CN103427621A - 一种矿用隔离式本安led驱动电源 - Google Patents

Abstract

一种矿用隔离式本安LED驱动电源，包括输入整流滤波电路、隔离变压器、输出滤波电路、反馈采样和开关管控制电路、开关管峰值电压抑制电路；输入整流滤波电路输出连接隔离变压器，隔离变压器输出分别连接输出滤波电路及反馈采样和开关管控制电路，反馈采样和开关管控制电路输出连接开关管峰值电压抑制电路，开关管峰值电压抑制电路输出连接到隔离变压器的输入，输出滤波电路输出连接LED负载；其特征在于：在输入整流滤波电路与隔离变压器之间增设无源PFC电路，在输出滤波电路与LED负载之间增设双重输出过压过流保护电路。

Description

一种矿用隔离式本安LED驱动电源

技术领域

本发明涉及矿用安全照明的供电系统，尤其涉及一种矿用隔离式本安LED驱动电源。

背景技术

良好的井下照明供电系统，能为煤矿井下提供优质的作业环境，同时对减少井下事故发生也具有重要作用。采用传统白炽灯作为煤矿井下的主要照明，不仅照度低、眩光强、效率低下，而且电路本身也不可靠。近几年随着LED产业的迅速发展，国内工矿企业开始将LED照明概念与煤矿井下的特殊照明技术相结合，实施矿井绿色照明即本质安全型LED 照明系统 。     本质安全型电源 （本安电源），即在正常工作和故障状态下，电源可能产生的电火花或热效应的能量 不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸，其原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证设备在正常工作或发生短接和元器件故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。所以矿用本安型LED电源设计，实际上是一种低功率、高可靠性的电源设计技术 。

目前，对于矿用本安型LED电源，绝大多数采用的是小功率的电源（≤10W），为了达到需求的功率等级就需要并联较大的电源模块，这不仅增大体积也增加了成本。如何能在满足本安要求保证高可靠性的前提下提高单块LED电源的功率是当前研究的本安型LED电源研究的重点。 

发明内容

本发明目的是提供一种矿用隔离式本安LED驱动电源，能够提高本安型LED电源的可靠性，从而在满足本安要求保证高可靠性的前提下提高单个LED电源的功率。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种矿用隔离式本安LED驱动电源，包括输入整流滤波电路、隔离变压器、输出滤波电路、反馈采样和开关管控制电路、开关管峰值电压抑制电路；输入整流滤波电路输出连接隔离变压器，隔离变压器输出分别连接输出滤波电路及反馈采样和开关管控制电路，反馈采样和开关管控制电路输出连接开关管峰值电压抑制电路，开关管峰值电压抑制电路输出连接到隔离变压器的输入，输出滤波电路输出连接LED负载；其特征在于：在输入整流滤波电路与隔离变压器之间增设无源PFC电路，在输出滤波电路与LED负载之间增设双重输出过压过流保护电路；

所述无源PFC电路包括三个二极管D1、D2、D3和两个电解电容C1、C2构成的填谷式无源功率因数校正结构，电解电容C1的负端连接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，电解电容C2的正端连接二极管D2的阴极和二极管D3的阳极，电解电容C1的正端与二极管D3的阴极连接并与输入整流滤波电路的输出端、开关管峰值电压抑制电路的输出端以及隔离变压器的初级绕组非同名端连接在一起，二极管D1的阳极与电解电容C2的负端连接并连接输入端地；

所述双重输出过压过流保护电路包括NMOS管Q2、Q4、Q5、Q6、PNP三极管Q7、NPN三极管Q3、电阻R2、R3、R4、R5、晶闸管SCR1、SCR2、 SCR3、 SCR4、瞬态电压抑制器TVS2以及误差放大器OP1，PMOS管Q2的源极与衬底互连作为双重输出过压过流保护电路的正输出端并与电阻R2的一端、NPN三极管Q3的集电极、PNP三极管Q7的发射极以及瞬态电压抑制器TVS2的阴极连接在一起，NMOS管Q2的漏极与电阻R5的一端、NMOS管Q6的栅极、晶闸管SCR4的阳极、PNP三极管Q7的基极、晶闸管SCR2的阳极、NMOS管Q4的栅极、NMOS管Q5的栅极以及晶闸管SCR3的阳极连接在一起作为双重输出过压过流保护电路的输入端连接到隔离变压器的次级绕组同名端输出，NMOS管Q2的栅极连接电阻R5的另一端和晶闸管SCR1的阳极，晶闸管SCR1的阴极连接NPN三极管Q3的发射极并连接输出端地，误差放大器OP1的正向输入端连接电阻R2的另一端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接误差放大器OP1的输出端、NPN三极管Q3的基极和晶闸管SCR1的控制极，误差放大器OP1的负向输入端连接参考电压Vref，瞬态电压抑制器TVS2的阳极连接晶闸管SCR4的控制极，晶闸管SCR4的阴极连接PNP三极管Q7的集电极并连接输出端地，NMOS管Q4的漏极作为双重输出过压过流保护电路的负输出端，NMOS管Q4的源极与衬底互连并与电阻R4的一端、晶闸管SCR2的控制极、晶闸管SCR3的控制极连接，晶闸管SCR2的阴极与晶闸管SCR3的阴极互连并连接输出端地，电阻R4的另一端连接NMOS管Q5的漏极，NMOS管Q5的源极与衬底互连并与NMOS管Q6的漏极连接，NMOS管Q6的源极与衬底互连并连接隔离变压器的次级绕组非同名端和输出端地；

所述反馈采样和开关管控制电路的采样是通过设置隔离变压器的辅助绕组来实现输出信号的采样同时兼给反馈采样和开关管控制电路中的脉宽调制电路芯片供电，辅助绕组的同名端输出连接脉宽调制电路，辅助绕组的非同名端连接输入端地，脉宽调制电路的采样端口连接反馈采样和开关管控制电路中的开关管Q1的源极、衬底和采样电阻R1的一端，采样电阻R1的另一端连接输入端地，开关管Q1的栅极连接脉宽调制电路的PWM控制信号输出，开关管Q1的漏极连接隔离变压器初级绕组的同名端和开关管峰值电压抑制电路的输入；

上述电路中的输入端地与输出端地之间电气隔离。

本发明具有如下优点及显着效果：

1）提高了输出发生过压或者过流时的响应速度，可就减少了输出发生短路和开路时的放电能量，提高了可靠性。

2） 电路简单，成本低，可靠性好。

3）PFC电路采用的是无源填谷式的功率因数校正结构，电路简单，成本很低，输出电压和电流纹波小，这同样减少了输出发生短路和开路时的放电能量，提高了可靠性。

4） 原边采样反馈，响应速度快，提高可靠性。

5）减少了异常时的放电能量，提高了可靠性这就能在满足本安要求保证高可靠性的前提下提高单块LED电源的功率。

6）为了达到隔离的要求，采用反激的主结构。

附图说明

图1是本发明整体结构原理图；

图2是本发明电路原理图；

图3是本发明电源样机的实测过压保护波形图；

图4是一般LED电源的过流保护实测波形图；

图5是本发明电源样机的实测过流保护图形。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明隔离式本安LED驱动电源，包括输入整流滤波电路1、隔离变压器3、输出滤波电路5、反馈采样和开关管控制电路6、开关管峰值电压抑制电路4；输入整流滤波电路1输出连接隔离变压器3，隔离变压器3输出分别连接输出滤波电路5及反馈采样和开关管控制电路6，反馈采样和开关管控制电路6输出连接开关管峰值电压抑制电路4，开关管峰值电压抑制电路4输出连接到隔离变压器3的输入，输出滤波电路5输出连接LED负载，上述电路及连接关系为现有技术。本发明的特征是在输入整流滤波电路1与隔离变压器3之间增设了无源PFC电路2，在输出滤波电路5与LED负载之间增设了双重输出过压过流保护电路7。

如图2所示，输入整流滤波电路1包括整流桥和高频滤波电容CX。整流桥接交流电输入（前面还可以包含保险丝和共模信号抑制器以及压敏电阻），高频滤波电容CX的输出接无源PFC电路的输入。 

开关管峰值电压抑制电路4包括二极管D4和瞬态电压抑制器TVS1构成，其中D4的阳极接反馈采样和开关管控制电路6中开关管Q1的漏极，瞬态电压抑制器TVS1的阳极接主干路母线。

无源PFC电路2采用是的无源的填谷式功率因数校正结构，电路简单，达到PF值要求，极大减小输出的电压和电流纹波。充电时，二极管D2导通，电容C1和电容C2串联充电。放电时，二极管D2截止，D1和D3导通，电容C1和C2并联放电，这种结构增加了电流的导通角，提高系统的PF值。

隔离变压器3起到隔离变压及初次级传递能量作用。

输出滤波电路5包括整流二极管及电解电容组成，电解电容有储能作用，当开关管Q1导通时刻，负载电流及电压由电解电容来保证。

反馈采样和开关管控制电路6的反馈信号由辅助绕组输出电压以及开关管Q1串联电阻电压降提供，反馈信号提供给脉宽调制控制电路，由控制电路产生对应的脉宽调制信号OUT，用来控制开关管的导通及截止，形成闭环控制，保证输出电流的稳定。

双重输出过压过流保护电路7，其中Q2和Q6是过压保护的开关管，与相应的栅极控制电路构成双重过压保护，第一级过压保护采用了带正反馈的放大比较同时在开关管Q2下串联一个泄放开关Q3，发生输出过压时，输出电压采样到误差放大器的正向端与负向端的预设参考电压Vref进行对比放大，由于引入了正反馈，当输出电压采样大于参考电压Vref时，误差放大器的输出很快达到一个高电平，使晶闸管SCR1导通，开关管Q2的栅电压被拉低使得Q2关闭，同时泄放开关Q3（NPN管）打开，泄放掉Q2未完全关闭前传递的电荷，避免输出给负载。第二级Q6的过压保护是通过使用瞬态电压抑制器来决定开关管Q6的导通关断，当发生过压时，TVS2阳极拉到高电位，晶闸管SCR4导通使得开关管Q6栅电压被拉低，从而关闭Q6，可以快速且精确的实现输出过压保护。过流保护是通过检测与输出串联的小电阻上的电压降来决定开关管的导通还是关闭。Q4和Q5是过流保护的开关管，与相应的栅极控制电路构成了两重的过流保护。过流发生时，电阻R4上的电压降达到一定值使得晶闸管SCR2和SCR3导通，开关管Q4和Q5的栅电压被拉低而关闭，同时泄放开关Q7（PNP管）开通，以减少输出给负载的电流。过流保护通过检测与输出串联的小电阻上的电压降来决定开关管的导通还是关闭,同时在输出串接过流泄放开关Q7，在发生过流时提供一个支路以减少输出电流。

本发明的工作过程如下：交流电输入后经过整流滤波后经过无源填谷式PFC模块进行处理，提高系统的PF值，PFC模块处理后输入电压基本变成了直流电压（这样可以减小输出纹波）经高频变压器隔离传递给输出级，输出级通过电解电容进行储能滤波，然后经过双重输出过压过流保护电路检测处理后传递给LED灯（负载），如果保护电路部分检测到过压或者过流信号时，关闭主输出回路上上开关管Q2，Q4，Q5，Q6来关闭输出，同时打开泄放开关Q3和Q7来提供一个泄放通路以提高安全性和可靠性。主开关管Q1的控制通过检测辅助绕组和输出和原边峰值电流采样电阻R1的电压来实现反馈闭环控制。

为了证明本发明的电路的性能，设计并测试了一块基于本发明结构的LED电源样机，将测试结果与传统的矿用LED电源测试结果对比。

图3 显示是采用本发明结构的矿用LED电源和传统矿用LED电源在输出开路时的输出电压波形，采用本发明结构的样机的输出电压很快就被被钳位在输出过压保护值 ；传统LED电源的输出电压会先上升到较高的电压值然后由于输出采样反馈给主控芯片调节输出保护到输出过压保护定值（该过程时间较长）。

图4所示是采用本发明结构的矿用LED电源和传统的矿用LED电源在发生输出短路时的输出电压响应波形，采用本发明结构的样机的输出电压在极短的时间内下降到零，但传统的矿用LED电源从发生输出短路到输出电压下降到零则需要相对较长时间。

图5所示为采用本发明结构的矿用LED电源和传统的矿用LED电源在发生输出短路时的输出电流响应波形，可以看见采用本发明结构的矿用LED电源输出电流在极短的时间内上升到一个限定值（较低），然后迅速下降到零；传统矿用LED电源的输出电流会迅速上升到一个很大值，然后才会下降到零，整个过程时间相对较长。 

Claims (1)

1.   一种矿用隔离式本安LED驱动电源，包括输入整流滤波电路、隔离变压器、输出滤波电路、反馈采样和开关管控制电路、开关管峰值电压抑制电路；输入整流滤波电路输出连接隔离变压器，隔离变压器输出分别连接输出滤波电路及反馈采样和开关管控制电路，反馈采样和开关管控制电路输出连接开关管峰值电压抑制电路，开关管峰值电压抑制电路输出连接到隔离变压器的输入，输出滤波电路输出连接LED负载；其特征在于：在输入整流滤波电路与隔离变压器之间增设无源PFC电路，在输出滤波电路与LED负载之间增设双重输出过压过流保护电路；

所述无源PFC电路包括三个二极管D1、D2、D3和两个电解电容C1、C2构成的填谷式无源功率因数校正结构，电解电容C1的负端连接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，电解电容C2的正端连接二极管D2的阴极和二极管D3的阳极，电解电容C1的正端与二极管D3的阴极连接并与输入整流滤波电路的输出端、开关管峰值电压抑制电路的输出端以及隔离变压器的初级绕组非同名端连接在一起，二极管D1的阳极与电解电容C2的负端连接并连接输入端地；

所述双重输出过压过流保护电路包括PMOS管Q2、Q4、Q5、NMOS管Q6、PNP三极管Q7、NPN三极管Q3、电阻R2、R3、R4、R5、晶闸管SCR1、SCR2、 SCR3、 SCR4、瞬态电压抑制器TVS2以及误差放大器OP1，NMOS管Q2的源极与衬底互连作为双重输出过压过流保护电路的正输出端并与电阻R2的一端、NPN三极管Q3的集电极、PNP三极管Q7的发射极以及瞬态电压抑制器TVS2的阴极连接在一起，NMOS管Q2的漏极与电阻R5的一端、NMOS管Q6的栅极、晶闸管SCR4的阳极、PNP三极管Q7的基极、晶闸管SCR2的阳极、NMOS管Q4的栅极、NMOS管Q5的栅极以及晶闸管SCR3的阳极连接在一起作为双重输出过压过流保护电路的输入端连接到隔离变压器的次级绕组同名端输出，PMOS管Q2的栅极连接电阻R5的另一端和晶闸管SCR1的阳极，晶闸管SCR1的阴极连接NPN三极管Q3的发射极并连接输出端地，误差放大器OP1的正向输入端连接电阻R2的另一端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接误差放大器OP1的输出端、NPN三极管Q3的基极和晶闸管SCR1的控制极，误差放大器OP1的负向输入端连接参考电压Vref，瞬态电压抑制器TVS2的阳极连接晶闸管SCR4的控制极，晶闸管SCR4的阴极连接PNP三极管Q7的集电极并连接输出端地，NMOS管Q4的漏极作为双重输出过压过流保护电路的负输出端，NMOS管Q4的源极与衬底互连并与电阻R4的一端、晶闸管SCR2的控制极、晶闸管SCR3的控制极连接，晶闸管SCR2的阴极与晶闸管SCR3的阴极互连并连接输出端地，电阻R4的另一端连接NMOS管Q5的漏极，NMOS管Q5的源极与衬底互连并与NMOS管Q6的漏极连接，NMOS管Q6的源极与衬底互连并连接隔离变压器的次级绕组非同名端和输出端地；

所述反馈采样和开关管控制电路的采样是通过设置隔离变压器的辅助绕组来实现输出信号的采样同时兼给反馈采样和开关管控制电路中的脉宽调制电路芯片供电，辅助绕组的同名端输出连接脉宽调制电路，辅助绕组的非同名端连接输入端地，脉宽调制电路的采样端口连接反馈采样和开关管控制电路中的开关管Q1的源极、衬底和采样电阻R1的一端，采样电阻R1的另一端连接输入端地，开关管Q1的栅极连接脉宽调制电路的PWM控制信号输出，开关管Q1的漏极连接隔离变压器初级绕组的同名端和开关管峰值电压抑制电路的输入；

上述电路中的输入端地与输出端地之间电气隔离。

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