CN103874295A - 单级型led驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级型LED驱动电源，包括用于输入交流供电电压的AC输入端；与AC输入端相连，用于将输入的全波交流电压转换为半波交流电压的整流电路；与整流电路连接，用于对整流电路输出的半波交流电压进行整流及滤波并生成用于驱动LED驱动电流的单级PFC电路；与单级PFC电路相连，控制电路通断的开关元件；与开关元件和单级PFC电路均连接，用于反馈控制调节驱动电流，使驱动电流保持恒定的反馈控制电路。本发明装置结构简单，成本低、体积小巧，并将变压器漏感能量回馈到电流输入端，提高了变换器的工作效率，同时无需附加电路即可避免了开关管关断时两端的电压尖峰。

Description

单级型LED驱动电源

技术领域

本发明涉及一种电源驱动电路，具体涉及一种带漏感能量回馈通路的单级型LED驱动电源。

背景技术

由于隔离式LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)驱动器具有低成本和系统简单的优点，其在各种AC-DC(Alternating Current-Direct Current，交流-直流电源)的照明产品中的应用引起了越来越多的关注。出于多路输出和安全的考虑，LED驱动电源一般采用Flyback变换器，需要进行恒定电流控制来保证LED工作特性。目前市面上现有此类设备的驱动电源，变压器漏感能量无法利用，一般工作效率低、器件多、体积大，而且需要附加其他电路来消除MOSFET管关断时的漏源电压尖峰。这类老款的驱动电源应用在中小功率场合中没有优势。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工作效率高、体积小的带漏感能量回馈通路的单级型LED驱动电源。

技术方案：为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种单级型LED驱动电源，包括：AC输入端，用于输入交流供电电压；整流电路，与所述AC输入端连接，用于将输入的全波交流电压转换为半波交流电压；单级PFC电路，与整流电路连接，用于对整流电路输出的半波交流电压进行整流及滤波并生成用于驱动LED的驱动电流；开关元件，与单级PFC电路相连，用于控制电路通断；反馈控制电路，与开关元件和单级PFC电路均连接，用于反馈控制调节驱动电流，使驱动电流保持恒定。

所述开关元件为MOS管Q₁。

所述单级PFC电路包括功率电感L₁、中间电容C_CD、续流二极管D_R、输入电容C₁、限流二极管D₂、变压器T、输出二极管D1以及输出电容Co；功率电感L₁的一端与整流电路输出端连接、另一端与中间电容C_CD一端和MOS管Q₁的漏极分别连接；中间电容C_CD另一端与续流二极管D_R阳极和限流二极管D₂阴极分别连接，续流二极管D_R阴极与整流电路输出端连接，限流二极管D₂阳极与变压器T原边一端连接，变压器T原边另一端接地；输入电容C₁一端与整流电路输出端连接，另一端与MOS管Q₁的源极连接；变压器T副边一端与输出二极管D1的阳极连接，另一端与输出电容Co和公共端分别连接，输出电容Co另一端与输出二极管D1的阴极连接；输出电容Co与LED连接。

所述反馈控制电路包括隔离驱动电路、比较器一、比较器二和反馈补偿电路；比较器二反向输入端与反馈补偿电路连接，比较器二的正向输入端与基准电压产生电路连接，比较器一反向输入端与比较器二的输出端连接，比较器一正向输入端与三角波产生电路连接，隔离驱动电路的输入端与比较器一输出端连接，隔离驱动电路的输出端与MOS管Q₁的栅极连接。

所述反馈控制电路还包括输出电流检测电阻R_S，所述输出电流检测电阻R_S的一端与所述比较器二的反向输入端连接，另一端与输出电容Co连接。

所述单级型LED驱动电源的一个开关周期工作过程如下：

模态1：当MOS管Q₁导通时，限流二极管D₂导通、续流二极管D_R和输出二极管D1均关断，输出电容Co向LED提供驱动电流至MOS管Q₁关断时进入模态2；

模态2：MOS管Q₁关断，续流二极管D_R、限流二极管D₂和输出二极管D1均导通，功率电感L₁对中间电容C_CD进行充电，变压器T漏感L_lk与输入电容C₁发生谐振，变压器T漏感L_lk电流通过续流二极管D_R将能量回馈到单级PFC电路电流输入端，变压器T二次侧电感Ls对输出电容Co充电并向LED提供驱动电流，至漏感电流i_Llk等于零、限流二极管D₂关断时进入模态3；

变压器漏感L_lk与输入电容C₁发生谐振阶段的完成时间：

$t_{\mathrm{recycle}}=\frac{1}{4}{T}_r=\frac{p\sqrt{L_{\mathrm{lk}}{C}_1}}{2}$

其中，T_r是谐振周期。

为了保证漏电感L_lk上的能量完全回馈，MOS管Q₁的关断时间t_off一定要大于t_recycle，同时，储存在变压器T上的能量从一次侧传递到二次侧，输出二极管D₁导通，二级侧电感Ls对输出电容Co充电并且点亮LED。二级侧电感电流i_Ls从峰值线性减少，减少斜率与i_Lp和变压器变比N成比例，漏感电流i_Llk等于零，限流二极管D₂关断，模态2结束；

模态3：漏感电流i_Llk等于零后，续流二极管D_R和输出二极管D1均导通，限流二极管D₂关断，功率电感L₁电流i_L1和变压器T二次侧电感i_Ls继续减小，如果输入电源为高线电压，电流i_Ls比i_L1先减少到零，进入模态4-a；如果输入电源为低线电压，电流i_L1比i_Ls先减少到零，进入模态4-b；

模态4-a：续流二极管D_R导通，限流二极管D₂和输出二极管D1均关断，输出电容Co为LED提供驱动电流，电流i_L1继续减少到零时进入模态5；

模态4-b：输出二极管D1导通，限流二极管D₂和续流二极管D_R均关断，电流i_Ls继续流过二极管D1为LED提供驱动电流，电流i_Ls继续减少到零时进入模态5；

模态5：电流i_L1和i_Ls都为零，续流二极管D_R、限流二极管D₂和输出二极管D1都关断，输出电容Co为LED提供驱动电流。

有益效果：（1）本发明具有结构简单、体积小、器件少、成本低的优点，有利于提高生产效率；

（2）本发明工作性能稳定，使用过程安全可靠；

（3）本发明采用的电路结构采用源边控制，实现了输出端的恒流控制，无需光耦即可将漏感能量回馈到输入端，提高了工作效率，无需附加电路就可以消除开关管关断时的漏源电压尖峰。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明的工作模态组图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例：如图1所示的单级型LED驱动电源，包括用于输入交流供电电压的AC输入端、整流电路101、单级PFC电路和反馈控制电路。开关元件包括输入端、输出端和控制端；单级PFC电路包括电流输入端、驱动电流输出端和驱动电流反馈端；反馈控制电路包括驱动电压输出端、反馈信号输入端和公共端。整流电路101与AC输入端相连，用于将输入的全波交流电压转换为半波交流电压。单级PFC电路的电流输入端与整流电路101的电流输出端连接，用于接收所述整流电路输出的半波交流电压，单级PFC电路的驱动电流输出端与LED连接，输出整流、滤波后电流用于驱动LED；单级PFC电路的驱动电流反馈端与反馈控制电路的反馈信号输入端连接，使反馈控制电路根据反馈信号产生反馈控制信号。开关元件的控制端与反馈控制电路的驱动电压输出端连接，根据反馈控制电路输出的反馈控制信号控制开关元件的开启及关闭。

整个电路的主要元件包括AC输入端、整流电路101、功率电感L₁102、中间电容C_CD103、续流二极管D_R104、输入电容C₁105、MOS管Q₁106、限流二极管D₂107、变压器T108、隔离驱动电路109、比较器一110、输出二极管D₁111、输出电容Co112、比较器二113和输出电流检测电阻R_S。

开关元件为MOS管Q₁106，MOS管Q₁106的漏极为开关元件输出端，与功率电感L₁102一端和中间电容C_CD103的正极连接；MOS管Q₁106的源极为开关元件输入端，与单级PFC电路的输入电容C₁连接；MOS管Q₁106的栅极为开关元件控制端，与反馈控制电路的隔离驱动电路109的输出端连接。

单级PFC电路包括功率电感L₁102、中间电容C_CD103、续流二极管D_R104、输入电容C₁105、限流二极管D₂107、变压器T108、输出二极管D₁111以及输出电容Co112；功率电感L₁102的一端与整流电路101输出端连接、另一端与中间电容C_CD103一端和MOS管Q₁106的漏极分别连接；中间电容C_CD103另一端与续流二极管D_R104阳极和限流二极管D₂107阴极分别连接，续流二极管D_R104阴极与整流电路101输出端连接，限流二极管D₂107阳极与变压器T108原边一端连接，变压器T108原边另一端接地；输入电容C₁一端与整流电路101输出端连接，另一端与所述MOS管Q₁106的源极连接；变压器T108副边一端与输出二极管D₁111的阳极连接，另一端与输出电容Co112和公共端分别连接，输出电容Co112另一端与输出二极管D₁111的阴极连接；输出电容Co112与LED连接。

反馈控制电路包括隔离驱动电路109、比较器一110、比较器二113、输出电流检测电阻R_S和反馈补偿电路；输出电流检测电阻R_S一端与公共端连接；比较器二113反向输入端与反馈补偿电路和输出电流检测电阻R_S另一端分别连接，比较器二113的正向输入端与基准电压产生电路连接；比较器一110反向输入端与比较器二113的输出端连接，比较器一110正向输入端与三角波产生电路连接，隔离驱动电路109的输入端与比较器一110输出端连接，隔离驱动电路109的输出端与MOS管106的栅极连接。

本发明的工作原理如下：

下面对LED驱动器进行工作模态分析，为了简化分析，电源、EMI滤波器以及整流桥统一用整流电压Vrect代替。在介绍工作原理之前，先做如下假设：

(1)变压器T1存在漏感L_lk，其他所有元器件是理想；

(2)Vr为续流二极管D_R104桥式整流后的电压，其表达式为：Vr=Vm|sin(ω_ot)|，其中Vm是交流电压峰值，ω_o是电网角频率，由于开关频率远高于交流电压频率，而且输入电容C₁很小（该电容典型取值范围为0.1uF到1.0uF之间），即Vr认为是整流正弦半波电压源，在一个开关周期内认为其保持不变；

一个开关周期内，电路共有五个稳定工作模态；

模态1：当MOS管Q₁106导通，功率电感L₁102两端电压为整流桥输出电压，功率电感L₁102电流i_L1线性上升；电容C_CD103两端电压加在变压器T108励磁电感上，限流二极管D₂107导通，励磁电感电流线性上升；功率电感L₁102电流和变压器T108励磁电感电流共同流过MOS管Q₁106，续流二极管D_R104和输出二极管D₁111关断，输出电容Co112向LED传递能量；当MOS管Q₁106关断时，此时模态1结束。

模态2：MOS管Q₁106关断，功率电感L₁102通过续流二极管D_R104进行续流，并且对电容C_CD103进行充电；变压器T108漏感L_lk与输入电容C₁105发生谐振，变压器T108漏感电流通过续流二极管D_R104将能量回馈到电流输入端。谐振阶段的完成时间：

$t_{\mathrm{recycle}}=\frac{1}{4}{T}_r=\frac{p\sqrt{L_{\mathrm{lk}}{C}_1}}{2}$

其中，T_r是谐振周期。

为了保证变压器T108漏感L_lk上的能量完全回馈，MOS管Q₁106的关断时间一定要大于t_recycle。同时，储存在变压器T108上的能量从一次侧传递到二次侧，输出二极管D₁111导通，变压器T108二级侧电感Ls对输出电容Co112充电并且点亮LED；二级侧电感电流i_Ls从峰值线性减少，减少斜率与i_Lp和变压器变比N成比例；漏感电流i_Llk等于零，限流二极管D₂107关断，模态2结束。

模态3：漏感电流i_Llk等于零后，进入模态3，与模态2相同，电流i_L1和i_Ls继续减小；电流i_L1和i_Ls哪个先到零，决定下一个进入哪个模态；如果输入电源为高线电压，电流i_Ls比i_L1先减少到零，这样二极管D_R104持续导通，模态3结束，模态4-a开始；相反，如果电流i_L1比i_Ls先减小到零，则进入模态4-b。

模态4-a：输入电源为高线电压，电流i_Ls减小到零，输出二极管D₁111关断，输出电容Co112为LED提供能量，同时电流i_L1继续减少，到t4时刻减小到零时进入模态5。

模态4-b：输入电源为低线电压，电流i_L1减小到零，续流二极管D_R104关断，电流i_Ls继续流过二极管D₁111为LED提供电流，同时电流电流i_Ls继续减少，到t4时刻减小到零时进入模态5。

模态5：当i_L1和i_Ls都为零，续流二极管D_R104和输出二极管D₁111都关断，中间电容C_CD103充电完毕，输出电容Co112为LED提供能量；当MOS管Q₁106再次导通时，进入下一个开关周期。

由采样电阻R_S得到的输出电流信号输入到比较器二的反向输入端，经过PI调解后输出信号接入到比较器一的正向输入端与三角波进行比较后得到控制信号，控制信号输入隔离驱动电路产生MOS管Q₁106驱动信号，实现驱动器的恒流控制。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种单级型LED驱动电源，其特征在于，包括：

AC输入端，用于输入交流供电电压；

整流电路（101），与所述AC输入端连接，用于将输入的全波交流电压转换为半波交流电压；

单级PFC电路，与整流电路（101）连接，用于对整流电路（101）输出的半波交流电压进行整流及滤波并生成用于驱动LED的驱动电流；

开关元件，与单级PFC电路相连，用于控制电路通断；

反馈控制电路，与开关元件和单级PFC电路均连接，用于反馈控制调节驱动电流，使驱动电流保持恒定。

2.根据权利要求1所述的单级型LED驱动电源，其特征在于：所述开关元件为MOS管Q₁（106）。

3.根据权利要求1所述的单级型LED驱动电源，其特征在于：所述单级PFC电路包括功率电感L₁（102）、中间电容C_CD（103）、续流二极管D_R（104）、输入电容C₁（105）、限流二极管D₂（107）、变压器T（108）、输出二极管D₁（111）以及输出电容Co（112）；功率电感L₁（102）的一端与整流电路（101）输出端连接、另一端与中间电容C_CD（103）一端和MOS管Q₁（106）的漏极分别连接；中间电容C_CD（103）另一端与续流二极管D_R（104）阳极和限流二极管D₂（107）阴极分别连接，续流二极管D_R（104）阴极与整流电路（101）输出端连接，限流二极管D₂（107）阳极与变压器T（108）原边一端连接，变压器T（108）原边另一端接地；输入电容C₁（105）一端与整流电路（101）输出端连接，另一端与MOS管Q₁（106）的源极连接；变压器T（108）副边一端与输出二极管D₁（111）的阳极连接，另一端与输出电容Co（112）和公共端分别连接，输出电容Co（112）另一端与输出二极管D₁（111）的阴极连接；输出电容Co（112）与LED连接。

4.根据权利要求1所述的单级型LED驱动电源，其特征在于：所述反馈控制电路包括隔离驱动电路（109）、比较器一（110）、比较器二（113）和反馈补偿电路；比较器二（113）反向输入端与反馈补偿电路连接，比较器二（113）的正向输入端与基准电压产生电路连接，比较器一（110）反向输入端与比较器二（113）的输出端连接，比较器一（110）正向输入端与三角波产生电路连接，隔离驱动电路（109）的输入端与比较器一（110）输出端连接，隔离驱动电路（109）的输出端与MOS管Q₁（106）的栅极连接。

5.根据权利要求4所述的单级型LED驱动电源，其特征在于：所述反馈控制电路还包括输出电流检测电阻R_S，所述输出电流检测电阻R_S的一端与所述比较器二（113）的反向输入端连接，另一端与输出电容Co（112）连接。

6.根据权利要求1所述的单级型LED驱动电源，其特征在于，所述单级型LED驱动电源的一个开关周期工作过程如下：

模态1：当MOS管Q₁（106）导通时，限流二极管D₂（107）导通、续流二极管D_R（104）和输出二极管D₁（111）均关断，输出电容Co（112）向LED提供驱动电流至MOS管Q₁（106）关断时进入模态2；

模态2：MOS管Q₁（106）关断，续流二极管D_R（104）、限流二极管D₂（107）和输出二极管D₁（111）均导通，功率电感L₁（102）对中间电容C_CD（103）进行充电，变压器T（108）漏感L_lk与输入电容C₁（105）发生谐振，变压器T（108）漏感L_lk电流通过续流二极管D_R（104）将能量回馈到单级PFC电路电流输入端，变压器T（108）二次侧电感Ls对输出电容Co（112）充电并向LED提供驱动电流，当漏感电流i_Llk等于零、限流二极管D₂（107）关断时进入模态3；

模态3：漏感电流i_Llk等于零后，续流二极管D_R104和输出二极管D₁（111）均导通，限流二极管D₂（107）关断，功率电感L₁（102）电流i_L1和变压器T（108）二次侧电感i_Ls继续减小，如果输入电源为高线电压，电流i_Ls比i_L1先减少到零，进入模态4-a；如果输入电源为低线电压，电流i_L1比i_Ls先减少到零，进入模态4-b；

模态4-a：续流二极管D_R（104）导通，限流二极管D₂（107）和输出二极管D₁（111）均关断，输出电容Co（112）为LED提供驱动电流，电流i_L1继续减少到零时进入模态5；

模态4-b：输出二极管D₁（111）导通，限流二极管D₂（107）和续流二极管D_R（104）均关断，电流i_Ls流过二极管D₁（111）为LED提供驱动电流，电流i_Ls继续减少到零时进入模态5；

模态5：电流i_L1和i_Ls都为零，续流二极管D_R（104）、限流二极管D₂（107）和输出二极管D₁（111）均关断，输出电容Co（112）为LED提供驱动电流。

7.根据权利要求6所述的单级型LED驱动电源，其特征在于：模态2中所述MOS管Q₁（106）的关断的持续时间t_off大于变压器T（108）一次侧漏感L_lk与输入电容C₁（105）发生谐振的时间t_recycle，即t_off>t_recycle，其中，T_r为谐振周期。

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