CN105576951A - 限流方法及限流-恒流组合式电源电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限流方法及限流-恒流组合式电源电路及其控制方法。限流方法通过在输入电压高于设定电压时，利用限流电容的电容值对经整流桥输出电流的交流成分进行限制；在输入电压低于限流电容电压时，限流电容给负载供电。电源电路包括一交流电源、一整流桥、一限流-恒流电路和负载，其中，交流电源为正弦波交流电，所述整流桥包括两个输入端和正负极输出端，两个输入端与交流电源相连；所述限流-恒流电路包括四个端，其中，第一端与整流桥的正极输出端相连，第二端与整流桥的负极输出端相连，第三端连接负载的一端，第四端连接负载的另一端。该方法结合电路实现限流的同时又减少了电源电路的功耗。

Description

限流方法及限流-恒流组合式电源电路及其控制方法

技术领域

本发明属于线性电源电路领域，更具体地说是限流方法及限流-恒流组合式电源电路及其控制方法，尤其用于LED驱动电源领域。

背景技术

在越来越多的照明装置中，发光二极管（LED）正在取代传统照明光源，因为其具有更小的尺寸、低功耗、快速的发光操作、以及长发光寿命。LED不能直接连接到交流电，需要配置相应的限流驱动电源，当前LED驱动使用的方案以传统的高频开关电源为主，电路复杂，成本高，使得众多厂商转用线性电源方案。

目前，也有很多类似的电源电路及限流方法，如申请号201310202695，发明名称为“一种多回路限流供电电路及其控制方法和限流供电方法”，在该专利的背景技术中已经描述了现有的电源电路如图1，图2中电源电路的缺陷；同时该专利的改进方法如图3和图4所示,该专利中采用的限流方法是通过限流器来控制负载电流，储能电容405只起到存储电荷的作用；从而造成限流器承载过高的功耗，限流器温度偏高，从而限制了该线性驱动电源的应用范围。

发明内容

本发明所解决的技术问题是通过控制限流电容容值来实现对经整流桥输出电流的交流成分的限制，然后把限流电容所存储能量转移给负载供电，从而降低电路的系统功耗。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种限流方法，在输入电压高于设定电压时，通过控制限流电容的电容值对经整流桥输出电流的交流成分进行限制；在输入电压低于限流电容电压时，限流电容给负载供电。

进一步得，该方法中的设定电压为限流电容电压与负载电压之和。

由于经整流桥输出的纹波电压变化率无法控制，可以通过控制电容的容值来限制电流；电容容值越小其对电流的限制越强。

实现上述限流方法的限流-恒流组合式电源电路，包括一交流电源、一整流桥、一限流-恒流电路和负载，其中，交流电源为正弦波交流电，所述整流桥包括两个输入端和正负极输出端，两个输入端与交流电源相连；所述限流-恒流电路包括四个端，其中，第一端与整流桥的正极输出端相连，第二端与整流桥的负极输出端相连，第三端连接负载的一端，第四端连接负载的另一端；该电源电路包括一个限流回路和两个恒流回路，其中，限流回路通过该回路中电容的电容值来限流。

进一步的优选方案，限流-恒流电路包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和半导体功率器件，第二电容的容值小于第一电容的容值，其中，半导体功率器件包括三个端，具体为第一端、第二端、第三端，第二电容的一端连接到整流桥的正极输出端与半导体功率器件第一端的交汇处，第二电容的另一端连接到第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的交汇处；第一电容的一端连接到半导体功率器件第二端与第一二极管的阴极的交汇处，第一电容的另一端连接到整流桥的负极输出端与第二二极管的阳极的交汇处；负载并联于第一电容的两端，半导体功率器件第三端接控制信号。

市电、整流桥、第二电容、第一二极管、第一电容、负载构成限流回路；第二电容、半导体功率器件、第一电容、负载、第二二极管构成第一恒流回路；市电、整流桥、半导体功率器件、第一电容、负载构成第二恒流回路；其中限流回路通过第二电容进行限流。

同时限流-恒流电路中也可以去掉第一电容，限流-恒流电路包括第二电容、第一二极管、第二二极管和半导体功率器件，其中，半导体功率器件包括三个端，具体为第一端、第二端、第三端，第二电容的一端连接到整流桥的正极输出端与半导体功率器件第一端的交汇处，第二电容的另一端连接到第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的交汇处；负载的一端连接到半导体功率器件第二端与第一二极管的阴极的交汇处，负载的另一端连接到第二二极管的阳极与整流桥负极输出端的交汇处，半导体功率器件第三端接控制信号。

市电、整流桥、第二电容、第一二极管、负载构成限流回路；第二电容、半导体功率器件、负载、第二二极管构成第一恒流回路；市电、整流桥、半导体功率器件、负载构成第二恒流回路；其中限流回路通过第二电容进行限流。

上述整流桥均可采用倍整流电路代替，第二电容采用纳法级至缪法级电容。

本发明为了进一步实现限流，还包括一个或多个限流电阻，所述限流电阻用于限制第一电容的充电电流、第一电容和第二电容的充电电流、第二电容的放电电流。

优化方案，限流-恒流组合式电源电路还包括第一电阻，第一电阻的一端与第一二极管的阴极相连，另一端连接到第一电容与半导体功率器件第二端的交汇处。

进一步地优化方案，限流-恒流组合式电源电路还包括第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中，第二、第四、第五电阻的一端相连；第二电阻的另一端连接半导体功率器件的第一端，第四电阻的另一端连接第二电容的一端，第五电阻的另一端连接整流桥的正极输出端；第三电阻的一端连接到第二电容与第一二极管阳极的交汇处，第三电阻的另一端与第二二极管的阴极相连。

为了增加整流桥的导通角，提高功率因数，本发明限流-恒流组合式电源电路，还包括第三电容，所述第三电容并联于第一二极管的两端。

同时本发明还提供了一种限流-恒流组合式电源电路的控制方法，在正弦输入电压半个周期内，当输入电压瞬时值高于与负载并联的第一电容电压和第二电容电压和时，限流回路开通，第二电容限流，第一恒流回路与第二恒流回路关断；当输入电压瞬时值高于第二电容电压而小于第一电容和第二电容电压和时，第二恒流回路开通，第一恒流回路与限流回路关断；当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，第一恒流回路开通，第二恒流回路与限流回路关断。

一种限流供电方法，对交流电进行全桥整流，在输入电压瞬时值高于与负载并联的第一电容电压和第二电容电压和时，交流电源通过整流桥对第一电容和第二电容充电，同时给负载提供全部能量，此时，第二电容限制第一电容的充电电流。

一种恒流供电方法，对交流电进行全桥整流，在输入电压瞬时值高于第二电容电压而小于第一电容和第二电容电压和时，交流电源不给第二电容充电，交流电源通过整流桥和给第一电容充电，同时给负载提供全部或部分能量，负载不足能量部分由第一电容提供；或者半导体功率器件停止工作，由第一电容给负载提供全部能量；

当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，交流电源不给第一电容和第二电容充电，第二电容处于放电状态，通过给第一电容充电，同时给负载提供全部或部分能量，负载不足能量部分由第一电容提供。

本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：1）通过控制电容容值来实现对经整流桥输出电流的交流成分进行限制，然后把限流电容所存储能量转移给负载供电，从而降低电路的功耗；2）当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，第一电容可以通过半导体功率器件给第一电容充电，从而维持第一电容电压不变，即使第二电容无法给负载提供全部，负载不足能量部分也可以由第一电容提供，有效的解决了负载频闪的问题；3）利用电容容值来限流有效的解决了现有技术中通过限流器限流导致其承载过高的功耗，限流器温度偏高的问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1为现有技术中传统的线性恒流驱动电源电路图。

图2为现有技术中改善功率因素的驱动电源电路图。

图3为现有技术中利用开关电路与限流器进行限流的供电电路图。

图4为现有技术中图3的另一种变形限流的供电电路图。

图5为本发明的限流-恒流电源电路图。

图6为本发明中限流-恒流电源改进电路图。

图7为图6基础上进一步改进电路图。

图8为图7基础上进一步改进电路图。

图9为本发明中限流-恒流电源一种变形的电路图。

具体实施方式

本发明中的半导体功率器件可采用多种功率器件，具体实施方式中以MOSFET为例；

如图5所示、本发明的限流-恒流组合式电源电路，包括一交流电源、一整流桥DB1、一限流-恒流电路101和负载R1，其中，交流电源为正弦波交流电，所述整流桥包括两个输入端和正负极输出端，两个输入端与交流电源相连；所述限流-恒流电路包括四个端，其中，第一端与整流桥的正极输出端相连，第二端与整流桥的负极输出端相连，第三端连接负载的一端，第四端连接负载的另一端；

限流-恒流电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2和MOSFETQ1，第二电容的容值小于第一电容的容值，第二电容的一端连接到整流桥的正极输出端与MOSFET漏极的交汇处，第二电容的另一端连接到第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的交汇处；第一电容的一端连接到MOSFET源极与第一二极管的阴极的交汇处，第一电容的另一端连接到整流桥的负极输出端与第二二极管的阳极的交汇处；负载并联于第一电容的两端，MOSFET的栅极接控制信号。

市电、整流桥、第二电容、第一二极管、第一电容、负载构成限流回路；第二电容、MOSFET、第一电容、负载、第二二极管构成第一恒流回路；市电、整流桥、MOSFET、第一电容、负载构成第二恒流回路；其中限流回路通过第二电容进行限流。

该电路的工作原理，基于二极管导通与关闭和MOSFET的放大状态与关断状态特性，第二电容、第一二极管、第一电容构成一个限流网络；第二电容、MOSFET、第一电容、第二二极管构成一个恒流网络；

本发明中MOSFET的栅极接控制信号，MOSFET处于完全导通、放大状态、关断状态，采用现有控制思路即可实现。

在正弦输入电压半个周期内，当输入电压瞬时值高于与负载并联的第一电容电压和第二电容电压和时，限流回路开通，第一恒流回路与第二恒流回路关断；此时，交流电源通过整流桥对第一电容和第二电容充电，同时给负载提供全部能量，第二电容利用其容值来限制第一电容的充电电流，此时，MOSFET不工作，放电回路为：市电→整流桥→第二电容→第一二极管→第一电容→整流桥→市电；

该过程中，第二电容利用其容值来限制第一电容的充电电流，提高功率因数，增加电源利用率，提高该线性驱动电源的应用范围。

当输入电压瞬时值高于第二电容电压而小于第一电容和第二电容电压和时，第二恒流回路开通，第一恒流回路与限流回路关断；交流电源不给第二电容充电，MOSFET工作，第二二极管反偏，交流电源通过整流桥和MOSFET给第一电容充电，同时给负载提供全部或部分能量，负载不足能量部分由第一电容提供；放电回路：市电→整流桥→MOSFET→第一电容→整流桥→市电；当第一电容充电完毕时，可以让MOSFET停止工作，由第一电容给负载提供全部能量；

该过程中，控制MOSFET的放大状态和关断状态来达到恒流的目的，同时增加了整流桥的导通角，进一步提高了线性电源电路的功率因数。

当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，第一恒流回路开通，第二恒流回路与限流回路关断，交流电源不给第一电容和第二电容充电，第二电容处于放电状态，通过MOSFET给第一电容充电，同时给负载提供全部或部分能量，负载不足能量部分由第一电容提供，第二电容的残余电压自动调节至下一个半周期的限流回路，放电回路：第二电容→MOSFET→第一电容→第二二极管→第二电容；

在该过程第二电容处于放电状态，第二电容通过转移所存储的能量给第一电容，从而大大减少了电路的功耗，由于第二电容通过给第一电容充电从而维持第一电容电压不变，即使第二电容无法给负载提供全部，负载不足能量部分也可以由第一电容提供，负载不会出现频闪的现象。

如图6所示，本发明还在图5的基础上增加了第一电阻R2，第一电阻R2的一端与第一二极管的阴极相连，另一端连接到第一电容与MOSFET源极的交汇处，当输入电压瞬时值高于第一电容和第二电容电压和时，为了进一步限制第一电容和第二电容的充电电流，提高功率因素。

如图7所示，在图6基础上增加第五电阻R6、第二电阻R3、第三电阻R4、第四电阻R5；其中，第二、第四、第五电阻的一端相连；第二电阻的另一端连接MOSFET的漏极，第四电阻的另一端连接第二电容的一端，第五电阻的另一端连接整流桥的正极输出端；第三电阻的一端连接到第二电容与第一二极管阳极的交汇处，第三电阻的另一端与第二二极管的阴极相连；增加第五电阻R6和第二电阻R3，当输入电压瞬时值高于第二电容而小于第一电容和第二电容电压和时，有效限制第一电容的充电电流，分散充电功耗；增加第三电阻R4、第四电阻R5和第二电阻R3，当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，有效限制第二电容的放电电流。

图6和图7中的电阻可以单独存在也可多个组合存在，其目的是为了实现对第一电容的充电电流、第一电容和第二电容的充电电流、第二电容的放电电流的限制，只要可以实现该目的，其实现形式不局限于图6和图7所示。

如图8所示，在图7的基础上增加第三电容C3，所述第三电容并联于第一二极管的两端，当输入电压瞬时值高于第一电容和第二电容电压和时，增加整流桥导通角，提高功率因素。

如图9所示，将图7中的整流桥采用二倍压整流电路代替，图中整流桥仅有两个二极管工作，由这个两个工作的二极管、电容C4、电容C5组成二倍压整流电路，还包括一电阻R7,电阻R7的一端连接电容C4、电容C5的交汇处，另一端接交流电；利用倍压整流电路可以把较低的交流电压，整流出一个较高的直流电压的特性，可以进一步扩大该线性电源电路在低输入电压的应用范围。

同时本发明中的限流-恒流电路去掉第一电容也同样可以实施，具体为限流-恒流电路包括第二电容、第一二极管、第二二极管和MOSFET，其中，第二电容的一端连接到整流桥的正极输出端与MOSFET漏极的交汇处，第二电容的另一端连接到第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的交汇处；负载的一端连接到MOSFET源极与第一二极管的阴极的交汇处，负载的另一端连接到第二二极管的阳极与整流桥负极输出端的交汇处，MOSFET栅极接控制信号。

市电、整流桥、第二电容、第一二极管、负载构成限流回路；第二电容、MOSFET、负载、第二二极管构成第一恒流回路；市电、整流桥、MOSFET、负载构成第二恒流回路；其中限流回路通过第二电容进行限流。

该电路结构同样可以实现当输入电压高于第二电容电压与负载电压之和时，交流电给第二电容充电同时给负载供电，第二电容利用其电容值来限制给负载的供电电流，但该电路在输入较低电压时，由于没有第一电容的存在可能会出现负载频闪的现象。因此采用第一种限流-恒流电路结构可以有效的解决负载频闪的问题。

本发明中所保护的限流-恒流组合式电源电路结构不仅仅局限于图5-图9实施方式，只要其实现了利用电容容值对经整流桥输出的电流进行限制方法，均属于本发明保护范围，如本发明所公开电路的对偶电路等，其原理均与本发明所公开的原理相同。

Claims (16)

1.一种限流方法，其特征在于，在输入电压高于设定电压时，通过控制限流电

容的电容值对经整流桥输出电流的交流成分进行限制；在输入电压低于限流电容电压时，限流电容给负载供电。

2.根据权利要求1所述的限流方法，其特征在于，所述设定电压为限流电容电

压与负载电压之和。

3.一种实现权利要求1-2中任一项所述限流方法的限流-恒流组合式电源电路，

其特征在于，包括一交流电源、一整流桥、一限流-恒流电路和负载，其中，交流电源为正弦波交流电，所述整流桥包括两个输入端和正负极输出端，两个输入端与交流电源相连；所述限流-恒流电路包括四个端，其中，第一端与整流桥的正极输出端相连，第二端与整流桥的负极输出端相连，第三端连接负载的一端，第四端连接负载的另一端；该电源电路包括一个限流回路和两个恒流回路，其中，限流回路通过该回路中电容的电容值来限流。

4.根据权利要求3所述限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，限流-恒流电

路包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和半导体功率器件，第二电容的容值小于第一电容的容值，其中，半导体功率器件包括三个端，具体为第一端、第二端、第三端，第二电容的一端连接到整流桥的正极输出端与半导体功率器件第一端的交汇处，第二电容的另一端连接到第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的交汇处；第一电容的一端连接到半导体功率器件第二端与第一二极管的阴极的交汇处，第一电容的另一端连接到整流桥的负极输出端与第二二极管的阳极的交汇处；负载并联于第一电容的两端，半导体功率器件第三端接控制信号。

5.根据权利要求4所述限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，市电、整流桥、第二电容、第一二极管、第一电容、负载构成限流回路；第二电容、半导体功率器件、第一电容、负载、第二二极管构成第一恒流回路；市电、整流桥、半导体功率器件、第一电容、负载构成第二恒流回路；其中限流回路通过第二电容进行限流。

6.根据权利要求3所述限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，限流-恒流电

路包括第二电容、第一二极管、第二二极管和半导体功率器件，其中，半导体功率器件包括三个端，具体为第一端、第二端、第三端，第二电容的一端连接到整流桥的正极输出端与半导体功率器件第一端的交汇处，第二电容的另一端连接到第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的交汇处；负载的一端连接到半导体功率器件第二端与第一二极管的阴极的交汇处，负载的另一端连接到第二二极管的阳极与整流桥负极输出端的交汇处，半导体功率器件第三端接控制信号。

7.根据权利要求6所述限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，市电、整流桥、第二电容、第一二极管、负载构成限流回路；第二电容、半导体功率器件、负载、第二二极管构成第一恒流回路；市电、整流桥、半导体功率器件、负载构成第二恒流回路；其中限流回路通过第二电容进行限流。

8.根据权利要求4或6所述的限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，所述整流桥采用二倍整流电路代替。

9.根据权利要求4或6所述的限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，所述第二电容采用纳法级至缪法级电容。

10.根据权利要求3或4所述的限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，还包括一个或多个限流电阻，所述限流电阻用于限制第一电容的充电电流、第一电容和第二电容的充电电流、第二电容的放电电流。

11.根据权利要求10所述的限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，还包括第一电阻，第一电阻的一端与第一二极管的阴极相连，另一端连接到第一电容与半导体功率器件第二端的交汇处。

12.根据权利要求11所述的限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，还包括第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中，第二、第四、第五电阻的一端相连；第二电阻的另一端连接半导体功率器件的第一端，第四电阻的另一端连接第二电容的一端，第五电阻的另一端连接整流桥的正极输出端；第三电阻的一端连接到第二电容与第一二极管阳极的交汇处，第三电阻的另一端与第二二极管的阴极相连。

13.根据权利要求4或6或11或12所述的限流-恒流组合式电源电路，其特征在于，还包括第三电容，所述第三电容并联于第一二极管的两端。

14.一种权利要求3或4或5所述限流-恒流组合式电源电路的控制方法，其特征在于，在正弦输入电压半个周期内，当输入电压瞬时值高于与负载并联的第一电容电压和第二电容电压和时，限流回路开通，第二电容限流，第一恒流回路与第二恒流回路关断；当输入电压瞬时值高于第二电容电压而小于第一电容和第二电容电压和时，第二恒流回路开通，第一恒流回路与限流回路关断；当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，第一恒流回路开通，第二恒流回路与限流回路关断。

15.一种限流供电方法，其特征在于，对交流电进行全桥整流，在输入电压瞬时值高于与负载并联的第一电容电压和第二电容电压和时，交流电源通过整流桥对第一电容和第二电容充电，同时给负载提供全部能量，此时，第二电容限制第一电容的充电电流。

16.一种恒流供电方法，其特征在于，对交流电进行全桥整流，在输入电压瞬时值高于第二电容电压而小于第一电容和第二电容电压和时，交流电源不给第二电容充电，交流电源通过整流桥和半导体功率器件给第一电容充电，同时给负载提供全部或部分能量，负载不足能量部分由第一电容提供；或者半导体功率器件停止工作，由第一电容给负载提供全部能量；

当输入电压瞬时值低于第二电容电压时，交流电源不给第一电容和第二电容充电，第二电容处于放电状态，通过半导体功率器件给第一电容充电，同时给负载提供全部或部分能量，负载不足能量部分由第一电容提供。