CN106102232B - 一种高功率因数的多路led驱动电路模型 - Google Patents

一种高功率因数的多路led驱动电路模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，包括整流桥、串联的n组LED串、n个功率开关管、开关管驱动电路模块、第一电阻、第二电阻、采样电阻。第1组LED串的阳极与整流桥的一输出端、第二电阻的一端连接，第n组LED串的阴极与开关管驱动电路模块的采样电压端口和采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端接地；开关管驱动电路模块的基准电压端口与第一电阻一端、第二电阻另一端连接；第一电阻的另一端接地；n个功率开关管栅极分别与开关管驱动电路模块的n个输出端口连接，漏极与对应n组LED串的阴极连接，源极共同与开关管驱动电路模块的采样电压端口和采样电阻的一端连接。本发明既能得到低总谐波失真、高功率因数，又减少了电路元件的数量。

Description

一种高功率因数的多路LED驱动电路模型
技术领域
本发明涉及一种多路LED驱动电源领域，特别是涉及一种交流电源直接驱动的高功率因数的多路LED的电路模型。
背景技术
伴随着全球性环保节能意识的增强，在世界各国，尤其是发达国家和地区，节能技术的应用将越来越普及，LED技术即是其中的一个典型代表，LED是一种高效、节能、发光寿命长的绿色光源，对于节约能源、保护环境都有着重大意义。随着LED照明技术的不断成熟，它将被广泛应用于各种照明领域。
在传统的直流LED驱动电路中，一般采用恒流驱动，存在体积过大、成本过高、谐波失真大和功率因数低的问题。在交流驱动LED照明系统中，现有技术多采用容值较大的电解电容作为功率平衡元件，然而电解电容体积过大，且寿命成为限制LED驱动电路整体寿命的主要因素，也降低了驱动电路的功率密度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，用于解决现有技术中LED驱动电路因相位差较大、导通角过小、使用电解电容或变压器而造成的电路功率因数较低、体积过大的问题。
本发明采用以下技术方案实现。
一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，其包括交流电源、整流桥；n个功率开关管、开关管驱动电路模块、第一电阻、第二电阻和采样电阻；所述交流电源与整流桥的输入端连接；整流桥的一输出端接地；n组LED串串联连接，其中第1组LED串的阳极与整流桥的另一输出端和第一电阻的一端连接，第n组LED串的阴极与开关管驱动电路模块的一端采样电压端口和采样电阻的一端连接，采样电阻Rs的另一端接地；开关管驱动电路模块的另一端基准电压端口与第一电阻一端、第二电阻另一端连接；第一电阻的另一端接地；开关管驱动电路模块的n个输出端口分别相应地与n个功率开关管的栅极一对一连接；第1个功率开关管的漏极与第1组LED串的阴极连接，以此类推，第n个功率开关管的漏极与第n组LED串的阴极连接，n个功率开关管的源极均与开关管驱动电路模块的采样电压端口和采样电阻的一端连接，n≥1。
进一步地，开关管驱动电路模块内部为一电压比较电路和n-1个电压偏置单元(Vos1、Vos2、…Vosn-1)，n≥1，n-1个电压偏置单元串联连接，第1个电压偏置单元的阴极与电压比较电路的输出连接，且为开关管驱动电路模块的第1个输出端口，第n-1个电压偏置单元的阳极为开关管驱动电路模块的第n个输出端口，基准电压与电压比较电路的正输入端连接，采样电阻与电压比较电路的负输入端口连接。
进一步地，n组LED串所使用的灯珠型号参数均相同，且数量上保证总的导通电压小于交流电源的峰值电压。
进一步地，n组功率开关管的类型均为N沟道MOS管，且参数均相同。
进一步地，开关管驱动电路模块的n个输出端的电压分别为Vo1～Von，在电压值上Vo1<Vo2<…<Von。
进一步地，开关管驱动电路模块的n个输出端的电压Vo1～Von是根据采样电阻和基准电压进行调整的，当整流桥输出电压大于前n组LED串的电压和时，若采样电阻两端电压小于基准电压，则对应的n个输出端口输出，直到采样电阻两端电压等于基准电压时，第n个开关管饱和导通，开关管驱动电路的前n-1个输出端口输出电压降低，对应的前n-1个开关管关闭导通。
与现有技术相比，本发明所述的高功率因数的多路LED驱动电路模型，具有以下有益效果：本发明突破了传统交流LED驱动电路中使用电解电容进行功率平衡的局限，只是用二极管、电阻、MOS管元件，其中，在每组LED串的阴极配置一个功率开关管，开关管驱动电路模块根据基准电压以及采样电阻的电压对每个开关管的栅极电压进行调整，相比于现有交流驱动电路导通角过小，相位差较大的问题，该模型减小了电压与电流之间的相位差，且提高交流电源在一个周期内的导通角，降低了交流驱动电路的谐波失真，从而提高了功率因数，并且该电路模型仅使用到MOS管、电阻、二极管，消除了现有技术中电容、电感以及运放等有源器件对电路相位参数的影响，也缩小了驱动电路的体积。
附图说明
图1是本发明的电路模型图；
图2是本发明的开关管驱动电路模块内部结构图；
图3是本发明的一实施例的电路示意图；
图4是图2实施例中电路工作示意图；
图5是图2实施例中输入电压与LED电流的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的有点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
请参阅图1、图2和图3，本发明实施例包括：
一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，包括：交流电源、整流桥、n组LED串、n个功率开关管、开关管驱动电路模块、第一电阻R1、第二电阻R2、采样电阻Rs。
如图2所示，开关管驱动电路模块包括一个电压比较电路CMP和n-1个电压偏置单元(Vos1、Vos2、…Vosn-1)，n≥1，n-1个电压偏置单元串联连接，第1个电压偏置单元的阴极与电压比较电路CMP的输出连接，且为开关管驱动电路模块的第1个输出端口Vo1，第n-1个电压偏置单元的阳极为开关管驱动电路模块的第n个输出端口Von。当整流桥输出电压Vin大于前n组LED串的导通电压和时，若采样电压端口Vs的电压小于基准电压端口Vref的电压，则对应的n个输出端口(Vo1～Von)输出，直到采样电压端口电压Vs等于基准电压端口电压Vref时，第n个开关管Qn饱和导通，开关管驱动电路的前n-1个输出端口(Vo1～Von-1)输出电压降低，均低于开关管的启动电压。
以2组LED串为例，如图3所示。功率开关管驱动电路模块包括开关管Qa、Qb、第一电阻R1、第二电阻R2、二极管D1，2个输出端Vo1、Vo2分别从二极管D1的阴极、阳极引出。开关管Qa的栅极与开关管Qb的栅极连接，源极与第一电阻R1一端连接，第一电阻R1另一端接地；漏极与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与第二电阻R2一端连接，第二电阻R2的另一端与整流桥的一输出端连接；开关管Qb的栅极与漏极与整流桥的一输出端连接，源极与采样电阻Rs的一端连接。
参阅图4，当整流桥输出电压Vin小于第1组LED串的导通电压时，没有电流通过开关管，开关管Q1、Q2的漏极电压为
Vd1＝0，Vd2＝0
当整流桥输出电压Vin大于第1组LED串的导通电压且小于第1组LED串和第2组LED串的导通电压和时，电流流过开关管Q1，且有
Iq1＝Vref/Rs＝Vin·R1/(R2+R1)
Vd2＝0
其中，Vref表示开关管驱动模块基准电压端口上的电压，Rs表示采样电阻的阻值，R1、R2分别表示第一电阻和第二电阻的阻值，Iq1表示开关管Q1的电流。
当整流桥输出电压Vin大于两组LED串的导通电压和时，电流开始流过开关管Q2，有
Iq1+Iq2＝Vref/Rs
其中，Iq1表示开关管Q1的电流，Iq2表示开关管Q2的电流，Vref表示开关管驱动模块基准电压端口上的电压，Rs表示采样电阻的阻值。
当开关管Q2进入饱和状态时，由于开关管Q1的栅极电压(Vg1)小于开关管Q2的栅极电压Vg2，则开关管Q1的栅极电压Vg1开始小于开关管Q1的启动电压，开关管Q1关闭，开关管Q2流过所有电流。
另参阅图5，设电源输入为Vmean＝Vpsinwt，在交流电源的一个周期T内，流过LED串的电流有效值为
则可得电路的功率因数
由于电压与电流时同相位的，如图4所示，则总的谐波失真为
根据公式(1)(2)(3)，可以看出，当LED串的数量分配合理，且第1组LED串的开启电压较小时，t1值越小，PF越接近于1，总谐波失真也就越接近于0。
综合上述，本发明所述的一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，具有以下有益效果：本发明突破了传统交流LED驱动电路中使用电解电容进行功率平衡的局限，只是用二极管、电阻、MOS管元件，其中，在每组LED串的阴极配置一个功率开关管，开关管驱动电路模块根据基准电压以及采样电阻的电压对每个开关管的栅极电压进行调整，相比于现有交流驱动电路导通角过小，相位差较大的问题，该模型减小了电压与电流之间的相位差，且提高交流电源在一个周期内的导通角，降低了交流驱动电路的谐波失真，从而提高了功率因数，并且该电路模型仅使用到MOS管、电阻、二极管，消除了现有技术中电容、电感以及运放等有源器件对电路相位参数的影响，也缩小了驱动电路的体积。
本领域技术人员应当理解，本发明所公开的一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (1)

1.一种高功率因数的多路LED驱动电路模型，其特征在于包括交流电源(Vac)、整流桥(BR)；n个功率开关管(Q1～Qn)、开关管驱动电路模块、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和采样电阻(Rs)；所述交流电源与整流桥的输入端连接；整流桥的一输出端接地；n组LED串(LED1～LEDn)串联连接，其中第1组LED串的阳极与整流桥的另一输出端和第一电阻(R1)的一端连接，第n组LED串的阴极与开关管驱动电路模块的一端采样电压端口(Vs)和采样电阻(Rs)的一端连接，采样电阻Rs的另一端接地；开关管驱动电路模块的另一端基准电压端口(Vref)与第一电阻(R1)一端、第二电阻(R2)另一端连接；第一电阻(R1)的另一端接地；开关管驱动电路模块的n个输出端口分别相应地与n个功率开关管(Q1～Qn)的栅极一对一连接；第1个功率开关管(Q1)的漏极与第1组LED串的阴极连接，以此类推，第n个功率开关管(Qn)的漏极与第n组LED串的阴极连接，n个功率开关管(Q1～Qn)的源极均与开关管驱动电路模块的采样电压端口(Vs)和采样电阻(Rs)的一端连接，n≥1；开关管驱动电路模块内部为一电压比较电路(CMP)和n‐1个电压偏置单元(Vos1、Vos2、…Vosn-1)，n≥1，n‐1个电压偏置单元串联连接，第1个电压偏置单元的阴极与电压比较电路(CMP)的输出连接，且为开关管驱动电路模块的第1个输出端口(Vo1)，第n‐1个电压偏置单元的阳极为开关管驱动电路模块的第n个输出端口(Von)，基准电压(Vref)与电压比较电路的正输入端连接，采样电阻(Rs)与电压比较电路的负输入端口连接；n组LED串所使用的灯珠型号参数均相同，且数量上保证总的导通电压小于的峰值电压；n组功率开关管的类型均为N沟道MOS管，且参数均相同；开关管驱动电路模块的n个输出端的电压分别为Vo1～Von，在电压值上Vo1＜Vo2＜…＜Von；开关管驱动电路模块的n个输出端的电压Vo1～Von是根据采样电阻(Rs)和基准电压(Vref)进行调整的，当整流桥输出电压(Vin)大于前n组LED串的电压和时，若采样电阻(Rs)两端电压(Vs)小于基准电压(Vref)，则对应的n个输出端口(Vo1～Von)输出，直到采样电阻两端电压(Vs)等于基准电压(Vref)时，第n个开关管(Qn)饱和导通，开关管驱动电路的前n‐1个输出端口(Vo1～Von-1)输出电压降低，对应的前n‐1个开关管(Q1～Qn-1)关闭导通。
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