CN103997828A

CN103997828A - 一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源

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Publication number: CN103997828A
Application number: CN201410196896.5A
Authority: CN
Inventors: 汪飞; 钟元旭
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: CN103997828B

Abstract

本发明公开了一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源、桥式整流电路、主开关管、续流二极管、能量释放支路、电感、辅助二极管、储能电容、辅助开关管、输出滤波电容及LED负载。本发明有如下特点和优点：1）通过调节开关管在不同输入功率条件下的导通状态，可以平衡输入功率p_in和输出功率p_o的低频功率脉动，并恒流驱动LED负载；2）为减小储能电容容值，储能电容电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式，因而可以使用小容值的非电解电容(如薄膜电容等)作为储能电容；3）能量释放支路电感与Buck主电路电感实现共用，电路结构简单且成本低。

Description

一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，属于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)变换器领域。

背景技术

发光二极管(light-emitting diode ,LED)具有光效高、寿命长、体积小、节能环保、易调光等优点。随着LED关键技术取得重大突破，LED照明光源有望成为新一代高效光源。目前LED照明已应用于路灯照明、普通照明、液晶屏幕背光源、应急照明、城市景观照明、医疗和交通等领域。

为保证LED发光品质及整体性能，开发效率高、成本低、体积小、寿命长、可靠性高、性能优良的驱动电源是关键。传统的不同功率AC/DC LED驱动电源按其拓扑结构形式可分为：单级拓扑、两级拓扑和多级拓扑。级联式的两级拓扑、多级拓扑结构中输入功率需要经过两级或者多级的能量变换装置才能到达LED负载，整机效率低，器件多、体积大、寿命短等缺点。

无论是哪一种拓扑结构形式的LED驱动电源，在交流供电场合，为了达到较高输入功率因数(power factor，PF)，满足标准IEC61000-3-2的谐波要求，LED驱动电源都需要进行输入功率因数校正。当PF=1时，输入电流与输入电压为同频同相的正弦波，其输入功率呈现两倍输入电压频率的功率脉动形式，而LED的输出功率为恒定功率，因此通常会选用容量较大的电解电容来匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡。高质量电解电容在额定温度105o C下，使用寿命一般在10 kh左右，远低于LED发光芯片80~100 kh的长寿命，所以电解电容是影响LED照明光源整体寿命的主要元件。

如图1所示为现有无电解电容LED驱动电源结构框图，由单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器组成。单向DC/DC变换器的主要功能是实现功率因数校正，双向DC/DC变换器处理瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率。虽然此类LED驱动电源通过在直流母线上并联双向DC/DC变换器虽然可以消除电解电容，但集成度低的、效率低、成本高。

发明内容

本发明目的在于克服两级拓扑、多级拓扑结构AC/DC LED驱动电源整机效率低、器件多、体积大等缺点，克服因使用电解电容而降低LED照明光源整体寿命的缺点，克服现有无电解电容LED驱动电源效率低、集成度低的不足，提供一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源。具有效率高、输入功率因数高、体积小、寿命长、可靠性高、驱动性能优良的特点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，包括：桥式整流电路、主开关管Q ₁、续流二极管D _a1、能量释放支路、电感L、辅助二极管D _a2、储能电容C _a、辅助开关管Q ₂、输出滤波电容C _o及LED负载，其特征在于：所述桥式整流电路依次接主开关管Q ₁、续流二极管D _a1、能量释放支路、电感L、辅助二极管D _a2、储能电容C _a、辅助开关管Q ₂、输出滤波电容C _o及LED负载。

所述桥式整流电路由第一二极管D _r1、第二二极管D _r2、第三二极管D _r3和第四二极管D _r4组成；所述第一二极管D _r1的阳极连接所述第三二极管D _r3的阴极，所述第二二极管D _r2的阳极连接所述第四二极管D _r4的阴极，所述第一二极管D _r1与所述第二二极管D _r2的阴极对接，所述第三二极管D _r3与所述第四二极管D _r4的阳极对接；主开关管Q ₁的漏极和源极分别接第二二极管D _r2的阴极、电感L与第三开关管Q ₃漏极的公共节点连接；能量释放支路由第七二极管D _a3和第三开关管Q ₃串联而成；第七二极管D _a3的阴极和阳极分别接第三开关管Q ₃的漏极、储能电容C _a正极与辅助二极管D _a2公共节点连接；电感L的另一端接第五二极管D _a1的阳极和辅助开关管Q ₂的漏极；辅助开关管Q ₂的源极接输出滤波电容C _o及LED负载的正极端；续流二极管D _a1的阳极和阴极分别与第四二极管D _r4的阳极、第二二极管D _r2的阴极连接；输出滤波电容C _o负极端、LED负载负极端、储能电容C _a负极端共同连接到第四二极管D _r4的阴极连接。

所述由第一二极管D _r1、第二二极管D _r2、第三二极管D _r3和第四二极管D _r4组成的桥式整流电路实现交流/直流变换。

所述主开关管Q ₁和电感L共同作用实现输入功率因数校正和调节储能电容C _a的电压。

所述储能电容C _a匹配瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率，并且储能电容的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式，其容值较小。

所述辅助二极管D _a2为储能电容C _a提供能量储存通道。

所述能量释放支路在输入功率小于输出功率(p _in <P _O)条件下通过释放能量实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

所述辅助二极管D _a2和辅助开关管Q ₂在输入功率大于输出功率(p _in >p _O)条件下实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

所述滤波电容C _o可以滤除输出电压纹波。

与现有技术相比，本发明主要技术特点和优点是：电感L工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正；储能电容C _a的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的形式，从而可以使用非电解电容替代电解电容；调节开关管在不同输入功率条件下的导通状态，可以平衡瞬时输入功率p _in和输出功率p _o的低频脉动功率，并恒流驱动LED负载；能量释放支路电感与Buck主电路电感实现共用，使得电路结构简单且成本低。

附图说明

图1为现有无电解电容LED驱动电源结构框图。

图2为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源的原理框图。

图3为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源的主电路。

图4为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。

图5为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源主电路在p _in<p _o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。

图6为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源主电路在p _in>p _o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。

图7为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源主电路在p _in<p _o条件下的各开关模态等效电路图。

图8为本发明的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源主电路在p _in>p _o条件下的各开关模态等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例一：图2为本实施例的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源原理框图。主电路为三端口DC/DC变换器，在主电路中加入储能电容，该储能电容在不同输入功率条件下可以平衡瞬时输入功率p _in和输出功率p _o的不平衡，实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

实施案例二：如图3所示为本实施例的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源主电路，本实施例与实施例一基本相同，其特别之处如下：

一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源主电路包括：桥式整流电路(1)、主开关管(2)、续流二极管(3)、能量释放支路(4)、电感(5)、辅助二极管(6)、储能电容(7)、辅助开关管(8)、输出滤波电容(9)及LED负载(10)，其特征在于：所述桥式整流电路(1)依次接主开关管(2)、续流二极管(3)、能量释放支路(4)、电感(5)、辅助二极管(6)、储能电容(7)、辅助开关管(8)、输出滤波电容(9)及LED负载(10)。所述桥式整流电路(1)由第一二极管(D _r1)、第二二极管(D _r2)、第三二极管(D _r3)和第四二极管(D _r4)组成；所述第一二极管(D _r1)的阳极连接所述第三二极管(D _r3)的阴极，所述第二二极管(D _r2)的阳极连接所述第四二极管(D _r4)的阴极，所述第一二极管(D _r1)与所述第二二极管(D _r2)的阴极对接，所述第三二极管(D _r3)与所述第四二极管(D _r4)的阳极对接；主开关管(2)即第一开关管(Q ₁)的漏极和源极分别接第二二极管(D _r2)的阴极、电感(L)与第三开关管(Q ₃)漏极的公共节点连接；能量释放支路(4)由第七二极管(D _a3)和第三开关管(Q ₃)串联而成；第七二极管(D _a3)的阴极和阳极分别接第三开关管(Q ₃)的漏极、储能电容(7)正极与辅助二极管(6)公共节点连接；电感(L)的另一端接第五二极管(D _a1)的阳极和辅助开关管(8)的漏极；辅助开关管(8)的源极接输出滤波电容(9)及LED负载(10)的正极端；续流二极管(3)的阳极和阴极分别与第四二极管(D _r4)的阳极、第二二极管(D _r2)的阴极连接；输出滤波电容(9)负极端、LED负载(10)负极端、储能电容(7)负极端共同连接到第四二极管(D _r4)的阴极连接。

下面以图3为本实施案例的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源的主电路，结合附图4—8叙述本发明的具体工作原理，设计原理：

图4为本发明所提出的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。为了达到较高的输入功率因数，电感L工作在电流断续状态(discontinuous current mode, DCM)，实现功率因数校正，且主开关管Q ₁的占空比在一个工频周期内基本保持不变。为了匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡，在Buck主电路上以三端口网络形式加入储能电容C _a，储能电容C _a的能量可以实现双向流动，且其能量释放支路的电感与Buck主电路电感共用。在一个工频周期内,当输入功率p _in小于输出功率p _o时，Q ₂一直开通，控制Q ₃的导通状态可以为LED负载提供恒定工作电流，此时，储能电容C _a释放能量至输出负载以补偿输出功率与输入功率的能量差，所以储能电容的电压v _ca下降；当输入功率p _in大于输出功率p _o时，Q ₃一直关断，控制Q ₂的开关状态可以实现为LED负载提供恒定工作电流，此时，剩余的能量储存在电容C _a上，所以储能电容的电压v _ca上升。由此可见，该LED驱动电源在p _in <p _o的工作状态和在p _in >p _o的工作状态是截然不同的。图5为主电路在p _in<p _o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形；图6主电路在p _in >p _o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形

1.不同功率条件下的工作原理分析

1.1 当p _in <p _o时的工作模态分析

图5为主电路p _in <p _o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形，此时共有五个不同的工作模态，其开关模态的等效电路图如图7所示。

1）工作模态1，[t _o ,t ₁]：其等效工作电路如图7(a)所示。t _o时刻之前，电感电流i _L为零，滤波电容C _o向LED负载供电。在p _in <p _o功率条件下开关管Q ₂一直导通，在t _o时刻，开关管Q ₁导通，整流二极管D _r1和D _r4(或者D _r2和D _r3)导通，输入电源为LED负载供电，电感电流i _L从零开始线性上升。假设输入电压在一个开关周期内保持不变，则有：

（1）

式中V _o为LED负载电压。

为了保证这个工作模态正常工作，储能电容的电压v _ca(t)必须满足：

（2）

2）工作模态2，[t ₁ ,t ₂]：其等效工作电路如图7(b)所示，在t ₁时刻开关管Q ₁关断，电感L的在Q ₁开通期间存储的能量向滤波电容C _o和负载释放，电感电流线性下降。根据式(1)，t ₁时刻的电感电流为：

（3）

式中D ₁和T _s是开关管Q ₁的占空比和开关周期。

所以，在t ₁时刻开关管Q ₁关断后，电感电流i _L可以表示为：

（4）

在t ₂时刻电感电流i _L下降为零，t ₁和t ₂的时间间隔为：

（5）

3）工作模态3，[t ₂ ,t ₃]：其等效工作电路如图7(c)所示，开关管Q ₃开通，储能电容C _a释放能量至电感和负载，电感L电流i _L线性上升。假设储能电容C _a电压在一个开关周期内保持不变，则有：

（6）

4）工作模态4，[t ₃ ,t ₄]：其等效工作电路如图7(d)所示，电感L的在Q ₃开通期间存储的能量向滤波电容C _o和负载释放。开关管Q ₃在t ₃时刻关断，所以在t ₃时刻电感L电流i _L可以表示为：

（7）

式中D ₃是开关管Q ₃的占空比。

所以，开关管Q ₃在t ₃时刻关断后，电感L _a电流i _L可以表示为：

（8）

在t ₄时刻，电感L _a电流i _La下降为零，t ₁和t ₂的时间间隔为：

（9）

5）工作模态5，[t ₄ ,t ₅]：其等效工作电路如图7(e)所示，在这个开关模态中，电感电流i _L为零，电感L工作在电流断续状态，滤波电容C _o向LED负载供电。因为一个周期内电感电流断续，所以在p _in <p _o功率条件下有：

（10）

在p _in <p _o功率条件下，为了保证输出功率恒定，需要储能电容C _a向LED负载提供能量。因为开关管Q ₁的占空比保持不变，所以应该调节控制储能电容释放能量大小的开关管Q ₃的占空比，以保证输出电流恒定和输出功率恒定。

1.2 当p _in >p _o时的工作模态分析

图6为主电路在p _in>p _o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形，此时共有四个不同的工作模态，其开关模态的等效电路如图8所示。

1）工作模态1，[t ₀ ,t ₁]：其等效工作电路如图8(a)所示，与图7(a)类似，暂态分析也类似。t _o时刻之前，电感电流i _L为零，滤波电容C _o向LED负载供电。t _o时刻，开关管Q ₁导通，Q ₂导通，整流二极管D _r1和D _r4(或者D _r2和D _r3)导通，输入电源为LED负载供电。假设输入电压在一个开关周期内保持不变，那么电感电流i _L从零开始线性增加。

（11）

（12）

2）工作模态2，[t ₁ ,t ₂]：其等效工作电路如图8(b)所示，在t ₁时刻开关管Q ₁关断，电感L的在Q ₁开通期间存储的能量向滤波电容C _o和负载释放，电感电流线性下降。根据式(11)，t ₁时刻的电感电流为：

（13）

（14）

为了保证向LED负载提供恒定工作电流，在每一个开关周期中负载释放的能量必须恒定，所以在t ₂时刻开关管Q ₂关断，根据式(14)，在t ₂时刻电感电流为：

（15）

式中D ₂是开关管Q ₂的占空比。

3）工作模态3，[t ₂ ,t ₃]：其等效工作电路如图8(c)所示。开关管Q ₂关断后，电感中剩余的能量将通过辅助二极管D _a2释放到储能电容C _a中，储能电容C _a被充电且电感电流i _L线性下降，假设储能电容电压在一个开关周期内保持不变，则有

（16）

在t ₃时刻，电感电流i _L下降到零，t ₂到t ₃的时间间隔为：

（17）

4）工作模态4，[t ₃ ,t ₄]：其等效工作电路如图8(d)所示，在这个开关模态中，电感电流i _L为零，电感L工作在电流断续状态，滤波电容C _o向LED负载供电。因为一个周期内电感电流断续，所以在p _in <p _o功率条件下有：

（18）

在p _in <p _o功率条件下，为了使输出电流恒定从而保证输出功率恒定，需要储能电容C _a向LED负载提供能量。因为开关管Q ₁的占空比保持不变，所以应该调节开关管Q ₂的占空比，以保证输出电流恒定和输出功率恒定。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例子仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，包括：桥式整流电路(1)、主开关管(2)、续流二极管(3)、能量释放支路(4)、电感(5)、辅助二极管(6)、储能电容(7)、辅助开关管(8)、输出滤波电容(9)及LED负载(10)，其特征在于：所述桥式整流电路(1)依次接主开关管(2)、续流二极管(3)、能量释放支路(4)、电感(5)、辅助二极管(6)、储能电容(7)、辅助开关管(8)、输出滤波电容(9)及LED负载(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，其特征在于：所述桥式整流电路(1)由第一二极管(D _r1)、第二二极管(D _r2)、第三二极管(D _r3)和第四二极管(D _r4)组成；所述第一二极管(D _r1)的阳极连接所述第三二极管(D _r3)的阴极，所述第二二极管(D _r2)的阳极连接所述第四二极管(D _r4)的阴极，所述第一二极管(D _r1)与所述第二二极管(D _r2)的阴极对接，所述第三二极管(D _r3)与所述第四二极管(D _r4)的阳极对接；主开关管(2)即第一开关管(Q ₁)的漏极和源极分别接第二二极管(D _r2)的阴极、电感(L)与第三开关管(Q ₃)漏极的公共节点连接；能量释放支路(4)由第七二极管(D _a3)和第三开关管(Q ₃)串联而成；第七二极管(D _a3)的阴极和阳极分别接第三开关管(Q ₃)的漏极、储能电容(7)正极与辅助二极管(6)公共节点连接；电感(L)的另一端接第五二极管(D _a1)的阳极和辅助开关管(8)的漏极；辅助开关管(8)的源极接输出滤波电容(9)及LED负载(10)的正极端；续流二极管(3)的阳极和阴极分别与第四二极管(D _r4)的阳极、第二二极管(D _r2)的阴极连接；输出滤波电容(9)负极端、LED负载(10)负极端、储能电容(7)负极端共同连接到第四二极管(D _r4)的阴极连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，其特征在于：所述电感(L)工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正。

4.根据权利要求1所述的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，其特征在于：所述储能电容(7)的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式以消除AC/DC LED恒流驱动电源对电解电容的依赖。

5.根据权利要求1所述的一种基于Buck电路的无电解电容LED驱动电源，其特征在于：调节开关管在不同输入功率条件下的导通状态，可以平衡输入功率p _in和输出功率p _o的不平衡，并恒流驱动LED负载。