CN105554952A - 一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路及其工作方法，属于电力电子领域，包括交流输入，整流桥D1，滤波电感Lf，滤波电容Cf，两个开关管Q1、Q2，二极管D2、D3、D4、D5、D6，电感L1、L2、L3和储能电容C1、C2，输出电容Co以及LED负载。基于现有的二次型Buck变换器电路拓扑，增加了一个由开关管Q2、电感L3、电容C2和二极管D6组成的开关网络，构成交错并联式结构，有效减小输出电流纹波，减小滤波电感设计，减小了变换器的体积，提高了系统稳定性和功率密度，实现了高效率、高功率因数运行。

Description

一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路及其工作方法
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，具体涉及一种基于二次型Buck变换器的交错并联电路及其工作方法，适用于开关电源尤其是LED驱动电源。
背景技术
为了抑制网侧输入电流的低频谐波污染，国际电工委员会要求25W以上的照明电器需要满足IEC1000-3-2等权威机构颁布的低频谐波电磁兼容标准。为了符合上述要求，LED驱动电源必须加入功率因数校正功能。
通常LED驱动电源在电路结构上可分为单级和两级电路两类。对于单级LED驱动电路，采用一个DC/DC变换电路既有PFC功能还有调节输出电流的功能，具有转换效率高，成本低，结构简单的优点，但是由于脉动的瞬态输入功率与恒定的输出功率不匹配的问题，导致输出电流具有较大的二倍工频纹波，使LED存在频闪。而两级LED驱动电路，前级一般采用Boost、Buck、Cuk等结构，后级DC/DC电路根据功率等级的需要一般采用不同的DC/DC变换器，两级式结构可以大大降低频闪，但输出能量经过两级功率转换，效率较低，同时成本相对较高的问题也制约了其在LED驱动电源领域的发展。
基于二次型Buck的LED驱动电源，无需使用高降压比的变压器就可以驱动低正向导通电压的LED，但是存在纹波相对较大，滤波电感未减小，变换器体积较大的问题。
发明内容
针对传统的二次型Buck变换器存在的输出电流纹波大、滤波电感体积较大，变换器功率密度不高等问题，本发明优化了原有的二次型Buck变换器，提出一种基于二次型BUCK的交错并联LED驱动电路及其工作方法。
本发明电路采用的技术方案为：一种基于二次型BUCK的交错并联LED驱动电路，包括交流输入，整流桥D1，滤波电感Lf，滤波电容Cf，两个开关管Q1、Q2，二极管D2、D3、D4、D5、D6，电感L1、L2、L3和储能电容C1、C2，输出电容C0以及LED负载。
所述的交流输入经过整流桥D1整流，整流桥的输出电压与由滤波电感Lf、滤波电容Cf构成的LC滤波器相连，LC滤波器的正端连接二极管D2的阴极和开关管Q1的漏极，二极管D2的阳极连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接整流桥D1的负端，开关管Q1的源极连接储能电容C2的一端，C2的另一端连接二极管D5的阴极和电感L2的一端，L2的另一端连接LED负载的正极，二极管的D5阳极连接LED负载的负极，电感L1的一端连接二极管D3的阳极，L1的另一端连接储能电容C1的一端，C1的另一端连接二极管D2的阳极和二极管D4的阴极，D4的阳极连接开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极，Q2的源极连接二极管D6的阴极和电感L3的一端，L3的另一端连接LED负载的正极，二极管D6的阳极连接LED负载的负极，输出电容C0的两端分别连接LED负载的正极和负极。
进一步，二极管D2、D3、D4、D5，开关管Q1，电容C1，电感L1、L2构成一个二次型Buck变换电路拓扑结构；开关管Q2、电感L3、电容C2和二极管D6构成一个开关网络，此开关网络与二次型Buck变换电路构成交错并联结构。
本发明电路的工作方法采用的技术方案为：一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路的工作方法，分为以下工作阶段：
阶段1[t0～t1]：开关管Q1开通，开关管Q2关断，根据不同的状态，电路工作在不同的模态；时，电容C1向电容C2、电感L2和负载供电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电；且时，电源和电容C1同时向电容C2、电感L2和负载供电，电感L1充电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电；且时，电源向电容C1、C2、电感L2和负载供电，电感L1充电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电；
阶段2[t1～t2]：开关管Q1和Q2都关断；电感L1向电容C1放电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电；
阶段3[t2～t3]：开关管Q1关断；电感L1向电容C1放电，电容C2向电感L3和负载放电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电；
阶段4[t3～t4]：与阶段2相同。
进一步，电感L1工作在电流断续模式，电感L2和L3工作在电流临界连续模式。
本发明的有益效果为：实现了高功率因数、高效率和恒流输出，在原有的二次型Buck变换器基础上进一步提高了电压传输比，采用交错并联技术，有效减小了滤波电感设计，减小了驱动电源的体积，减小了输出电流纹波，同时开关管具有较小的电压电流应力。
附图说明
图1基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路拓扑结构图；
图2基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路在占空比D＜0.5的开关驱动信号；
图3基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路在占空比D＜0.5时的不同工作模态的等效电路图，其中：
(a)开关管Q1开通，开关管Q2关断，且时的等效电路图；
(b)开关管Q1开通，开关管Q2关断，且时的等效电路图；
(C)开关管Q1开通，开关管Q2关断，且时的等效电路图；
(d)开关管Q1和Q2都关断，L1对电容C1放电，且L2、L3对负债进行放电的等效电路图；
(e)开关管Q1关断，开关管Q2开通，L1对电容C1放电的等效电路图；
(f)开关管Q1关断，开关管Q2开通，L1放电结束的等效电路图；
(g)开关管Q1和Q2都关断，L1放电结束，只有L2、L3对负债进行放电的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路，包括交流输入，整流桥D1，滤波电感Lf，滤波电容Cf，两个开关管Q1、Q2，二极管D2、D3、D4、D5、D6，电感L1、L2、L3和储能电容C1、C2，输出电容C0以及LED负载。
二极管D2、D3、D4、D5，开关管Q1，电容C1，电感L1、L2构成一个二次型Buck变换电路拓扑结构；开关管Q2、电感L3、电容C2和二极管D6构成一个开关网络，此开关网络与二次型Buck变换电路构成交错并联结构。
所述的交流输入经过整流桥D1整流，整流桥的输出电压与由滤波电感Lf、滤波电容Cf构成的LC滤波器相连，LC滤波器的正端连接二极管D2的阴极和开关管Q1的漏极，二极管D2的阳极连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接整流桥D1的负端，开关管Q1的源极连接储能电容C2的一端，C2的另一端连接二极管D5的阴极和电感L2的一端，L2的另一端连接LED负载的正极，二极管的D5阳极连接LED负载的负极，电感L1的一端连接二极管D3的阳极，L1的另一端连接储能电容C1的一端，C1的另一端连接二极管D2的阳极和二极管D4的阴极，D4的阳极连接开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极，Q2的源极连接二极管D6的阴极和电感L3的一端，L3的另一端连接LED负载的正极，二极管D6的阳极连接LED负载的负极，输出电容C0的两端分别连接LED负载的正极和负极。
由于本发明采用交错并联技术，开关管Q1、Q2交替导通，其驱动信号如图2所示，只考虑开关占空比D＜0.5的情况，它的工作模式可以分为4个不同的阶段。
阶段1[t0～t1]：如图3(a)、(b)、(c)所示，开关管Q1开通，开关管Q2关断，根据不同的状态，电路工作在不同的模态。模态(a)为的工作情况，电容C1向电容C2、电感L2和负载供电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电。模态(b)为且的情况，电源和电容C1同时向电容C2、电感L2和负载供电，电感L1充电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电。模态(c)为且的情况，电源向电容C1、C2、电感L2和负载供电，电感L1充电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电。
阶段2[t1～t2]：如图3(d)、(g)所示，开关管Q1和Q2都关断，根据不同的状态，电路工作在不同的模态。模态(d)为电感L1向电容C1放电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电的情况。模态(g)为电感L1向电容C1放电结束之后的情况。
阶段3[t2～t3]：如图3(e)、(f)所示，开关管Q1关断，开关管Q2开通，根据不同的状态，电路工作在不同的模态。模态(e)为电感L1向电容C1放电，电容C2向电感L3和负载放电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电的情况。模态(f)为电感L1向电容C1放电结束之后，电容C2向电感L3和负载放电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电的情况。
阶段4[t3～t4]：与阶段2相同，不再做详细分析。下一个开关周期重复以上工作过程。
本发明在二次型Buck变换器的基础上采用了交错并联技术，实现高功率因数、高效率和恒流输出。在现有的二次型Buck变换器基础上进一步提高了电压传输比，采用交错并联技术，有效减小了滤波电感，减小了变换器的体积，减小输出电流纹波，同时变换器开关具有较小的电压电流应力。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路，其特征在于：包括交流输入，整流桥D1，滤波电感Lf，滤波电容Cf，两个开关管Q1、Q2，二极管D2、D3、D4、D5、D6，电感L1、L2、L3和储能电容C1、C2，输出电容Co以及LED负载；
所述的交流输入经过整流桥D1整流，整流桥的输出电压与由滤波电感Lf、滤波电容Cf构成的LC滤波器相连，LC滤波器的正端连接二极管D2的阴极和开关管Q1的漏极，二极管D2的阳极连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接整流桥D1的负端，开关管Q1的源极连接储能电容C2的一端，C2的另一端连接二极管D5的阴极和电感L2的一端，L2的另一端连接LED负载的正极，二极管的D5阳极连接LED负载的负极，电感L1的一端连接二极管D3的阳极，L1的另一端连接储能电容C1的一端，C1的另一端连接二极管D2的阳极和二极管D4的阴极，D4的阳极连接开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极，Q2的源极连接二极管D6的阴极和电感L3的一端，L3的另一端连接LED负载的正极，二极管D6的阳极连接LED负载的负极，输出电容Co的两端分别连接LED负载的正极和负极。
2.根据权利要求1所述的基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路，其特征在于，所述的二极管D2、D3、D4、D5，开关管Q1，电容C1和电感L1、L2构成一个二次型Buck变换电路拓扑结构；开关管Q2、电感L3、电容C2和二极管D6构成一个开关网络，此开关网络与二次型Buck变换电路构成交错并联结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路的工作方法，其特征在于：分为以下工作阶段：
阶段1[t0～t1]：开关管Q1开通，开关管Q2关断，根据不同的状态，电路工作在不同的模态；时，电容C1向电容C2、电感L2和负载供电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电；且时，电源和电容C1同时向电容C2、电感L2和负载供电，电感L1充电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电；且时，电源向电容C1、C2、电感L2和负载供电，电感L1充电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电；
阶段2[t1～t2]：开关管Q1和Q2都关断；电感L1向电容C1放电，电感L3和续流二极管D6形成独立回路同时向负载供电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电；
阶段3[t2～t3]：开关管Q1关断；电感L1向电容C1放电，电容C2向电感L3和负载放电，电感L2和续流二极管D5形成独立回路同时向负载供电；
阶段4[t3～t4]：与阶段2相同。
4.根据权利要求3所述的基于二次型Buck的交错并联LED驱动电路的工作方法，其特征在于，电感L1工作在电流断续模式，电感L2和L3工作在电流临界连续模式。
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