CN105744678B - 基于pwm占空比控制策略的去电解电容led驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PWM占空比控制策略的去电解电容LED驱动器，包括：全波整流桥、输入低通滤波、电压采样、控制电路、单管反激式变压器、快恢复二极管、LC串并联谐振、滤波电感、UC3844芯片；不仅实现了将电解电容用薄膜电容代替，而且利用采样全波整流的波形，经控制电路处理后，对PWM占空比进行调制，简化了控制电路，实现了控制电路的稳定。因为没有引入电解电容，增加了AC/DC的LED驱动器的寿命，同时因为没有采用脉冲电流驱动LED发光二极管，避免了LED发光二极管的闪烁对人眼的伤害。
Description
技术领域
本发明属于LED驱动技术领域，具体涉及一种用于LED驱动器的通过改变PWM占空比的无电解电容驱动电路。
背景技术
近年来随着新材料的开发和工艺的改进，LED光源由于发光效率高、寿命长、体积小、绿色无污染等特点被称为第四代新型光源，并被广泛的应用于各种照明场合中，如液晶显示器背光源、交通信号灯、广告牌、汽车车灯和家居通用照明等。
LED和传统光源相比，有许多独特的特征和性能。LED是低电压直流器件，其电流电压特性是非线性的，而且电流变化不仅会影响发光亮度，还会引起色温的改变，所以LED需要特殊的驱动器保证其工作在直流恒流状态下。由于白光LED日益广泛的应用在各个领域，人们对LED驱动器的要求也在不断提高。其中，尤其是AC/DC的LED驱动器，因为其简单的结构，较小的体积，低廉的器件成本，日益受到业界和消费者的青睐。由于LED的发光二极管的寿命大约有100000h，而一般的AC/DC的LED驱动电路中，通常会采用电解电容，而电解电容的寿命只有5000h左右，驱动电路的寿命和LED发光二极管的寿命的不匹配，直接导致了AC/DC的LED驱动器的成本优势的下降，影响LED驱动器的推广。
当下市场上设计和生产LED驱动器的厂家很多，提出了很多新颖的电路结构设计。在如何延长AC/DC的LED驱动电路的寿命上，各个厂家往往有各自的方案，其中主要有脉冲电流直接驱动LED、设计适当的控制策略、增加附属电路、电感代替电容四种方案，它们的共同思路是减少电容作为储能元件的作用，从而降低对电容值的需求。
脉冲电流直接驱动LED的方法就是，直接采用脉冲方波形式的电路，对LED发光二极管进行供电，通过调节脉冲电流的占空比，可以改变通过LED发光二极管的平均电流，从而改变LED的亮度。直接采用脉冲电流的形式，极大的减少的对电容作为功率缓冲作用的需求，所以可以采用长寿命的薄膜电容来代替电解电容，从而延长了AC/DC的LED驱动器的寿命，减少了驱动器的成本。但是，脉冲电流驱动LED发光二极管，会造成LED的闪烁，长期在这样的灯光下，容易造成人眼的疲劳。
设计适当的控制策略就是根据输出电流的变化，来改变输出的功率，从而让输入输出功率达到一定程度上的匹配，这样就可以降低对电容值的需求，从而将寿命较短的电解电容用薄膜电容来代替，延长LED驱动器的寿命，降低成本，但是，这个方法一般会采用比较复杂的控制反馈策略，从而导致控制电路的成本上升。
增加附属电路就是利用附属电路来模拟电解电容的储能和放能过程，从而利用附属电路来代替电解电容来平衡输入和输出直接功率的不平衡，这个方法因为引入了额外的控制电路，提高了电路的整体复杂度，同时虽然将电解电容去除，但是因为器件的成本上升，所以优势并不明显。
电感代替电容就是利用电感储能来代替电容储能，电容有充放能的过程，电感也有充放能过程，所以可以利用电感代替电容。因为电感的寿命较电容要大得多，并且电感可以回收再利用，所以这样方案较电容的方案更加的绿色环保。但是，因为电感存在比较大的漏感，所以在效率上较电容要低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于PWM占空比控制策略的去电解电容LED驱动器，通过利用提高脉冲电流的频率，再配合电感的储能作用，将对电容值的需求降低，从而将电解电容用薄膜电容代替，可以应用于AC/DC的LED驱动器中。
一种基于PWM占空比控制策略去电解电容LED驱动器，包括：全波整流桥、输入低通滤波器、电压采用、单管反激式变压器、快恢复二极管、LC串并联谐振、滤波电感、控制电路；其中：
所述的全波整流桥与输入工频电压和输入低通滤波器相连，主要对工频交流电进行全波整流，将工频交流电全波整流后的波形输入到输入低通滤波器中；
所述的输入低通滤波器与所述的全波整流桥和电压采样电路相连，对全波整流桥整流后的波形进行低通滤波，主要是滤除波形中的高频杂波，并且将滤波后的电压波形输出到电压采样电路；
所述的电压采样电路，对所述的输入低通滤波器的波形进行采样，并且输出到PWM控制电路中；
所述的单管反激式变压器，主要在电路中起到电气隔离的作用；
所述的快恢复二极管，和单管反激式变压器的副边相连，对单管反激式变压器的输出进行整流；
所述的高频滤波电容与输出快恢复二极管和LC串联谐振相连，对单管反激式变压器的输出电流中的高频成分进行滤波；
所述的LC串联谐振与高频滤波电容和滤波电感相连，对单管反激式变压器电流中的四倍工频的电流进行衰减，并且将衰减后的电流输出到输出滤波电感中；
所述的滤波电感与LC串联谐振和负载相连，对输出电流中的中高频电流纹波进行滤波；
所述的PWM控制电路，与电压采样和开关管相连，通过控制输出PWM的占空变化，将输出的电流的脉冲频率加倍。
所述的全波整流桥由四个二极管D0～D3组成，D0～D3两两首尾相连再并联，其中这两对串联的二极管的正负端连接处分别接输入工频的两端。
所述的输入低通滤波电路，主要由电感L0和C0组成，对经过全波桥式整流的电路进行低通滤波。
所述的电压采样电路，由R0和R1两个电阻组成，根据PWM控制电路对电压幅度的需要，对输入低通滤波之后的电压进行分压，然后输入到PWM控制电路。
所述的单管反激式变压器，由开关管M0和高频变压器T1组成，通过M0的通断，以反激式的方式，将原边的电压传输到副边去，其中M0和PWM控制电路相连，PWM控制电路根据输出PWM的占空比变化控制M0的通断和通断的时间。
所述的快恢复二极管，对高频变压器的输出单向导通。
所述的高频滤波电容，对恢复二极管的输出电流中的高频部分进行滤波，然后将滤波后的电流输出到LC串联谐振。
所述的LC串联谐振，有电感L1和电容C2并联后，再串联到电路中，经过PWM控制电路，由二倍工频的脉冲电流转变成四倍工频的脉冲电流进行谐振衰减，从而将输出到负载上的电流波动减小。
所述的滤波电感，对LC串联谐振电路的输出电流中的高频成分进行低通滤波，延长LED负载的寿命和增强发光稳定性。
所述的PWM控制电路，与电压采样电路相连，主要有三个运算放大器AMP0～AMP2，一个电容C3，若干电阻R2～R11组成。电压采样电路的输出电压，经过AMP0构成的电压跟随器，增强了驱动能力后，与R2相连，R2再与C3相连，C3对AMP0的输出电压进行滤波，从而C3上的电压是一个接近于直流的电压。然后，C3上的输出电压经过AMP1和R5、R6组成的正相放大器，放大适当的倍数后，输出到AMP2和R7～R11组成的加法器中，同时，电压采样电路的输出，经过R4和R3串联的分压后，也输出到由AMP2和R7～R11组成的加法器中，AMP2和R7～R11组成的加法器，将AMP1和R5、R6组成的同相放大器的输出和R3、R4串联分压电路的输出相加，最后将相加的结果输出到PWM占空比控制芯片上；PWM占空比控制芯片有规律的改变输出PWM波的占空比，从而对输出的二倍频率的脉冲电流进行加倍，从而转变成四倍频。
本发明的有益效果，不仅实现了将电解电容用薄膜电容代替，而且利用采样全波整流的波形，经控制电路处理后，对PWM占空比进行调制，不仅简化了控制电路，而且实现了控制电路的稳定。
相比市上的AC/DC的LED驱动器，去除了电解电容，提高了电路寿命。简化电路，降低了成本，有利于大规模商业化和推广。因为没有引入电解电容，AC/DC的LED驱动器的寿命大大的增加了，同时因为没有采用脉冲电流驱动LED发光二极管，避免LED发光二极管的闪烁对人眼的伤害。
附图说明
图1为本发明基于PWM占空比控制策略的去电解电容LED驱动器的一种结构示意图；
图2为本发明的一种详细电路图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明PWM占空比控制策略的去电解电容LED驱动器，包括：全波整流桥、输入低通滤波器、电压采用、单管反激式变压器、快恢复二极管、LC串并联谐振、滤波电感、控制电路(包括了UC3844芯片)；
其中：所述的全波整流桥与输入工频电压和输入低通滤波器相连，主要对工频交流电进行全波整流，将工频交流电全波整流后的波形输入到输入低通滤波器中；
所述的输入低通滤波器与所述的全波整流桥和电压采样电路相连，对全波整流桥整流后的波形进行低通滤波，主要是滤除波形中的高频杂波，并且将滤波后的电压波形输出到电压采样电路；
所述的电压采样电路，对所述的输入低通滤波器的波形进行采样，并且输出到PWM控制电路中；
所述的单管反激式变压器，主要在电路中起到电气隔离的作用；
所述的快恢复二极管，和单管反激式变压器的副边相连，对单管反激式变压器的输出进行整流；
所述的高频滤波电容与输出快恢复二极管和LC串联谐振相连，对单管反激式变压器的输出电流中的高频成分进行滤波；
所述的LC串联谐振与高频滤波电容和滤波电感相连，对单管反激式变压器电流中的四倍工频的电流进行衰减，并且将衰减后的电流输出到输出滤波电感中；
所述的滤波电感与LC串联谐振和负载相连，对输出电流中的中高频电流纹波进行滤波；
所述的PWM控制电路，与电压采样和开关管相连，通过控制输出PWM的占空变化，将输出的电流的脉冲频率加倍。
如图2所示，在接入工频电压220V/50Hz之后，电压输入到全波整流桥进行全波整流，整流后的电压为V'in＝|sinωt|，然后电压采样电路对V'in＝|sinωt|进行采样，输入到控制电路中，采样后的电压Vsample＝k1|sinωt|，输入到由AMP0构成的电压跟随器中，输出为Vamp0＝k1|sinωt|，同时，采样电路的输出经R3、R4分压后VR3_R4＝k1k2|sinωt|，AMP0的输出Vamp0＝k1|sinωt|经过C3滤波之后，输出为VDC,最后，AMP1和输出和R4、R3分压的输出通过有AMP2及R7～R11组成的加法器加法后，输出为VAMP2＝VDC+k1k2|sinωt|，再把VAMP2＝VDC+k1k2|sinωt|输入到UC3844PWM调制芯片中去，通过合理的配置参数，将PWM的占空比从0～0.5有规律的进行变换，因为PWM的占空有规律的变化，从而导致单管反激式变压器之中，M0有规律的改变导通和关断的时间，从而将原来全波整流后的二倍工频电流脉冲，变成四倍工频电流脉冲。
因为单管反激式变压器的不断改变占空比，在经过了快恢复二极管的包络检波之后，输出的电流ID＝I·|sin2ωt|，如果是220V/50Hz，则电流的四倍频脉冲为200Hz。
接着ID＝I·|sin2ωt|流入LC串并联谐振结构中，通过配置L1和C2的参数，从而对200Hz产生谐振，将ID中的四倍频的电流频率降低，从而在不引入大电解电容和脉冲电流驱动LED的策略的情况下，利用恒流驱动LED发光二极管。
最后串并联谐振输出电流，可能还携带一些高频纹波，所以才利用滤波电感对进行低通滤波，从而获得更加稳定的电流驱动LED发光二极管。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于PWM占空比控制策略去电解电容LED驱动器，其特征在于：包括：全波整流桥、输入低通滤波器、电压采样电路、单管反激式变压器、快恢复二极管、LC并联谐振、滤波电感、PWM控制电路；其中：
所述的全波整流桥与输入工频电压和输入低通滤波器相连，主要对工频交流电进行全波整流，将工频交流电全波整流后的波形输入到输入低通滤波器中；
所述的输入低通滤波器与所述的全波整流桥和电压采样电路相连，对全波整流桥整流后的波形进行低通滤波，主要是滤除波形中的高频杂波，并且将滤波后的电压波形输出到电压采样电路；
所述的电压采样电路，对所述的输入低通滤波器的波形进行采样，并且输出到PWM控制电路中；
所述的单管反激式变压器，主要在电路中起到电气隔离的作用；
所述的快恢复二极管，和单管反激式变压器的副边相连，对单管反激式变压器的输出进行整流；
高频滤波电容与输出快恢复二极管和LC并联谐振相连，对单管反激式变压器的输出电流中的高频成分进行滤波；
所述的LC并联谐振与高频滤波电容和滤波电感相连，对单管反激式变压器电流中的四倍工频的电流进行衰减，并且将衰减后的电流输出到输出滤波电感中；
所述的滤波电感与LC并联谐振和负载相连，对输出电流中的高频电流纹波进行滤波；
所述的PWM控制电路，与电压采样电路和开关管相连，通过控制输出PWM的占空变化，将输出的电流的脉冲频率加倍；
所述的单管反激式变压器，由开关管M0和高频变压器T1组成，通过M0的通断，以反激式的方式，将原边的电压传输到副边去，其中M0和PWM控制电路相连，PWM控制电路根据输出PWM的占空比变化控制M0的通断和通断的时间。
2.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的全波整流桥由四个二极管D0~D3组成，D0~D3两两首尾相连再并联，其中这两对串联的二极管的正负端连接处分别接输入工频的两端。
3.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的输入低通滤波器，主要由电感L0和C0组成，对经过全波桥式整流的电压进行低通滤波。
4.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的电压采样电路，由R0和R1两个电阻组成，根据PWM控制电路对电压幅度的需要，对输入低通滤波之后的电压进行分压，然后输入到PWM控制电路。
5.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的快恢复二极管，对高频变压器的输出单向导通。
6.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的高频滤波电容，对快恢复二极管的输出电流中的高频部分进行滤波，然后将滤波后的电流输出到LC并联谐振。
7.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的LC并联谐振，由电感L1和电容C2并联后，再串联到电路中，经过PWM控制电路，由二倍工频的脉冲电流转变成四倍工频的脉冲电流进行谐振衰减，从而将输出到负载上的电流波动减小。
8.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的滤波电感，对LC并联谐振电路的输出电流中的高频成分进行低通滤波，延长LED负载的寿命和增强发光稳定性。
9.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的PWM控制电路，与电压采样电路相连，主要由三个运算放大器AMP0~AMP2，一个电容C3，若干电阻R2~R11组成；电压采样电路的输出电压，经过AMP0构成的电压跟随器，增强了驱动能力后，与R2相连，R2再与C3相连，C3对AMP0的输出电压进行滤波，从而C3上的电压是一个接近于直流的电压；然后，C3上的输出电压经过AMP1和R5、R6组成的正相放大器，放大适当的倍数后，输出到AMP2和R7~R11组成的加法器中，同时，电压采样电路的输出，经过R4和R3串联的分压后，也输出到由AMP2和R7~R11组成的加法器中，AMP2和R7~R11组成的加法器，将AMP1和R5、R6组成的同相放大器的输出和R3、R4串联分压电路的输出相加，最后将相加的结果输出到PWM占空比控制芯片上；PWM占空比控制芯片有规律的改变输出PWM波的占空比，从而对输出的二倍频率的脉冲电流进行加倍，从而转变成四倍频。
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