举例，变流器拓扑结构可以用升压拓扑结构变流器。另外，以上讨论的变流器拓扑结构可以用来给多种灯供电：例如，LED，白炽灯，卤族灯，OLED等。因此，其他应用在以下声明范围之中。

Claims (7)

1.一个电源包括：

一个过滤器防止高频电流进入输入电压源；

一个保护在过电流情况下保护电源；

一个整流电路把交流电整流成直流电；

一个变流器把输入电压变成输出恒定功率的直流电压；

一个控制器调节变流器中主开关的导通时间使得输出恒定功率；

一个电压反馈电路采样输出电压把与输出电压成比例的信号反馈给控制器；

和一个电流反馈电路采样输出电流把与输出电流成比例的信号反馈给控制器。

2.权利要求1中所述的控制器包括：

一个信号处理电路能够由电压反馈信号与电流反馈信号的乘积产生一个功率反馈信号；

一个参考电压电路能够设置电压与预定电压成比例；

一个运算放大器能够比较功率反馈信号与参考电压进而产生一个有增益的功率偏差信号；

一个锯齿波发生器产生一个锯齿波信号；

一个比较器能够比较功率偏差信号和锯齿波信号从而产生脉冲信号；

和一个驱动器能够控制变流器主开关导通时间和占空比来输出恒定功率。

3.权利要求1中，输出连于一个输出器件，在一个应用中是灯。

4.权利要求1中，变流器输出恒定功率给灯使灯保持恒定亮度。

5.权利要求1中，变流器是一个反激拓扑电路。

6.权利要求1中，控制器调节变流器主开关的导通时间和占空比。

7.一个用于电源的方法，这个方法由以下构成：

把输入交流电压整流成直流电压；

把整流后的电压转化成输出直流电压；

调节变流器主开关的导通时间和占空比来输出恒定功率；

产生采样电流信号与输出电流成比例；

产生采样电压信号与输出电压成比例；

产生与输出功率成比例的功率信号；

通过比较功率信号与参考电压产生功率偏差信号；

通过比较功率偏差信号与锯齿波来产生脉冲信号；

而且把脉冲信号送去变流器主开关来控制输出恒定功率。

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