CN103124463A

CN103124463A - 一种高功率因数的led照明装置

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Publication number: CN103124463A
Application number: CN2013100264734A
Authority: CN
Inventors: 石崇源
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: CN103124463B

Abstract

本发明涉及一种高功率因数的LED照明装置。解决现有技术中各LED装置存在的功率因数低的问题。照明装置包括整流电路、控制模块和LED阵列，控制模块连接在整流电路和LED阵列之间，LED阵列包括m个相并联的LED串，每个LED串由m个不同LED灯串联个数的LED组串联而成，控制模块包括m个开关，开关连接在LED阵列上。本发明具有的优点是：采用一个不等长串LED组合，随着LED串的长度增加，并联的宽度也同时增加，不仅使得电压时按照正弦规律变化，而且使得电流也是按照正弦或者近似正弦的规律变化，这样其消耗的功率按照或近似一个正弦平方的规律变化，接近交流电功率的功率变化规律，实现了一个最接近1的功率因数。

Description

一种高功率因数的LED照明装置

技术领域

本发明涉及一种交流LED照明装置，尤其是涉及一种高效率、低消耗的高功率因数的LED照明装置。

背景技术

LED无污染和高效率发光已经被认为是目前最好的照明装置。但是由于LED的低电压直流驱动特性，无法直接应用在生活中普遍部署的交流电系统中。于是各种将高压交流电转换为低压直流电的LED驱动方法被应用。

电容降压最早用于市场的LED照明驱动方法，但是由于LED的电流特性的离散性，非常容易造成某一支LED过流烧毁，由于将低压器件用于高压电源，必须采用LED串联的方式，一支LED的损坏会造成连锁反应，造成灯具失效。于是出现了各种改进，如申请号为201110177584.6的专利，公开了一种声光控制延时LED灯电路，该专利试图通过在电路中连接恒流单元，解决过流问题。

随着对电源效率的要求提高，出现了大量类似申请号为201120422838.1的专利，该专利公开了一种照明用LED驱动器，专利中使用DC/DC变换器方式。但是系统构成复杂、对电网有谐波污染、功率因数不高。提高功率因数的代价就是进一步增加驱动成本，同时带来电源效率的降低。

为了在201110177584.6号专利的低成本、低效率和201120422838.1号专利的高成本高效率中间取得平衡，出现了以200710142585.0号专利为代表的电压分段恒流控制的方法。试图继承201110177584.6专利的低成本、无谐波污染，同时具有201120422838.1号专利的电源利用率。而200910172323.8号专利是前一个200710142585.0号专利的方式的改动，将串联开关和控制改为独立开关控制。201210134214.9号专利试图进一步提高LED利用率。

用电器的功率因数在照明大面积普及应用的时候将凸现其重要性。但是上述努力都存在一个重大缺陷就是对于功率因数的考虑。这些专利显然都注意到了功率因数的问题，但是或者由于方法本身的原因，或者因为对功率因数理解的缺失，都没有能很好的解决这个问题。现有的LED装置都是等长串并联或者等量并联器件串联，其结果是其功率消耗是一个常数。而一个交流电的功率是频率50赫兹以正弦平方变化的功率源。因此交流电驱动LED照明本质上就成为一个怎样将LED器件连接成一个与电源变化规律相等的负载。现有的所有LED驱动方式，都采用常数功率负载的连接方式，必然不可能有较高的功率因数。而要想将一个常数功率负载具有较高的功率因数，必然要控制系统完成这一转变，而且必然要付出代价。高的功率因数不仅仅是电流和电压相位一致的问题，而是不仅相位一致，还要各自按照正弦规律变化。现有的所有LED驱动要么LED导通的电压电流相位不一致；要么是相位一致但是只注意了电压按照正弦规律变化，而电流没有按照正弦或者近似正弦的规律变化。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中各LED装置存在的功率因数低的问题，提供了一种高效率、低消耗的高功率因数的LED照明装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种高功率因数的LED照明装置，包括整流电路、控制模块和LED阵列，控制模块连接在整流电路和LED阵列之间，

LED阵列，包括m个相并联的LED串，每个LED串由m个不同LED灯串联个数的LED组串联而成；

控制模块，包括有开关单元，所述开关单元具有m个开关，这些开关的输入端依次与LED阵列相连接，开关的输出端接地：第1个开关电路的输入端与第1个LED串第1个LED组的输入端相连接，第2个开关电路的输入端分别与第1个LED串第2个LED组输入端、第2个LED串第2个LED组输入端相连接，如此类推连接直至第m个开关电路的输入端分别与m个LED串的第m个LED组输入端相连接；所述控制模块判断整流电路输出电压的大小，并根据判断结果控制其中一个开关电路导通，使得与该开关电路连接的LED组导通。本发明中LED阵列为m×m的阵列，LED阵列采用混联的方式为LED串分别由不等长串的LED组串联而成，每个LED串的串长一样，该LED阵列再和控制模块的开关电路连接，以开关电路与LED阵列连接的点将每个LED串分成若干段，第一个LED串被分成m段，第二个LED串被分成m-1段，如此类推到第m个LED串则是只有1段，这样形成了一个不等段串的混联方式。控制模块根据整流电路输入电压的情况，控制对应的开关电路导通，当电压越大，该LED串的串联的长度增加，并且并联的宽度也同时增加，不仅使得电压是按照接近正弦规律变化，而且使得电流也是按照正弦或者近似正弦的规律变化，这样其消耗的功率按照或近似一个正弦平方的规律变化，接近交流电功率的功率变化规律，实现了一个最接近1的功率因数。

作为一种优选方案，所述控制模块还包括基准电压单元、比较单元和选择单元，所述基准电压单元由m+2个基准电阻串联而成，该基准电压单元连接在整流电路输入输出端之间；所述比较单元包括m+1个比较器，这些比较器的正向输入端按顺序分别连接在m个由基准电压单元中两相邻基准电阻相连而成的连接点上，这些比较器的反向输入端连接在整流电路的输入端上；所述选择单元包括m个异或门，所述比较器中两相邻比较器的输出端分别与一个异或门的两输入端连接，异或门的输出端按顺序分别与开关单元开关的控制端相连。该基准电压由基准电压单元中相邻基准电阻之间的电压而得到，即各基准电阻将整理电路的输入端上的电压分压成m+1个不同的基准电压V_s1、V_s2、……、V_sm+1 ，而这些比较器的正向输入端按顺序依次连接在这些基准电压所在的连接点上。在整流电路上设置有比较基准电压点，该处的比较基准电压V_ref与基准电压单元生成的基准电压不同，比较基准电压为一个不变值或变动范围很小的值，比较基准电压用来与各基准电压进行比较，即通过比较器对该比较基准电压与基准电压进行比较，然后输出信号给异或门。异或门对输入信号进行逻辑判断后发送信号给开关单元的开关，控制开关导通或断开。

所述LED串串联的LED灯数即串长n根据不同供电电压确定，串长n由公式n = int（1.414 V _AC / V_LEDmax）确定，其中int为取整函数，V_AC是交流供电电压，V_LEDmax是单只LED灯的最高允许电压。该照明装置应用在220V的交流电场合，n为88，如果应用在110V的交流电场合，n为44。

所述LED串的LED组的数量m由公式int（ln（V_ACmin / V_LEDmin /n）/（V_LEDmin / V_LEDmax））确定，所述LED串数量与构成LED串的LED组数量相对应，其中ln为对数函数，V_ACmin是设计需要的最小启动电压，V_LEDmin是单只LED器件启动电压。本方案中若取V_LEDmin = 2.5V，V_LEDmax = 3.5V，V _AC = 220，V_ACmin = 30V时，LED串的LED组数量m = 7；而若取V _AC= 110V时，m = 5。

所述LED串中每一个不同LED串联个数的LED组的串联数由公式N_m = n（V_LEDmin /V_LEDmax）^│m-1│ （1 — V_LEDmin /V_LEDmax）确定。根据该公式可以算出LED串中各LED组的LED灯串联数，各LED组的LED灯串联数相加等于该LED串的串长。

作为一种优选方案，在整流电路和LED阵列之间连接有恒流源模块，所述恒流源模块由m个恒流源并联而成，恒流源输入端与整流电路的输入端相连，恒流源的输出端分别与LED阵列中m个LED串对应相连接。恒流源模块给LED阵列输入恒定的电流。

作为一种优选方案，所述整流电路输入端上连接有比较基准电压模块，比较基准电压模块包括电压调整器、电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和稳压二极管D，所述电压调整器输入端与整流电路相连，电压调整器输出端连接在电阻R1一端，电阻R1另一端依次与分压电阻R2和分压电阻R2串联后接地，稳压二极管反向并联在分压电阻R2和分压电阻R3上，所述控制模块的比较单元的比较器反相输入端连接在分压电阻R2和分压电阻R3之间连接点上，在电压调整器输出端上还分别连接有电源VCC和电容C，电容C另一端接地。分压电阻R2和分压电阻R3之间连接点的电压形成为比较基准电压V_ref ，该比较基准电压模块保证比较基准电压V_ref为一个不变值或变动范围很小的值，用来与各基准电压进行比较。

作为一种优选方案，在LED阵列与整流电路输入端连接线路上还串联有保护模块。LED阵列所有LED灯都处在保护模块的保护下，当电源电压高于n*3.5时，保护模块自动切断电源或将LED灯置于保护状态，而且当电源电压回落在正常电压时，保护模块自动恢复正常，使得照明装置回复正常运行。

因此，本发明具有的优点是：采用一个不等长串LED组合，随着LED串的长度增加，并联的宽度也同时增加，不仅使得电压时按照正弦规律变化，而且使得电流也是按照正弦或者近似正弦的规律变化，这样其消耗的功率按照或近似一个正弦平方的规律变化，接近交流电功率的功率变化规律，实现了一个最接近1的功率因数。

附图说明

附图1是本发明的一种电路结构示意图；

附图2是本发明中LED阵列点亮的一种示意图；

附图3是本发明中LED阵列点亮的第二种示意图；

附图4是本发明中LED阵列点亮的第三种示意图；

附图5是本发明的功率变化图。

1-比较基准电压模块 2-控制模块 4-恒流源模块 5-LED阵列 12-整流电路 13-电压调整器 20-基准电压单元 21-比较单元 22-选择单元 23-开关单元

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种高功率因数的LED照明装置，如图1所示，其包括有整流电路12、保护模块1、控制模块2、恒流源模块4和LED阵列5。该LED阵列由m个LED串并联构成，每个LED串都是由m个不同LED灯串联个数的LED阻串联而成。LED阵列通过恒流源模块与整流电路输入端相连。该恒流源模块包括有数量与LED阵列中LED串数量相对应个恒流源，这些恒流源分别与LED串相串联。

比较基准电压模块1连接在整流电路12输入端和地之间，该比较基准电压模块包括电压调整器13、电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和稳压二极管D，该电压调整器输入端与整流电路输出端相连，电压调整器输出端连接在电阻R1一端，电阻R1另一端依次与分压电阻R2和分压电阻R2串联后接地，稳压二极管反向并联在分压电阻R2和分压电阻R3上，在分压电阻R2和分压电阻R3之间连接点形成的电压为比较基准电压V_ref，在电压调整器输出端上还分别连接有电源VCC和电容C，电容C另一端接地。

控制模块包括有基准电压单元20、比较单元21、旋转单元22、和开关单元23。基准电压单元由m+2个基准电阻串联而成，该基准电压单元连接在整流电路输入和输出端之间，比较单元包括m+1个比较器，这些比较器的正向输入端按顺序分别连接在m个由基准电压单元中两相邻基准电阻相连而成的连接点上，这些比较器的反向输入端连接在保护模块中分压电阻R2和分压电阻R3之间连接点上。开关单元具有m个开关，这些开关的输入端依次与LED阵列相连接，开关的输出端接地，即第1个开关电路的输入端与第1个LED串第1个LED组的输入端相连接，第2个开关电路的输入端分别与第1个LED串第2个LED组输入端、第2个LED串第2个LED组输入端相连接，如此类推连接直至第m个开关电路的输入端分别与m个LED串的第m个LED组输入端相连接，这样构成一个串联和并联混联的结构。

本实施例以LED装置应用在交流电220V的场合为例，该LED阵列中LED串其串联的LED灯数即串长n根据不同供电电压确定，该串长n的公式为：n = int（1.414 V _AC / V_LEDmax）确定，其中int（）为取整函数，V_AC是交流供电电压，V_LEDmax是单只LED灯的最高允许电压。在V_AC=220V时，V_LEDmax = 3.5V，这样得出LED串串长n=88。LED串中LED组的数量m由公式int（ln（V_ACmin / V_LEDmin * n — V_LEDmin / V_LEDmax））确定，其中ln（）为对数函数，V_ACmin是设计需要的最小启动电压，V_LEDmin是单只LED器件启动电压，本方案中V_LEDmin = 2.5V，V_LEDmax = 3.5V，V _AC = 220，V_ACmin = 30V，则可以算出LED串的LED组数量m = 7，该LED串数量与构成LED串的LED组数量相对应，如图1所示，这样就组成了一个7*7的LED阵列。LED组是由不同数量LED灯串联而成，图1中为了方便表示，将各LED组用一个LED灯符号表示。LED串中每一个不同LED串联个数的LED组的串联数由公式N_m = n（V_LEDmin /V_LEDmax）^│m-1│ （1 — V_LEDmin /V_LEDmax）确定，可以算出7个LED组的串联数分别为N₁=12，N₂=4，N₃=7，N₄=9，N₅=13，N₆=18，N₇=25。当一个LED子串的工作电压超过最大允许电压以后，立刻转换到下一级，而下一级LED子串的串联个数应当满足最小启动电压条件，则每一级的启动电压就是控制电路的控制电压，7个控制电压分别驱动

N₁=12、

N₁+ N₂=16、

N₁+ N₂ + N₃=23、

N₁+ N₂ + N₃+ N₄=32、

N₁+ N₂ + N₃+ N₄+ N₅=45、

N₁+ N₂ + N₃+ N₄+ N₅+ N₆=63、

N₁+ N₂ + N₃+ N₄+ N₅+ N₆+ N₇=88 只LED。另外在LED阵列与整流电路输入端连接线路上还串联有保护模块，当电源电压高于n*3.5时，保护模块自动切断电源或将LED灯置于保护状态，而且当电源电压回落在正常电压时，保护模块自动恢复正常，使得照明装置回复正常运行。

基准电压单元20由9个基准电阻串联而成，这些基准电阻分别为201、202、……、209，基准电阻201的一端连接在整流电路输出端上，基准电阻209的一端接地。该基准电压由基准电压单元中相邻基准电阻之间的电压而得到，即各基准电阻将整理电路的输入端上的电压分压成m+1个不同的基准电压V_s1、V_s2、……、V_s8，在这里，V_s8< V_s7<……< V_s1。

比较器单元用于比较比较基准电压V_ref和基准电压V_s1、V_s2、……、V_s8，从而生成表示电压大小关系的比较结果信号。该比较单元由8个比较器构成，这些比较器分别为比较器211、212、……、218，各比较器进行动作，当反相输入端电压大于等于同相输入端电压时，使得输出为逻辑低电平，当反相输入端电源小于同相输入端电压时，使得输出为逻辑高电平。具体的情况是各比较器的反相输入端分别连接到保护模块的分压电阻R2和分压电阻R3之间的连接点上，即比较基准电压输入到各比较器的反相输入端上。而比较器211的正相输入端则连接在基准电阻201和基准电阻202之间，比较器接下来相同的，直至比较器218的正相输入端连接在基准电阻208和基准电阻209之间。

选择电路22包括有7个异或门，分别为异或门221、222、……、227，比较器中两相邻比较器的输出端分别与一个异或门的两输入端连接，如比较器211和比较器212的输出端分别连接在异或门221的两个输入端上，比较器212和比较器213的输出端分别连接在异或门222的两个输入端上，以此类推连接，直到比较器217和比较器218的输出端分别连接到异或门227的两个输入端上。

开关单元包括7个开关，分别为开关231、232、……、237，这里该开关采用NMOS晶体管，该开关的漏极与LED阵列连接，源极接地，栅极与异或门连接，具体的，异或门221的输出端与开关231的栅极连接，异或门222的输出端与开关232的栅极连接，以此类推连接，直到异或门227的输出端与开关237的栅极连接。

LED阵列中每个LED串的LED灯数量是一样的，都是88个，每个LED串分别由7个LED组串联而成，7个LED组为不同串联数的LED组，如拿第一个LED串为例，该LED串包括LED组511、LED组512、……、LED组517，按照上述的公式计算得出每个LED组串联书，分别为LED511的LED灯串联数为12个，LED512的LED灯串联数为4个，到LED517，其LED灯串联数为25个，这样7个LED组的串联数相加为88个，其他6组LED串相同。如图1所示，开关231的漏极连接在LED组511和LED组521之间，开关232的漏极分别连接在LED组512和LED组523、LED组522和LED组523之间，以此类推连接，开关236的漏极则是分别连接在LED组516和LED组517、LED组526和LED组527、LED组536和LED组537、LED组546和LED组547、LED组556和LED组557、LED组566和LED组567之间，最后一个开关237的漏极分别与LED组517、……、LED组577的负极连接。

本实施例在工作时，当基准电压都小于比较基准电压V_ref时，各比较器都输出低电平，各异或门的输出也都是低电平，各开关都不导通，LED阵列中都没有点亮。

随着整流电路电压的变化，当基准电压V_s1大于等于比较基准电压V_ref时，其他基准电压都小于比较基准电压时，只有比较器211输出高电平，则只有异或门211输出高电平，开关231导通，LED阵列中只有LED组511点亮，如图2所示，图中填充图像的LED组的表示点亮。

当基准电压V_s2大于等于比较基准电压V_ref时，当然基准电压V_s1也大于比较基准电压，而其他基准电压都小于比较基准电压，此时，比较器211和212输出高电平，则异或门221输出低电平，开关231关闭。比较器212输出高电平，其他比较器都输出低电平，这样只有异或门222输出高电平，开关232导通，本实施例中控制模块根据整流电路电压变化在同一时间只控制一个开关导通。如图3所示，此时LED组511、LED组512、LED组521和LED组522点亮，可以看出在串联长度增长的同时并联的宽度也增加了。

依次类推，到基准电压V_s8大于等于比较基准电压V_ref时，此时只有开关237导通，如图4所示，LED阵列所有LED组都点亮。

本发明控制模块根据整流电路输入电压的情况，控制对应的开关电路导通，当电压越大，该LED串的串联的长度增加，并且并联的宽度也同时增加，不仅使得电压时按照正弦规律变化，而且使得电流也是按照正弦或者近似正弦的规律变化，这样其消耗的功率按照或近似一个正弦平方的规律变化，如图5所示，接近交流电功率的功率变化规律，实现了一个最接近1的功率因数。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了比较基准电压模块、控制模块、恒流源模块、LED阵列、整流电路、电压调整器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种高功率因数的LED照明装置，包括整流电路、控制模块和LED阵列，控制模块连接在整流电路和LED阵列之间，其特征在于：

LED阵列（5），包括m个相并联的LED串，每个LED串由m个不同LED灯串联个数的LED组串联而成；

控制模块（2），包括有开关单元（23），所述开关单元具有m个开关，这些开关的输入端依次与LED阵列相连接，开关的输出端接地：第1个开关电路的输入端与第1个LED串第1个LED组的输入端相连接，第2个开关电路的输入端分别与第1个LED串第2个LED组输入端、第2个LED串第2个LED组输入端相连接，如此类推连接直至第m个开关电路的输入端分别与m个LED串的第m个LED组输入端相连接；所述控制模块判断整流电路输出电压的大小，并根据判断结果控制其中一个开关电路导通，使得与该开关电路连接的LED组导通。

2.根据权利要求1所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是所述控制模块（2）还包括基准电压单元（20）、比较单元（21）和选择单元（22），所述基准电压单元由m+2个基准电阻串联而成，该基准电压单元连接在整流电路输入和输出端之间；所述比较单元（21）包括m+1个比较器，这些比较器的正向输入端按顺序分别连接在m个由基准电压单元中两相邻基准电阻相连而成的连接点上，这些比较器的反向输入端连接在整流电路的输入端上；所述选择单元（22）包括m个异或门，所述比较器中两相邻比较器的输出端分别与一个异或门的两输入端连接，异或门的输出端按顺序分别与开关单元（23）开关的控制端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是所述LED串串联的LED灯数即串长n根据不同供电电压确定，串长n由公式n = int（1.414 V _AC / V_LEDmax）确定，其中int（）为取整函数，V_AC是交流供电电压有效值，V_LEDmax是单只LED灯的最高允许电压。

4.根据权利要求3所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是所述LED串的LED组的数量m由公式int（ln（V_ACmin / V_LEDmin /n）/（V_LEDmin / V_LEDmax））确定，所述LED串数量与构成LED串的LED组数量相对应，其中ln（）为自然对数函数，V_ACmin是设计需要的最小启动电压，V_LEDmin是单只LED器件启动电压。

5.根据权利要求4所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是所述LED串中每一个不同LED串联个数的LED组的串联数由公式N_m = n（V_LEDmin /V_LEDmax）^│m-1│ （1 — V_LEDmin /V_LEDmax）确定。

6.根据权利要求2所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是在整流电路（12）和LED阵列之间连接有恒流源模块（4），所述恒流源模块由m个恒流源并联而成，恒流源输入端与整流电路的输入端相连，恒流源的输出端分别与LED阵列（5）中m个LED串对应相连接。

7.根据权利要求6所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是所述整流电路（12）输入端上连接有比较基准电压模块（1），比较基准电压模块包括电压调整器（13）、电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和稳压二极管D，所述电压调整器输入端与整流电路（12）相连，电压调整器输出端连接在电阻R1一端，电阻R1另一端依次与分压电阻R2和分压电阻R2串联后接地，稳压二极管反向并联在分压电阻R2和分压电阻R3上，所述控制模块（2）的比较单元（21）的比较器反相输入端连接在分压电阻R2和分压电阻R3之间连接点上，在电压调整器输出端上还分别连接有电源VCC和电容C，电容C另一端接地。

8.根据权利要求1或2或6或7所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是在LED阵列与整流电路输入端连接线路上还串联有保护模块。

9.根据权利要求5所述的一种高功率因数的LED照明装置，其特征是在LED阵列与整流电路输入端连接线路上还串联有保护模块。