CN103152896A - 具有创新架构的大功率led智能电源驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用具有创新架构的LLC串联谐振变换器芯片的大功率LED驱动电源。采用功率因素校正电路和LLC谐振变换电路为电路主体拓扑结构,结合单片机控制以实现对LED的数字调光控制。包括EMI滤波、整流、功率因素校正、LLC谐振变换控制、整流滤波电路、电流采样反馈、过压欠压保护、LED模组及单片机PWM调光控制电路。该架构中省掉了昂贵的多串高压DC/DC降压器,改为多个变压器串联的LLC谐振电路,直接实现恒流,效率大幅提升至95%,比传统架构提升10%左右;PFC值则可达到0.95~1.0之间;元器件数量也大幅减小,可靠性提升;EMI设计更简单,特别适合于大功率LED驱动照明电源。

Description

具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种大功率LED驱动电源,尤其涉及采用具有创新架构的LLC串联谐振变换器芯片的大功率LED驱动电源。
背景技术
[0002] 随着能源危机和气候变暖问题越来越严重,节能己经成为全球普遍关注的话题。照明是人类消耗能源的重要方面,约占世界总耗能的20%,因此LED节能照明的研究越来越受到重视,LED照明己成为了照明领域关注的焦点。LED驱动电源在LED照明系统中起至关重要的作用,是LED照明系统的心脏。据不完全统计,LED照明系统的损坏有90%是LED驱动电源失效和或者由LED驱动电源导致,驱动电源的品质直接影响整个LED照明系统的寿命和可靠性。是LED照明的普及和推广的一个关键问题。
[0003] 对大功率LED照明驱动电源而言主要是效率和可靠性的问题。首先,驱动电源工作环境温度很高(一般温度在70°C左右),这样一来,就希望驱动电源的效率(包括恒压加上恒流)的效率要高(比如>90%),只有提高效率才能降低驱动电源的温度,提高可靠性。其次,传统的驱动拓扑结构较为复杂,从图1可以看出传统的驱动拓扑结构,包括功率因数校正(PFC) +恒压(CV) +恒流(CC)的三段式架构,多串Buck (降压斩波电路)+PFC+LLC,导致芯片数量及元器件众多成本过高,可靠性低,特别是电解电容和光耦等敏感器件,总效率仅能达到88%左右。要解决大功率LED照明电路可靠性问题,必须从驱动拓扑结构进行改进,提高效率,减少元器件数量,另外也可进一步减少成本。
[0004] 在图1传统的大功率LED照明架构图上可以看到,它有两个Block,第一个Block叫恒压模块,DC/DC出来以后得到一个恒压的输出,第二个是恒流模块,恒流模块是每串LED都会需要DC/DC升压或降压的电路,对每一串LED进行恒流。这是传统的典型的大功率LED驱动的拓扑架构。这种拓扑架构的效率分布为:临界模式PFC的最大值在97%左右,LLC谐振半桥效率目前在业界我们认定是比较高的,它的效率大概是96%,每一串恒流降压后的效率在95%左右,三个相乘的总效率(典型值)应该在86%以内。传统拓扑架构的缺点,首先它的成本非常高,因为它带有PFC、LLC电路,还有多串高压Buck降压斩波DC/DC电路,高压Buck降压斩波DC/DC电路成本是非常高的,每一串都需要一个。以LED路灯为例,现在的LED路灯光源实际上是由4一 12串LED灯组成,也就是说你需要4一 12串的高压Buck降压斩波DC/DC电路,这就需要有非常多的器件。第二是效率非常低,第三是可靠性非常差,最后一个,也是很重要的一个,就是这种传统架构的EMI问题也非常严重。因为每一串高压Buck降压斩波DC/DC电路开关频率没有进行同步,串与串之间有相互的干扰。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种双级多串变压器架构的大功率LED照明驱动电源,具有结构简单、效率高,成本低的优点。
[0006] 为了解决上述问题,本发明的技术方案为:一种双级多串变压器架构的大功率LED照明驱动电源如附图所示,包括EMI滤波电路(I),整流电路(2),功率因素校正(PFC)电路(3 ),LLC谐振变换控制电路(4 ),整流滤波电路(5 )电流采样反馈电路(7 ),过压欠压检测电路(8) LED模组(9)以及PWM调光控制电路(6)。交流市电经EMI滤波电路、整流电路
(2)后输入功率因素校正电路(3),功率因素校正电路(3)输出信号经LLC谐振变换控制电路(4 ),再经过桥式整流(5 )后连接到LED模组(9 ),电流采样电路(7 )对输出采样后反馈至中LLC谐振变换控制电路(4 ),过压欠压检测电路(8 )检测送入LED模组(9 )的电压信号并送入LLC谐振变换控制电路(4),PWM调光电路(6)输出PWM信号到LLC谐振变换控制电路
(4)的9脚(PWM输入端),控制灯光亮度。
[0007] 所述EMI滤波电路的作用,主要体现在以下两个方面:抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响;抑制设备(尤其是高频开关电源)对交流电网的干扰。
[0008] 所述功率因素校正 电路实现整个电路功率因素校正功能。
[0009] 所述LLC谐振变换控制电路实现谐振变换功能。
[0010] 所述EMI滤波、功率因素校正(PFC)电路如图3所示:Fl输入保险,L1、L2、C1、C2组成输入EMI滤波器,L3、IC1、Q1等组成了 PFC功率因子校正电路,Rl和R2分压后的电压值送入ICl的3脚,ICl的4脚用于基础MOSFET管的瞬时电流大小;L3的一端接到ICl的5脚,将感应到的变压器零能量(TZE)送入,ICl的7脚输出控制MOSFET管的栅极,控制其导通与关断。ICl通过引脚3对AC输入电压的检测,R5、R6分压后的值送到ICl的I脚,用于过压保护。ICl的2脚是跨导误差放大器的输出,环路补偿电容C4与此引脚和地之间连接。ICl的4脚检测外部开关的瞬时开关电流。
[0011 ] 所述LLC谐振变换控制电路包括驱动电路、半桥电路和谐振电容,还包括两个以上的变压器,所述变压器的初级绕组采用串联方式,次级绕组则分别连接整流滤波电路,经整流滤波后分别向负载提供电源。
[0012] 所述的半桥电路包括高压MOS管(QA)和高压MOS管(QB ),所述串联变压器组中Tl初级绕组串联至高压MOS管(Ql)和高压MOS管(Q2)构成的半桥电路的中点,Tn经所述谐振电容接地。
[0013] 所述的LLC电路包括变压器(Tl)、变压器(T2)、变压器(Tn),电容CF、CG ;所述变压器(Tl)、变压器(Τ2)、变压器(Tn)次级绕组分别连接有整流桥堆Zl、Ζ2、Zn及滤波电容(CA)、(CB)、(Cn);它们分别向负载提供电源;负载为LED灯模组。
[0014] 本发明具有以下特点:
采用功率因素校正电路和LLC谐振变换电路为电路主体拓扑结构,结合单片机控制以实现对LED的数字调光控制。
[0015] 所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器,PFC控制电路采用(TI)芯片UCC28810予以实现,LLC谐振控制电路采用(TI)芯片UCC25710予以实现,单片机则采用PIC16F22。
[0016] 所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器,由按键和电位器组成的人机对话电路通过单片机改变输出PWMI信号占空比,利用单片机12脚输出PWM信号到IC2芯片的9脚,实现LED的调光。
[0017] 具有创新架构的大功率LED智能驱动电源还具有过压、过流、过载、短路及过温保护;可编程调光;可编程软启动,开关频率自由设定(精准度是3%---- 6%),宽输入电压范围:90V…-305V,宽使用环境温度:-35°C-…+70°C等诸多优点。高效率:整机系统设计效率(EFF)在90%…-92%之间;高功率因数:PFC功率因数:PFC值则可达到0.95....1.0之间;宽范围调光:能够支持1%…-100%的调光范围。与市场现有LED驱动电路相比,本发明具有闻功率因素、闻效率、闻可罪性、自动调光等优点,适合批量生广。
附图说明
[0018] 图1是传统大功率LED驱动电源架构框图
图2是具有创新架构的LLC串联谐振变换器大功率LED驱动电源架构框图
图3是具有创新架构的LLC串联谐振变换器大功率LED驱动电源EMI和PFC电路简图
图4是PWM输出电路简图
图5是欠压、过压、限流保护电路简图
图6是具有创新架构的LLC串联谐振变换器电路简图
图7是微处理器PWM输出电路简图
图8是微处理器PWM输出软件流程图。
具体实施方式
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0020] 所述EMI滤波、功率因素校正(PFC)电路如图3所示:Fl输入保险,L1、L2、C1、C2组成输入EMI滤波器,L3、IC1、Q1等组成了 PFC功率因子校正电路,Rl和R2分压后的电压值送入ICl的3脚,作为电流参考的输入,ICl的4脚用于基础MOSFET管的瞬时电流大小;L3的一端接到ICl的5脚,将感应到的变压器零能量(TZE)送入,使得其电路具有零电压开关的功能。ICl的7脚输出控制MOSFET管的栅极,控制其导通与关断。ICl通过引脚3对AC输入电压的检测,可以强制峰值开关电流跟踪输入电压的变化,从而提高系统功率因数。R5、R6分压后的值送到ICl的I脚,用于过压保护。ICl的2脚是跨导误差放大器的输出。当它低于2.3 V,零能耗检测比较器被激活,从而防止开关的栅极驱动输出。环路补偿电容C4与此引脚和地之间连接。ICl的4脚检测外部开关的瞬时开关电流,如果ViSENSE超过1.7 V终止开关输出。瞬时开关电流阈值电压约等于
Visense =0.67 X (Veaout 一 2.5 V)x (Vvins+75 m V),集成电路芯片 ICl 为 UCC28810。
[0021] 图4是PWM输出电路简图,图中的集成电路芯片IC2为UCC25710。它的6脚输出PWM控制信号,Ql和Q2组成复合推动级用于推动Q3MOS管,RE —端接在Q3MOS管的漏极上,另一端接在IC2的16脚,用于检测监视输入到LED灯模组的电流。Q3MOS管的源极与LED灯模组相连,通过PWM改变Q3MOS管控制极达到改变LED灯模组的电流大小从而实现调光。
[0022] 图5是欠压、过压、限流保护电路简图,图中IC2为UCC25710。它的2脚(⑶I)和3脚(⑶2)是栅极驱动输出信号:
Lgd=VCC/2* Fsw*87mA 式中:Lgd驱动栅极变压器电流 Fsw标称开关频率VCC电源电压
它的6脚输出PWM控制信号,它的9脚接收来自单片机输出的PWM控制信号,它的5脚是参考电压,通过R1、R2分压取出CREF电压送入15脚,作为检测监视输入到LED灯模组的电流时的电流参考值。11脚(UV)是用来监视负载低电压,低于VUVTH(欠压门槛)引脚电平时,将禁用栅极驱动器输出以及LEDSW输出。低电压检测输入端子将检测电压送入由R3、R4组成的分压电路,经分压后送入11脚,
R3=R6_R4
R4=R6/5
Rll= (R3+R4) *2.4V/Vovlo-2.4V-Vd 式中:Vovlo:过压门限 Vd:总LED压降
12脚(OV)这个引脚是用来监视LED灯模组过电压。高于VOVTH (过压门槛)引脚电平时,将禁用栅极驱动器输出以及LEDSW输出。过电压检测输入端子将检测电压送入由R5、R6组成的分压电路,经分压后送入12脚;
R5= (2*Vout*l.5) /1ut*Dmin*Imatch 式中:Vout:LED串联电压 lout:LED 电流 Dmin:最下调光占空比 Imatch:LED 电流 R6= (R5*2.6V) / (Vovlo-2.6v-Vd) 式中:Vovlo:过压门限 Vd ••总LED压降
13脚(CL)用于检测LLC转换器的输入电流连接在主电流感应变压器的整流和滤波输出见图6。超过1.9 V的阈值,栅极驱动器被禁用和LEDSW变低,这种情况被锁存,直到VCC低于阈值才会解锁。18脚(SS)是软启动控制脚,连接到地的电容ClO决定软启动时间。
[0023] 图6是具有创新架构的LLC串联谐振变换器电路简图,在图6中可以看到由QA、QB、CF、CQ、Tl、T2 -- TN构成LLC串联谐振变换器,QA、QBM0SFET管的驱动信号从⑶1、⑶I经驱动变压器LA输入到QA、QB两个MOSFET管的控制极,VIN+和VIN-是直流工作电压的正负输入端,变压器(Tl)、变压器(T2)、变压器(Tn)次级绕组分别连接有整流桥堆Z1、Z2、Zn及滤波电容(CA)、(CB)、(Cn);它们的输出分别向负载提供电源;负载为LED灯模组。二极管Dl、D2、D3、D4、Dn、Dn ’连接在电源输出端用于检测电源的欠压和过压信号,UV(欠压信号输出端)和OU (过压信号输出端)送到图5中的UV(欠压信号输入端)和OU (过压信号输入端),IC2芯片根据送入信号做出相应判断处理。图6中(CL)用于检测LLC转换器的输入电流连接在主电流感应变压器的整流和滤波输出,此信号送入ICl芯片的13脚如图5所示,如果此数值超过1.9 V的阈值,栅极驱动器将被禁用并使LEDSW变低,这种情况一直被锁存,直到VCC低于阈值才会解锁,对电路进行了有限的保护。
[0024] 图7是微处理器PWM输出电路简图,微处理器外接有按键S1、S2、S3、S4和电位器Wl,按键S1、S2、S3、S4分别接入微处理器的RB0、RB3、RB4、RB5 口,电位器接入微处理器的RAO 口,图7可以看出6V直流电源经IC4 SPX1117M3-3.3稳压IC单元稳压后供电到单片机PIC16F722,由PIC16F722产生500HZ的占空比可变的PWM脉冲,PWM数字信号输出到IC2的9脚,图7按键输入连接到MCU的RB5、RB4、RB3、RB0I/0 口,RAO 口采样O…-3.3V的电压,调制RCl脚输出的PWM脉冲占空比,图7中Keyl----调光开关;Key2----增亮;Key3----减暗;Key4 •…电位器/触摸调节按键调节选择开关。
[0025] 图8是单片机PW M软件流程图,软件采用C语言编写。

Claims (8)

1.一种具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器包括EMI滤波电路(1),整流电路(2 ),功率因素校正(PFC)电路(3 ),LLC谐振变换控制电路(4),整流滤波电路(5 )电流采样反馈电路(7 ),过压欠压检测电路(8 ) LED模组(9 )以及PWM调光控制电路(6 )。
2.交流市电经EMI滤波电路(I)、整流电路(2 )后输入功率因素校正电路(3 ),功率因素校正电路(3 )输出信号经LLC谐振变换控制电路(4),再经过桥式整流(5 )后连接到LED模组(9 ),电流采样电路(7 )对输出采样后反馈至中LLC谐振变换控制电路(4 ),过压欠压检测电路(8)检测送入LED模组(9)的电压信号并送入LLC谐振变换控制电路(4),PWM调光电路(6)输出PWM信号到LLC谐振变换控制电路(4),控制灯光亮度。
3.根据权利要求1所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器包括两个以上的输出变压器,Tl初级绕组串联至高压MOS管(Ql)和高压MOS管(Q2)构成的半桥电路的中点,Tn经所述谐振电容接地。
4.所述变压器的初级绕组采用串联方式端头尾相连,次级绕组则分别连接整流滤波电路,经整流滤波后分别向负载提供电源。
5.根据权利要求1所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器,是采用了有功率因素校正电路和LLC谐振变换电路为电路主体的拓扑结构,结合单片机控制以实现对LED的数字调光控制。
6.功率因素校正电路采用了 UCC28810芯片;LLC谐振变换电路采用了芯片UCC25710 ;单片机则采用PIC16F22。
7.根据权利要求1所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器数字调光电路采用了 PIC16F22单片机,SPX1117M3-3.3稳压IC单元输出3.3V直流电压为单片机PIC16F22提供稳定的直流工作电压,PIC16F722产生500HZ的占空比可变的PWM脉冲,PWM脉冲信号输出到功率放大器,完成由信号电压到功率电流的转换。
8.RAO 口采样0-3.3V的电压,调制RCl脚输出的PWM脉冲占空比,此PWM信号送入IC2芯片的9脚(DM)。
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