CN103826374A

CN103826374A - 高功率因数无频闪的非隔离式led驱动电路

Info

Publication number: CN103826374A
Application number: CN201410100249.XA
Authority: CN
Inventors: 杨全; 边彬; 陈畅
Original assignee: SUZHOU ZHIPU XINLIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU INTELLI-CHIPLINK ELECTRONICS TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: CN103826374B

Abstract

本发明公开了一种高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，该LED驱动电路中同时包含了降压式变换器结构和升压式变换器结构。采用上述结构之后，本高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路在一个工频周期之内可以连续工作，始终都有从输入电压到输出电压的能量传递，使得输出电流不存在工频纹波。本高功率因数无频闪的非隔离LED驱动电路无需较大的输出电容和专用的功率因数校正恒流输出控制芯片即可同时实现提高功率因数和解决频闪的目的。

Description

高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电路，特别是涉及一种高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路。

背景技术

开关电源用于驱动LED发光二极管时，为使得LED发光二极管亮度保持恒定，要求LED驱动电源具有恒流输出的功能。另外，对于接入交流电网的LED发光二极管灯泡的功率因数也有一定的要求，因为如果功率因数达不到要求，则会对电网造成一定程度的污染。IEC国际电工委员会对照明灯具提出了明确的谐波要求，即IEC61000-3-2标准；美国能源之星标准规定，对于功率大于5W的LED发光二极管灯泡要求功率因数不低于0.7；欧洲标准规定，对于大于25W的LED发光二极管灯泡要求功率因数高于0.9。从实际应用的情况看，对功率因数的要求大都高于上述标准的规定。

现有的能同时满足高功率因数和宽交流输入电压范围恒流输出功能的最简单驱动电源是基于降压式结构的功率因数校正（PFC，Power Factor Correction）电路，上述电路能同时实现输入电流的功率因数校正和输出电流的恒定的功能。图1为经典的降压式功率因数校正电路的拓扑结构，其由整流桥101，电容102，开关管106，二极管107，电感108，电容109，等效负载110组成。其中所述整流桥101输入端为交流输入端，所述整流桥106的输出端与所述电容102两端相连，所述二极管107的N结与所述电容102正端相连，所述二极管107的P结与所述开关管106的一端相连，所述开关管106的另一端接地，所述电感108一端与所述二极管107的P结相连，另一端与所述电容109一端相连吗，所述电容109另一端与所述二极管107的N结相连，所述等效负载110与所述电容109并联。

图1所示的电路工作时，假设电容102两端电压是V1，等效负载110两端电压是V2，所述开关管106开通时，所述电压V1通过所述电感108把能量传递给所述电容109和等效负载110，同时储存一部分能量在所述电感108中，假设开通时间T1；所述开关管106关断时，储存在所述电感108中的能量，通过所述二极管107释放给所述电容109和等效负载110，假设关断时间T2。在上述情况下，所述输出电压V2与输入电压V1的关系为：

，其中D为所述开关管106的占空比，

。

图1示出了经典的降压式功率因数校正电路的拓扑结构，其在实际应用中还需要加入功率因数校正恒流驱动芯片以及该驱动芯片的外部辅助元件才能正常工作，而图2便为基于图1所示的降压式结构的实际实现电路。图2所示的电路由整流桥201，电容202，二极管207，电感208，电容209，LED负载211，电阻211，电阻212，电阻213，电阻214，电容215，二极管216，控制芯片217，开关MOS管218，电阻219，电容220，辅助绕组221组成。其中控制芯片217是一款专用的功率因数校正恒流驱动芯片，其以SY5814芯片为代表。

图3为图2所示电路工作时的时序图。为了提高功率因数，提高输入电流的导通角，所述电容202的容量会很小。另外，因为图2所示电路是基于图1的降压式结构，只有所述电容202两端电压V3大于输出端所述电容209两端的所述电压V4时，才能完成输入到输出的电压转换和能量传输。也就是说，如图3所示，在一个工频周期0~T5内，只有在T1~T2，T3~T4内，所述控制芯片217才有开关动作，所述控制芯片217恒定开通时间，再根据楞次定律

，那么输入电流会跟随输入电压的变化，输入电流包络近似正弦化(见图3中I1波形)，进而提高了功率因数。那么在0~T1 T2~T3 T4~T5内，所述电容202两端电压V3小于输出端所述电容209两端的电压V4时，图2所示的降压式变换器，无法完成电压转换，并没有能量传递。输出电流I2是靠所述输出电容209存储的能量维持，必然会有较大的纹波电压(见图3中V4波形)，负载为LED负载时，流过LED负载的电流将会有较大的纹波电流(见图3中I2波形)，会产生频闪现象。

输出电流纹波的周期性变化会引起LED亮度的变化。虽然人眼不易察觉这种100Hz的亮度的变化，但是长时间在这种照明环境中，人眼会有强烈的疲劳感。另外，在视频照明应用场所，视频画面亮度会有闪烁现象。虽然可以通过增加输出电容来解决上述缺陷，但是这样会显著增加电路整体的成本和电源的体积。比如，如果把输出纹波电流降低90%，那么输出电容容量就要至少增加10倍，输出电容的体积也至少增加10倍。这在实际应用中，采用增加输出电容容量的方法是不现实的。

综上所述，亟待解决的问题是，无需增大输出电容便可克服现有LED驱动方案的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，其可同时达到提高功率因数和解决频闪的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，该驱动电路包括：第一整流桥；第一电容；第一电感；第一二极管；第二电容；第一开关管；第二二极管；第二电感；第三电容；电源管理芯片，所述电源管理芯片中内置有第二开关管，所述电源管理芯片的DRAIN端、CS端分别为所述第二开关管的漏极和源极；其中，所述第一整流桥的输出与所述第一电容的两端相连，所述第一电容的非接地端连接至所述第一电感的一端，所述第一电容另一端接地，所述第一电感的另一端分别连接至所述第一开关管的漏极和第一二极管的P结，所述第一开关管的源极接地，所述第一二极管的N结分别连接至所述第二电容的非接地端、第二二极管的N结和第三电容的一端，所述第二电容的另一端接地，所述第二电感的一端分别与所述电源管理芯片内置的第二开关管的漏极和第二二极管的P极相连，所述第二电感的另一端连接至所述第三电容的另一端，所述电源管理芯片内置的第二开关的源极接地，所述第一开关管与电源管理芯片所内置的第二开关管开通和关断的时序是一致的，所述第三电容的两端为外部负载供电。

进一步，所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路中，所述电源管理芯片的型号为CL1511、CL1512或CL1513。

进一步，所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路中，所述电源管理芯片的外部辅助电路包括：第一辅助电阻、第二辅助电阻、第三辅助电阻、第一辅助电容；其中，所述第一辅助电阻的一端连接至所述第二电容的非接地端，所述第一辅助电阻的另一端分别连接至所述电源管理芯片的VCC端和第一辅助电容的非接地端相连，所述第一辅助电容的另一端接地，所述第二辅助电阻一端连接至所述电源管理芯片的ROVP端，所述第二辅助电阻另一端接地，所述第三辅助电阻的一端连接至所述电源管理芯片(524)的CS端，所述第三辅助电阻的另一端接地，所述电源管理芯片的GATE端与所述第一开关管的栅极相连。

进一步，所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路中，所述第一开关管和第二开关管为开关MOS管。

进一步，所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路中，所述第一开关管和第二开关管为N型开关MOS管。

本发明的优点是，本发明所涉及的高功率因数无频闪的非隔离LED驱动电路中同时包含了降压式变换器结构和升压式变换器结构。采用上述结构之后，本高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路在一个工频周期之内可以连续工作，始终都有从输入电压到输出电压的能量传递，使得输出电流不存在工频纹波。本高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路无需较大的输出电容即可同时达到提高功率因数和解决频闪的目的。

附图说明

图1为经典的降压式功率因数校正电路的拓扑结构；

图2为基于图1所示的降压式结构的实际实现电路；

图3为图2所示电路工作时的简化时序图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为图4所示电路结合电源管理控制芯片搭建的实际LED驱动系统；

图6为图5所示系统工作时的简化时序图。

具体实施方式

为进一步揭示本发明的技术方案，兹结合附图详细说明本发明的实施方式：

本发明的发明构思为：如图1所示的经典的降压式功率因数校正电路的拓扑结构在实际工作时会产生频闪现象。为了克服上述缺陷，我们需要对传统的降压式结构进行改进。正是基于以上目的，本发明改进了传统的降压式结构形成了一种新的电路结构，可同时达到提高功率因数和避免频闪现象产生的目的。

图4为本发明的结构示意图，图4中包括：整流桥401、电容402、电感403、二极管404、电容405、开关管406、开关管411、二极管407、电感408、电容409和等效负载410。其中，所述电容405、开关管406、二极管407、电感408、电容409和等效负载410组成降压式变换器，其连接方式与图1中传统的降压式结构相同。而电容402，电感403，二极管404，开关管411，电容405组成升压式变换器。

其中开关管406、开关管411，导通和关断方式可以是同频同相位的。

假设电容402两端的电压为V5，电容405两端的电压为V6，电容409两端电压为V7。图4所示电路的工作过程如下：开关管411开通时，电压V5的能量储存在电感403里面，开关管406同时开通，电压V6一方面通过电感408把一部分能量传递给电容409和等效负载410，另一方面把一部分能量储存在电感408里面；开关管411关断时，储存在电感403里面的能量通过二极管404传递到电容405处，同时，开关管406关断时，储存在电感408的能量通过二极管407传递给电容409和等效负载410。

为了提高功率因数，电容402容量很小，只具有滤波作用，那么电容402两端的电压为正弦波电压信号V5；而电容405容量较大，兼有储能和滤波的作用，电容405两端为相对比较平稳的直流电压信号V6。关键在于，图4所示电路中，电容402、电感403、二极管404、开关管411和电容405组成升压式变换器，使得电容405两端的电压V6高于电容409两端的电压V7。

图5为图4所示电路结合电源管理控制芯片搭建的实际LED驱动系统；，图5中包括：第一整流桥501；第一电容502；第一电感503；第一二极管504；第二电容505；第一开关管511；第二二极管507；第二电感508；第三电容509；电源管理芯片524，与图4所示的开关管406对应的第二开关管内置在电源管理芯片524中，所述电源管理芯片524的DRAIN端、CS端分别是所述第二开关管的漏极和源极；外部负载510；其中，所述第一整流桥501的输出与所述第一电容502的两端相连，所述第一电容502的非接地端连接至所述第一电感503的一端，所述第一电容502另一端接地，所述第一电感503的另一端分别连接至所述第一开关管511的漏极和第一二极管504的P结，所述第一开关管511的源极接地，所述第一二极管504的N结分别连接至所述第二电容505的非接地端、第二二极管507的N结和第三电容509的一端，所述第二电容505的另一端接地，所述第二电感508的一端分别与所述电源管理芯片524内置的第二开关的漏极和第二二极管507的P极相连，所述第二电感508的另一端连接至所述第三电容509的另一端，所述电源管理芯片524内置的第二开关的源极接地，所述第三电容509的两端为外部负载510供电。

图5中，所述电源管理芯片524是一款内置了开关管的恒流芯片，代表型号有CL1511、CL1512、CL1513或者类似功能芯片，该芯片有8只功能脚，分别是：

GND脚，用于接地。

ROVP脚，通过外部电阻，设置最大输出电压，实现过压保护功能。

GATE脚，输出驱动信号，用于驱动外部MOS管。

VCC脚，用于给芯片供电。

两个DRAIN脚，内置MOS管的漏极。

两个CS脚，内置MOS管的源极，同时可以通过外部电阻，设置输出电流，实现恒流输出。

上述芯片CL1511、CL1512和CL1513的具体参数见下表：

产品名称或型号	品牌	规格	性能	制造单位
					CL1511	chiplink、芯联半导体	非隔离的LED驱动芯片，内置0.8A的mos	搭建的LED电源具有高功率因数无频闪的特点	苏州智浦芯联电子科技有限公司
CL1512	chiplink、芯联半导体	非隔离的LED驱动芯片，内置1A的mos	搭建的LED电源具有高功率因数无频闪的特点	苏州智浦芯联电子科技有限公司
					CL1513	chiplink、芯联半导体	非隔离的LED驱动芯片，内置2A的mos	搭建的LED电源具有高功率因数无频闪的特点	苏州智浦芯联电子科技有限公司

上述电源管理芯片524的功能与连接方式均已经为本领域技术人员所熟知。在本实施例中，所述电源管理芯片524的外部辅助电路包括：第一辅助电阻520、第二辅助电阻522、第三辅助电阻523、第一辅助电容521；其中，所述第一辅助电阻520的一端连接至所述第二电容505的非接地端，所述第一辅助电阻520的另一端分别连接至所述电源管理芯片524的VCC端和第一辅助电容521的非接地端相连，所述第一辅助电容521的另一端接地，所述第二辅助电阻522一端连接至所述电源管理芯片524的ROVP端，所述第二辅助电阻522另一端接地，所述第三辅助电阻523的一端连接至所述电源管理芯片524的CS端，所述第三辅助电阻523的另一端接地，所述电源管理芯片524的GATE端与所述第一开关管511的栅极相连。

另外，所述第一开关管511可采用开关MOS管，如图5中为N型MOS管。

图5所示电路工作时，所述电源管理芯片524通过CS端检测流过内部所述第二开关管的电流波形，一方面输出开关调制信号至所述内部第二开关管控制其开通和关断，以恒定输出电流，另一方面，通过其GATE端控制所述第一开关管511的开通和关断。在本实施例中，所述第一开关管511与电源管理芯片524所内置的第二开关管开通和关断的时序是一致的，也就是说所述电源管理芯片524同时也控制所述第二开关管的开通和关断。

假设所述第一电容502两端的电压为V8，所述第二电容505两端的电压为V9，所述第三电容509两端的电压为V10。图6为图5所示系统工作时的简化时序图，由图6可以看出，在一个工频周期内，由所述第一电容502、第一电感503、第一二极管504、第一开关管511和第二电容505组成的升压式变换器，使电压V9始终大于输出电压V10；由所述第二电容505、电源管理芯片524所内置的第二开关管、第二二极管507、第二电感508、第三电容509和外部负载510组成的降压式变换器，在一个工频周期之内连续工作，始终都有电压V9到电压V10的能量传递，因此使得输出电流不存在工频纹波（见图6中I4的波形）。

同时，由于所述第二电容505容量相对较大，兼具滤波和储能的作用，其电压纹波较小。那么，对于由所述第二电容505、电源管理芯片524所内置的第二开关管、第二二极管507、第二电感508、第三电容509和外部负载510组成的降压式变换器，所述电源管理芯片524输出的调制信号，其频率、占空比变化相对较小，所述第一开关管511的开通时间变化亦相对较小。那么，对于由所述第一电容502、第一电感503、第一二极管504、第一开关管511和第二电容505组成的升压式变换器，根据楞次定律，输入电流会跟随输入电压的变化，输入电流包络近似正弦化（见图6中I3的波形），进而提高了功率因数。

综上所述，本发明可同时达到提高功率因数和解决频闪的目的。

以上通过对所列实施方式的介绍，阐述了本发明的基本构思和基本原理。但本发明绝不限于上述所列实施方式，凡是基于本发明的技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，其特征在于，该驱动电路包括：第一整流桥（501）；第一电容（502）；第一电感（503）；第一二极管（504）；第二电容（505）；第一开关管（511）；第二二极管（507）；第二电感（508）；第三电容（509）；电源管理芯片（524），所述电源管理芯片（524）中内置有第二开关管，所述电源管理芯片（524）的DRAIN端、CS端分别为所述第二开关管的漏极和源极；其中，所述第一整流桥（501）的输出与所述第一电容（502）的两端相连，所述第一电容（502）的非接地端连接至所述第一电感（503）的一端，所述第一电容（502）另一端接地，所述第一电感（503）的另一端分别连接至所述第一开关管（511）的漏极和第一二极管（504）的P结，所述第一开关管（511）的源极接地，所述第一二极管（504）的N结分别连接至所述第二电容（505）的非接地端、第二二极管（507）的N结和第三电容（509）的一端，所述第二电容（505）的另一端接地，所述第二电感（508）的一端分别与所述电源管理芯片（524）内置的第二开关管的漏极和第二二极管（507）的P极相连，所述第二电感（508）的另一端连接至所述第三电容（509）的另一端，所述电源管理芯片（524）内置的第二开关的源极接地，所述第一开关管（511）与电源管理芯片（524）所内置的第二开关管开通和关断的时序是一致的，所述第三电容（509）的两端为外部负载（510）供电。

2.根据权利要求1所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，其特征在于，所述电源管理芯片（524）的型号为CL1511、CL1512或CL1513。

3.根据权利要求1或2所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，其特征在于，所述电源管理芯片（524）的外部辅助电路包括：第一辅助电阻（520）、第二辅助电阻（522）、第三辅助电阻（523）、第一辅助电容（521）；其中，所述第一辅助电阻（520）的一端连接至所述第二电容（505）的非接地端，所述第一辅助电阻（520）的另一端分别连接至所述电源管理芯片（524）的VCC端和第一辅助电容（521）的非接地端相连，所述第一辅助电容（521）的另一端接地，所述第二辅助电阻（522）一端连接至所述电源管理芯片（524）的ROVP端，所述第二辅助电阻（522）另一端接地，所述第三辅助电阻（523）的一端连接至所述电源管理芯片(524)的CS端，所述第三辅助电阻（523）的另一端接地，所述电源管理芯片（524）的GATE端与所述第一开关管（511）的栅极相连。

4.根据权利要求1所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，其特征在于，所述第一开关管（511）和第二开关管为开关MOS管。

5.根据权利要求1所述的高功率因数无频闪的非隔离式LED驱动电路，其特征在于，所述第一开关管（511）和第二开关管为N型开关MOS管。