CN105764198A - 一种轨道车辆车厢led照明驱动电源 - Google Patents

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刘苏慧
尹晓静
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姜艳青
柳虹亮
赵俊鹏
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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源，属于发光二极管电源驱动技术领域。其包括驱动芯片PT4107、浪涌保护电路、电磁兼容性滤波器、整流滤波电路、功率因数校正电路、降压稳压电路和正激式DC/DC变换器。所述电磁兼容性滤波器通过所述浪涌保护电路与交流输入端相连，来抑制电路中的电磁干扰；所述整流滤波电路与电磁兼容性滤波器输出端相连，对交流电进行直流变换；所述降压稳压电路为驱动芯片PT4107供电，同时用所述功率因数校正电路来提高供电效率；在驱动芯片的控制下，经过所述正激式DC/DC变换器的变换后，形成特定电压的稳压直流电，供LED照明。本发明采用了闭环控制原理和PWM脉宽调制方式，可靠性高、LED发光稳定、节能。

Description

一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源
技术领域：
本发明公开了一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源，属于发光二极管电源驱动(LED照明驱动电源)技术领域。
背景技术：
随着轨道车辆整体技术水平的不断提高，对照明系统的要求也越来越高，传统的普通照明系统，如白炽灯和荧光灯等，他们的能量损失很大，已经不能满足轨道车辆对照明系统节能、环保的设计要求。而LED照明灯具最主要的优点就是节能、使用寿命长。因此LED照明系统在轨道车辆上的应用研究已经成为关注的焦点，LED在轨道车辆上的广泛应用已成为共识。
由于LED具有单向导通性，V-I曲线具有非线性，压降随温度变化较大，发光强度随电流变化较大等特点，因此它不能直接使用轨道车辆的交流电压，必须利用专门的电源，将轨道车辆中交流电转换成特定电压的直流电才能在轨道车辆车厢中使用。鉴于此，一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源是业内急需。
本发明的优点在于采用了闭环控制原理和PWM脉宽调制方式，可靠性高、LED发光稳定、节能。
发明内容：
本发明一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源，克服了轨道车辆中LED灯不能直接使用车厢内交流电压的问题，不但满足了LED照明要求，还满足了控制要求，并具有调光功能。
本发明的技术方案是：一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源是由浪涌保护电路(1)，电磁兼容性滤波器(2)，整流滤波电路(3)，功率因数校正电路(4)，降压稳压电路(5)，正激式DC/DC变换器(6)，驱动芯片PT4107(7)组成。其中，输入的220V交流电经过所述浪涌保护电路(1)后，连接所述电磁兼容性滤波器(2)的输入端，电磁兼容性滤波器(2)用来抑制电路中产生的电磁干扰；所述整流滤波电路(3)的输入端与电磁兼容性滤波器(2)的输出端相连，将电压进行整流滤波，并将其转换成310V左右的直流电；所述功率因数校正电路(4)的输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，输出端与所述驱动芯片PT4107(7)的GND脚相连，将含有尖峰脉冲的电流转化成近似正弦波的电流，进而使电源的功率因数大大提高；所述降压稳压电路(5)的输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，输出端与所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚相连，所述降压稳压电路(5)可以对整流滤波电路(3)产生的直流电进行降压和滤波，为所述驱动芯片PT4107(7)供电；所述正激式DC/DC变换器(6)有一个输入端、一个控制端和一个输出电流采样端，输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，控制端与所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚相连，驱动芯片的GATE脚用于控制LED驱动电源输出的电流，所述驱动芯片PT4107(7)的CS脚与输出电流采样端相连，用于接收LED灯的电流信号，正激式DC/DC变换器(6)在驱动芯片PT4107(7)的GATE端脉冲电压的作用下导通和关闭，从而形成特定电压的稳压直流电。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：高可靠性、高效率、高功率因数、节能、具有浪涌保护功能、LED照明驱动电源寿命长，并且采用了PWM脉宽调制技术，既保证LED处于导通状态，又不引起它的光谱波长漂移，使LED稳定发光。
附图说明：
图1为一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源整体电路图
图2为本发明图1中浪涌保护电路图
图3为本发明图1中电磁兼容性滤波器电路图
图4为本发明图1中整流滤波电路图
图5为本发明图1中功率因数校正电路图
图6为本发明图1中降压稳压电路图
图7为本发明图1中正激式DC/DC变换器电路图
图8为本发明图1中驱动芯片PT4107封装图
图9为本发明图1中输出电压信号仿真结果图
图10为本发明图1中输出电流信号仿真结果图
具体实施方式：
如图1所示，一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源是由浪涌保护电路(1)，电磁兼容性滤波器(2)，整流滤波电路(3)，功率因数校正电路(4)，降压稳压电路(5)，正激式DC/DC变换器(6)，驱动芯片PT4107(7)组成。其中，输入的220V交流电经过所述浪涌保护电路(1)后，连接所述电磁兼容性滤波器(2)的输入端，电磁兼容性滤波器(2)用来抑制电路中产生的电磁干扰；所述整流滤波电路(3)的输入端与电磁兼容性滤波器(2)的输出端相连，将电压进行整流滤波，并将其转换成310V左右的直流电；所述功率因数校正电路(4)的输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，输出端与所述驱动芯片PT4107(7)的GND脚相连，将含有尖峰脉冲的电流转化成近似正弦波的电流，进而使电源的功率因数大大提高；所述降压稳压电路(5)的输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，输出端与所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚相连，所述降压稳压电路(5)可以对整流滤波电路(3)产生的直流电进行降压和滤波，为所述驱动芯片PT4107(7)供电；所述正激式DC/DC变换器(6)有一个输入端、一个控制端和一个输出电流采样端，输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，控制端与所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚相连，驱动芯片的GATE脚用于控制LED驱动电源输出的电流，所述驱动芯片PT4107(7)的CS脚与输出电流采样端相连，用于接收LED灯的电流信号，正激式DC/DC变换器(6)在驱动芯片PT4107(7)的GATE端脉冲电压的作用下导通和关闭，从而形成特定电压的稳压直流电。
如图2所示，所述浪涌保护电路(1)由保险丝F1和热敏电阻NTC组成，保险丝F1的规格为250V/1A。在接通电源的瞬间通常会有高于正常电流许多倍的浪涌电流，热敏电阻NTC在开始时的电阻值很大，因此可以抑制这种电流，从而可以保护LED驱动器和LED灯。所述浪涌保护电路(1)可以防止交流电网中的浪涌电流。
如图3所示，所述电磁兼容性滤波器(2)由共模电感L2、L3和差模电容CX1组成。源边接差模电容CX1，可以消除电路高频的骚扰，负载边接电感L2和L3，两个电感串联在线路中可以起到滤波效果，电感L2、L3的电感值为2.2mH，差模电容CX1的电容值为100pF。所述电磁兼容性滤波器(2)可以抑制电路中产生的电磁干扰。
如图4所示，所述整流滤波电路(3)由变压器T1、桥式整流器D1、电解电容C1和电感L1组成，电路中利用电阻R1代替负载，其阻值为500欧姆，变压器T1的类型为TransCT。桥式整流电路中，增加了与负载间串联的滤波电感L1和与负载间并联的滤波电容C1，电感L1可以滤掉直流电路中的交流成分，剩余少量的交流成分经过电容C1滤波。所述整流滤波电路(3)可以将电压进行整流滤波，将其转换成理论值为310V的直流电。
如图5所示，所述功率因数校正电路(4)由电容C3、C4，二极管D3、D4、D5，电阻R2组成，电容C3、C4的电容值为10uF，二极管D3、D4、D5的型号为1N4007，电阻R2的阻值为10欧姆。C3和D5组成半桥的一臂，C4和D3组成半桥的另一臂，D4和R2组成充电连接通路，利用填谷原理进行补偿，滤波电容C3和C4串联，电容上的电压最高充到输入电压的一半，一旦线电压降到输入电压的一半以下，二极管D3和D5就会被正向偏置，使C3和C4开始并联释放电能，电流的导通角将会升高，进而使电源的功率因数大大提高，接地端与所述驱动芯片PT4107(7)的GND脚相连，电阻R2起限流和抑制浪涌的作用。
如图6所示，所述降压稳压电路(5)由双极性晶体管Q1，电容C5、C6，稳压二极管D6，电阻R3、R4、R5组成，双极性晶体管Q1的类型为QNPN，电容C5、C6的电容值为100pF，稳压二极管D6的型号为DSchottky，电阻R3、R4、R5的阻值为1K欧姆。晶体管的集电极连接电阻R5，电阻R3和R4两端分别连接所述整流滤波电路(3)的输出端以及电容C5，稳压二极管D6的正极接地。晶体管的基极与地之间连接了一个电容C5，因此在晶体管的发射极端相当于加了一个电容值大于C5的大电容，同时利用一个齐纳二极管D6与电容C5并联，能够有效抑制高频开关的微小波纹，电容C6的一端与晶体管Q1的发射极相连，另一端接地，晶体管Q1的发射极与所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚相连。所述降压稳压电路(5)可以对产生的直流电进行降压和滤波，为所述驱动芯片PT4107(7)供电。
如图7所示，所述正激式DC/DC变换器(6)由开关MOS管Q2，变压器T2，二极管D7、D8、D9，电感L4、L5，电容C7，电阻R6、R7、R8、R9，以及LED灯LED1、LED2、LED3组成，开关MOS管Q2的型号为MOSFET-N，二极管D7、D8、D9的型号为1N4007，变压器T2的类型为TransEq，电阻R6、R7、R8、R9的阻值为3.9欧姆。电路中采用了一个变压器T2，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离，另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路，在变压器T2的输出端连接了一个整流二极管D8和一个续流二极管D7，续流二极管D7可以保护电路元件不被感应电压击穿，二极管D8外端增加了一个电感L4，起稳压的作用，电容C7连接到输出端负载的两端，用来滤掉电路中的杂波，开关MOS管连接到变压器T2输入端与地之间，开关MOS管的栅极与所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚相连，MOS管源极接地，二极管D9和电感L5起回流的作用，一端与所述正激式DC/DC变换器(6)的输入端相连，另一端接地。LED1、LED2、LED3串联在驱动电源的输出端，电阻R6、R7、R8、R9为采样电阻，每个采样电阻一端都与驱动电源的输出端相连，另一端接地，驱动芯片PT4107(7)的CS脚从所述正激式DC/DC变换器(6)的采样端采集到电压信号，当采样电压高于预设值，驱动芯片PT4107(7)就会通过一定的逻辑关系，改变输出信号的占空比，使输出电流减小。如果想改变驱动电源的输出电流大小，只需改变电阻R6、R7、R8、R9的阻值即可。
如图8所示，所述驱动芯片PT4107(7)为一款降压式LED驱动芯片。在图1中，可以看到驱动芯片PT4107(7)各个管脚详细的连接方式，所述驱动芯片PT4107(7)的GND脚与所述功率因数校正电路(4)的输出端相连，并且接地；所述驱动芯片PT4107(7)的CS脚与所述正激式DC/DC变换器(6)的采样端相连，用于采集LED灯的电流；所述驱动芯片PT4107(7)的LD脚与滑动变阻器R11相连，R11与阻值为1.5K欧姆的电阻R10相连，电阻R10接地，滑动变阻器R11可以微调驱动器的输出电流；所述驱动芯片PT4107(7)的RI脚与阻值为470欧姆的电阻R12相连，电阻R12接地，电阻R12用来设定驱动芯片PT4107(7)GATE脚的输出频率；所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚与所述正激式DC/DC变换器(6)中的MOS管栅极相连，用于控制LED灯的电流；所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚与所述降压稳压电路(5)的输出端相连，并且通过100pF的电容C8接地，VIN脚为所述驱动芯片PT4107(7)的供电接口；所述驱动芯片PT4107(7)的ROTP脚为外部设定的过温保护接口。所述驱动芯片PT4107(7)能承受的输入电压范围是18～470V，可在驱动频率25KHZ～300KHZ范围内，向外部功率MOS提供PWM信号，以恒流的方式驱动LED。所述驱动芯片PT4107(7)的优点在于具有恒定平均电流控制功能；支持毫安级至安培级输出电流的功能；能够驱动上百个LED的混联；通过输入端能够实现PWM数字脉冲调光功能；支持线性调光功能；可有效减少辐射干扰；并具有过温检测功能口，可以外部设定过温保护。
进一步，为了验证LED驱动电路设计的正确性，利用Proteus软件进行仿真，得到如图9所示的输出电压信号仿真结果图与如图10所示的输出电流信号仿真结果图。从图9中可以看出，在初始零时刻，驱动电路输出电压为0V。延迟数毫秒之后开始逐渐增加，经过大约400ms后进入稳定状态，随着时间的延续电压值不再增长，稳定在35.5V。如图10所示，电流仿真曲线的走势基本与电压曲线相吻合，大约400ms后进入稳定状态，进入稳定之后基本与时间轴平行，不再随着时间而变化，稳定在380mA。
仔细观察后发现输出的电压值稳定后也不是一条平滑的直线，而是在做高频率小幅振动。根据水平轴的时间刻度可以判断，电压的振动频率在数千Hz，振动幅度最大为1V左右。驱动器输出电压和电流的高频率微小波动，是正弦电压的振荡、开关管的高频通断和电路中电感和电容共同作用的结果。LED是能够承受高频通断的器件，电压的高频波动对LED本身不会存在危害。对LED的发光来说，发光强度是与通过LED的电流有关的。如果电流存在波动，LED的发光强度也会存在波动。而如果电流波动频率足够大，超过100Hz，人眼是分辨不出LED灯亮度变化的。只要电流的平均值不变，LED灯给人的感觉就是发光亮度均匀。故LED灯的发光亮度稳定，满足照明要求。

Claims (5)

1.一种轨道车辆车厢LED照明驱动电源，所述LED照明驱动电源输入端与交流电相连，输出端与LED灯相连，其特征在于，包括浪涌保护电路(1)，电磁兼容性滤波器(2)，整流滤波电路(3)，功率因数校正电路(4)，降压稳压电路(5)，正激式DC/DC变换器(6)，驱动芯片PT4107(7)；其中所述浪涌保护电路(1)的输入端与车厢内的交流电相连；所述电磁兼容性滤波器(2)的输入端与所述浪涌保护电路(1)的输出端相连；所述整流滤波电路(3)的输入端与所述电磁兼容性滤波器(2)的输出端相连；所述功率因数校正电路(4)的输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，其输出端与所述驱动芯片PT4107(7)的GND脚相连；所述降压稳压电路(5)的输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，输出端与所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚相连；所述正激式DC/DC变换器(6)有两个输入端和一个输出电流采样端，一个输入端与所述整流滤波电路(3)的输出端相连，另一个输入端与所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚相连，驱动芯片的GATE脚用于调节LED照明驱动电源输出的电压，LED灯的输出电流采样端与驱动芯片PT4107(7)的CS脚相连。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆车厢LED照明驱动电源，其特征在于，所述整流滤波电路(3)由变压器T1、桥式整流器Bridge1、电解电容C1和电感L1组成，在桥式整流电路中，增加了与负载间串联的滤波电感L1和与负载间并联的滤波电容C1。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆车厢LED照明驱动电源，其特征在于，所述降压稳压电路(5)由双极性晶体管Q1，电容C5、C6，稳压二极管D6，电阻R3、R4、R5组成，晶体管Q1的基极与地之间连接电容C5，稳压二极管D6与电容C5并联，晶体管的集电极连接电阻R5，电阻R3和R4两端分别连接所述整流滤波电路(3)的输出端以及电容C5，稳压二极管D6的正极接地，电容C6的一端与晶体管Q1的发射极相连，另一端接地，晶体管Q1的发射极与所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚相连。
4.根据权利要求1所述的轨道车辆车厢LED照明驱动电源，其特征在于，所述正激式DC/DC变换器(6)由开关MOS管Q2，变压器T2，二极管D7、D8、D9，电感L4、L5，电容C7，电阻R6、R7、R8、R9，以及LED灯LED1、LED2、LED3组成，在变压器T2的输出端连接整流二极管D8和续流二极管D7，二极管D8外端增加了一个电感L4，电容C7连接到输出端负载的两端，开关MOS管的源极与二极管D9的正极相连，二极管D9的负极与电感L5相连，变压器T2输入端分别连接电感L5和开关MOS管Q2的漏极，开关MOS管的栅极与所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚相连，MOS管源极接地，LED1、LED2、LED3串联在驱动电源的输出端，电阻R6、R7、R8、R9为采样电阻，每一个采样电阻一端与驱动电源的输出端相连，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆车厢LED照明驱动电源，其特征在于，所述驱动芯片PT4107(7)为一款降压式LED驱动芯片，所述驱动芯片PT4107(7)的GND脚与所述功率因数校正电路(4)的输出端相连，并且接地；所述驱动芯片PT4107(7)的CS脚与所述正激式DC/DC变换器(6)的采样端相连；所述驱动芯片PT4107(7)的LD脚与滑动变阻器R11相连，R11与阻值为1.5K欧姆的电阻R10相连，电阻R10接地；所述驱动芯片PT4107(7)的RI脚与阻值为470欧姆的电阻R12相连，电阻R12接地；所述驱动芯片PT4107(7)的GATE脚与所述正激式DC/DC变换器(6)中的MOS管栅极相连；所述驱动芯片PT4107(7)的VIN脚与所述降压稳压电路(5)的输出端相连，并且通过100pF的电容C8接地；所述驱动芯片PT4107(7)的ROTP脚为外部设定的过温保护接口。
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