CN106793339B - 基于原边反馈的自适应线电压补偿led驱动电路 - Google Patents

基于原边反馈的自适应线电压补偿led驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，包括交流电源、整流桥、LC滤波器、初级吸收电路、由初级绕组、次级绕组和辅助绕组组成的变压器、次级电路、辅助供电电路、功率开关管、功率开关管电流采样电阻、补偿电容和LED驱动控制电路；LED驱动控制电路包括三角波发生器、压限器、VZCD检测器、第一比较器、第二比较器、逻辑控制器、栅极驱动电路、触发器、恒流调整器、采样保持电路、电压跟随器、峰值电流预估器、运算放大器、除2电路和VREF发生器。本发明的LED驱动电路基于原边反馈和反激式控制，可以实现高效率和高功率因素LED恒流驱动，能够对系统传输延迟而产生的初级峰值电流偏差进行自适应补偿，能够实现在全电压范围内小于1.5％的输入电压线性调整率。

Description

基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路
技术领域
本发明涉及一种基于原边反馈的LED驱动电路，尤其涉及一种基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路。
背景技术
在全球能源短缺、环保要求不断提高的背景下，世界各国均大力发展绿色节能照明。LED照明作为一种革命性的节能照明技术，正在飞速发展。
由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2～3伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。国际市场上对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高。高效率、高功率因数、安全隔离、符合EMI标准、高电流控制精度、高可靠性、体积小、成本低等正成为LED驱动电源的关键评级指标。此外，由于电网电压的波动及各国电网电压的差异，LED驱动电源也必须有较好的输入电压线性调整率。
原边反馈的AC/DC控制技术是最近10年发展起来的新型AC/DC控制技术，与传统的副边反馈结构相比，省去了两个芯片以及与之配合工作的一组元器件，节省了系统板上的空间，降低了成本并且提高了系统的可靠性。在LED驱动等对体积要求很高的市场具有广阔的应用前景。
现有的基于原边反馈的反激式LED驱动电路如图1所示，包括：交流电源、LC滤波器、初级吸收电路、由初级绕组、次级绕组及辅助绕组组成的变压器、次级电路、辅助供电电路、功率开关管M1、功率开关管电流采样电阻R4、补偿电容C5和LED驱动控制电路。LED驱动控制电路包括：三角波发生器、压限器、VZCD检测器、比较器、逻辑控制器、栅极驱动电路、触发器、恒流调整器、采样保持电路、电压跟随器、运算放大器和VREF发生器。
该电路采用固定导通时间控制模式，就是说功率开关管M1的导通时间是恒定的。根据相关理论推导出负载LED的平均电流为下面公式：
其中，ILED为负载LED平均电流，n为变压器主次级绕组的匝数比，Vm为初级电压，Lm为初级电感量，TON为功率开关管的导通时间，Toff(t)为功率开关管的截止时间，Ts(t)为功率开关管的开关周期，ωL为输入交流电压的角频率。
系统通过恒定TON，从而实现恒流驱动，同时这样的控制方式也能实现高功率因数。但是由于系统控制逻辑和功率开关引起的传输延时的存在，所以功率开关管实际的关闭时间点要晚于理想的关闭时间点。如图2所示，可以看出由于传输延迟Td，实际检测到的初级峰值电流要高于理想的初级峰值电流。所以在不同输入电压下，峰值电流的上升的斜率也不一样，Td也不一样。这就造成Δipk也会随着输入电压在变，这就导致了系统的输入电压线性特性会变差。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，包括交流电源、整流桥、LC滤波器、初级吸收电路、由初级绕组、次级绕组和辅助绕组组成的变压器、次级电路、辅助供电电路、功率开关管、功率开关管电流采样电阻、补偿电容和LED驱动控制电路；LED驱动控制电路包括三角波发生器、压限器、VZCD检测器、第一比较器、第二比较器、逻辑控制器、栅极驱动电路、触发器、恒流调整器、采样保持电路、电压跟随器、峰值电流预估器、运算放大器、除2电路和VREF发生器。
交流电源依次连接整流桥、LC滤波器、初级吸收电路和变压器的初级绕组，变压器的次级绕组连接次级电路，变压器的辅助绕组连接辅助供电电路，功率开关管的栅极与LED驱动控制电路的GATE端口连接，功率开关管的漏极与变压器的初级绕组连接，功率开关管的源极与LED驱动控制电路的CS端口连接，并通过功率开关管电流采样电阻接地，补偿电容的一端与LED驱动控制电路的COMP端口连接，另一端接地，LED驱动控制电路的DEMAG端口连接变压器辅助绕组的电压分压信号。
LED驱动控制电路的DEMAG端口连接VZCD检测器，VZCD检测器还连接有压限器，VZCD检测器的输出端连接逻辑控制器，再连接栅极驱动电路，栅极驱动电路连接输出端GATE，用于驱动功率开关管；LED驱动控制电路的CS端口连接电压跟随器，与逻辑控制器的输出信号共同经过采样保持电路，再输入恒流调整器；运算放大器包括正极输入端、负极输入端和输出端，运算放大器的正极输入端连接VREF发生器，运算放大器的负极输入端连接恒流调整器的输出端，运算放大器的输出端连接LED驱动控制电路的COMP端口；第一比较器包括正极输入端、负极输入端和输出端，第一比较器的正极输入端连接三角波发生器，第一比较器的负极输入端连接运算放大器的输出端，触发器为RS触发器，R端连接第一比较器的输出端，S端连接压限器，Q端连接逻辑控制器的输入端；运算放大器的输出信号经过除2电路，再连接第二比较器的负极输入端，三角波发生器的输出信号连接第二比较器的正极输入端，第二比较器的输出信号依次经过逻辑控制器和采样保持电路，采样保持电路的输出信号输入到峰值电流预估器，再输入恒流调整器。
有益效果：本发明的自适应线电压补偿LED驱动电路是基于原边反馈的反激式控制架构，满足了输入交流电源和负载隔离的情况下实现高效率和高功率因素的LED恒流驱动，该电路能够实现对由于系统传输延迟而产生初级峰值电流的偏差进行自适应补偿，能够实现在全电压范围内小于1.5％的输入电压线性调整率。
附图说明
图1是现有的基于原边反馈的反激式LED驱动电路示意图；
图2是现有LED驱动电路的初级峰值电流示意图；
图3是本发明的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路；
图4是本发明的自适应线电压补偿LED驱动电路工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图3所示是本发明所述的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，包括：交流电源1、整流桥2、LC滤波器3、初级吸收电路4、由初级绕组、次级绕组及辅助绕组构成的变压器5、次级电路6、辅助供电电路7、功率开关管M1、功率开关管电流采样电阻R4、补偿电容C5和LED驱动控制电路8。
交流电源1依次连接整流桥2、LC滤波器3、初级吸收电路4和变压器5的初级绕组，变压器5的次级绕组连接次级电路6，辅助绕组连接辅助供电电路7。功率开关管M1的栅极与LED驱动控制电路的GATE端口连接，功率开关管M1的漏极与初级绕组连接，功率开关管M1的源极与LED驱动控制电路的CS端口连接，并通过功率开关管电流采样电阻R4接地。补偿电容C5一端与LED驱动控制电路的COMP端口连接，另一端接地。
整流桥2是由四个二极管组成的全桥桥路，实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4。LC滤波器3包括第一电感L1和第一电容C1，对整流电路得到的直流电压进行滤波。初级吸收电路4包括第一电阻R1、第二电容C2和第五二极管D5，变压器初级并联RCD吸收电路，用于抑制过电压，吸收漏感冲击电压。次级电路6包括第三电容C3和第六二极管D6，第三电容C3两端连接负载LED灯，用于给负载供电。
辅助供电电路7包括第二电阻R2、第三电阻R3、第七二极管D7和第四电容C4，第三电阻R3和第四电容C4接地，第二电阻R2和第三电阻R3形成分压，LED驱动控制电路8采样第三电阻R3上的电压，并连接LED驱动控制电路的DEMAG端口。
通过精确采样变压器5辅助绕组的电压变化来检测负载LED灯上变化的信息。当功率开关管打开时，变压器5初级绕组电流ip从0线性上升到ipk。此时能量存储在初级绕组中，当功率开关管关断后，能量通过变压器5传递到次级绕组，并经过整流滤波送到输出端。在此期间，输出电压和二极管的正向电压被反射到辅助绕组，在去磁结束时间点，次级绕组输出电压与辅助绕组具有线性关系，只要采样此时的辅助绕组的电压，并形成由精确的环路反馈，就可以稳定输出电压。
LED驱动控制电路8，包括：三角波发生器、压限器、VZCD检测器、第一比较器、第二比较器、逻辑控制器、栅极驱动电路、触发器、恒流调整器、采样保持电路、电压跟随器、峰值电流预估器、运算放大器、除2电路和VREF发生器。LED驱动控制电路的输入端DEMAG用于采样辅助绕组的电压分压信号，LED驱动控制电路的输入端CS用于采样功率开关管电流采样电阻R4上的电压信号，LED驱动控制电路的输出端GATE用于驱动功率开关管M1。
LED驱动控制电路输入端DEMAG的辅助绕组的电压分压信号，经过VZCD检测器，VZCD检测器连接有压限器，再输入到逻辑控制器，再到栅极驱动电路，栅极驱动电路连接输出端GATE，用于驱动功率开关管M1。LED驱动控制电路输入端CS的功率开关管电流采样电阻R4上的电压信号，经过电压跟随器，与逻辑控制器的输出信号经过采样保持电路，再输入恒流调整器。运算放大器包括正极输入端、负极输入端和输出端，运算放大器的正极输入端连接VREF发生器，运算放大器的负极输入端连接恒流调整器的输出端，运算放大器的输出端连接补偿电容C5。第一比较器包括正极输入端、负极输入端和输出端，第一比较器的正极输入端连接三角波发生器，第一比较器的负极输入端连接运算放大器的输出端。触发器为RS触发器，R端连接第一比较器的输出端，S端连接压限器，Q端连接逻辑控制器的输入端。
LED驱动控制电路还加入了峰值电流预估器、除2电路和第二比较器，采样保持电路的输出信号经过峰值电流预估器，再输入恒流调整器。运算放大器的输出信号VCOMP经过除2电路，得到信号VHALF，与三角波发生器的输出信号VRAMP通过第二比较器进行比较，信号VHALF连接第二比较器的负极输入端，信号VRAMP连接第二比较器的正极输入端，得到的第二比较器的输出信号经过逻辑控制器和采样保持电路。采样保持电路的输出信号输入到峰值电流预估器，峰值电流预估器进行计算，再输入恒流调整器。在功率开光管Ton/2导通时，提前预估出Δipk，对由于系统传输延迟Td引起的初级峰值电流误差进行补偿。
具体工作方式如图4所示，t1＝Ton/2，Td＝t2-t1，通过自适应线电压补偿电路，系统在Ton/2导通时，提前预估出初级峰值电流误差Δipk，并进行补偿，使得功率开关管在理想ipk值时关闭。本发明通过在系统中加入峰值电流预估器、除2电路和比较器，在功率开光管Ton/2导通时，采样初级峰值电流来预估Δipk，最终实现对由于系统传输延迟而产生初级峰值电流的偏差进行自适应补偿，该电路能够实现系统全电压范围内小于1.5％的输入电压线性调整率。

Claims (6)

1.一种基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，其特征在于：包括交流电源(1)、整流桥(2)、LC滤波器(3)、初级吸收电路(4)、由初级绕组、次级绕组和辅助绕组组成的变压器(5)、次级电路(6)、辅助供电电路(7)、功率开关管(M1)、功率开关管电流采样电阻(R4)、补偿电容(C5)和LED驱动控制电路(8)；
交流电源(1)依次连接整流桥(2)、LC滤波器(3)、初级吸收电路(4)和变压器(5)的初级绕组，变压器(5)的次级绕组连接次级电路(6)，变压器(5)的辅助绕组连接辅助供电电路(7)，功率开关管(M1)的栅极与LED驱动控制电路(8)的GATE端口连接，功率开关管(M1)的漏极与变压器(5)的初级绕组连接，功率开关管(M1)的源极与LED驱动控制电路(8)的CS端口连接，并通过功率开关管电流采样电阻(R4)接地，补偿电容(C5)的一端与LED驱动控制电路(8)的COMP端口连接，另一端接地，LED驱动控制电路(8)的DEMAG端口连接变压器(5)辅助绕组的电压分压信号；
其中，LED驱动控制电路(8)包括三角波发生器、压限器、VZCD检测器、第一比较器、逻辑控制器、栅极驱动电路、触发器、恒流调整器、采样保持电路、电压跟随器、运算放大器和VREF发生器；
LED驱动控制电路(8)的DEMAG端口连接VZCD检测器，VZCD检测器还连接有压限器，VZCD检测器的输出端连接逻辑控制器，再连接栅极驱动电路，栅极驱动电路连接输出端GATE，用于驱动功率开关管(M1)；LED驱动控制电路(8)的CS端口连接电压跟随器，与逻辑控制器的输出信号共同经过采样保持电路，再输入恒流调整器；运算放大器包括正极输入端、负极输入端和输出端，运算放大器的正极输入端连接VREF发生器，运算放大器的负极输入端连接恒流调整器的输出端，运算放大器的输出端连接LED驱动控制电路(8)的COMP端口；第一比较器包括正极输入端、负极输入端和输出端，第一比较器的正极输入端连接三角波发生器，第一比较器的负极输入端连接运算放大器的输出端，触发器为RS触发器，R端连接第一比较器的输出端，S端连接压限器，Q端连接逻辑控制器的输入端；
所述LED驱动控制电路(8)还包括第二比较器、峰值电流预估器和除2电路；运算放大器的输出信号经过除2电路，再连接第二比较器的负极输入端，三角波发生器的输出信号连接第二比较器的正极输入端，第二比较器的输出信号依次经过逻辑控制器和采样保持电路；采样保持电路的输出信号输入到峰值电流预估器，再输入恒流调整器，在功率开光管Ton/2导通时，提前预估出初级峰值电流误差，对由于系统传输延迟引起的初级峰值电流误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，其特征在于：辅助供电电路(7)包括第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第七二极管(D7)和第四电容(C4)，第三电阻(R3)和第四电容(C4)接地，LED驱动控制电路(8)采样第三电阻(R3)上的电压，并连接LED驱动控制电路(8)的DEMAG端口。
3.根据权利要求1所述的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，其特征在于：整流桥(2)包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)。
4.根据权利要求1所述的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，其特征在于：LC滤波器(3)包括第一电感(L1)和第一电容(C1)。
5.根据权利要求1所述的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，其特征在于：初级吸收电路(4)包括第一电阻(R1)、第二电容(C2)和第五二极管(D5)。
6.根据权利要求1所述的基于原边反馈的自适应线电压补偿LED驱动电路，其特征在于：次级电路(6)包括第三电容(C3)和第六二极管(D6)，第三电容(C3)的两端连接负载LED。
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