CN106535402B

CN106535402B - 一种单级单开关降压式漏感能量利用的led驱动电路

Info

Publication number: CN106535402B
Application number: CN201611027050.4A
Authority: CN
Inventors: 林维明; 林森
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2018-07-20
Anticipated expiration: 2036-11-22
Also published as: CN106535402A

Abstract

本发明涉及一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，包括一输入电源V_in、一功率MOS开关管Q₁、一功率二极管D₁、一功率二极管D₂、一功率二极管D₃、一功率二极管D₄、一功率二极管D₅、一功率二极管D₆、一功率二极管D₇、一功率二极管D₈、一功率二极管D₉、一功率二极管D₁₀、一输入电容C_in、一中间电容C₁、一中间电容C₂、一输出电容C_o、一电感L₁、一电感L₂、一变压器T_r及其漏感L_lk。本发明通过将前级BUCK+BUCK‑BOOST电路与后级反激电路集成，同时对漏感能量进行再利用，实现单级变换、较宽降压范围、低电压开关应力、高效以及恒定的电流输出等功能。

Description

一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路

技术领域

本发明涉及LED驱动领域，特别是一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路。

背景技术

漏感产生于线圈的耦合不完全，可描述为线圈产生的磁力线无法完全通过次级线圈而产生的漏磁通，并等效为漏感产生的磁通的现象。存在线圈的耦合就存在漏感。因此漏感主要出现在存在线圈耦合的场合当中，例如电感器、变压器等。由于变压器存在有漏感，因此其原边的能量不能百分之百的传递至副边，造成能量的不完全利用，这就导致了损耗的增加。

在开关变换器中，高频漏感的存在对电路拓扑中开关器件的应力影响很大，当电路主开关管断开的瞬间，漏感会产生反电动势，容易使开关器件由于过压而击穿。此外，漏感还可能与变压器线圈的分布电容以及电路中的分布电容形成振荡回路，使电路产生不必要的振荡并向外辐射电磁能量，造成电磁干扰的出现。漏感对不同的电路拓扑影响不同，因为反激变换器的变压器是带气隙的变压器，所以漏感能量对反激电路具有显著和重要的影响。

LED不像普通的白炽灯可以直接连接220V的交流市电，LED是直流低压驱动，必须要设计适配的变换电路。由于LED是特性敏感的半导体器件，因此在实际应用过程中需要稳定工作的状态以及进行相应的保护。若设计的LED驱动电路的性能与LED不匹配，会使LED产生光衰严重、使用寿命减短等的负面影响；若设计的LED驱动电路的转换效率过低则会导致大部分电能没有转化成LED发出的光能而转化成了热能，造成大量能量的浪费。由此可见，LED器件对驱动电路的可靠性和效率具有较高要求，设计出性能优越的驱动电路对LED器件的使用十分重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，不仅实现单级变换、拓宽降压范围、减小了主开关管电压应力，同时也改善了电路的EMI特性、减小了损耗。

本发明采用以下方案实现：一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，包括输入交流电源V_in，其特征在于：所述交流电源V_in的一端连接至功率二极管D₁的阳极、功率二极管D₃的阴极；所述交流电源V_in的另一端连接至功率二极管D₂的阳极、功率二极管D₄的阴极；所述功率二极管D₁的阴极连接至所述功率二极管D₂的阴极、输入电容C_in的一端、功率二极管D₅的阴极、电感L₁的一端；所述功率二极管D₃的阳极连接至所述功率二极管D₄的阳极、所述输入电容C_in的另一端、功率二极管D₆的阳极、功率二极管D₉的阳极、功率MOS管Q₁的源极；所述电感L₁的另一端连接至中间电容C₁的正端、功率二极管D₈的阴极、电感L₂的一端；所述功率二极管D₅的阳极连接至所述中间电容C₁的负端、功率二极管D₇的阳极、功率二极管D₆的阴极；所述功率二极管D₇的阴极连接至中间电容C₂的正端、电感L₂的另一端、所述功率MOS管Q₁的漏极；所述中间电容C₂的负端连接至功率二极管D₈的阳极、变压器T_r的原边同名端；所述变压器T_r的原边异名端连接功率二极管D₉的阴极；所述变压器T_r的副边同名端连接至功率二极管D₁₀的阳极，所述功率二极管D₁₀的阴极连接至输出电容C_o的正端、LED灯的一端；所述变压器T_r的副边异名端连接至所述输出电容C_o的负端、LED灯的另一端。

进一步地，所述变压器T_r为单端激磁高频变压器，其原副边的同名端为同方向激磁。

进一步地，所述功率二极管D₁、功率二极管D₂、功率二极管D₃、功率二极管D₄是整流功率二极管；功率二极管D₅、功率二极管D₆、功率二极管D₇、功率二极管D₈、功率二极管D₉、功率二极管D₁₀是快恢复功率二极管。

进一步地，所述中间电容C₁和中间电容C₂均是电解电容；所述输出电容C_O是电解电容；所述输入电容C_in是高频电容。

进一步地，由于所述变压器T_r留有气隙，所以存在漏感L_lk，其值小于电感L₁与电感L₂。

进一步地，所述电感L₁、电感L₂、中间电容C₁、中间电容C₂、功率二极管D₅、功率二极管D₆、功率二极管D₇、功率二极管D₈、功率MOS管Q₁构成前级AC-DC BUCK+BUCK-BOOST电路；所述变压器T_r及其漏感L_lk、功率二极管D₉、功率二极管D₁₀、输出电容C_O、功率MOS管Q₁构成后级DC-DC反激电路。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.本发明拓宽电路降压范围，可以实现更大的输入输出降压变比；

2.本发明为变压器漏感增加了漏感能量回馈网络，对漏感能量进行有效的利用，降低开关管的电压应力，减小损耗；

3.单级电路只需要一套控制方案，减小了控制电路的复杂性，节约了成本，同时提高整机转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例的原理电路示意图。

图2为本发明实施例中电路工作阶段示意图一。

图3为本发明实施例中电路工作阶段示意图二。

图4为本发明实施例中电路工作阶段示意图三。

图5为本发明实施例中电路工作阶段示意图四。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图5所示，本实施例提供了一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，包括输入交流电源V_in，其特征在于：所述交流电源V_in的一端连接至功率二极管D₁的阳极、功率二极管D₃的阴极；所述交流电源V_in的另一端连接至功率二极管D₂的阳极、功率二极管D₄的阴极；所述功率二极管D₁的阴极连接至所述功率二极管D₂的阴极、输入电容C_in的一端、功率二极管D₅的阴极、电感L₁的一端；所述功率二极管D₃的阳极连接至所述功率二极管D₄的阳极、所述输入电容C_in的另一端、功率二极管D₆的阳极、功率二极管D₉的阳极、功率MOS管Q₁的源极；所述电感L₁的另一端连接至中间电容C₁的正端、功率二极管D₈的阴极、电感L₂的一端；所述功率二极管D₅的阳极连接至所述中间电容C₁的负端、功率二极管D₇的阳极、功率二极管D₆的阴极；所述功率二极管D₇的阴极连接至中间电容C₂的正端、电感L₂的另一端、所述功率MOS管Q₁的漏极；所述中间电容C₂的负端连接至功率二极管D₈的阳极、变压器T_r的原边同名端；所述变压器T_r的原边异名端连接功率二极管D₉的阴极；所述变压器T_r的副边同名端连接至功率二极管D₁₀的阳极，所述功率二极管D₁₀的阴极连接至输出电容C_o的正端、LED灯的一端；所述变压器T_r的副边异名端连接至所述输出电容C_o的负端、LED灯的另一端。

在本实施例中，所述电感L₁、电感L₂、中间电容C₁、中间电容C₂、功率二极管D₅、功率二极管D₆、功率二极管D₇、功率二极管D₈、功率MOS管Q₁构成前级AC-DC BUCK+BUCK-BOOST电路；所述变压器T_r及其漏感L_lk、功率二极管D₉、功率二极管D₁₀、输出电容C_O、功率MOS管Q₁构成后级DC-DC反激电路。

在本实施例中，通过将漏感中无法耦合到副边的能量回馈到中间电容和输入电容中，当开关管再次导通时，漏感能量再次循环利用，不仅降低电路功率开关管的电压应力，减小了电路的损耗，同时通过级联Buck和Buck-Boost电路，输入输出变比将增大，拓宽了降压范围。下面结合图2至图5中的具体实例具体说明本发明单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路稳态时的具体工作阶段。其中，前级AC-DC BUCK+BUCK-BOOST电路工作于DCM（断续）模式，后级DC-DC反激电路工作于CCM（连续）模式。

如图2所示，在功率MOS开关管Q₁导通时，输入交流电压源V_in经过整流桥整流输出后经过开关管Q₁、二极管D₇对中间电容C₁与电感L₁进行充电。同时，中间电容C₁经过开关管Q₁、二极管D₆对电感L₂进行充电。中间电容C₂经过开关管Q₁、二极管D₉对反激变压器励磁电感和漏感L_lk进行励磁。副边输出电容C_O对LED供电。此时，快恢复功率二极管D₅、D₈、D₁₀承受反向电压而截止。

参照图3，在功率MOS开关管Q₁关断时，L₁电感经过二极管D₅对中间电容C₁进行放电。L₂电感经过二极管D₈对中间电容C₂进行放电。反激变压器原边电感能量传递至副边对LED供电并对输出电容C_O充电。同时，漏感L_lk通过二极管D₈、中间电容C₁、二极管D₅、二极管D₉续流，将漏感L_lk上的能量储存至中间电容C₁和输入电容C_in中，待下一个周期开关管再次导通时，将漏感能量循环利用。此时，快恢复功率二极管D₆、D₇承受反向电压而截止。

参照图4，在功率MOS开关管Q₁关断时，在漏感能量回馈完毕后，L₁电感经过二极管D₅对中间电容C₁进行放电。L₂电感经过二极管D₈对中间电容C₂进行放电。反激变压器原边电感能量传递至副边对LED供电并对输出电容C_O充电。此时，快恢复功率二极管D₆、D₇承受反向电压而截止。

参照图5，在功率MOS开关管Q₁关断时，由于前级AC-DC BUCK+BUCK-BOOST电路工作于DCM（断续）模式，后级DC-DC反激电路工作于CCM（连续）模式。在漏感能量回馈完毕后，L₁电感电流和L₂电感电流均出现断续。同时，反激变压器原边电感能量仍传递至副边对LED供电并对输出电容C_O充电。此时，快恢复功率二极管D₆、D₇承受反向电压而截止。

以上是稳态工作时，一个开关周期的5个工作模态过程，将重复图1至图5的工作过程，周而复始。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，包括输入交流电源V_in，其特征在于：所述交流电源V_in的一端连接至功率二极管D₁的阳极、功率二极管D₃的阴极；所述交流电源V_in的另一端连接至功率二极管D₂的阳极、功率二极管D₄的阴极；所述功率二极管D₁的阴极连接至所述功率二极管D₂的阴极、输入电容C_in的一端、功率二极管D₅的阴极、电感L₁的一端；所述功率二极管D₃的阳极连接至所述功率二极管D₄的阳极、所述输入电容C_in的另一端、功率二极管D₆的阳极、功率二极管D₉的阳极、功率MOS管Q₁的源极；所述电感L₁的另一端连接至中间电容C₁的正端、功率二极管D₈的阴极、电感L₂的一端；所述功率二极管D₅的阳极连接至所述中间电容C₁的负端、功率二极管D₇的阳极、功率二极管D₆的阴极；所述功率二极管D₇的阴极连接至中间电容C₂的正端、电感L₂的另一端、所述功率MOS管Q₁的漏极；所述中间电容C₂的负端连接至功率二极管D₈的阳极、变压器T_r的原边同名端；所述变压器T_r的原边异名端连接功率二极管D₉的阴极；所述变压器T_r的副边同名端连接至功率二极管D₁₀的阳极，所述功率二极管D₁₀的阴极连接至输出电容C_o的正端、LED灯的一端；所述变压器T_r的副边异名端连接至所述输出电容C_o的负端、LED灯的另一端；

所述电感L₁、电感L₂、中间电容C₁、中间电容C₂、功率二极管D₅、功率二极管D₆、功率二极管D₇、功率二极管D₈、功率MOS管Q₁构成前级AC-DC BUCK+BUCK-BOOST电路；所述变压器T_r及其漏感L_lk、功率二极管D₉、功率二极管D₁₀、输出电容C_O、功率MOS管Q₁构成后级DC-DC反激电路；

其中，前级AC-DC BUCK+BUCK-BOOST电路工作于DCM模式，后级DC-DC反激电路工作于CCM模式。

2.根据权利要求1所述的一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，其特征在于：所述变压器T_r为单端激磁高频变压器，其原副边的同名端为同方向激磁。

3.根据权利要求1所述的一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，其特征在于：所述功率二极管D₁、功率二极管D₂、功率二极管D₃、功率二极管D₄是整流功率二极管；功率二极管D₅、功率二极管D₆、功率二极管D₇、功率二极管D₈、功率二极管D₉、功率二极管D₁₀是快恢复功率二极管。

4.根据权利要求1所述的一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，其特征在于：所述中间电容C₁和中间电容C₂均是电解电容；所述输出电容C_O是电解电容；所述输入电容C_in是高频电容。

5.根据权利要求1所述的一种单级单开关降压式漏感能量利用的LED驱动电路，其特征在于：由于所述变压器T_r带有气隙，所以存在漏感L_lk，其值小于电感L₁与电感L₂。