CN105517253B - 一种复合辅助绕组TiBuck‑Flyback单级LED驱动电路 - Google Patents

一种复合辅助绕组TiBuck‑Flyback单级LED驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合辅助绕组TiBuck‑Flyback单级LED驱动电路，包括输入电源uin、整流桥BD1、变压器Tr、功率MOS开关管S1、功率MOS开关管S2、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、电解电容Cs1、电解电容Cs2、电解电容Cs3、输出电容Co2、输出电感Lo、输出负载LED。本发明通过构造单级辅助TiBuck与Flyback复合LED驱动电路及其自适应控制电路，实现高效、低纹波和恒定的电流输出等功能。

Description

一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路
技术领域
本发明涉及驱动电源设计领域，特别是一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路。
背景技术
LED其本质上是发光二极管，其伏安特性决定了它适合于恒流工作方式。对于驱动电源的设计，首先需要选择合适的电路结构。针对不同的应用场合和要求，一般可分为单级方案和两级结构方案，两者根据应用功率场合和具体应用要求各有优缺点。两级PFC方案具有总谐波失真度(THD)小，功率因数(PF)接近单位值的优点，但是两级变换意味着采用了较多的主功率器件与控制IC，这加大了LED驱动器的成本，也影响了驱动器效率。相比之下，单级PFC方案有体积小，中小功率场合转换效率高，成本低，可靠性好的优势，但输出电流纹波较大，甚至可能有频闪问题。
本发明复合辅助TiBuck-Flyback单级LED驱动电路将Flyback的第二绕组带中心抽头副边辅助绕组作为TiBuck电路的输入，并采用自适应控制策略，其有益之处在于：由辅助绕组构成的辅助变换器(即TiBuck电路)参与输出电流的调制，因而具有减小输出纹波的输出性能，而相对于两级电路而言，在所述自适应控制下辅助变换器在宽泛的负载范围内，始终只承担小部分功率，这意味着辅助变换器对功率器件的要求低，减小了成本，同时单级电路也有助于提高整机效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路，通过构造单级辅助TiBuck与Flyback复合LED驱动电路，实现高效、低纹波和恒定的电流输出等功能。
本发明采用以下方案实现：一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路，包括不控整流电路、多路输出反激电路、TiBuck电路，具体包括输入电源uin、整流桥BD1、变压器Tr、功率MOS开关管S1、功率MOS开关管S2、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、电解电容Cs1、电解电容Cs2、电解电容Cs3、输出电容Co2、输出电感Lo、输出负载LED；所述整流桥BD1的正向输出端连接变压器Tr的原边同名端；所述变压器Tr的原边非同名端连接功率MOS开关管S1的漏极；所述功率MOS开关管S1的源极连接到所述整流桥BD1的负向输出端；所述变压器Tr副边绕组Ns1的非同名端连接功率二极管D1的阳极；所述功率二极管D1的阴极连接电解电容CS1的正极、输出负载LED的阳极；所述变压器Tr副边绕组Ns1的同名端连接所述电解电容Cs1的负极、输出电感Lo的一端、输出电容Co2的一端；所述变压器Tr带中心抽头的副边辅助绕组Ns2绕组的非同名端连接功率二极管D2的阳极；所述功率二极管D2的阴极连接电解电容Cs2的正极、功率MOS开关管S2的漏极；所述变压器Tr带中心抽头的副边辅助绕组的Ns3绕组的同名端连接所述电解电容Cs2的负极、电解电容Cs3的负极、所述输出电容Co2的另一端、所述输出负载LED的阴极以及副边参考地；所述Ns2绕组的同名端和所述Ns3绕组的非同名端相连，形成副边辅助绕组的中心抽头；所述变压器Tr副边辅助绕组的中心抽头连接功率二极管D3的阳极；所述功率二极管D3的阳极连接所述电解电容Cs3的正极、功率二极管D4的阳极；所述功率二极管D4的阴极连接所述功率MOS开关管S2的源级、所述输出电感Lo的另一端。所述LED的阳极经过一分压电路连接至一电压补偿电路的正相输入端；所述电解电容CS2的正极和所述电解电容CS1的负极经过一差分采样电路连接至所述电压补偿电路的负相输入端；所述电压补偿电路的输出端经过光耦隔离连接至一PFC模块，生成驱动信号。
进一步地，所述变压器Tr是高频变压器，其原副边同名端是反方向的。
进一步地，所述带中心抽头的副边辅助绕组由绕组Ns2和绕组Ns3两部分构成。
进一步地，所述功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4均为快恢复二极管。
进一步地，所述功率MOS开关管S1与功率MOS开关管S2相互独立工作。
进一步地，所述变压器Tr副边绕组Ns1的输出电压uo1与所述输出电容Co2的输出电压uo2同向串联，共同为输出负载LED供电。
较佳的，所述变压器Tr的副边绕组Ns1的输出电压uo1的电压纹波与所述输出电容Co2的输出电压uo2的电压纹波相互抵消，使输出负载LED电压近乎零纹波。
进一步地，其中TiBuck电路采用恒流控制，即采集所述LED负载的电流信号，连接至电流环电路，电流环输出信号用于生成驱动所述开关管S2的信号。
进一步地，所述变压器Tr副边绕组Ns1的输出电压uo1能够自动跟随负载电压变化而变化，而所述电容Co2的输出电压uo2则始终维持在一个合适的范围内。
进一步地，所述输出负载LED包括若干个串联的LED。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果。
1、输出电压uo1能够自动跟随负载电压变化而变化，而所述电容Co2的输出电压uo2则始终维持在一个合适的范围内。
2、辅助变换器参与输出电流的调制，减小输出电流低频纹波。
3、辅助变换器功率器件的电压应力小，系统成本降低。
4、TiBuck电路只承担小部分输出功率，则相对于两级电路而言，减小了功率损耗，另外TiBuck电路的部分能量不需经过开关管，直接传递到输出侧，也具有高效的优点。
5、本发明的Flyback的副边绕组输出电压不直接决定负载电压，因此副边电解电容取值较小。
6、本发明因副边绕组输出电压不直接作用于负载上，系统对PFC环路的响应要求降低，因此本发明具有更优越的输入特性。
附图说明
图1是本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路原理图。
图2是本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路的系统结构框图。
图3是本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路在功率MOS管S1、S2均导通时的工作模态示意图。
图4是本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路在功率MOS管S1导通、功率MOS管S2关断时的工作模态示意图。
图5是本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路在功率MOS管S1关断、功率MOS管S2导通时的工作模态示意图。
图6是本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路在功率MOS管S1关断、功率MOS管S2关断时的工作模态示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路，包括不控整流电路、多路输出反激电路、TiBuck电路，具体包括输入电源uin、整流桥BD1、变压器Tr、功率MOS开关管S1、功率MOS开关管S2、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、电解电容Cs1、电解电容Cs2、电解电容Cs3、输出电容Co2、输出电感Lo、输出负载LED；所述整流桥BD1的正向输出端连接变压器Tr的原边同名端；所述变压器Tr的原边非同名端连接功率MOS开关管S1的漏极；所述功率MOS开关管S1的源极连接到所述整流桥BD1的负向输出端；所述变压器Tr副边绕组Ns1的非同名端连接功率二极管D1的阳极；所述功率二极管D1的阴极连接电解电容CS1的正极、输出负载LED的阳极；所述变压器Tr副边绕组Ns1的同名端连接所述电解电容Cs1的负极、输出电感Lo的一端、输出电容Co2的一端；所述变压器Tr带中心抽头的副边辅助绕组Ns2绕组的非同名端连接功率二极管D2的阳极；所述功率二极管D2的阴极连接电解电容Cs2的正极、功率MOS开关管S2的漏极；所述变压器Tr带中心抽头的副边辅助绕组的Ns3绕组的同名端连接所述电解电容Cs2的负极、电解电容Cs3的负极、所述输出电容Co2的另一端、所述输出负载LED的阴极以及副边参考地；所述Ns2绕组的同名端和所述Ns3绕组的非同名端相连，形成副边辅助绕组的中心抽头；所述变压器Tr副边辅助绕组的中心抽头连接功率二极管D3的阳极；所述功率二极管D3的阳极连接所述电解电容Cs3的正极、功率二极管D4的阳极；所述功率二极管D4的阴极连接所述功率MOS开关管S2的源级、所述输出电感Lo的另一端。所述LED的阳极经过一分压电路连接至一电压补偿电路的正相输入端；所述电解电容CS2的正极和所述电解电容CS1的负极经过一差分采样电路连接至所述电压补偿电路的负相输入端；所述电压补偿电路的输出端经过光耦隔离连接至一PFC模块，生成驱动信号。
在本实施例中，所述变压器Tr是高频变压器，其原副边同名端是反方向的。
在本实施例中，所述带中心抽头的副边辅助绕组由绕组Ns2和绕组Ns3两部分构成。
在本实施例中，所述功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4均为快恢复二极管。
在本实施例中，所述功率MOS开关管S1与功率MOS开关管S2相互独立工作。
在本实施例中，所述变压器Tr副边绕组Ns1的输出电压uo1与所述输出电容Co2的输出电压uo2同向串联，共同为输出负载LED供电。
在本实施例中，所述变压器Tr的副边绕组Ns1的输出电压uo1的电压纹波与所述输出电容Co2的输出电压uo2的电压纹波相互抵消，使输出负载LED电压近乎零纹波。
在本实施例中，所述输出负载LED包括若干个串联的LED。
如图2所示，本实施例提供了一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路的系统结构框图，包括了控制电路框图。所述LED的阳极经过分压电路连接至电压补偿电路的正相输入端；所述电解电容CS2的正极和所述电解电容CS1的负极经过差分采样电路连接至电压补偿电路的负相输入端；所述电压补偿电路的输出端经过光耦隔离连接至PFC模块，生成驱动信号。所述TiBuck电路采用恒流控制，采集所述LED负载的电流信号，连接至电流环电路，从而生成驱动所述开关管S2的信号。在本实施例中，所述变压器Tr副边绕组Ns1的输出电压uo1能够自动跟随负载电压变化而变化，而所述电容Co2的输出电压uo2则始终维持在一个合适的范围内。
本实施例通过采用反激工作在CRM模式的辅助TiBuck和Flyback复合的单级LED驱动电路，实现功率因数校正和输出电流调制。下面结合图1中的具体实例具体说明本发明的一种复合辅助绕组TiBuck-Flyback单级LED驱动电路在反激开关管和TiBuck开关管相互独立工作时的具体电路工作模态，如图3至图6所示。
参照图3，反激开关管S1、TiBuck开关管S2均导通，此时输入电压通过开关管S1给变压器原边励磁感充电；副边二极管D1、D2、D3承受反压，处截止状态；负载所需能量由副边电解电容CS1、CS2提供，开关管S2的驱动占空比决定CS2能量输出的多少，从而起到调控输出电流的目的。
参照图4，反激开关管S1导通、TiBuck开关管S2截止，此阶段输入电压仍然通过开关管S1给励磁感充电；负载所需能量通过副边电解电容CS1、CS3(通过二极管D4)提供。
参照图5，反激开关管S1截止、TiBuck开关管导通，此时变压器存储的能量通过副边二极管D1、D2、D3释放，为电容CS1、CS2、CS3充电，同时直接或是间接(通过开关管S2)给负载供电，同样S2的驱动占空比起到调控输出电流的作用。
参照图6，反激开关管S1、TiBuck开关管S2均截止，此时变压器存储的能量继续通过副边二极管D1、D2、D3释放，为电容CS1、CS2、CS3充电，同时直接或是间接(通过二极管D4)给负载供电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：包括输入电源uin、整流桥BD1、变压器Tr、功率MOS开关管S1、功率MOS开关管S2、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、电解电容Cs1、电解电容Cs2、电解电容Cs3、输出电容Co2、输出电感Lo、输出负载LED；所述整流桥BD1的正向输出端连接变压器Tr的原边同名端；所述变压器Tr的原边非同名端连接功率MOS开关管S1的漏极；所述功率MOS开关管S1的源极连接到所述整流桥BD1的负向输出端；所述变压器Tr副边绕组Ns1的非同名端连接功率二极管D1的阳极；所述功率二极管D1的阴极连接电解电容CS1的正极、输出负载LED的阳极；所述变压器Tr副边绕组Ns1的同名端连接所述电解电容Cs1的负极、输出电感Lo的一端、输出电容Co2的一端；所述变压器Tr带中心抽头的副边辅助绕组Ns2绕组的非同名端连接功率二极管D2的阳极；所述功率二极管D2的阴极连接电解电容Cs2的正极、功率MOS开关管S2的漏极；所述变压器Tr带中心抽头的副边辅助绕组的Ns3绕组的同名端连接所述电解电容Cs2的负极、电解电容Cs3的负极、所述输出电容Co2的另一端、所述输出负载LED的阴极以及副边参考地；所述Ns2绕组的同名端和所述Ns3绕组的非同名端相连，形成副边辅助绕组的中心抽头；所述变压器Tr副边辅助绕组的中心抽头连接功率二极管D3的阳极；所述功率二极管D3的阳极连接所述电解电容Cs3的正极、功率二极管D4的阳极；所述功率二极管D4的阴极连接所述功率MOS开关管S2的源级、所述输出电感Lo的另一端；所述LED的阳极经过一分压电路连接至一电压补偿电路的正相输入端；所述电解电容CS2的正极和所述电解电容CS1的负极经过一差分采样电路连接至所述电压补偿电路的负相输入端；所述电压补偿电路的输出端经过光耦隔离连接至一PFC模块，生成驱动信。
2.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路的TiBuck电路采用恒流控制，采集所述输出LED负载的电流信号，连接至一电流环电路，所述电流环电路的输出信号用于生成驱动所述功率MOS开关管S2的信号。
3.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述变压器Tr是高频变压器，其原副边同名端是反方向的。
4.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述带中心抽头的副边辅助绕组由绕组Ns2和绕组Ns3两部分构成。
5.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4均为快恢复二极管。
6.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述功率MOS开关管S1与功率MOS开关管S2相互独立工作。
7.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述变压器Tr副边绕组Ns1的输出电压uo1与所述输出电容Co2的输出电压uo2同向串联，共同为输出负载LED供电。
8.根据权利要求1所述的一种辅助绕组复合TiBuck与Flyback的单级LED驱动电路，其特征在于：所述输出负载LED包括若干个串联的LED。
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