CN103079316B - 一种基于功率因数校正和原边反馈控制的led照明电源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于功率因数校正和原边反馈控制的LED驱动电路，包括：检测器，用于侦测原边变压器电压和原边电流信号，输出开关开通信号和开关关断信号；时序控制器，根据开关开通信号、开关关断信号和时钟信号输出开通逻辑信号和关断逻辑信号；驱动器，用于根据开通逻辑信号和关断逻辑信号确定开关管开通与关断时间，并且以恒定电流驱动开关管。本发明采用的功率因数校正PFC控制技术使功率因数接近1，提高供电效率，减少电网污染，采用的原边反馈PSR控制技术，在原边即可采样次级边电压及电流信号，大大减少外围器件数量，降低系统成本及成品体积，这两种控制技术的完美结合为LED照明的推广和普及提供有利条件。

Description

一种基于功率因数校正和原边反馈控制的LED照明电源控制器

技术领域

本发明涉及一种LED照明电源控制器，尤其涉及一种基于功率因数校正和原边反馈控制的LED照明电源控制器。

背景技术

传统照明技术存在发光效率低、耗电量大、使用寿命短等缺点，LED照明具有寿命长、节能、安全、绿色环保等优点，正在迅速替代传统照明。传统的LED驱动电源均由交流-直流转换器调整而来，这种系统的主要缺点一是相对传统照明来说驱动系统复杂，成本高，体积较大；二是功率因数较低，对电网污染大，对LED照明电源普及不利。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种LED照明电源控制器，通过采用原边反馈控制技术（PSR技术）减少外围电路组件，降低成本，同时引入功率因数校正技术（PFC技术）使LED照明电源系统获得高的功率因数和效率。

为了达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于功率因数校正和原边反馈控制的LED照明电源控制器，其特征在于，包括：

检测器，用于侦测原边变压器电压和原边电流信号，将关断时间的原边变压器电压与谷值基准电压进行比较得到开关开通信号，将开通时间的原边变压器电压与原边电流信号进行运算后与限流基准电压进行比较得到开关关断信号；

时序控制器，用于根据开关开通信号、开关关断信号和时钟信号确定开关的导通时间和关断时间，输出开通逻辑信号和关断逻辑信号；

驱动器，用于根据开通逻辑信号和关断逻辑信号确定开关管开通与关断时间，并且以恒定电流驱动开关管。

优选的，所述检测器包括基准电压源、谷值电压比较器、运算放大单元、限流比较器、锁存器，其中，

所述基准电压源，用于输出谷值基准电压和限流基准电压信号，提供给谷值电压比较器及限流比较器用；

所述谷值电压比较器，用于比较原边变压器电压与谷值基准电压，当原边变压器电压达到谷值时输出开关开通信号；

所述运算放大单元，用于将检测到的原边电流信号与开通时间的原边变压器电压进行运算，再进行放大处理，所得结果提供给限流比较器；

所述限流比较器，用于比较所述运算放大单元的结果与限流基准电压，输出开关关断信号；

所述锁存器，用于锁存开关开通信号和开关关断信号。

优选的，所述运算放大单元的输出端通过补偿电容接地。

优选的，所述时序控制器包括振荡器、开通时间计数器、关断时间计数器，其中，

所述振荡器，用于产生时钟信号，提供给开通时间计数器、关断时间计数器和驱动器使用；

所述开通时间计数器，用于根据开关开通信号、开关关断信号产生的导通时间和时钟信号相比较产生开通逻辑信号；

所述关断时间计数器，用于根据开关开通信号、开关关断信号产生的关断时间和时钟信号相比较产生关断逻辑信号。

优选的，所述驱动器包括基准电流源、逻辑与门和恒流驱动门；

所述基准电流源，用于输出基准电流及偏置电流信号；

所述逻辑与门，用于将开通逻辑信号、关断逻辑信号及时钟信号进行逻辑组合得到开关逻辑控制信号；

所述恒流驱动门，用于根据基准电流信号和开关逻辑控制信号驱动LED电源的开关管。

与现有技术相比，本发明所述的PFC+PSR LED照明电源控制技术通过检测器侦测LED照明电源系统的原边变压器谷值电压产生电源开通信号，由振荡器产生的固定系统时钟通过开通时间计数器确定LED照明电源开关的固定导通时间，由关断时间计数器将第N次的开关关断时间与最小/最大关断时间进行比较，以屏蔽/输出关断时间信号。最后通过恒定电流驱动器控制LED照明电源开关的开通与关断。本发明通过采用原边反馈控制技术（PSR技术）减少外围电路组件，降低成本，同时引入功率因数校正控制技术使LED照明电源系统获得高功率因数和效率。

附图说明

图1是本发明所述的LED照明电源的第一实施例的结构框图；

图2是本发明所述的LED照明电源包括的检测器的结构框图；

图3是本发明所述的LED照明电源包括的转换器的结构框图；

图4是本发明所述的LED照明电源包括的驱动器的结构框图；

图5为本发明所述的LED照明电源谷值电压采样功能时序图；

图6是本发明所述的LED照明电源的典型应用电路图；

图7是本发明所述的LED照明电源的第二实施例的结构框图；

图8是本发明所述的LED照明电源的PFC控制功能的时序图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再做进一步详细的说明。

本发明的具体实施的方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的LED光源的调节装置的第一实施例包括检测器3、时序控制器4和驱动器5；

所述检测器3的输入信号是系统原边电压/电流信号，所述检测器3的输出信号是N22，N22包括电压检测信号和电流检测信号；

所述时序控制器4的输入信号是所述检测器3的输出信号N22，所述时序控制器4输出开通信号及关断信号N23；

所述驱动器5的输入信号是转换器202输出的基准电压信号N23和经过开关电源后的电源输入信号；

所述检测器3，用于侦测原边变压器工作电压，当原边开关电压达到谷值时输出谷值电压检测信号，并结合原边反馈控制技术使系统实现可以不需要次级边的反馈电路的控制模式；

所述时序控制器4，用于确定LED照明电源开关的固定导通时间，及根据电压检测信号/电流检测信号控制LED照明电源开关的关断时间；

所述驱动器5，用于在LED光源的电源开关第N次开启后，根据控制逻辑信号调节LED光源的亮度及输入电流控制第N+1次开关的开启时间与关断时间；

N为正整数。

本发明所述的功率因数校正技术的理论推导如下，本发明所述LED照明电源采用谷值电压开启技术，由所述电压检测器检测原边变压器谷值电压得到开关开启信号，即边界导通模式。首先假设系统PF值为1可以推出瞬时输入功率的正弦平方定律，

$P_{\mathrm{in}}\left(t\right)=I_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×V_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{in},\mathrm{rms}}\×\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\×\sqrt{2}{V}_{\mathrm{in},\mathrm{rms}}\×\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

$={2P}_{\mathrm{out}}\×\sin {\left(\mathrm{\ωt}\right)}^2$

在边界导通模式下，周期平均电流为其峰值的一半，即

${\left(I_{\mathrm{in},\mathrm{ave}}\right)}_{T_{\mathrm{SW}}}=\frac{I_{L,\mathrm{peak}}\left(t\right)}{2}$

峰值电流限制点随整流输入电压变化而变化，即

$I_{L,\mathrm{peak}}\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{in}}\left(t\right)}{L}{t}_{\left(\mathrm{on}\right)}$

式中V_in(t)表示全波整流输入电压

瞬时输入功率为瞬时输入电流与瞬时输入电压之积，系统瞬时输入电流实际上是开关周期内电感电流平均值的时间连续函数，即

$P_{\mathrm{in}}\left(t\right)=I_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×V_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{I_{L,\mathrm{peak}}}{2}\×V_{\mathrm{in}}\left(t\right)$

由上两式峰值电流相等可得

$\frac{{2P}_{\mathrm{in}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{in}}\left(t\right)}=\frac{V_{\mathrm{in}}\left(t\right)}{L}{t}_{\left(\mathrm{on}\right)}$

从上式中可以推出瞬时导通时间

$t_{\left(\mathrm{on}\right)}=\frac{{2P}_{\mathrm{in}}\left(t\right)L}{V_{\mathrm{in}}{\left(t\right)}^2}$

结合之前推得的瞬时输入功率的正弦平方定律，并假设效率为100%（不影响推导结果）可以推出

$t_{\left(\mathrm{on}\right)}=\frac{{2P}_{\mathrm{out}}\×\sin {\left(\mathrm{\ωt}\right)}^{2}L}{{[V_{\mathrm{in},\mathrm{rms}}\×\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)]}^2}=\frac{{2\mathrm{LP}}_{\mathrm{out}}}{{V_{\mathrm{in},\mathrm{rms}}}^2}$

由上式可以看出，当系统工作于稳态边界模式时，导通时间在电源周期内保持恒定即可使PF值为1，同时由于峰值电流由电流检测器进行控制并随整流输入电压变化而变化，因此在稳态时可以得到恒定的平均电流，从而完成LED照明电源的恒流驱动功能。

本发明在此理论基础上进行系统设计，由电压检测器采样原边变压器电压，通过采样单元采样开通时间变压器电压即输入整流电压，并将其与电流检测器采样到的开通电流信号进行运算，得到的信号与基准电压进行比较得到开关关断信号，确定固定导通时间，从而完成功率因数校正，同时由于电流信号由输入整流电压确定，从而得到恒定的平均电流。电压检测器同时采样关断时间变压器电压，并将其与谷值基准电压进行比较得到开关开通信号。

本发明通过完善的系统设计在不增加外围电路和额外成本实现了功率因数校正，使LED照明电源系统获得接近于1的功率因数，同时得到恒定驱动电流，从而完成PSR+PFCLED照明电源设计。

实施时，本发明所述的LED光源的调节装置可以由一个控制器实现。

如图2所示，所述检测器3包括谷值电压比较器304、基准电压源305、限流比较器306、锁存器307、运算放大单元310；

所述谷值电压比较器304的第一输入信号是由变压器302采样原边变压器电压，通过电阻采样网络303得到变压器电压信号N303，经过采样单元输入到谷值电压比较器，第二输入信号是基准电压源305的输出信号谷值基准电压N307；

所述基准电压源305的输出信号是谷值基准电压N307输出至谷值电压比较器304，峰值限流基准电压N308输出至限流比较器306；

所述运算放大单元310的第一输入信号是原边电流采样电压N304，第二输入信号是输入整流电压信号N305，输出信号是随原边电压变化的原边电流采样信号N306；

所述限流比较器306的第一输入信号是由变压器302采样原边变压器电压，通过电阻采样网络303得到变压器电压信号N303，经过采样单元得到输入整流电压信号N305，经运算放大单元310与采样电流信号N304运算放大后得到N306输入到限流比较器306，第二输入信号是基准电压源305的输出信号限流基准电压N308；

所述锁存器307的第一输入信号是谷值电压比较器的输出信号N309，第二输入信号是限流比较器306的输出信号N310，第一输出信号是开关开通信号N311，第二输出信号是开关关断信号N312；

所述的LED照明电源的第N次电源开关的开通时间Ton的确定是以谷值电压比较器的输出信号控制LED照明电源开关开启为计时起点，是以限流比较器的输出信号控制LED照明电源开关关断为计时的终点；

所述的LED光源的电源开关的第N次关断时间Toff的确定是以限流比较器的输出信号控制LED照明电源开关关断为第N次开关关断计时的起点，以谷值电压比较器的输出信号控制LED照明电源开关开启为第N次开关关断计时的终点；

所述锁存器307，用于当谷值电压比较器304发出的第N次LED照明电源开关开通信号N309有效时，将开通信号N309输出至N311并锁存，直到限流比较器306发出的第N次LED照明电源开关关断信号N310有效时将N310输出至N312并锁存，直到第N+1次谷值电压比较器304发出LED照明电源开关开通信号。

如图3所示时序控制器4包括开通时间计数器403、振荡器402、关断时间计数器404，其中，

所述开通时间计数器403的第一输入信号是LED照明电源开关开通信号N311，第二输入信号是LED照明电源开关关断信号N312，第三输入信号是由振荡器402产生的时钟信号N41，输出信号是LED照明电源开关开通逻辑信号N43；

所述振荡器402，用于产生内部时钟信号N41、N42分别输出至开通时间计数器403及关断时间计数器404。

所述关断时间计数器404的第一输入信号是LED照明电源开关关断信号N312，第二输入信号是LED照明电源开关开通信号N311，第二输入信号是由振荡器402产生的时钟信号N41，输出信号是LED照明电源开通逻辑信号N44；

所述开通时间计数器403将LED照明电源开关开通信号N311、LED照明电源开关关断信号N312共同产生的导通时间与振荡器402产生时钟信号N41进行比较，不小于时钟信号确定的最小导通时间且不大于时钟信号确定的最大导通时间时输出LED照明电源关断逻辑信号N43；

所述关断时间计数器404将LED照明电源开关关断信号N312、LED照明电源开关开通信号N311共同产生的关断时间与振荡器402产生时钟信号N42进行比较，不小于时钟信号确定的最小关断时间且不大于时钟信号确定的最大关断时间时输出LED照明电源开通逻辑信号N44；

如图4所示驱动器5包括基准电流源502、逻辑与门503和恒流驱动门504；

所述基准电流源502输出第一基准电流信号N51、第二基准电流信号N52，所述第一基准电流N51用于给系统其它模块提供偏置电流，所述第二基准电流N52用作恒流驱动门504的输入；

所述逻辑与门503的第一输入信号是LED照明电源开关开通信号N43，第二输入信号是LED照明电源开关关断信号N44，第三输入信号是时钟信号N45，输出信号是开关逻辑控制信号N53；

所述恒流驱动门504的第一输入信号是开关逻辑控制信号N53，第二输入信号是基准电流信号N52，输出信号是开关逻辑恒流驱动信号N54；

所述逻辑与门503的作用是将LED照明电源开关开通信号、关断信号及时钟信号进行逻辑组合得到开关逻辑控制信号N53；

所述恒流驱动门504的作用是将开关逻辑控制信号N53转换为开关逻辑恒流驱动信号N54，以驱动LED照明电源开关MOS管505。

如图5所示，原边电压/电流及采样电压时序图，可以看出当变压器原边电流达到峰值限流点Ipk时开关关断，系统进入关断时间，变压器原边电流逐渐下降同时功率管漏源电压也逐渐下降，当电压达到谷值检测点开关打开，系统进入导通时间，变压器原边电流逐渐上升达到峰值限流点Ipk；

图6是本发明所述的PFC+PSR LED照明电源控制器的应用的电路图。

如图6所示，本发明所述的PFC+PSR LED照明电源控制器应用于的电路包括桥式整流器602、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、变压器603、辅助绕组605、电阻网络606、电流采样电阻607、开关管T和LED光源608。

图7是本发明所述的PFC+PSR LED照明电源控制器的第二实施例的电路图。本发明所述的LED照明电源控制器的第二实施例基于本发明所述的LED照明电源控制器的第一实施例（图1），是第一实施例的具体实现电路。

如图7所示，本发明所述的LED照明电源控制器的第二实施例包括检测器3、时序控制器4和驱动器5，其中，

所述检测器3包括谷值电压比较器304、基准电压源305、限流比较器306、锁存器307、运算放大单元310；

所述谷值电压比较器304的第一输入信号是由变压器302采样原边变压器电压，通过电阻采样网络303得到变压器电压信号N303，经过采样单元输入到谷值电压比较器，第二输入信号是基准电压源305的输出信号谷值基准电压N307；

所述基准电压源305的输出信号是谷值基准电压N307输出至谷值电压比较器304，峰值限流基准电压N308输出至限流比较器306；

所述运算放大单元310的第一输入信号是原边电流采样电压N304，第二输入信号是输入整流电压信号N305，输出信号是随原边电压变化的原边电流采样信号N306；

所述运算放大单元310的输出端N306通过外部的第一电容C1接地，该电容C1作为LED照明电源控制器的补偿电容；

所述限流比较器306的第一输入信号是由变压器302采样原边变压器电压，通过电阻采样网络303得到变压器电压信号N303，经过采样单元得到输入整流电压信号N305，经运算放大单元310与采样电流信号N304运算放大后得到N306输入到限流比较器306，第二输入信号是基准电压源305的输出信号限流基准电压N307；

所述锁存器307的第一输入信号是谷值电压比较器的输出信号N309，第二输入信号是限流比较器306的输出信号N310，第一输出信号是开关开通信号N311，第二输出信号是开关关断信号N312；

所述的LED照明电源的第N次电源开关的开通时间Ton的确定是以谷值电压比较器的输出信号控制LED照明电源开关开启为计时起点，是以限流比较器的输出信号控制LED照明电源开关关断为计时的终点；

所述的LED光源的电源开关的第N次关断时间Toff的确定是以限流比较器的输出信号控制LED照明电源开关关断为第N次开关关断计时的起点，以谷值电压比较器的输出信号控制LED照明电源开关开启为第N次开关关断计时的终点；

所述锁存器307，用于当谷值电压比较器304发出的第N次LED照明电源开关开通信号N309有效时，将开通信号N309输出至N311并锁存，直到限流比较器306发出的第N次LED照明电源开关关断信号N310有效时将N310输出至N312并锁存，直到第N+1次谷值电压比较器304发出LED照明电源开关开通信号。

所述时序控制器4包括开通时间计数器403、振荡器402、关断时间计数器404，其中，

所述开通时间计数器403的第一输入信号是LED照明电源开关开通信号N311，第二输入信号是LED照明电源开关关断信号N312，第三输入信号是由振荡器402产生的时钟信号N41，输出信号是LED照明电源开关开通逻辑信号N43；

所述振荡器402，用于产生内部时钟信号N41、N42分别输出至开通时间计数器403及关断时间计数器404。

所述关断时间计数器404的第一输入信号是LED照明电源开关关断信号N312，第二输入信号是LED照明电源开关开通信号N311，第二输入信号是由振荡器402产生的时钟信号N41，输出信号是LED照明电源开通逻辑信号N44；

所述开通时间计数器403将LED照明电源开关开通信号N311、LED照明电源开关关断信号N312共同产生的导通时间与振荡器402产生时钟信号N41进行比较，不小于时钟信号确定的最小开通时间且不大于时钟信号确定的最大开通时间时输出LED照明电源关断逻辑信号N43；

所述关断时间计数器404将LED照明电源开关关断信号N312、LED照明电源开关开通信号N311共同产生的关断时间与振荡器402产生时钟信号N42进行比较，不不小于时钟信号确定的最小关断时间且不大于时钟信号确定的最大关断时间时输出LED照明电源开通逻辑信号N44；

所述驱动器5包括基准电流源502、逻辑与门503和恒流驱动门504；

所述基准电流源502输出第一基准电流信号N51、第二基准电流信号N52，所述第一基准电流N51用于给系统其它模块提供偏置电流，所述第二基准电流N52用作恒流驱动门504的输入；

所述逻辑与门503的第一输入信号是LED照明电源开关开通信号N43，第二输入信号是LED照明电源开关关断信号N44，第三输入信号是时钟信号N45，输出信号是开关逻辑控制信号N53；

所述恒流驱动门504的第一输入信号是开关逻辑控制信号N53，第二输入信号是基准电流信号N52，输出信号是开关逻辑恒流驱动信号N54；

所述逻辑与门503的作用是将LED照明电源开关开通信号、关断信号及时钟信号进行逻辑组合得到开关逻辑控制信号N53；

所述恒流驱动门504的作用是将开关逻辑控制信号N53转换为开关逻辑恒流驱动信号N54，以驱动LED照明电源开关MOS管505。

所示图8体现了采用PFC控制技术后的原边输入电流与整流输入电压的关系，可以看到经PFC控制技术调制后，PF值接近1。

本发明适用于带有电源开关的所有LED光源的驱动电源。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、采用PFC控制技术，使输入电流跟随输入电压变化，达到PF接近1，提高供电效率，减少电网污染；

2、采用PSR控制技术，在原边即可采样次级边电压及电流信号，大大减少外围器件数量，降低系统成本及成品体积；

3、采用谷值电压采样开通技术，减小开关损耗，提高系统效率；

4、本发明结合了PSR与PFC控制技术，使系统具备优异性能的同时减小了系统成本及成品体积，为LED照明的推广和普及提供有利条件。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于功率因数校正和原边反馈控制的LED照明电源控制器，其特征在于，包括：检测器、时序控制器和驱动器；

所述检测器用于侦测原边变压器电压和原边电流信号，将关断时间的原边变压器电压与谷值基准电压进行比较得到开关开通信号，将开通时间的原边变压器电压与原边电流信号进行运算后与限流基准电压进行比较得到开关关断信号；所述检测器包括基准电压源、谷值电压比较器、运算放大单元、限流比较器、锁存器，其中，所述基准电压源，用于输出谷值基准电压和限流基准电压信号，提供给谷值电压比较器及限流比较器用；所述谷值电压比较器，用于比较原边变压器电压与谷值基准电压，当原边变压器电压达到谷值时输出开关开通信号；所述运算放大单元，用于将检测到的原边电流信号与开通时间的原边变压器电压进行运算，再进行放大处理，所得结果提供给限流比较器；所述限流比较器，用于比较所述运算放大单元的结果与限流基准电压，输出开关关断信号；所述锁存器，用于锁存开关开通信号和开关关断信号；

所述时序控制器用于根据开关开通信号、开关关断信号和时钟信号确定开关的导通时间和关断时间，输出开通逻辑信号和关断逻辑信号；所述时序控制器包括振荡器、开通时间计数器、关断时间计数器，其中，所述振荡器，用于产生时钟信号，提供给开通时间计数器、关断时间计数器和驱动器使用；所述开通时间计数器，用于根据开关开通信号、开关关断信号产生的导通时间和时钟信号相比较产生开通逻辑信号；所述关断时间计数器，用于根据开关开通信号、开关关断信号产生的关断时间和时钟信号相比较产生关断逻辑信号；

所述驱动器用于根据开通逻辑信号和关断逻辑信号确定开关管开通与关断时间，并且以恒定电流驱动开关管；所述驱动器包括基准电流源、逻辑与门和恒流驱动门；所述基准电流源，用于输出基准电流及偏置电流信号；所述逻辑与门，用于将开通逻辑信号、关断逻辑信号及时钟信号进行逻辑组合得到开关逻辑控制信号；所述恒流驱动门，用于根据基准电流信号和开关逻辑控制信号驱动LED电源的开关管。

2.如权利要求1所述的基于功率因数校正和原边反馈控制的LED照明电源控制器，其特征在于：

所述运算放大单元的输出端通过补偿电容接地。