CN105657886A - 无源谐波滤波器直流高压直驱led方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无源谐波滤波器直流高压直驱LED的方法和电路，所述方法包括对谐波进行滤波、将交流市电变换成直流高压、直流高压直接驱动LED负载三个步骤。所述电路包括无源谐波滤波器、交流市电整流滤波电路、直流高压直驱LED负载电路三个模块。本发明的重要优点是可以同时实现驱动电源的转换效率高、功率因数高、谐波小、无光频闪以及具有成本低和可靠性高等优点。

Description

无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法和电路

技术领域

本发明属于电子领域，具体涉及一种无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法和电路。

背景技术

LED作为一种新一代发光器件具有高效节能的突出优点，正在不断取代传统照明技术而广泛应用。LED芯片和LED驱动电路是LED照明的两个关键技术，其中LED驱动电路对LED照明技术的诸多重要参数例如功率因数(PF)、谐波失真(HD)、光频闪等都有决定性的影响，更重要的是LED驱动电路的可靠性是目前制约LED照明灯具寿命的技术瓶颈。已有的LED驱动电源主要有开关电源与交流直驱电源两种，虽然它们有技术优点但是其技术缺陷也很明显。例如开关电源的功率因数高、电源转换效率较高、也可以达到低谐波和无光频闪，但是其高压大功率开关电路复杂、可靠性差寿命短，同时开关电源技术的谐波问题还难于解决。交流直驱LED技术具有电路简单、可靠性高的优点，但是它的LED光频闪问题特别严重。为此需要研究发明一种同时具有高功率因数、低谐波、无光频闪、高效、高可靠、低成本的LED驱动电源，对LED照明技术的应用和发展具有特别重要的意义。

发明内容

针对LED驱动电源存在的上述问题，本发明提供一种无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法和电路，其结构如下：

无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法，由无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC三部分组成；其中，

无源谐波滤波器HF为由电感L1、电容C1和C2组成的电感电容无源谐波滤波器，负责对由交流市电整流滤波电路BF所产生的谐波进行滤波，以保证驱动电路具有高的功率因数和良好的谐波抑制特性；

交流市电整流滤波电路BF由整流桥B1和高压滤波电容CH组成，将交流市电变换成直流高压；

直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路K1~KQ以及过压过流控制电路KC组成，以实现直流高压直接驱动LED负载。

采用本发明所述的无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法的电路，无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC依次首尾相连；其中，交流市电整流滤波电路BF包含两个交流输入端、正高压输出端VH和参考地输出端GND，直流高压直驱LED电路UC包含电流流入端和电流流出端；

无源谐波滤波器HF为由电感L1、电容C1和C2组成的电感电容无源谐波滤波器，负责对由交流市电整流滤波电路BF所产生的谐波进行滤波，以保证驱动电路具有高的功率因数和良好的谐波抑制特性。交流市电整流滤波电路BF由整流桥B1和高压滤波电容CH组成，将交流市电变换成直流高压。直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路K1~KQ以及过压过流控制电路KC组成，以实现直流高压直接驱动LED负载。无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC依次首尾相连。其中，交流市电整流滤波电路BF包含两个交流输入端、正高压输出端VH和参考地输出端GND，直流高压直驱LED电路UC包含电流流入端和电流流出端。

进一步说，无源谐波滤波器HF中的电感L1与电容C1并联，电感L1的一端与市电L端或市电N端相连，电感L1的另一端与电容C2的一端相连，电感L1与电容C2的节点与交流市电整流滤波电路BF的一个交流输入端相连，电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的另一个交流输入端相连，电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的节点共同与市电N端或市电L端相连接。换言之，市电L端、N端可以互换。

交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的两个输入端作为交流市电整流滤波电路BF的两个交流输入端，整流桥B1的正输出端与高压滤波电容CH的正极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH。交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的负输出端与高压滤波电容CH的负极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的参考地输出端GND。

直流高压直驱LED电路UC的电流流入端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端与参考地输出端GND相连。

直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路K1~KQ以及过压过流控制电路KC组成。

常亮LED子电路SB为一组含有P个同向串联的LED，依次记为LED1、LED2、……、LEDP，其中LED1的电流流入端是常亮LED子电路SB的首端，该首端作为直流高压直驱LED电路UC的电流流入端，与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，LEDP的电流流出端是该常亮LED子电路SB的尾端。

Q级受控LED子电路，依次记为第1级受控LED子电路K1、第2级受控LED子电路K2、……第Q级受控LED子电路KQ。Q级受控LED子电路的结构相同，其中第1级受控LED子电路K1包括一个直流高压直驱LED集成电路U1、一个电流采样电阻Rs1和一个受控的同向串联的LED灯组。第1级受控LED子电路K1中的N个LED依次记为LED11、LED21、……LEDN1。直流高压直驱LED集成电路U1有u1端子、u2端子和u3端子，其中第1级受控LED子电路K1中的u1端子与LEDM1的正极相连作为第1级受控LED子电路K1的首端，第1级受控LED子电路K1中的u2端子与LEDN1的负极以及电流采样电阻Rs1的一端相连，第1级受控LED子电路K1中的u3端子与电流采样电阻Rs1的另一端相连作为第1级受控LED子电路K1的尾端。第1级受控LED子电路K1的首端与常亮LED子电路SB的尾端相连，第1级受控LED子电路K1的尾端与第2级受控LED子电路K2的首端相连，依次类推，每一级受控LED子电路的尾端与下一级受控LED子电路的首端相连，而最后一级即第Q级受控LED子电路KQ的尾端则与过压过流控制电路KC的输出端相连。

过压过流控制电路KC由过压过流集成电路UR、MOS晶体管T1、电压采样电阻RH和电流采样电阻RsK构成，其中，过压过流集成电路UR有5个引脚。MOS晶体管T1的漏极D作为过压过流控制电路KC的输出端，与第Q级受控LED子电路KQ的尾端相连，MOS晶体管T1的源极S与过压过流集成电路UR的5脚、电流采样电阻RsK的一端相连，MOS晶体管T1的栅极G与过压过流集成电路UR的4脚相连，电压采样电阻RH的一端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，电压采样电阻RH的另一端与过压过流集成电路UR的3脚相连，过压过流集成电路UR的2脚空置，电流采样电阻RsK的另一端与过压过流集成电路UR的1脚相连，作为直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端，与参考地输出端GND相连。

换言之，采用本发明所述的无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法的电路，包括无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC，三者依次首尾相连；其中，交流市电整流滤波电路BF包含两个交流输入端、正高压输出端VH和参考地输出端GND，直流高压直驱LED电路UC包含电流流入端和电流流出端；

无源谐波滤波器HF中的电感L1与电容C1并联，电感L1的一端与市电L端或市电N端相连，电感L1的另一端与电容C2的一端相连，电感L1与电容C2的节点与交流市电整流滤波电路BF的一个交流输入端相连，电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的另一个交流输入端相连；电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的节点共同与市电N端或市电L端相连接；

交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的两个输入端作为交流市电整流滤波电路BF的两个交流输入端，整流桥B1的正输出端与高压滤波电容CH的正极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH；交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的负输出端与高压滤波电容CH的负极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的参考地输出端GND；

直流高压直驱LED电路UC的电流流入端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端与参考地输出端GND相连。

直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路以及过压过流控制电路KC组成；

常亮LED子电路SB为一组含有P个同向串联的LED，依次记为LED1、LED2、……、LEDP，其中LED1的电流流入端是常亮LED子电路SB的首端，该首端作为直流高压直驱LED电路UC的电流流入端，与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，LEDP的电流流出端是该常亮LED子电路SB的尾端；

Q级受控LED子电路依次记为第1级受控LED子电路K1、第2级受控LED子电路K2、……第Q级受控LED子电路KQ；Q级受控LED子电路的结构相同，均包括1个直流高压直驱LED集成电路、1个电流采样电阻和1个受控的同向串联的LED灯组；其中，

在第1级受控LED子电路K1中直流高压直驱LED集成电路记为U1，电流采样电阻记为Rs1，受控的同向串联的LED灯组中的N个LED依次记为LED11、LED21、……LEDN1；直流高压直驱LED集成电路U1有u1端子、u2端子和u3端子，其中第1级受控LED子电路K1中的u1端子与LED11的正极相连作为第1级受控LED子电路K1的首端，第1级受控LED子电路K1中的u2端子与LEDN1的负极以及电流采样电阻Rs1的一端相连，第1级受控LED子电路K1中的u3端子与第1级受控LED子电路K1中的电流采样电阻Rs1的另一端相连作为第1级受控LED子电路K1的尾端；第1级受控LED子电路K1的首端与常亮LED子电路SB的尾端相连，第1级受控LED子电路K1的尾端与第2级受控LED子电路K2的首端相连，依次类推，每一级受控LED子电路的尾端与下一级受控LED子电路的首端相连，而最后一级即第Q级受控LED子电路KQ的尾端则与过压过流控制电路KC的输出端相连；

过压过流控制电路KC由过压过流集成电路UR、MOS晶体管T1、电压采样电阻RH和电流采样电阻RsK构成，其中，过压过流集成电路UR有5个引脚；MOS晶体管T1的漏极D作为过压过流控制电路KC的输出端，与第Q级受控LED子电路KQ的尾端相连；MOS晶体管T1的源极S与过压过流集成电路UR的5脚、电流采样电阻RsK的一端相连，MOS晶体管T1的栅极G与过压过流集成电路UR的4脚相连，电压采样电阻RH的一端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，电压采样电阻RH的另一端与过压过流集成电路UR的3脚相连，过压过流集成电路UR的2脚空置，电流采样电阻RsK的另一端与过压过流集成电路UR的1脚相连，作为直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端，与参考地输出端GND相连。进一步说，本电路的电源转换效率大于90%，功率因数(PF)大于0.97，电流纹波低于1%，克服光频闪，总谐波失真小于20%，3次谐波小于15%、5次谐波小于5%、7及以上次谐波小于2%。

进一步说，直流高压直驱LED集成电路的型号为TF11。过压过流集成电路UR的型号为G13。

通常常亮LED子电路SB的同向串联的LED个数为20到60个，Q级受控LED子电路K1~KQ的级数Q约为2到6，每一级受控LED子电路K1~KQ中的同向串联的LED个数为5~20个，直流高压直驱LED集成电路U1~UQ为合肥云杉光电科技有限公司的产品，型号为TF11，过压过流集成电路UR为合肥云杉光电科技有限公司的产品，型号为G13。

本发明的积极效果是：

本发明提出的新型无源谐波滤波器直流高压直驱LED电路，该技术的重要优点是可以同时实现驱动电源的转换效率高、功率因数高、谐波小、无光频闪的特点以及具有成本低和可靠性高的优点。它克服了已有LED开关电源驱动技术的电路复杂、谐波高、可靠性低的缺点，同时又克服了交流直驱LED驱动技术的光频闪问题，作为新一代LED驱动技术将大大促进LED照明技术的应用与发展，具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

参见图1，无源谐波滤波器直流高压直驱LED电路由无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC三部分组成。其中，无源谐波滤波器HF为由电感L1、电容C1和C2组成的电感电容无源谐波滤波器，负责对由交流市电整流滤波电路BF所产生的谐波进行滤波，以保证驱动电路具有高的功率因数和良好的谐波抑制特性。

交流市电整流滤波电路BF由整流桥B1和高压滤波电容CH组成，将交流市电变换成直流高压。

直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路K1~KQ以及过压过流控制电路KC组成，以实现直流高压直接驱动LED负载。

无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC依次首尾相连。其中，交流市电整流滤波电路BF包含两个交流输入端、正高压输出端VH和参考地输出端GND，直流高压直驱LED电路UC包含电流流入端和电流流出端。

无源谐波滤波器HF中的电感L1与电容C1并联，电感L1的一端与市电L端或市电N端相连，电感L1的另一端与电容C2的一端相连，电感L1与电容C2的节点与交流市电整流滤波电路BF的一个交流输入端相连，电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的另一个交流输入端相连，电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的节点共同与市电N端或市电L端相连接。换言之，市电L端、N端可以互换。

交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的两个输入端作为交流市电整流滤波电路BF的两个交流输入端，整流桥B1的正输出端与高压滤波电容CH的正极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH。交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的负输出端与高压滤波电容CH的负极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的参考地输出端GND。

直流高压直驱LED电路UC的电流流入端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端与参考地输出端GND相连。

直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路K1~KQ以及过压过流控制电路KC组成。

其中，常亮LED子电路SB为一组同向串联的LED1、LED2、……、LEDP，其中LED1的电流流入端是常亮LED子电路SB的首端，该首端作为直流高压直驱LED电路UC的电流流入端，与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，LEDP的电流流出端是该常亮LED子电路SB的尾端。

其中，Q级受控LED子电路K1~KQ的结构相同，其中第1级受控LED子电路K1包括一个专用直流高压直驱LED集成电路U1、一个电流采样电阻Rs1和一个受控的同向串联的LED灯组LEDM1~LEDN1，专用直流高压直驱LED集成电路U1有u1、u2和u3三个端子，其中u1与LEDM1的正极相连作为第1级受控LED子电路K1的首端，u2与LEDN1的负极以及电流采样电阻Rs1的一端相连，u3与电流采样电阻Rs1的另一端相连作为第1级受控LED子电路K1的尾端。第1级受控LED子电路K1的首端与常亮LED子电路SB的尾端相连，第1级受控LED子电路K1的尾端与第2级受控LED子电路K2的首端相连，依次类推，每一级受控LED子电路的尾端与下一级受控LED子电路的首端相连，而最后一级即第Q级受控LED子电路KQ的尾端则与过压过流控制电路KC的输出端相连。

其中过压过流控制电路KC由过压过流集成电路UR和MOS晶体管T1、电压采样电阻RH和电流采样电阻RsK构成，其中，过压过流集成电路UR有5个引脚，MOS晶体管T1的漏极D作为过压过流控制电路KC的输出端，与第Q级受控LED子电路KQ的尾端相连，MOS晶体管T1的源极S与过压过流集成电路UR的5脚、电流采样电阻RsK的一端相连，MOS晶体管T1的栅极G与过压过流集成电路UR的4脚相连，电压采样电阻RH的一端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，电压采样电阻RH的另一端与过压过流集成电路UR的3脚相连，过压过流集成电路UR的2脚空置，电流采样电阻RsK的另一端与过压过流集成电路UR的1脚相连，作为直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端，与参考地输出端GND相连。

通常常亮LED子电路SB的同向串联的LED个数为20到60个，Q级受控LED子电路K1~KQ的级数Q约为2到6，每一级受控LED子电路K1~KQ中的同向串联的LED个数为5~20个，专用直流高压直驱LED集成电路U1~UQ为合肥云杉光电科技有限公司的产品，型号为TF11，过压过流集成电路UR为合肥云杉光电科技有限公司的产品，型号为G13。

在图1所示的无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法和电路中：电感L1的电感值为600mH、工作电流值0.5A。电容C1的电容值为1uF、电压值200V，电容C2的电容值为1uF、电压值450V。整流桥B1的型号为DB157S，高压滤波电容CH的电容值为16uF、电压450V。常亮LED子电路SB中的LED个数P为50，Q级受控LED子电路K1~KQ的级数Q为4，其中每级受控LED子电路中的LED个数均为10个，LED的参数为功率1W电流350mA，直流高压直驱LED集成电路U1~U4型号为TF11。第1级LED子电路K1中的电流采样电阻Rs1的阻值为4.7欧姆。第2级LED子电路K2中的电流采样电阻Rs2的阻值为5.6欧姆。第3级LED子电路KL3中的电流采样电阻Rs3的阻值为6.2欧姆。第4级LED子电路K4中的电流采样电阻Rs4的阻值为6.8欧姆。过压过流集成电路UR的型号为G13,MOS晶体管T1的型号为1N60或3N80、电流采样电阻RsK的阻值为2.4欧姆、电压采样电阻RH的阻值为1兆欧姆。

本无源谐波滤波器直流高压直驱LED电路的性能为：驱动功率为80W，电源转换效率大于90%，功率因数(PF)大于0.97，电流纹波低于1%，克服光频闪，总谐波失真(THD)小于20%，其中2次谐波小于1%，3次谐波小于15%、5次谐波小于5%、7~39奇数谐波均小于2%。

Claims (5)

1.无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法，其特征在于：由无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC三部分组成；其中，

无源谐波滤波器HF为由电感L1、电容C1和C2组成的电感电容无源谐波滤波器，负责对由交流市电整流滤波电路BF所产生的谐波进行滤波，以保证驱动电路具有高的功率因数和良好的谐波抑制特性；

交流市电整流滤波电路BF由整流桥B1和高压滤波电容CH组成，将交流市电变换成直流高压；

直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路K1~KQ以及过压过流控制电路KC组成，以实现直流高压直接驱动LED负载。

2.采用权利要求1所述的无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法的电路，其特征在于：无源谐波滤波器HF、交流市电整流滤波电路BF、直流高压直驱LED电路UC依次首尾相连；其中，交流市电整流滤波电路BF包含两个交流输入端、正高压输出端VH和参考地输出端GND，直流高压直驱LED电路UC包含电流流入端和电流流出端；

无源谐波滤波器HF中的电感L1与电容C1并联，电感L1的一端与市电L端或市电N端相连，电感L1的另一端与电容C2的一端相连，电感L1与电容C2的节点与交流市电整流滤波电路BF的一个交流输入端相连，电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的另一个交流输入端相连；电容C2的另一端与交流市电整流滤波电路BF的节点共同与市电N端或市电L端相连接；

交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的两个输入端作为交流市电整流滤波电路BF的两个交流输入端，整流桥B1的正输出端与高压滤波电容CH的正极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH；交流市电整流滤波电路BF中的整流桥B1的负输出端与高压滤波电容CH的负极相连，作为交流市电整流滤波电路BF的参考地输出端GND；

直流高压直驱LED电路UC的电流流入端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端与参考地输出端GND相连。

3.根据权利要求2所述的采用无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法的电路，其特征在于：直流高压直驱LED电路UC由常亮LED子电路SB和Q级受控LED子电路以及过压过流控制电路KC组成；

常亮LED子电路SB为一组含有P个同向串联的LED，依次记为LED1、LED2、……、LEDP，其中LED1的电流流入端是常亮LED子电路SB的首端，该首端作为直流高压直驱LED电路UC的电流流入端，与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，LEDP的电流流出端是该常亮LED子电路SB的尾端；

Q级受控LED子电路依次记为第1级受控LED子电路K1、第2级受控LED子电路K2、……第Q级受控LED子电路KQ；Q级受控LED子电路的结构相同，均包括1个直流高压直驱LED集成电路、1个电流采样电阻和1个受控的同向串联的LED灯组；其中，

在第1级受控LED子电路K1中直流高压直驱LED集成电路记为U1，电流采样电阻记为Rs1，受控的同向串联的LED灯组中的N个LED依次记为LED11、LED21、……LEDN1；直流高压直驱LED集成电路U1有u1端子、u2端子和u3端子，其中第1级受控LED子电路K1中的u1端子与LED11的正极相连作为第1级受控LED子电路K1的首端，第1级受控LED子电路K1中的u2端子与LEDN1的负极以及电流采样电阻Rs1的一端相连，第1级受控LED子电路K1中的u3端子与第1级受控LED子电路K1中的电流采样电阻Rs1的另一端相连作为第1级受控LED子电路K1的尾端；第1级受控LED子电路K1的首端与常亮LED子电路SB的尾端相连，第1级受控LED子电路K1的尾端与第2级受控LED子电路K2的首端相连，依次类推，每一级受控LED子电路的尾端与下一级受控LED子电路的首端相连，而最后一级即第Q级受控LED子电路KQ的尾端则与过压过流控制电路KC的输出端相连；

过压过流控制电路KC由过压过流集成电路UR、MOS晶体管T1、电压采样电阻RH和电流采样电阻RsK构成，其中，过压过流集成电路UR有5个引脚；MOS晶体管T1的漏极D作为过压过流控制电路KC的输出端，与第Q级受控LED子电路KQ的尾端相连；MOS晶体管T1的源极S与过压过流集成电路UR的5脚、电流采样电阻RsK的一端相连，MOS晶体管T1的栅极G与过压过流集成电路UR的4脚相连，电压采样电阻RH的一端与交流市电整流滤波电路BF的正高压输出端VH相连，电压采样电阻RH的另一端与过压过流集成电路UR的3脚相连，过压过流集成电路UR的2脚空置，电流采样电阻RsK的另一端与过压过流集成电路UR的1脚相连，作为直流高压直驱LED负载电路UC的电流流出端，与参考地输出端GND相连。

4.根据权利要求3所述的采用无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法的电路，其特征在于：本电路的电源转换效率大于90%，功率因数大于0.97，电流纹波低于1%，克服光频闪，电流总谐波失真小于20%，2次谐波小于1%，3次谐波小于15%、5次谐波小于5%、7~39奇数次谐波小于2%。

5.根据权利要求3所述的采用无源谐波滤波器直流高压直驱LED方法的电路，其特征在于：直流高压直驱LED集成电路的型号为TF11；过压过流集成电路UR的型号为G13。