CN104284480A - 无桥无电解电容低纹波隔离式led灯恒流电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，包括交流供电电路、启动与供电电路、耦合输出电路和纹波抑平电路；交流供电电路包括交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路，上述电流回路的电流流经磁集成变压器TR的原边绕组N11和N12，在磁集成变压器TR的中柱次级绕组N2产生感应次级电流；启动与供电电路包括恒流驱动芯片U1和U2的启动与供电电路；耦合输出电路把感应次级电流经整流、滤波输出到负载LED灯；纹波抑平电路回收谐波THD和电磁干扰EMI，经整流输出到负载LED灯；恒流驱动芯片U1和U2采用DU8673集成芯片。本发明的恒流电源不使用桥式整流而提升电功功率、不使用电解电容而提高可靠性、恒流精度高、电流纹波小、LED灯不闪烁、电路环保。
Description
技术领域
本发明属于LED灯恒流电源技术，特别涉及无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源。
背景技术
上海占空比电子科技有限公司的DU系列芯片，是把成熟的低成本的模拟技术以及高精度的数码编程技术相结合，其中，DU8673是一款工作于TRUQR准谐振模式下的降压式恒流驱动芯片，内置600V高压MOSFET管，主要应用于中小功率的LED恒流驱动电源系统。DU8673集成芯片适应于输入电源电压范围176Vac至264Vac；输出电压40Vac至80Vac，输出恒流0.3A；功率因数0.5。即使输出短路的情况下，仍可保持恒流特性。但目前DU8673集成芯片的应用大都使用整流桥、电解电容，所以功率因数低、可靠性不理想、体积较大，所以有必要研究基于DU8673集成芯片的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种不使用桥式整流而提升电功效率、不使用电解电容而提高可靠性、恒流精度高、电流纹波小、LED灯不闪烁、电路环保的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源。
本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：
无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，包括：交流供电电路、启动与供电电路、耦合输出电路和纹波抑平电路；
所述交流供电电路连接交流电源Uin，包括分别受控于交流电源Uin正半波和负半波极性控制交替工作或休息半个波的恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2，以及，分别由恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2恒流控制的交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路，上述电流回路的电流均流经磁集成变压器TR的原边绕组N11和原边绕组N12，在磁集成变压器TR的中柱次级绕组N2产生感应次级电流输出到耦合输出电路；
所述启动与供电电路包括恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2的启动与供电电路；
所述耦合输出电路把上述中柱次级绕组N2产生的感应次级电流经整流、滤波后输出到负载LED灯；
所述纹波抑平电路回收交流电源和交流供电电路中产生的谐波THD和电磁干扰EMI，经整流后输出到负载LED灯；
所述恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2均采用型号为DU8673的集成芯片。
所述磁集成变压器TR包括“日”字型磁芯柱，以及，原边绕组N11和原边绕组N12分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，中柱次级绕组N2绕在“日”字型磁芯柱的中柱上，附加绕组N31和附加绕组N32分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上。
所述交流电正半波电流回路包括：在交流电正半波，电流从交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11，再从并联的恒流驱动芯片U1的两个DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻Rcs、公共零电位OV、二极管D2、原边绕组N12，回到交流电源Uin的负极性N端；受控于该交流电正半波，恒流驱动芯片U1工作，恒流驱动芯片U2不工作；
所述交流电负半波电流回路为：在交流电负半波，电流从交流电源Uin的负极性N端流出，流经原边绕组N12，再从并联的恒流驱动芯片U2的两个DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻Rcs、公共零电位OV、二极管D1、原边绕组N11、熔断保险丝F，回到交流电源Uin的正极性L端；受控于该交流电负半波，恒流驱动芯片U2工作，恒流驱动芯片U1不工作。
所述恒流驱动芯片U1的启动与供电电路包括：交流电源Uin经过原边绕组N11和启动电容Cj1向恒流驱动芯片U1的VCC引脚供电，同时向连接恒流驱动芯片U1的VCC引脚的电容C4充电；
所述恒流驱动芯片U2的启动与供电电路包括：交流电源Uin经过原边绕组N12和启动电容Cj2向恒流驱动芯片U2的VCC引脚供电，同时向连接恒流驱动芯片U2的VCC引脚的电容C4充电。
所述启动与供电电路还包括：恒流驱动芯片U1的DRA引脚与GND引脚之间反向连接稳压二极管DZ1；恒流驱动芯片U2的DRA引脚与GND引脚之间反向连接稳压二极管DZ2。
所述耦合输出电路包括：中柱次级绕组N2的一端同时连接贮能电容C01的一端和贮能电容C02的一端，中柱次级绕组N2的另一端同时连接整流二极管D01的正极和整流二极管D02的负极，贮能电容C01的另一端和整流二极管D01的负极均连接负载LED灯的正极端，贮能电容C02的另一端和整流二极管D02的正极均连接负载LED灯的负极端；负载LED灯的的两端还并联RC并联滤波电路；通过设计中柱次级绕组N2的匝数，适配各电压等级的负载LED灯。
所述纹波抑平电路包括：附加绕组N31的一端经过调谐电感L31后同时连接二极管D311的正极和二极管D312的负极，另一端连接附加绕组N32的一端并同时连接在贮能电容C01和贮能电容C02之间，附加绕组N32的另一端经过调谐电感L32后同时连接二极管D321的正极和二极管D322的负极，二极管D311的负极和二极管D321的负极均连接负载LED灯的正极端，二极管312的正极和二极管D322的正极均连接负载LED灯的负极端。
本发明的显著优点在于：
1、利用输入交流电源过零之后正半波或者负半波的半波时段的极性控制两片DU8673集成芯片交替工作或休息半个波高频PWM恒流控制主回路电流，省去交流电源的桥式整流器，直接产生高频RF的AC-AC工作模式，提高了功率因数PF值，有效提升交流电源的电功效率，降低了成本。
2、不用电解电容，提升LED恒流电源可靠性；
3、运用磁集成技术，在普通三柱磁芯的两边柱设置初级绕组N11和N12；中柱次级绕组N2安排在磁芯中柱，在两边柱边角处设置附加绕组N31和N32，充分利用绕组漏电感也参与正能量的工作。原边绕组N11和N12经启动电容Cj1和Cj2及安规电容Cx构成LC闭合回路，当交流电源Uin过零，或内部电力电子开关的“死区时段”瞬间，该LC闭合回路回收杂散电磁场原本有害的谐波负能量，转化为中柱次级绕组N2、附加绕组N31和N32的正能量，回馈给负载LED灯，既提升电功功率，又降低了THD和EMI。
4、因不用电解电容，对于无滤波之高纹波问题，本发明利用边柱磁通与中柱合成磁通之间存在相位差作用，在两边柱边角处设置附加绕组N31和N32，并分别串入电感L31、电感L32，与电容C01及与电容C02分别构成“串联谐振回路”，分别调谐在电源谐波THD中存在谐波能量较大的两个频率，于是把原本有害的谐波交流能量，化害为利，回收转化为直流电流源，向滤波电容C0供电，起到抑平LED电流纹波的作用，所以，不必用大电容量的电解电容作滤波电容，就可以实现LED低纹波。另外，三柱磁芯上的所有绕组都没有直流偏磁，所以不必设气隙，降低磁隙杂音，降低磁隙损耗功率，电功功率高，功率因数PF达0.95以上。
5、在每片DU8673集成芯片的DRA引脚与GND引脚之间反向连接15伏稳压二极管，保护内置15伏低压MOSFET管，并且回收杂散电磁场能量向DU8673集成芯片的VCC引脚自供电，同时减少EMI干扰，可以节省输入滤波电感，节约成本，缩小恒流电源体积。
6、本发明克服直流偏磁，充分发挥磁芯的磁化特性第I象限至第III象限宽范围交变工作，提升输出功率，适应50W或以上较大功率LED灯电源；
7、恒流精度高达3％，电流纹波小，LED灯不闪烁。
8、灵活设计中柱次级绕组N2的匝数，可适配现有各电压等级的LED灯。
9、用启动电容Cj1和Cj2的容抗作为不消耗有功功率的启动方案，取代传统的电阻降压启动方案。
10、与DU8673相类似的DU8702、DU8712等集成芯片也可以应用本发明的设计思路而获得加倍功率提升。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，包括：交流供电电路、启动与供电电路、耦合输出电路和纹波抑平电路；
所述交流供电电路连接交流电源Uin，包括分别受控于交流电源Uin正半波和负半波极性控制交替工作或休息半个波的恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2，以及，分别由恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2恒流控制的交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路，上述电流回路的电流均流经磁集成变压器TR的原边绕组N11和原边绕组N12，在磁集成变压器TR的中柱次级绕组N2产生感应次级电流输出到耦合输出电路；
所述启动与供电电路包括恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2的启动与供电电路；
所述耦合输出电路把上述中柱次级绕组N2产生的感应次级电流经整流、滤波后输出到负载LED灯；
所述纹波抑平电路回收交流电源和交流供电电路中产生的谐波THD和电磁干扰EMI，经整流后输出到负载LED灯；
所述恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2均采用型号为DU8673的集成芯片。
所述磁集成变压器TR包括“日”字型磁芯柱，以及，原边绕组N11和原边绕组N12分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，中柱次级绕组N2绕在“日”字型磁芯柱的中柱上，附加绕组N31和附加绕组N32分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上。
所述交流电正半波电流回路包括：在交流电正半波，电流从交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11，再同时从恒流驱动芯片U1的第一DRN引脚和第二DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻Rcs、公共零电位OV、二极管D2、原边绕组N12，回到交流电源Uin的负极性N端；受控于该交流电正半波，恒流驱动芯片U1工作，恒流驱动芯片U2不工作；
所述交流电负半波电流回路为：在交流电负半波，电流从交流电源Uin的负极性N端流出，流经原边绕组N12，再同时从恒流驱动芯片U2的第一DRN引脚和第二DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻Rcs、公共零电位OV、二极管D1、原边绕组N11、熔断保险丝F，回到交流电源Uin的正极性L端；受控于该交流电负半波，恒流驱动芯片U2工作，恒流驱动芯片U1不工作。
上述恒流驱动芯片U1和U2，每片只工作于输入电流电源的半个波，对于50HZ电源而言，每半个波为10毫秒，恒流驱动芯片U1和U2交替工作10毫秒休息10毫秒，所以，在同等的温升下，本发明的恒流电源可以有较大的工作电流，可以输出比较大的功率。同时，节约了桥式整流器，降低成本，并减少了桥式整流器二极管的功率损耗。
所述恒流驱动芯片U1的启动与供电电路包括：交流电源Uin经过原边绕组N11和启动电容Cj1向恒流驱动芯片U1的VCC引脚供电，同时向连接恒流驱动芯片U1的VCC引脚的电容C4充电；
所述恒流驱动芯片U2的启动与供电电路包括：交流电源Uin经过原边绕组N12和启动电容Cj2向恒流驱动芯片U2的VCC引脚供电，同时向连接恒流驱动芯片U2的VCC引脚的电容C4充电。所述启动与供电电路还包括：恒流驱动芯片U1的DRA引脚与GND引脚之间反向连接15伏稳压二极管DZ1；恒流驱动芯片U2的DRA引脚与GND引脚之间反向连接15伏稳压二极管DZ2。启动电容Cj1和Cj2不消耗有功功率，向DU8673集成芯片的VCC引脚内部15伏稳压管供电，电功效率高；DU8673集成芯片的DRA引脚是内置15伏低压MOSFET的D极，对内部高压MOSFET实现串联“源极驱动”，在DU8673集成芯片的DRA引脚与GND引脚之间反向并联15伏稳压二极管，可以把MOS管极间电容及分布电感在di/dt及dv/dt的开关瞬变过程杂散电磁场能回收向DU8673集成芯片的VCC引脚实现自供电，同时减低EMI干扰电平。
所述耦合输出电路包括：中柱次级绕组N2的一端同时连接贮能电容C01的一端和贮能电容C02的一端，另一端同时连接整流二极管D01的正极和整流二极管D02的负极，贮能电容C01的另一端和整流二极管D01的负极均连接负载LED灯的正极端，贮能电容C02的另一端和整流二极管D02的正极均连接负载LED灯的负极端；负载LED灯的两端还并联RC并联滤波电路。RC并联滤波电路为滤波电容C0和电阻R0均并联在负载LED灯两端。
原边绕组N11和N12，流过的交流电源低频方波包络的超声频交流电流，中柱次级绕组N2感应的交流电，经整流二极管D01和D02全波倍电压整流，向贮能电容C01和C02输送直流源分别贮存在贮能电容C01和C02，然后，向滤波电容C0充电同时向负载LED灯供电，由于中柱次级绕组N2与整流二极管D01和D02、贮能电容C01和C02构成的“倍压整流”，具有自动倍频的作用，易于滤波，所以滤波电容C0不必使用电解电容，也可以得到很低的负载电流纹波。
所述纹波抑平电路包括：附加绕组N31的一端经过调谐电感L31后同时连接二极管D311的正极和二极管D312的负极，另一端连接附加绕组N32的一端并同时连接在贮能电容C01和贮能电容C02之间，附加绕组N32的另一端经过调谐电感L32后同时连接二极管D321的正极和二极管D322的负极，二极管D311的负极和二极管D321的负极均连接负载LED灯的正极端，二极管312的正极和二极管D322的正极均连接负载LED灯的负极端。
附加绕组N31和N32，分别串调谐电感L31和L32，可以分别调谐于输入电流谐波THD中谐波能量较大的频率，把原本有害的交流谐波能量化害为利，转化为直流电流源正能量，向滤波电容C0馈能提升电功效率，又抑低负载电流纹波。
Claims (7)
1.无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，包括：交流供电电路、启动与供电电路、耦合输出电路和纹波抑平电路；
所述交流供电电路连接交流电源Uin，包括分别受控于交流电源Uin正半波和负半波极性控制交替工作或休息半个波的恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2，以及，分别由恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2恒流控制的交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路，上述电流回路的电流均流经磁集成变压器TR的原边绕组N11和原边绕组N12，在磁集成变压器TR的中柱次级绕组N2产生感应次级电流输出到耦合输出电路；
所述启动与供电电路包括恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2的启动与供电电路；
所述耦合输出电路把上述中柱次级绕组N2产生的感应次级电流经整流、滤波后输出到负载LED灯；
所述纹波抑平电路回收交流电源和交流供电电路中产生的谐波THD和电磁干扰EMI，经整流后输出到负载LED灯；
所述恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2均采用型号为DU8673的集成芯片。
2.根据权利要求1所述的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，所述磁集成变压器TR包括“日”字型磁芯柱，以及，原边绕组N11和原边绕组N12分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，中柱次级绕组N2绕在“日”字型磁芯柱的中柱上，附加绕组N31和附加绕组N32分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上。
3.根据权利要求1所述的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，所述交流电正半波电流回路包括：在交流电正半波，电流从交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11，再从并联的恒流驱动芯片U1的两个DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻Rcs、公共零电位OV、二极管D2、原边绕组N12，回到交流电源Uin的负极性N端；受控于该交流电正半波，恒流驱动芯片U1工作，恒流驱动芯片U2不工作；
所述交流电负半波电流回路为：在交流电负半波，电流从交流电源Uin的负极性N端流出，流经原边绕组N12，再从并联的恒流驱动芯片U2的两个DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻Rcs、公共零电位OV、二极管D1、原边绕组N11、熔断保险丝F，回到交流电源Uin的正极性L端；受控于该交流电负半波，恒流驱动芯片U2工作，恒流驱动芯片U1不工作。
4.根据权利要求1所述的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，所述恒流驱动芯片U1的启动与供电电路包括：交流电源Uin经过原边绕组N11和启动电容Cj1向恒流驱动芯片U1的VCC引脚供电，同时向连接恒流驱动芯片U1的VCC引脚的电容C4充电；
所述恒流驱动芯片U2的启动与供电电路包括：交流电源Uin经过原边绕组N12和启动电容Cj2向恒流驱动芯片U2的VCC引脚供电，同时向连接恒流驱动芯片U2的VCC引脚的电容C4充电。
5.根据权利要求1所述的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，所述启动与供电电路还包括：恒流驱动芯片U1的DRA引脚与GND引脚之间反向连接稳压二极管DZ1；恒流驱动芯片U2的DRA引脚与GND引脚之间反向连接稳压二极管DZ2。
6.根据权利要求1所述的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，所述耦合输出电路包括：中柱次级绕组N2的一端同时连接贮能电容C01的一端和贮能电容C02的一端，中柱次级绕组N2的另一端同时连接整流二极管D01的正极和整流二极管D02的负极，贮能电容C01的另一端和整流二极管D01的负极均连接负载LED灯的正极端，贮能电容C02的另一端和整流二极管D02的正极均连接负载LED灯的负极端；负载LED灯的的两端还并联RC并联滤波电路；通过设计中柱次级绕组N2的匝数，适配各电压等级的负载LED灯。
7.根据权利要求1所述的无桥无电解电容低纹波隔离式LED灯恒流电源，其特征在于，所述纹波抑平电路包括：附加绕组N31的一端经过调谐电感L31后同时连接二极管D311的正极和二极管D312的负极，另一端连接附加绕组N32的一端并同时连接在贮能电容C01和贮能电容C02之间，附加绕组N32的另一端经过调谐电感L32后同时连接二极管D321的正极和二极管D322的负极，二极管D311的负极和二极管D321的负极均连接负载LED灯的正极端，二极管312的正极和二极管D322的正极均连接负载LED灯的负极端。
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