CN103269537B - 一种限流供电电路及其控制方法和限流供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多回路限流供电电路及其控制方法和限流供电方法，该供电电路包括一交流电源、一整流器、一限流开关电路、一负载；其中，交流电源波形为正弦波交流电；交流电源与整流器的输入端相连接，整流器包含两个输出端；限流开关电路包含三个端，其第一端与整流器的第一输出端相连，第二端与整流器的第二输出端和负载的一端相连，负载的另一端连接到限流开关电路的第三端。该供电方法包括有对交流电进行全桥整流，其中，所述交流电为正弦波交流电，交流电直接向负载供电和储能电容向负载供电，在交流电压值小于储能电容电压的相位区间时，交流电停止供电，由储能电容向负载供电。本发明的有益效果是：功率因数较高，效率较高，改善了输出频闪，并且电路简单。
Description
技术领域
本发明涉及供电电路领域，具体涉及一种限流供电电路及其控制方法和限流供电方法，尤其适用于是LED照明恒流驱动。
技术背景
目前，LED照明以其节能，环保和长寿命正在迅速推广，LED灯具已经广泛的进入到各个领域的照明应用。LED不能直接连接到市电，需要配置相应的恒流驱动装置，当前LED驱动使用的方案以传统的高频开关电源为主，该方案由于需要高频开关电路，电路复杂，成本高，使得众多厂商转用线性恒流驱动方案。
图1中，市电101经由整流器102在正弦波的正负半周峰值给储能电容103充电，储能电容103维持其两端的电压始终大于LED发光管105两端的电压，限流器104承担储能电容上超出LED的电压以维持LED发光管105的电流恒定。在市电101给储能电容103充电时，充电电流峰值很高，造成图1驱动电路的功率因数很低，通常只有0.5左右。另一方面，电路的效率为LED压降与储能电容平均电压之比，使得该电路在LED发光管压降较小的时候，效率很低。
图2在图1的基础上去掉储能电容，其工作原理是市电201正弦波电压瞬时值大于LED发光管204时，市电201电流经由整流器202给LED发光管204和限流器203供电，当市电201正弦波瞬时值小于LED发光管204时，没有能量输出。由于整流器202后没有直接连接大的储能电容，使得该电路的功率因数得以提高，但是LED发光管上的电流是断续的，其断续周期为市电频率的2倍，这将造成人眼可感知的光闪烁，另外，同图1电路的缺点一样，该电路在LED发光管压降较小的时候，效率也很低。
图3在图1的基础上在交流回路串联了一个电容306，利用电容306的容抗降低了整流后的直流电压，使得在LED电压较低时效率得以提高，但交流容抗的引入，使得该供电电路的功率因数仍然很低。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是：提供一种改善功率因数，改善输出频闪和效率的供电电路和供电方法。
本发明一种限流供电电路，包括一交流电源、一整流器、一限流开关电路、一 负载；其中，交流电源波形为正弦波交流电；交流电源与整流器的输入端相连接，整流器包含两个输出端；限流开关电路包含三个端，其第一端与整流器的第一输出端相连，第二端与整流器的第二输出端和负载的一端相连，负载的另一端连接到限流开关电路的第三端；所述限流开关电路包括一储能电容、三个开关、一控制电路和限流器，第一开关、储能电容、第三开关、限流器和负载构成第一限流回路；第二开关、限流器、负载、市电、整流器和储能电容构成第二限流回路；所述市电、整流器、第三开关、限流器和负载构成第三限流回路。
所述第一开关的第一端与整流器的第二输出端相连；所述第一开关的第二端连接到所述第二开关的第一端，所述第二开关的第二端连接到所述第三开关的第一功率端，所述第三开关的第二功率端连接到整流器的第一输出端，所述第三开关的控制端连接到控制电路；所述储能电容的一端连接到整流器的第一输出端，另一端连接到第一开关和第二开关的交汇处，所述限流器的一端连接到第二开关和第三开关的交汇处，另一端连接到负载一端，负载的另一端连接到整流器的第二输出端。
优选地，所述负载为LED发光管。
所述第一限流回路、第三限流回路中的第三开关和限流器为第一开关限流器，所述第二限流回路中的第二开关和限流器为第二开关限流器，其中，所述第二开关限流器一端连接到第一开关和储能电容的交汇处，另一端与负载相连；所述第一开关限流器的第一功率端与整流器的第一输出端相连，第二功率端与负载相连；所述第一开关限流器的控制端与控制电路相连。
所述控制电路包含电平检测电路和驱动逻辑电路，其中，所述电平检测电路的输出端与驱动逻辑电路的输入端相连，驱动逻辑电路的输出与第三开关的控制端相连。
当所述电平检测电路的信号输入端的信号幅值超过设定门限时，电平检测电路的输出端通过驱动逻辑电路关断第三开关。
该限流供电电路的控制方法为：在交流电压值小于储能电容电压的相位区间，第一限流回路开通，第二限流回路和第三限流回路关断；在交流电压值大于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第二限流回路开通，第一限流回路和第三限流回路关断。
本发明电路的积极效果是：正弦波电压经过全桥整流为交流电压频率的2倍， 限流开关电路在市电正弦波不同相位区间，通过控制电路的控制，实现不同电气回路的的关断和限流开通或者关断和限流开通的组合，配置出不同的市电、储能电容和负载之间的电气回路关系。
本发明一种限流供电方法，包括有：对交流电进行全桥整流，其中，所述交流电为正弦波交流电，交流电直接向负载供电和储能电容向负载供电，在交流电压值小于储能电容电压的相位区间时，交流电停止供电，由储能电容向负载供电；在交流电压值大于储能电容电压和负载电压之和的相位区间，交流电在一个串联回路里给负载供电和给储能电容充电。
优选地，所述供电方法在交流电压值大于储能电容电压但小于负载和储能电容电压之和的相位区间，交流电不给储能电容充电，储能电容不给负载放电，交流电不给负载供电。
优选地，所述供电方法在交流电压值大于储能电容电压但小于负载和储能电容电压之和的相位区间，交流电不给储能电容充电，储能电容不给负载放电，交流电向负载供电。
优选地，所述供电方法在交流电压值大于储能电容电压但小于负载和储能电容电压之和的相位区间，交流电不给储能电容充电，储能电容不给负载放电，交流电在整个相位区间的一部分相位区间向负载供电，另一部分相位区间不向负载供电，只向负载提供部分相位的电能。
本发明方法所能达到的积极效果是：功率因数较高，效率较高，改善了输出频闪，并且电路简单，成本低，易于广泛应用。
附图说明
图1是传统的线性恒流驱动电路。
图2是现有技术中改善功率因数的线性恒流驱动电路。
图3是现有技术中提高效率的线性恒流驱动电路。
图4是本发明限流供电电路原理示意图。
图5是本发明限流供电电路实现原理一种变形的示意图。
图6是本发明限流供电电路的一种优选实施例示意图。
图7是根据本发明原理做等效变换的另一种优选实施例示意图。
具体实施方式
如图4所示为本发明限流供电电路的原理示意图，图中包括一交流电源401、一整流器402、一限流开关电路403、一负载404，其中，交流电源波形为正弦波；交流电源401与整流器402的输入端相连接，整流器402包含两个输出端；限流开关电路包含三个端，其第一端与整流器的第一输出端相连，第二端与整流器的第二输出端和负载的一端相连，负载的另一端连接到限流开关电路的第三端，限流开关电路403包括一储能电容405、三个开关406、411、412、一控制电路407和限流器410，所述第一开关406、储能电容405、第三开关411、限流器410和负载404构成第一限流回路；所述第二开关412、限流器410、负载404、交流电401、整流器402和储能电容405构成第二限流回路；所述交流电401、整流器402、第三开关411、限流器410和负载404构成第三限流回路，所述第一开关406的第一端与整流器402的第二输出端相连；所述第一开关406的第二端连接到所述第二开关412的第一端，所述第二开关412的第二端连接到所述第三开关411的第一功率端，所述第三开关411的第二功率端连接到整流器402的第一输出端，所述第三开关411的控制端连接到控制电路407；储能电容405的一端连接到整流器402的第一输出端，另一端连接到第一开关406和第二开关412的交汇处，所述限流器410的一端连接到第二开关412和第三开关411的交汇处，另一端连接到负载404一端，负载404的另一端连接到整流器402的第二输出端。
作为图4发明原理的一种变形，优选地，如图5，将图4中所述第一限流回路和第三限流回路中的第三开关411和限流器410由图5中第一开关限流器511和520代替，所述第二限流回路中的第二开关412和限流器410由第二开关限流器512和521代替，其中，所述第一开关限流器一端连接到第一开关506和储能电容505的交汇处，另一端与负载504相连；所述第二开关限流器的第一功率端与整流器502的第一输出端相连，第二功率端与负载504相连，所述第二开关限流器的控制端与控制电路507相连。所述第一开关限流器和第二开关限流器分别包含一限流电路和至少一个开关。当所述电平检测电路508的信号输入端的信号幅值超过设定门限时，电平检测电路508的输出端通过驱动逻辑电路509关断第二开关限流器。
图6是本发明一种限流供电电路的一种具体实施方式，包括：交流市电601、整流器602、限流开关电路603和LED发光管604。其中，
交流市电601与整流器602输入相连，整流器602的输出正极与限流开关电路 603的第一端相连，整流器602的输出负极与限流开关电路603的第二端和LED发光管604阴极相连，LED发光管604的阳极连接到限流开关电路603的第三端。
限流开关电路603包括储能电容605、第一二极管606、第二二极管612、场效应管611、限流器610和控制电路607。其中，
第一二极管606的阳极与整流器602的输出负极相连，阴极与储能电容605的一端相连，储能电容605的另一端连接到整流器602输出正极；
场效应管611的漏极连接到整流器602的输出正极，源极连接到限流器610的正端，门极连接到控制电路607，限流器610的负端连接到LED发光管604的阳极；
第二二极管612的阳极连接到第一二极管606的阴极，阴极连接到场效应管611的源极。
控制电路607包括电平检测电路608和驱动逻辑电路609，其中，电平检测电路608的信号输入端分别连接到第一二极管606的两端，输出信号连接到驱动逻辑电路609的输入端，驱动逻辑电路609的输出端连接到场效应管611的门极，驱动逻辑电路609的参考电位为场效应管的611的源极。
该电路的工作原理如下：
电平检测电路608检测第一二极管606两端的电压信号，当该信号幅值大于设定门限时，电平检测电路608输出相应信号控制驱动逻辑电路609的输出端关断场效应管611，反之，场效应管611导通。
基于二极管的开关特性和场效应管的导通关断控制，第一二极管606、第二二极管612、场效应管611、储能电容605和限流器610构成了一个限流开关网络。
当交流市电601相位电压小于储能电容605两端电压时，整流器602反向截止，第一二极管606正向导通，控制电路607控制场效应管611导通，储能电容605对LED发光管604放电，放电回路为：储能电容605→场效应管611→限流器610→LED发光管604→第一二极管606→储能电容605。
当交流市电601相位电压大于储能电容605两端电压但小于储能电容605两端电压和LED发光管604正向压降之和时，第一二极管606反偏，其两端电压随着市电相位变化而变化，当该电压大于设定门限时，控制电路607控制场效应管611关断，反之导通，当场效应管611导通时，交流市电601直接给LED发光管604供电，供电回路为：交流市电601→整流器602→场效应管611→限流器610→LED发光 管604→整流器602→交流市电601；当场效应管611关断时，交流市电601、储能电容、LED发光管上均没有电流流过。
当交流市电601相位电压大于储能电容605两端电压和LED发光管604正向压降之和时，第一二极管606反偏，控制电路607检测到其两端电压大于设定门限，控制电路607控制场效应管611关断，此时，第二二极管612正向导通，市电经由储能电容605给LED发光管604供电，供电回路为：交流市电601→整流器602→储能电容605→第二二极管612→限流器610→LED发光管604→整流器602→交流市电601。图7给出了本发明限流供电电路的另一种实施例示意图。
下面对图7作进一步说明，其包括：交流市电701、整流器702、限流开关电路703和LED发光管704。
交流市电701与整流器702输入相连，整流器702的输出负极与限流开关电路703的第一端相连，整流器702的输出正极与限流开关电路703的第二端和LED发光管704阳极相连，LED发光管704的阴极连接到限流开关电路703的第三端。
限流开关电路703包括储能电容705、第一二极管706、第二二极管712、开关限流器711、限流器710和控制电路707，其中，
第一二极管706的阴极与整流器702的输出正极相连，阳极与储能电容705的一端相连，储能电容705的另一端连接到整流器702输出负极；
开关限流器711的负极连接到整流器702的输出负极，正极连接到LED发光管704的阴极，控制端与控制电路707相连；
第二二极管712的阴极连接到第一二极管706的阳极，阳极连接到限流器710的负极，限流器710的正极连接到LED发光管704的阳极。
控制电路707包括电平检测电路708和驱动逻辑电路709，其中，电平检测电路708的信号输入端分别连接到第一二极管706的阳极和LED发光管704的阴极，输出信号连接到驱动逻辑电路709的输入端，驱动逻辑电路709的输出端连接到开关限流器711的控制端，驱动逻辑电路709的参考电位为开关限流器711的负端。
本实施例的工作原理为：
电平检测电路708检测第一二极管706阳极和限流开关电路703第三端之间的电压信号，当该信号幅值大于设定门限时，电平检测电路708输出相应信号控制驱动逻辑电路709的输出端关断开关限流器711，反之，开关限流器711导通。
基于二极管的开关特性和场效应管的导通关断控制，第一二极管706、第二二极管712、开关限流器711、储能电容705和限流器710构成了一个限流开关网络。
当交流市电701相位电压小于储能电容705两端电压时，整流器702反向截止，第一二极管706正向导通，第二二极管712截止，控制电路707控制开关限流器711导通，储能电容705对LED发光管704放电，放电回路为：储能电容705→第一二极管706→LED发光管704→开关限流器711→储能电容605；
当交流市电701相位电压大于储能电容705两端电压但小于储能电容705两端电压和LED发光管704正向压降之和时，第一二极管706反偏，LED发光管704截止，电平检测电路708输入端的电压始终小于设定门限，控制电路707控制开关限流器711导通，交流市电701直接给LED发光管704供电，供电回路为：交流市电701→整流器702→LED发光管704→开关限流器711→整流器702→交流市电701：
当交流市电701相位电压大于储能电容705两端电压和LED发光管704正向压降之和时，第一二极管706反偏，LED发光管704导通，控制电路707检测到其两端电压大于设定门限，控制电路707控制开关限流器711关断，此时，第二二极管712正向导通，市电701经由储能电容705给LED发光管704供电，供电回路为：交流市电701→整流器702→LED发光管704→限流器710→第二二极管712→储能电容705→整流器702→交流市电701。
下面结合电路结构对本发明一种限流供电方法进一步详细描述，
优选地配置方案一为：在交流电压值小于储能电容电压的相位区间，第一限流回路开通，第二限流回路和第三限流回路关断，此时，交流电源停止供电，由储能电容向负载提供能量；在交流电压值大于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第二限流回路开通，第一限流回路和第三限流回路关断，此时，交流电源、储能电容和负载串联在一个回路上，交流电源在给负载供电的同时给储能电容充电，充电电流等于负载电流；在交流电压值大于储能电容电压但小于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路均关断，此时，交流电源，储能电容和负载三者之间停止交换能量；
配置方案一可以实现在一个市电正弦波周期内，流经负载的电流频率是全桥整流电压频率的2倍，输入正弦波频率的4倍。而且，负载不再直接承受市电电压， 而是由储能电容供电或者由市电电压减去储能电容电压后供电，因此效率得以提高，另外，限流器限制了市电输入电流的过冲，改善了功率因数。
本技术方案能够达到的技术效果是：改善了功率因数，效率较高，输出频闪的问题也得到改善。
优选地配置方案二为：
在交流电压值小于储能电容电压的相位区间，第一限流回路开通，第二限流回路和第三限流回路关断，此时，交流电源停止供电，由储能电容向负载提供能量；在交流电压值大于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第二限流回路开通，第一限流回路和第三限流回路关断，此时，交流电源、储能电容和负载串联在一个回路上，交流电源在给负载供电的同时给储能电容充电，充电电流等于负载电流；在交流电压值大于储能电容电压但小于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第三限流回路开通，第一限流回路和第二限流回路关断，此时，储能电容不对外交换能量，交流电源直接给负载供电。
配置方案二可以实现输出负载的电流为直流，而且，在一个正弦周期内，交流电源的电流导通时间增加，这使得功率因数得以提高，但也因此，在一个正弦周期内，交流电源给负载供电的时间增加，导致效率降低，但仍然优于图1和图2所示的当前技术方案。本技术方案能够达到的技术效果是：功率因数较高，改善了效率，无输出频闪。
优选地配置方案三为：
在交流电压值小于储能电容电压的相位区间，第一限流回路开通，第二限流回路和第三限流回路关断，此时，交流电源停止供电，由储能电容向负载提供能量；在交流电压值大于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第二限流回路开通，第一限流回路和第三限流回路关断，此时，交流电源、储能电容和负载串联在一个回路上，交流电源在给负载供电的同时给储能电容充电，充电电流等于负载电流；在交流电压值大于储能电容电压但小于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第三限流回路在一部分相位区间开通，另一部分相位区间关断，第一限流回路和第二限流回路关断，此时，储能电容不对外交换能量，交流电源在第三限流回路开通的区间直接给负载供电。
配置方案三实现了配置方案一和配置方案二性能的折中。
综上所述，本发明能够达到的技术效果是：功率因数较高，效率较高，改善了输出频闪，并且电路简单，成本低，易于广泛应用。
以上具体实施例仅描述了本方案的主要特征和创新点。本领域的技术人员应该了解，本方案不受上述实施例的限制。在不脱离本创新点和保护范围的前提下，本方案还会有各种变化，这些变化和改进都将落入本方案要求保护的范围内。本方案要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物限定，所述开关包括各种等效开关电子器件，不限于二极管或者三极管。
Claims (22)
1.一种限流供电电路，其特征在于：包括一交流电源、一整流器、一限流开关电路、一负载；其中，交流电源为正弦波交流电；交流电源与整流器的输入端相连接，整流器包含两个输出端；限流开关电路包含三个端，其第一端与整流器的第一输出端相连，第二端与整流器的第二输出端和负载的一端相连，负载的另一端连接到限流开关电路的第三端；所述限流开关电路包括一储能电容、三个开关、一控制电路和限流器，第一开关、储能电容、第三开关、限流器和负载构成第一限流回路；第二开关、限流器、负载、市电、整流器和储能电容构成第二限流回路；市电、整流器、第三开关、限流器和负载构成第三限流回路。
2.根据权利要求1所述的限流供电电路，其特征在于：所述第一开关的第一端与整流器的第二输出端相连；所述第一开关的第二端连接到所述第二开关的第一端，所述第二开关的第二端连接到所述第三开关的第一功率端，所述第三开关的第二功率端连接到整流器的第一输出端，所述第三开关的控制端连接到控制电路；所述储能电容的一端连接到整流器的第一输出端，另一端连接到第一开关和第二开关的交汇处，所述限流器的一端连接到第二开关和第三开关的交汇处，另一端连接到负载一端，负载的另一端连接到整流器的第二输出端。
3.根据权利要求1或2所述的限流供电电路，其特征在于：所述负载为LED发光管。
4.根据权利要求2所述的限流供电电路，其特征在于：所述第一开关为二极管。
5.根据权利要求2所述的限流供电电路，其特征在于：所述第二开关为二极管。
6.根据权利要求2所述的限流供电电路，其特征在于：所述第三开关为功率管，所述功率管包含两个功率端和一个控制端。
7.根据权利要求2所述的限流供电电路，其特征在于：所述第一限流回路、第三限流回路中的第三开关和限流器为第一开关限流器，所述第二限流回路中的第二开关和限流器为第二开关限流器，其中，所述第二开关限流器一端连接到第一开关和储能电容的交汇处，另一端与负载相连；所述第一开关限流器的第一功率端与整流器的第一输出端相连，第二功率端与负载相连；
所述第一开关限流器的控制端与控制电路相连。
8.根据权利要求7所述的限流供电电路，其特征在于：所述第一开关限流器和第二开关限流器分别包含一限流电路和一个开关。
9.根据权利要求8所述的限流供电电路，其特征在于：所述第二开关限流器包含一限流电路和一个二极管。
10.根据权利要求1所述的限流供电电路，其特征在于：所述控制电路包含电平检测电路和驱动逻辑电路，其中，所述电平检测电路的输出端与驱动逻辑电路的输入端相连，驱动逻辑电路的输出与第三开关的控制端相连。
11.根据权利要求10所述的限流供电电路，其特征在于：当所述电平检测电路的信号输入端的信号幅值超过设定门限时，控制电路关断第三开关。
12.根据权利要求10所述的限流供电电路，其特征在于：当所述电平检测电路的信号输入端的信号幅值超过设定门限时，控制电路关断第一开关限流器。
13.根据权利要求10所述的限流供电电路，其特征在于：所述电平检测电路的信号输入端与第一开关的两端相连。
14.根据权利要求10所述的限流供电电路，其特征在于：所述电平检测电路的信号输入端一端与第一开关和储能电容的交汇点相连，另一端连接到限流开关电路的第三端。
15.一种根据权利要求1或2所述限流供电电路的控制方法，其特征在于：在交流电压值小于储能电容电压的相位区间，第一限流回路开通，第二限流回路和第三限流回路关断；在交流电压值大于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第二限流回路开通，第一限流回路和第三限流回路关断。
16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于：在交流电压值大于储能电容电压但小于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路均关断。
17.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于：在交流电压值大于储能电容电压但小于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第三限流回路开通，第一限流回路和第二限流回路关断。
18.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于：在交流电压值大于储能电容电压但小于负载电压和储能电容电压之和的相位区间，第三限流回路开通部分区间，第一限流回路和第二限流回路关断。
19.一种根据权利要求1所述限流供电电路的限流供电方法，包括有：对交流电进行全桥整流，其中，所述交流电为正弦波交流电，交流电直接向负载供电和储能电容向负载供电，其特征在于：在交流电压值小于储能电容电压的相位区间时，交流电停止供电，由储能电容向负载供电；在交流电压值大于储能电容电压和负载电压之和的相位区间，交流电在一个串联回路里给负载供电和给储能电容充电。
20.根据权利要求19所述的限流供电方法，其特征在于：在交流电压值大于储能电容电压但小于负载和储能电容电压之和的相位区间，交流电不给储能电容充电，储能电容不给负载放电，交流电不给负载供电。
21.根据权利要求19所述的限流供电方法，其特征在于：在交流电压值大于储能电容电压但小于负载和储能电容电压之和的相位区间，交流电不给储能电容充电，储能电容不给负载放电，交流电向负载供电。
22.根据权利要求21所述的限流供电方法，其特征在于：交流电在整个相位区间的一部分相位区间向负载供电，另一部分相位区间不向负载供电，只向负载提供部分相位的电能。
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