CN105430829A - 一种自供电升降压led驱动电源装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供电升降压LED驱动电源装置及其方法，它的组成包括：输入整流电路(1)，滤波和调光电路(2)，Buck-boost主变换电路(3)，LED负载(4)，自供电控制电路(5)，采样电路(6)，驱动电源首先接入输入整流电路进行整流，然后经过滤波和调光电路，其后连接Buck-boost主变换电路进行变换，与此同时控制电路对变换电路进行控制以保证其正常工作，同时采样电路连接于控制电路，对电流信息进行采样，装置能够稳定地自供电工作，无须变压器辅助绕组，并可实现可控硅调光。电路实现简单，元器件少，成本降低符合电源小型化的趋势；可较大范围给IC稳定供电；可广范应用于各种类型的电源中。

Description

一种自供电升降压LED驱动电源装置及其方法

技术领域

LED驱动电源应用于LED灯具、LED背光源、LED显示屏等领域，成为现代科技与社会经济的一大亮点。

背景技术

LED照明有“绿色照明光源”之称，节能环保、寿命长、光效高，在照明领域发展迅速(林方盛，蒋晓波，江磊等.LED驱动电源综述[J].照明工程学报，2012，(23))。而其驱动电源是整个产业链的关键部分，在保证其可靠性、高效率的同时不断追求成本低、体积小已然成为趋势。与此同时，为达到节能与实用方便的目的，LED的驱动电源大多需要调光的功能，目前主流调光方式为可控硅调光，除此之外还有PWM调光、电阻调光等。可控硅调光在调光至低端时，由于主电路功率下降造成IC供电不足，所以传统驱动方案中需要高压启动电路在这种情况下给IC供电以保证其正常工作；并且需要利用高频变压器的辅助绕组正常工作时给控制IC供电。但增加器件和绕组数必将增加电源的体积和成本(发明名称：一种无需辅助绕组的LED驱动电路：公开授权号：CN203167339U，公开授权日：2013-08-28)。

除此之外，LED驱动电源也需要输出恒流、使用寿命长、功率因数高、安全性高等要求。未来驱动电路将朝解决电源寿命短的问题、体积小模块化的方向发展(路秋生.LED调光的可控硅与有关问题[J].电源技术应用，2011，(7))。同时隔离性和非隔离型驱动电源将长期并存。

综上所述，上述LED电源装置能在各种情况下提供供电稳定，但也存在一些不足，需使用高压启动电路和辅助绕组供电电路，变压器需使用额外的绕组，总体来说是一种较昂贵的设计。

发明内容

为了克服上述LED驱动电源装置设计的不足，本发明设计一种自供电升降压LED驱动电源装置，具体内容如下：

1.本发明的总体方案为：

输入整流电路1、滤波和调光电路2、Buck-boost主变换电路3、LED负载4、自供电控制电路5、采样电路6。如图1所示。

2.整流电路

驱动电路由交流电供电。首先经由整流电路整流，整流电路为全桥整流，将交变电整流变为脉动很大的馒头状直流电。如图2所示。

3.滤波和调光电路

整流电路之后连接滤波和调光电路。这部分电路首先采用LC-π滤波方式，由一个工字电感和两个CBB电容组成，对全桥整流后的电压电流滤波以滤除高次谐波，得到较为干净的直流电。其次为了满足LED可控硅调光的要求，还增加了由一个电阻和电容组成的无源泄放电路，保证调光器开始导通时流过足够的电流。如图2所示。

4.Buck-boost主变换电路

滤波和调光电路之后连接Buck-boost主变换电路。用来对波动大的直流进行斩波变换得到满足LED负载恒定的电流及合适的电压。如图2所示。

5.自供电控制电路

变换电路的变换过程需由控制电路进行控制以保证电路能够正常稳定工作。在控制电路工作的同时，自供电偏置电路负责给IC供电保证控制电路的正常工作。其中控制IC采用型号为HD3001的芯片。无辅助绕组的自供电偏置电路是本发明的重点及重要特征。如图2所示。

6.采样电路

与自供电控制电路连接的是采样电路，用来采集主电路中的电流的峰值或平均值与内部比较器基准做比较。如图2所示。

本发明具有如下技术效果：

1)元器件少，电路成本大大降低。

本发明利用VCC电容的储能来给IC供电，从而电路中不需要使用高压启动电路以及高频变压器的辅助绕组。因此这种方案可以减少元器件的数量、变压器的体积并且缩小了应用系统中PCB电路板的尺寸，故LED驱动电源成本得以大大降低。

2)可较大范围的给IC稳定供电。

由于VCC电容供电以及受到稳压管的嵌压，所以在母线电压波动比较大的情况下，依旧能够保证IC供电电压的相对稳定保证IC正常工作。即使在可控硅调光器旋转至低端时，变换电路中传输的电能大大降低的情况下，只要释能电感上的电压高于VCC电压就可以继续维持芯片的工作电流、VCC维持在芯片最小工作电压以上。因此本自供电设计能够在宽范围的电压范围内实现电路的正常工作。

3)电路实现简单，极大地适应电源小型化的趋势。

本发明设计相较于传统驱动电路，其电路结构得到了很大的简化。除去的高压启动电路和辅助绕组使得其体积减小，这也正符合LED驱动电源追求体积小的发展趋势。同时也增加了它的实用性。

4)自供电原理可广范应用于各种类型的电源中。

本发明的自供电原理不仅仅用于Buck-boost拓补的驱动电源，同样适用于其他拓补的LED驱动电源，比如Buck、Boost、反激式等等。所以本发明的应用范围广，可以在各种驱动电源中可靠有效的运用。

附图说明

图1为自供电升降压LED驱动电源装置总体方案图

图2为无辅助绕组自供电升降压LED驱动电源示意图

图3为最接近本发明的现有技术方案图

其中输入整流电路为1，滤波和调光电路为2，Buck-boost主变换电路为3，LED负载为4，自供电控制电路为5，采样电路为6。

具体实施方式

无辅助绕组自供电升降压的LED驱动电源工作方式，如图2所示。

1.在上电启动阶段：线电压通过R2给偏置电容C6充电至M1栅极导通电压，M1导通。线电压通过L2/M1/D1给VCC电容C1充电，直至C1电压被充电至芯片启动电压Vcc-startup。这被称为第一储能过程。偏置电容C6两端电压与此同时被充电至Vcc-startup+Vgs(th)，Vgs(th)为高压MOS管M1栅源极开启阈值电压。

2.VCC达到芯片启动电压Vcc-startup后，IC开始工作，第二储能过程开始。在M2MOS管导通的过程中，线电压产生充电电流流经L2/M1/M2/R1到地来给L2充电储能。我们称M2维持导通的时间为Ton。在这个充电过程的同时，VCC电容C1放电给芯片VCC，维持芯片的工作电流。在Ton时间内，VCC维持在芯片最小工作电压以上以确保整个电路系统的正常工作。

3.紧接着，IC内部通过CS检测电路，检测电阻R1上的电压以得到M2的源极通过的电流，内部将此电流的峰值或平均值与内部比较器基准做比较，当达到基准值时，关断MOSM2。

4.当关断M2MOS时，第二释能过程开始。此时释能电流被分为两路，一路为主要释能电流，流经Buck-boost变换电路电感、二极管、输出电容和负载。另一路为次要释能电流给VCC电容C1充电，以补充其在第二储能过程给芯片供电而损耗的电能，也即自供电。这个自供电电流的大小有VCC的芯片损耗电流决定，它恰好使VCC的充电和放点达到动态平衡，它是一个动态的电流。我们把整个释能电流降到0的这段时间称为Toff时间，意即M2的关断时间。

5.在第二释能过程结束后，下一个周期开始，开始的时刻可以是第二释能结束后没有延迟马上开始下一个Ton动作，这种模式对应的是临界导通模式；也可以是在一定的延迟时间后开始下一个Ton动作，这种模式对应的是断续导通模式。也就是说我们这种自供电系统可以用于临界导通、断续导通、甚至连续导通模式。

6.下一个周期，同样在Ton时间内为第二储能过程，在Toff时间内为第二释能过程。如此周而复始。

在这些过程中，偏置电路连接的偏置电容上的电压被充电至偏置稳压管的钳位电压并稳定，则VCC电容上的电压被充电稳定至比此钳位电压低一个MOS管的栅源极开启阈值电压V(th)。

7.本发明中，电路涉及到的两个MOS管当然也可以用其他功率开关代替，如三极管、达林顿管、可控硅等，应该视作原理相同。

该发明专利不仅适用于下管式同样适用于上管式Buck-boost升降压系统。

该发明的供电系统，同样可以用在反激变换式开关电源以及升压式变换器中，自供电的原理相同，应同理归于本发明专利之内，在此不再其细节。

8.自供电电路的主要特征

本发明设计的自供电Buck-boost调光电路包括一个升降压式开关电源，由一个限流电阻R2、一个电容C6与一个稳压管ZD1并联组成偏执电路；由M1MOS管、M2MOS管(也即开关管)、反向阻断二极管D1、VCC电容C1与稳压管ZD2、采样电阻R1组成控制电路及功率电路。

自供电电路其主要特征在于开关管M2关断的时间内，此时功率电感L2释能，除了向Buck-boost电路输出电容和LED负载释能之外，还次要的流经VCC充电路径，给VCC电容C1充电；释能电流通过M1、D1、C1与ZD2给VCC电容充电，以达到自供电的目的，于是节省了高压启动电路及辅助绕组电路。进而VCC的电容电量能在该释能时间内得到补充，并维持到下一个VCC电容充电开始，因而自供电由此得名。

偏置电路的一端与电路的母线连接，另一端与M1的栅极相连接。

同时M1的漏极和源极连接在Buck-boost电路的开关管M2和电感L2之间，其中漏极接电感、源极接开关管的漏极。

充电VCC电容C1与稳压管ZD2并联之后连接在M1的源极上。

在充电VCC电容C1和M1中间连接一个反向阻断二极管D1。

9.工作方法

1)LED驱动电源输入交流电，首先经过全桥整流得到脉动的直流电；

2)然后经过LC-π滤波和泄放电路进行滤波和改善可控硅调光效果；

3)其后经过升降压变换电路对电能进行斩波变换从而得到满足LED灯工作的恒定电流及合适的电压；

4)在变换过程中需要自供电控制电路进行控制。上电启动时，通过偏置电路和第一MOS管给VCC充电；

5)开关管开通时，线电压给Buck-boost变换电路中电感进行储能，同时VCC电容给IC供电；

6)开关管关断时，电感释能电流一方面给输出电容和负载放点，另一方面给VCC电容自供电；

7)下一个周期循环开关管开通和关断的过程，不断利用电感给VCC电容自供电，周而复始。

最接近本发明的现有技术方案附图3来自于发明名称：无需辅助绕组的LED驱动电路及方法，公开授权号：CN102724799A，公开授权日：2012-10-10

本发明不限于保护本说明书上的实施例，如图2，只要是LED电源驱动装置能够稳定地自供电，无须变压器辅助绕组，并可实现可控硅调光，都在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自供电升降压LED驱动电源装置，它的组成包括：输入整流电路(1)，滤波和调光电路(2)，Buck-boost主变换电路(3)，LED负载(4)，自供电控制电路(5)，采样电路(6)，它的特征在于：驱动电源首先接入输入整流电路进行整流，然后经过滤波和调光电路进行滤波，其后连接Buck-boost主变换电路进行斩波变换，与此同时控制电路对变换电路进行控制以保证其正常工作，同时采样电路与控制电路相连接，对电路电流信息进行采样，本装置能够稳定地自供电，无须变压器辅助绕组，并可实现可控硅调光。

2.根据权利要求1所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：输入整流电路(1)由一个保险电阻R4和四个整流二极管D2、D3、D4、D5组成，其中D2、D3、D4、D5连接成全桥整流电路，R4一端接交流输入，另一端接全桥电路的一个输入端。

3.根据权利要求1所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：滤波和调光电路(2)由一个工字电感L1和两个CBB电容C2、C4的π滤波，一个电容C3和一个电阻R3的泄放电路组成，L1串联在母线上，C2、C4跨接在母线与地线之间，C3和R3相互串联然后跨接在母线与地线之间。

4.根据权利要求1所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：Buck-boost主变换电路(3)由电感L2、开关MOS管M2、二极管D6和输出电容C5构成其下管式主结构。

5.根据权利要求1所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：自供电控制电路(5)由控制IC，两个MOS管M1与M2，电容C1、稳压管ZD2、反向阻断二极管D1，限流电阻R2、偏置电容R6、稳压管ZD1组成，R2一端接母线，一端接M1的栅极，C6和ZD1都跨接在M1栅极与地之间，而M1串联在开关管M2与D6之间，其中M1漏极接D6阳极、源极接M2漏极，D1的阳极接在M1与M2之间，而C1与ZD1并联之后一端与D1阴极相连，另一端接地。

6.根据权利要求1所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：采样电路(6)由采样电阻R1组成；R1一端接在M2的源极，另一端接地。

7.根据权利要求5所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：控制器IC型号选用HD3001。

8.根据权利要求7所述的自供电升降压LED驱动电源装置，其特征在于：HD3001芯片IC内部通过CS检测电路，检测到M2的源极流过的电流，内部将此电流的峰值或平均值与内部比较器基准作比较，当达到基准值时，关断MOSM2，当关断MOSM2时，第一释能过程开始。

9.根据权利要求1至6中任一权利要求所述LED驱动装置的工作方法：

1)LED驱动电源输入交流电，首先经过全桥整流得到脉动的直流电；

2)然后经过LC-π滤波和泄放电路进行滤波和改善可控硅调光效果；

3)其后经过升降压变换电路对电能进行斩波变换从而得到满足LED灯工作的恒定电流及合适的电压；

4)在变换过程中需要自供电控制电路进行控制。上电启动时，通过偏置电路和第一MOS管给VCC充电；

5)开关管开通时，线电压给Buck-boost变换电路中电感进行储能，同时VCC电容给IC供电；

6)开关管关断时，电感释能电流一方面给输出电容和负载放点，另一方面给VCC电容自供电；

7)下一个周期循环开关管开通和关断的过程，不断利用电感给VCC电容自供电，周而复始。