CN106973457B - 一种多路输出均流的隔离型大功率led驱动电源及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源及其实现方法，驱动电源包括半桥CLL谐振网络、均流网络和LED灯负载电路，所述LED灯负载电路包括2N路LED灯负载；所述半桥CLL谐振网络通过所述均流网络实现所述2N路LED灯负载的均流输出，其中，N为大于等于2的自然数。本发明所提出的多路输出均流驱动电路，通过将变压器原边绕组串联，并与变压器副边均流电容相结合，实现了四路或任意2N路相同或不同个数的LED负载的均流输出，具有电路简单、效率高和均流精度高等优点。

Description

一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源及其实现 方法

技术领域

本发明涉及LED驱动电源领域，特别是涉及一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源及其实现方法。

背景技术

随着社会的快速发展以及人们对能源消耗和环境的重视，节能减排的观念越来越深入人心。照明用电的需求量越来越大，成为节能减排的重点领域之一。LED作为新一代绿色照明电光源，以其寿命长、光效高、节能环保等优点深受青睐，在路灯、隧道等大功率照明场合得到了广泛的应用。LED驱动电源的性能优劣直接影响LED照明系统。

LED的单体功率小，为了满足大功率照明场合需求，需要同时点亮多颗灯珠。如果单独采用串联结构，电路简单，但是输出电压会随LED个数的增多而增大并使电路的可靠性降低，因此，大功率LED照明灯珠常常采用串并联结构。而LED伏安特性的不同可能引起不同支路的LED电流存在差异，因此需要引入均流技术以保证LED照明系统稳定可靠运行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源及其实现方法，可实现任意2N路LED灯个数相同或不同时各路LED灯负载的均流输出，具有电路简单、效率高和均流精度高等优点。

本发明采用以下方案实现：一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，包括半桥CLL谐振网络、均流网络与LED灯负载电路；所述LED灯负载电路包括2N路LED灯负载；所述半桥CLL谐振网络通过所述均流网络实现所述2N路LED灯负载的均流输出；

所述均流网络包括第一变压器至第N变压器、第一均流电容至第2N均流电容、第一二极管至第2N二极管；所述第一变压器的初级绕组至第N变压器的初级绕组依次串联；

所述第一变压器的次级绕组的一端与所述第一均流电容的一端相连，所述第一均流电容的另一端与所述第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，所述第一二极管的阴极与第一路LED灯负载的正极相连，所述第一路LED灯负载的负极与第2N均流电容的一端、第2N路LED灯负载的正极相连；所述第2N均流电容的另一端与所述第一变压器的次级绕组的另一端相连，所述第二二极管的阳极与第二路LED灯负载的负极相连，所述第二路LED灯负载的正极与第三路LED灯负载的负极相连；

所述第i变压器的次级绕组的一端与第i均流电容的一端相连，所述第i均流电容的另一端与第2i-1二极管的阳极、第2i二极管的阴极相连，所述第2i-1二极管的阴极与第2i-1路LED灯负载的正极相连，所述第2i-1路LED灯负载的正极与第2i-1均流电容的一端相连，所述第2i-1均流电容的另一端与所述第i变压器的次级绕组的另一端相连，所述第2i二极管的阳极与第2i路LED灯负载的负极相连；

所述第N变压器的次级绕组的一端与第N均流电容的一端相连，所述第N均流电容的另一端与第2N-1二极管的阳极、第2N二极管的阴极相连，所述第2N-1二极管的阴极与第2N-1路LED灯负载的正极相连，所述第2N-1路LED灯负载的正极与第2N-1均流电容的一端相连，所述第2N-1均流电容的另一端与所述第N变压器的次级绕组的另一端相连，所述第2N二极管的阳极与第2N路LED灯负载的负极相连；

所述第一变压器至第N变压器的次级绕组的另一端均接地；

其中，1≤i≤N-1，N为大于等于2的自然数。

进一步地，所述均流网络还包括第一电容至第2N电容；

所述第一电容的两端并联至所述第一路LED灯负载的两端，所述第二电容的两端并联至所述第二路LED灯负载的两端；

所述第2i-1电容的两端并联至所述第2i-1路LED灯负载的两端，所述第i电容的两端并联至所述第i路LED灯负载的两端；

所述第2N-1电容的两端并联至所述第2N-1路LED灯负载的两端，所述第N电容的两端并联至所述第N路LED灯负载的两端；

其中，1≤i≤N-1，其中，N为大于等于2的自然数。

进一步地，所述半桥CLL谐振网络包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容Cr、第一电感Lr、第二电感Ls以及一电源；所述第一开关管S1的漏极连接至所述电源的正极，所述第一开关管S1的源极与所述第二开关管S2的漏极、第一电容Cr的一端相连，所述第二开关管S2的源极与所述电源的负极、所述第一电感Lr的一端、所述第N变压器的初级绕组的另一端相连；所述第一电容Cr的另一端与所述第一电感Lr的另一端、所述第二电感Ls的一端连接，所述第二电感Ls的另一端与所述第一变压器的初级绕组的一端相连。

进一步地，所述第一开关管S1与第二开关管S2的漏极与栅极两端均并联有一二极管与一电容。

进一步地，所述2N路LED灯负载的每一路LED灯负载均包括多个相互串联LED灯。

进一步地，所述每一路LED灯负载中的LED灯个数相同或不同。

本发明还采用以下方法实现：一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源的实现方法，包括以下步骤：

步骤S1：当N为2时，所述第一变压器的次级绕组的电压为上正下负时，电流依次经过第一均流电容、第一二极管、第一路LED灯负载电路以及第四均流电容，流回至所述第一变压器的次级绕组，电流i_o1给所述第一均流电容与第四均流电容充电；所述第二变压器的次级绕组的电压为上正下负时，电流依次经过第二均流电容、第三二极管、第三路LED灯负载电路以及第三均流电容，流回至所述第二变压器的次级绕组，电流i_o2给所述第二均流电容与第三均流电容充电；

步骤S2：所述第一变压器的次级绕组的电压为上负下正时，电流依次经过第三均流电容、第二路LED灯负载电路以、第二二极管以及第一均流电容，流回至所述第一变压器的次级绕组，电流i′_o1给所述第一均流电容与第三均流电容放电；所述第二变压器的次级绕组的电压为上负下正时，电流依次经过第四均流电容、第四路LED灯负载电路、第四二极管以及第二均流电容，流回至所述第二变压器的次级绕组，电流i′_o2给所述第四均流电容与第二均流电容放电；

步骤S3：通过步骤S1与步骤S2中的均流电容在一个周期内电容充放电平衡，使得与其连接的LED灯负载电路中的电流相等，并且将两个变压器的初级绕组相互串联使与不同变压器的次级绕组相连的各路负载实现均流。

进一步地，当N为2，四路LED灯负载的输出电流平均值为：

其中，I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂分别第一路至第四路LED灯负载的输出电流平均值；i_o1为第一均流电容与第四均流电容的充电电流、i_o2为第二均流电容与第三均流电容的充电电流，i′_o1为第一均流电容与第三均流电容的充电电流的放电电流、i′_o2为第二均流电容与第四均流电容的放电电流；Ts为一个充放电周期，ta～tb为电容充电时间，tb～tc为电容放电时间；

在稳态工作状态下，每个周期内的电容充电电荷与其放电电荷相等，可得I₁₁＝I₁₂＝I₂₁＝I₂₂，从而实现四路LED灯负载电路的均流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明中的半桥CLL谐振网络中半桥CLL谐振变换器的软开关、增益等特性与LLC变换器类似，但是其变压器励磁电感不参与谐振，可以灵活设计。半桥CLL谐振变换器能够克服LLC谐振变换器采用变压器原边绕组串联均流精度受励磁电感影响的缺点。

2、本发明采用均流网络接线方式：n个变压器原边串联实现各模块电流均衡，均流电容Cb1、Cb2...Cbn实现各模块中2路LED均流，跨接于各模块之间的均流电容Cb(n+1)、……、Cb(2n)进一步提高了各个模块的均流精度，进而提高了各路LED的均流精度。

3、本发明所提出的多路输出均流驱动电路，通过将变压器原边绕组串联，并与变压器副边均流电容相结合，实现了四路或任意2N路相同或不同个数的LED负载的均流输出，具有电路简单、效率高和均流精度高等优点。

附图说明

图1是本发明的多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源结构示意图。

图2是本发明的变压器原边串联均流原理图。

图3是本发明的4路均流电路原理图。

图4是本发明的变压器次级绕组的电流流通路径图一。

图5是本发明的变压器次级绕组的电流流通路径图二。

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。

本实施例提供一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，如图1所示，包括半桥CLL谐振网络、均流网络与LED灯负载电路；所述LED灯负载电路包括2N路LED灯负载；所述半桥CLL谐振网络通过所述均流网络实现所述2N路LED灯负载的均流输出；

所述均流网络包括第一变压器至第N变压器、第一均流电容至第2N均流电容、第一二极管至第2N二极管；所述第一变压器的初级绕组至第N变压器的初级绕组依次串联；

所述第一变压器的次级绕组的一端与所述第一均流电容的一端相连，所述第一均流电容的另一端与所述第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，所述第一二极管的阴极与第一路LED灯负载的正极相连，所述第一路LED灯负载的负极与第2N均流电容的一端、第2N路LED灯负载的正极相连；所述第2N均流电容的另一端与所述第一变压器的次级绕组的另一端相连，所述第二二极管的阳极与第二路LED灯负载的负极相连，所述第二路LED灯负载的正极与第三路LED灯负载的负极相连；

所述第i变压器的次级绕组的一端与第i均流电容的一端相连，所述第i均流电容的另一端与第2i-1二极管的阳极、第2i二极管的阴极相连，所述第2i-1二极管的阴极与第2i-1路LED灯负载的正极相连，所述第2i-1路LED灯负载的正极与第2i-1均流电容的一端相连，所述第2i-1均流电容的另一端与所述第i变压器的次级绕组的另一端相连，所述第2i二极管的阳极与第2i路LED灯负载的负极相连；

所述第N变压器的次级绕组的一端与第N均流电容的一端相连，所述第N均流电容的另一端与第2N-1二极管的阳极、第2N二极管的阴极相连，所述第2N-1二极管的阴极与第2N-1路LED灯负载的正极相连，所述第2N-1路LED灯负载的正极与第2N-1均流电容的一端相连，所述第2N-1均流电容的另一端与所述第N变压器的次级绕组的另一端相连，所述第2N二极管的阳极与第2N路LED灯负载的负极相连；

所述第一变压器至第N变压器的次级绕组的另一端均接地；

其中，1≤i≤N-1，N为大于等于2的自然数。

在本实施例中，所述均流网络还包括第一电容至第2N电容；

所述第一电容的两端并联至所述第一路LED灯负载的两端，所述第二电容的两端并联至所述第二路LED灯负载的两端；

所述第2i-1电容的两端并联至所述第2i-1路LED灯负载的两端，所述第i电容的两端并联至所述第i路LED灯负载的两端；

所述第2N-1电容的两端并联至所述第2N-1路LED灯负载的两端，所述第N电容的两端并联至所述第N路LED灯负载的两端；

其中，1≤i≤N-1，其中，N为大于等于2的自然数。

在本实施例中，所述半桥CLL谐振网络包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容Cr、第一电感Lr、第二电感Ls以及一电源；所述第一开关管S1的漏极连接至所述电源的正极，所述第一开关管S1的源极与所述第二开关管S2的漏极、第一电容Cr的一端相连，所述第二开关管S2的源极与所述电源的负极、所述第一电感Lr的一端、所述第N变压器的初级绕组的另一端相连；所述第一电容Cr的另一端与所述第一电感Lr的另一端、所述第二电感Ls的一端连接，所述第二电感Ls的另一端与所述第一变压器的初级绕组的一端相连。

在本实施例中，所述第一开关管S1与第二开关管S2的漏极与栅极两端均并联有一二极管与一电容。

在本实施例中，所述2N路LED灯负载的每一路LED灯负载均包括多个相互串联LED灯。

在本实施例中，所述每一路LED灯负载中的LED灯个数相同或不同。

在本实施例中，该均流LED驱动电源的设计思想是：利用均流电容在一个周期内电容充放电平衡，使得与其连接的两路LED负载电流相等，并且通过变压器原边串联使与不同变压器副边绕组相连的各路负载实现均流。采用变压器原边串联均流和电容充放电电荷平衡均流相结合的均流方法克服了单独采用电容均流扩展困难的缺点，又可提高各路LED的均流精度。

均流原理分析如下：基于CLL谐振变换器的多路输出均流电路中，n个变压器原边绕组串联，将n个变压器分别等效为一励磁电感和理想变压器的并联，如图2所示。假设变压器励磁电感足够大，由于n个变压器的原边绕组串联，原边电流相等，忽略励磁电感的影响，则副边电流也相等，因此可以实现副边电流均衡。实际应用中由于不能忽略励磁电感的影响，当LED负载不平衡时，励磁电流存在差异，将导致变压器副边电流不均衡，造成均流误差。因此，应尽可能增大变压器的励磁电感以减小励磁电流对均流效果的影响。半桥CLL谐振变换器由于励磁电感不参与谐振，可以设计得很大以减小均流误差，因此非常适合于采用变压器原边串联的均流方式。

为了进一步提高多路输出均流电路的均流效果，研究了一种变压器原边串联均流与电容充放电电荷平衡均流相结合的混合均流方案，以4路LED为例，其均流LED驱动电源的电路如图3所示，半桥CLL谐振变换器工作时，在变压器副边绕组产生正负交错的高频交流信号，图4和图5所示为变压器副边绕组的电流流通路径图，该均流电路的实现方法包括以下步骤：

步骤S1：所述第一变压器的次级绕组的电压为上正下负时，电流的流通途径如图4所示，电流依次经过第一均流电容、第一二极管、第一路LED灯负载电路以及第四均流电容，流回至所述第一变压器的次级绕组，电流i_o1给所述第一均流电容与第四均流电容充电；所述第二变压器的次级绕组的电压为上正下负时，电流依次经过第二均流电容、第三二极管、第三路LED灯负载电路以及第三均流电容，流回至所述第二变压器的次级绕组，电流i_o2给所述第二均流电容与第三均流电容充电；

步骤S2：所述第一变压器的次级绕组的电压为上负下正时，电流的流通途径如图5所示，电流依次经过第三均流电容、第二路LED灯负载电路以、第二二极管以及第一均流电容，流回至所述第一变压器的次级绕组，电流i′_o1给所述第一均流电容与第三均流电容放电；所述第二变压器的次级绕组的电压为上负下正时，电流依次经过第四均流电容、第四路LED灯负载电路、第四二极管以及第二均流电容，流回至所述第二变压器的次级绕组，电流i′_o2给所述第四均流电容与第二均流电容放电；

步骤S3：通过步骤S1与步骤S2中的均流电容在一个周期内电容充放电平衡，使得与其连接的LED灯负载电路中的电流相等，并且将两个变压器的初级绕组相互串联使与不同变压器的次级绕组相连的各路负载实现均流。

其中，四路LED灯负载的输出电流平均值为：

其中，I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂分别第一路至第四路LED灯负载的输出电流平均值；i_o1为第一均流电容与第四均流电容的充电电流、i_o2为第二均流电容与第三均流电容的充电电流，i′_o1为第一均流电容与第三均流电容的充电电流的放电电流、i′_o2为第二均流电容与第四均流电容的放电电流；Ts为一个充放电周期，ta～tb为电容充电时间，tb～tc为电容放电时间；

在稳态工作状态下，每个周期内的电容充电电荷与其放电电荷相等，可得I₁₁＝I₁₂＝I₂₁＝I₂₂，从而实现四路LED灯负载电路的均流。

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 (8)

1.一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，其特征在于：包括半桥CLL谐振网络、均流网络与LED灯负载电路；所述LED灯负载电路包括2N路LED灯负载；所述半桥CLL谐振网络通过所述均流网络实现所述2N路LED灯负载的均流输出；

所述均流网络包括第一变压器至第N变压器、第一均流电容至第2N均流电容、第一二极管至第2N二极管；所述第一变压器的初级绕组至第N变压器的初级绕组依次串联；

所述第一变压器的次级绕组的一端与所述第一均流电容的一端相连，所述第一均流电容的另一端与所述第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，所述第一二极管的阴极与第一路LED灯负载的正极相连，所述第一路LED灯负载的负极与第2N均流电容的一端、第2N路LED灯负载的正极相连；所述第2N均流电容的另一端与所述第一变压器的次级绕组的另一端相连，所述第二二极管的阳极与第二路LED灯负载的负极相连，所述第二路LED灯负载的正极与第三路LED灯负载的负极相连；

所述第i变压器的次级绕组的一端与第i均流电容的一端相连，所述第i均流电容的另一端与第2i-1二极管的阳极、第2i二极管的阴极相连，所述第2i-1二极管的阴极与第2i-1路LED灯负载的正极相连，所述第2i-1路LED灯负载的正极与第2i-1均流电容的一端相连，所述第2i-1均流电容的另一端与所述第i变压器的次级绕组的另一端相连，所述第2i二极管的阳极与第2i路LED灯负载的负极相连；

所述第N变压器的次级绕组的一端与第N均流电容的一端相连，所述第N均流电容的另一端与第2N-1二极管的阳极、第2N二极管的阴极相连，所述第2N-1二极管的阴极与第2N-1路LED灯负载的正极相连，所述第2N-1路LED灯负载的正极与第2N-1均流电容的一端相连，所述第2N-1均流电容的另一端与所述第N变压器的次级绕组的另一端相连，所述第2N二极管的阳极与第2N路LED灯负载的负极相连；

所述第一变压器至第N变压器的次级绕组的另一端均接地；

其中，1≤i≤N-1，N为大于等于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，其特征在于：所述均流网络还包括第一电容至第2N电容；

所述第一电容的两端并联至所述第一路LED灯负载的两端，所述第二电容的两端并联至所述第二路LED灯负载的两端；

所述第2i-1电容的两端并联至所述第2i-1路LED灯负载的两端，所述第i电容的两端并联至所述第i路LED灯负载的两端；

所述第2N-1电容的两端并联至所述第2N-1路LED灯负载的两端，所述第N电容的两端并联至所述第N路LED灯负载的两端；

其中，1≤i≤N-1，其中，N为大于等于2的自然数。

3.根据权利要求1所述的一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，其特征在于：所述半桥CLL谐振网络包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容Cr、第一电感Lr、第二电感Ls以及一电源；所述第一开关管S1的漏极连接至所述电源的正极，所述第一开关管S1的源极与所述第二开关管S2的漏极、第一电容Cr的一端相连，所述第二开关管S2的源极与所述电源的负极、所述第一电感Lr的一端、所述第N变压器的初级绕组的另一端相连；所述第一电容Cr的另一端与所述第一电感Lr的另一端、所述第二电感Ls的一端连接，所述第二电感Ls的另一端与所述第一变压器的初级绕组的一端相连。

4.根据权利要求3所述的一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，其特征在于：所述第一开关管S1与第二开关管S2的漏极与栅极两端均并联有一二极管与一电容。

5.根据权利要求1所述的一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，其特征在于：所述2N路LED灯负载的每一路LED灯负载均包括多个相互串联LED灯。

6.根据权利要求1所述的一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源，其特征在于：所述每一路LED灯负载中的LED灯个数相同或不同。

7.一种根据权利要求1所述的多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：当N为2时，所述第一变压器的次级绕组的电压为上正下负时，电流依次经过第一均流电容、第一二极管、第一路LED灯负载电路以及第四均流电容，流回至所述第一变压器的次级绕组，电流给所述第一均流电容与第四均流电容充电；所述第二变压器的次级绕组的电压为上正下负时，电流依次经过第二均流电容、第三二极管、第三路LED灯负载电路以及第三均流电容，流回至所述第二变压器的次级绕组，电流给所述第二均流电容与第三均流电容充电；

步骤S2：所述第一变压器的次级绕组的电压为上负下正时，电流依次经过第三均流电容、第二路LED灯负载电路以、第二二极管以及第一均流电容，流回至所述第一变压器的次级绕组，电流给所述第一均流电容与第三均流电容放电；所述第二变压器的次级绕组的电压为上负下正时，电流依次经过第四均流电容、第四路LED灯负载电路、第四二极管以及第二均流电容，流回至所述第二变压器的次级绕组，电流给所述第四均流电容与第二均流电容放电；

步骤S3：通过步骤S1与步骤S2中的均流电容在一个周期内电容充放电平衡，使得与其连接的LED灯负载电路中的电流相等，并且将两个变压器的初级绕组相互串联使与不同变压器的次级绕组相连的各路负载实现均流。

8.根据权利要求7所述的一种多路输出均流的隔离型大功率LED驱动电源的实现方法，其特征在于：

当N为2，四路LED灯负载的输出电流平均值为：

其中，I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂分别第一路至第四路LED灯负载的输出电流平均值；为第一均流电容与第四均流电容的充电电流、为第二均流电容与第三均流电容的充电电流，为第一均流电容与第三均流电容的充电电流的放电电流、为第二均流电容与第四均流电容的放电电流；Ts为一个充放电周期，ta~tb为电容充电时间，tb~tc为电容放电时间；

在稳态工作状态下，每个周期内的电容充电电荷与其放电电荷相等，可得，从而实现四路LED灯负载电路的均流。