CN106793274A - 基于电容串并联结构的无电解电容led驱动器 - Google Patents

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陈祥杰
王曦
王伟印
冯煊
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Abstract

本发明公开了一种基于电容串并联结构的无电解电容LED驱动器，包括：全波整流桥、基于电容串并联结构的填谷电路、控制电路、单管反激式变压器、快恢复二极管、滤波电感、UC3843芯片；不仅实现了将电解电容用薄膜电容代替，而且采用简单的控制电路，对PWM占空比进行调制，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

基于电容串并联结构的无电解电容LED驱动器
技术领域
本发明属于LED驱动技术领域，具体涉及一种基于电容串并联结构的无电解电容LED驱动器。
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电容串并联结构的无电解电容LED驱动器。
一种基于电容串并联结构的LED驱动器，包括：全波整流桥、基于电容串并联结构的填谷电路、单管反激式变压器、快恢复二极管、高频滤波电容、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基于电容串并联结构的填谷电路相连，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填谷电路中；
所述的填谷电路与所述的全波整流桥和单管反激式变压器相连，对全波整流桥整流后的波形进行降压和功率缓冲，并且将电压输出到单管反激式变压器中；
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输出滤波电感相连，对单管反激式变压器的输出电流中的高频成分进行滤波；
所述的滤波电感与高频滤波电容和负载相连，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，与输出电压采样电阻和开关管相连，通过控制输出PWM的占空变化，控制开关管的通断时间。
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。
所述的填谷电路，主要由二极管D4~D9和C0~C2组成，对经过全波桥式整流的电路进行降压和功率缓冲。
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滤波电感。
所述的滤波电感，对高频滤波电容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，与输出电压采样电路相连，主要有一个运算放大器AMP0及运算放大器的外围配置电路组成；电压采样电路的输出电压，经过AMP0构成的放大器放大后，增大了电压数值和增强了驱动能力后，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，控制开关管的通断时间。
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，而且利用采样输出电压的波形，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为本发明基于电容串并联结构填谷电路的电解电容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。
图3为本发明样机的输出电压电流波形。
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，本发明基于电容串并联结构的无电解电容LED驱动器，包括：全波整流桥、电容串并联结构填谷电路、单管反激式变压器、快恢复二极管、电压采样、滤波电感、控制电路（包括了UC3843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电容串并联结构填谷电路；
所述的电容串并联结构填谷电路与所述的全波整流桥和单管反激式变压器相连，对全波整流桥整流后的波形进行降压和功率缓冲，并且将降压和缓冲后的电压波形输出到单管反激式变压器；
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滤波电感相连，对输出电流的高频部分进行衰减，并且将衰减后的电流输出到输出滤波电感中；
所述的滤波电感与高频滤波电容和负载相连，对输出电流中的中两倍工频电流纹波进行滤波；
所述的电压采样，采样输出电压，输入到控制电路中。
所述的控制电路，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，然后输入到电容串并联结构填谷电路中，因为电容串并联结构具有降压的作用，而且根据电容串并联的阶数（其中电容的个数），有1：n的降压效果，这样，由电容串并联结构的填谷电路输出的电压就被降低了，从而减少开关管和后续的器件的电压应力，保护了器件和提高的器件工作的稳定性。同时，随着开关管的通断，电容串并联结构之中，电容的关系也在串联和并联之间转换，从而对全波整流输入的功率进行缓冲，减少输入和输出端的功率失配。然后输入到单管反激式变压器，单管反激式变压器起到了电气隔离作用。单管反激式变换器的输出到快恢复二极管中，快恢复二极管将电流输出到高频滤波电容，高频滤波电容对电流中的高频部分进行滤波，然后输出滤波电感对电流进行低频滤波，从而输出恒定的电流，获得更加稳定的电流驱动LED发光二极管。
如图3所示，为根据本发明所制作的一台样机的输出电压电流波形图，在输入电压为220VAC/50Hz的情况下，所实测的波形，可以看到输出电压跟输出电流，近似一个恒流波形。从而可以有效的避免LED发光二极管的闪烁，实现了本发明中的要求。
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 (8)

1.一种基于电容串并联结构的无电解电容LED驱动器，其特征在于：包括：全波整流桥、基于电容串并联结构的填谷电路、单管反激式变压器、快恢复二极管、滤波电容、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基于电容串并联结构的填谷电路相连，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填谷电路中；
所述的填谷电路的输出端和单管反激式变压器相连，对全波整流桥整流后的波形进行降压和功率缓冲，并且将电压输出到单管反激式变压器中；
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；
所述的滤波电容与快恢复二极管和滤波电感相连，对单管反激式变压器的输出电流中的高频成分进行滤波；
所述的滤波电感与高频滤波电容和负载相连，对输出电流中的中二倍工频电流纹波进行滤波；
所述的控制电路，与电压采样的电阻负载相连，通过控制输出PWM的占空变化，控制开关管的通断时间。
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，全波整流桥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：所述的填谷电路，主要由二极管D4~D9和C0~C2组成，对经过全波桥式整流的电路进行降压和功率缓冲。
4.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：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和控制电路相连，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。
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滤波电感。
7.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，对滤波电容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。
8.根据权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于：所述的控制电路，与输出电压采样电路相连，主要由一个运算放大器AMP0及运算放大器的外围配置电路组成；电压采样电路的输出电压，经过AMP0构成的放大器放大后，增大了电压数值和增强了驱动能力后，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，控制开关管的通断时间。
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