CN106998606B - 一种双管单buck LED驱动电源装置及恒流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双管单buck LED驱动电源装置，包括电源AC、控制逻辑电路、开关K1、开关K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS以及若干LED灯珠(标识为LED1‑LEDn)构成；所述开关K1、K2为三端器件；所述控制逻辑电路有两对输入端和两条输出端，输入端用于接收电源AC两端的电压信号，输入端用于接收流过电阻RS的电流信号，输出端用于控制开关K2的控制端，输出端用于控制开关K1的控制端。提供一种能够实现功率因数校正的LED灯具驱动电源拓扑结构及恒流驱动方法，该电路拓扑无需整流桥堆和滤波电容，简洁可靠，解决了LED灯具功率因数校正及恒流驱动的问题。

Description

一种双管单buck LED驱动电源装置及恒流控制方法

技术领域

本发明涉及一种LED恒流驱动电源以及恒流控制技术，尤其涉及一种应用于LED灯具驱动电源和AC-DC变换器的双管单buck LED驱动电源装置及恒流控制方法。

背景技术

作为新一代绿色照明光源，LED照明具有高效、长寿、环保、节能的优点，世界各国都把他作为白炽灯、节能灯的替代照明技术，我国也把LED照明工程作为主要光源进行推广，LED灯具成为最具代表性的灯具。然而，由于LED灯具所用的LED灯珠需要直流电源驱动，需要一个整流器进行AC-DC变换，文献“大功率整流系统谐波功率特性及其对电能计量的影响和节能分析，电工技术学报，Vol.27，No.11，2012”指出，整流器具有的强非线性导致输入电流出现较大的畸变、产生大量的谐波，会给电网的电能计量带来一系列影响，甚至可能导致电网正不能正常工作。鉴于此，国内外都在强制实施抑制低频谐波的电磁兼容规范标准，要求LED照明灯具必须进行功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)。许多学者及工程人员都致力于LED照明灯具的功率因数校正的研究工作，专利“具功率因数校正的恒流控制电路及其功率因数校正电路，CN201110289044.7”公开了一种采用填谷式功率因数校正方法，由于这种方法需要用两个耐压高的电容进行工作，因此体积、成本比较高，难以实际应用，且该方法的功率因数校正效果并不是很好；许多专业集成电路供应商专门为功率因数校正研制了专用集成芯片，如L6562N、UCC28019等，这些专用芯片能很好的进行功率因数校正，但由于这些芯片都是基于Boost变换器拓扑进行工作的，因此在实际应用时，整个电路必须涵盖整流环节、Boost功率因数校正环节、DC-DC变换环节，复杂且效率收到影响；文献“一种单级式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动电源，中国电机工程学报，Vol.35，No.22，2015”给出了一种利用储能单元进行功率因数校正的电路拓扑，该方法基于在反激变换器变压器上增加一个绕组与辅助储能单元进行功率因数校正，可解决上述专用集成芯片功率因数校正的问题，但是该方法依然不能去除整流环节，且由于增加了辅助储能单元，电路复杂性依然很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现功率因数校正的LED灯具驱动电源拓扑结构及恒流驱动方法，该电路拓扑无需整流桥堆和滤波电容，简洁可靠，解决了LED灯具功率因数校正及恒流驱动的问题。

本发明一种双管单buck LED驱动电源装置，包括：电源AC、控制逻辑电路、开关K1、开关K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS以及若干LED灯珠(LED1—LEDn)；所述开关K1、K2为三端器件，分别是两个通断触点端与一个控制端，通过对控制端的控制可控制两个通断触点端的导通和关断；所述控制逻辑电路有输入端3、输入端4、输出端1、输出端2，输入端3用于接收电源AC两端的电压信号，输入端4用于接收流过电阻RS的电流信号，输出端1为用于控制开关K2的控制端，控制K2的导通与关断，输出端2为用于控制开关K1的控制端，控制K1的导通与关断；所述若干LED灯珠至少包括一个，LED灯珠以首尾相连的串联形式连成LED灯珠串，灯珠串分有正极与负极；

所述电源AC一端与开关K1的一个通断触点端和二极管D1的负极相连，另一端与开关K2的一个通断触点端和二极管D2的负极相连，开关K1的另一个通断触点端、开关K2的另一个通断触点端、二极管D3的负极、电感LS的一个端头相连于同一个点，二极管D1、D2、D3的正极、电容Cs的一端、电阻RS的一端相连于同一个点，电感LS的另一端、电容的另一端、LED灯珠串正极相连于同一个点，LED灯珠串的负极、电阻RS的另一端相连于同一个点；控制逻辑电路的输入端3连接在电源AC两端、输入端4连接在电阻RS两端，控制逻辑电路的输出端分别与开关K1、K2的控制端相连；

所述一种双管单buck LED驱动电源装置，装置工作过程分为正半周工作模式与负半周工作模式，所述正半周模式由开关K1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS、电阻RS、LED灯珠串共同完成；所述负半周模式由开关K2、二极管D1、二极管D3、电感LS、电容CS、电阻RS、LED灯珠串共同完成；控制逻辑电路通过输入端3采集电源AC电压信号，当电压信号处于正半周时控制逻辑电路进入正半周工作模式，当电压信号处于负半周时控制逻辑电路进入负半周工作模式。

基于本发明一种双管单buckLED驱动电源装置的恒流控制方法的特征在于：

工作时根据电源AC工作电压的正负分为正半周工作模式和负半周工作模式，二种工作模式采用PDM控制方法对LED灯珠串的工作电流进行恒流控制：

1)正半周工作模式：电源AC输出正电压，此时二极管D1关断、二极管D2导通，控制逻辑电路控制开关K2处于关断，采用高频斩波对开关管K1进行PWM控制，并与二极管D3、电感LS、电容CS构成buck斩波器，LED灯珠串作为斩波器负载，电阻RS作为LED灯珠串工作电流的采样传感器；

2)负半周工作模式：电源AC输出负电压，此时二极管D2关断、二极管D1导通，控制逻辑电路控制开关K1处于关断，采用高频斩波对开关管K2进行PWM控制，并与二极管D3、电感LS、电容CS构成buck斩波器，LED灯珠串作为斩波器负载，电阻RS作为LED灯珠串工作电流的采样传感器；

3)PDM恒流控制：LED灯珠串的工作电流流过电阻RS，电阻RS将流过的电流信号转换为电压信号，该电压信号被送往控制逻辑电路输入端4，控制逻辑电路根据获得的电压信号进行规划，产生相应的PDM控制信号，当处于正半周工作模式时，输出端1送出信号关断开关K2，输出端2送出PDM信号调节开关K1占空比，以此稳定LED灯珠串的工作电流，当处于负半周工作模式时，输出信号端2送出信号关断开关K1，输出端1送出PDM信号调节开关K2占空比，以此稳定LED灯珠串的工作电流。

本发明技术方案的有益效果是：

1、利用双开关管结构构成正负半周供电通道，解决了交流输入情况下正负半周都能形成buck变换器的拓扑结构，无需使用整流桥堆和滤波电容，简化了电路结构；

2、利用采样电阻采集LED灯珠工作电流信息，根据LED工作电流改变双开关管占空比，形成电流闭环，稳定了LED工作电流。

附图说明

图1为本发明实施例的电路拓扑示意图。

图2为本发明正半周工作模式电流通路示意图。

图3为本发明负半周工作模式电流通路示意图。

图4为本发明电路工作时，输入电压、输入电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1，本发明一种双管单buck LED驱动电源装置，包括：电源AC、控制逻辑电路、开关K1、开关K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS以及LED1—LEDn的若干LED灯珠；开关K1、K2为三端器件，分别是两个通断触点端与一个控制端，通过对控制端的控制可控制两个通断触点端的导通和关断；控制逻辑电路有输入端3、输入端4、输出端1、输出端2，输入端3用于接收电源AC两端的电压信号，输入端4用于接收流过电阻RS的电流信号，输出端1为用于控制开关K2的控制端，控制K2的导通与关断，输出端2为用于控制开关K1的控制端，控制K1的导通与关断；所述若干LED灯珠至少包括一个，LED灯珠以首尾相连的串联形式连成LED灯珠串，灯珠串分有正极与负极；电源AC一端与开关K1的一个通断触点端和二极管D1的负极相连，另一端与开关K2的一个通断触点端和二极管D2的负极相连，开关K1的另一个通断触点端、开关K2的另一个通断触点端、二极管D3的负极、电感LS的一个端头相连于同一个点，二极管D1、D2、D3的正极、电容Cs的一端、电阻RS的一端相连于同一个点，电感LS的另一端、电容的另一端、LED灯珠串正极相连于同一个点，LED灯珠串的负极、电阻RS的另一端相连于同一个点；控制逻辑电路的输入端3连接在电源AC两端、输入端4连接在电阻RS两端，控制逻辑电路的输出端分别与开关K1、K2的控制端相连。在控制逻辑电路的控制下，本发明装置工作过程分为正半周工作模式与负半周工作模式，正半周模式由开关K1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS、电阻RS、LED灯珠串共同完成；负半周模式由开关K2、二极管D1、二极管D3、电感LS、电容CS、电阻RS、LED灯珠串共同完成；控制逻辑电路通过输入端3采集电源AC电压信号，当电压信号处于正半周时控制逻辑电路进入正半周工作模式，当电压信号处于负半周时控制逻辑电路进入负半周工作模式。

参见图2，当电源AC处于正半周时，控制逻辑电路关闭开关K2，此时二极管D1自然关断、D2自然导通，开关K1处于高频斩波状态，采用高频斩波的策略对开关K1进行PWM控制(PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形；其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高)，并与二极管D3、电感LS、电容CS构成buck变换器工作在正半周工作模式，LED灯珠串作为斩波器负载，电阻RS作为LED灯珠串工作电流的采样传感器。LED灯珠串负载电流经电阻RS形成负载电流信号送往控制逻辑电路，并以此形成PDM信号控制开关K1的开关脉冲宽度，稳定负载电流。

参见图3，当电源AC处于负半周时，控制逻辑电路关闭开关K1，此时二极管D2自然关断、D1自然导通，开关K2处于高频斩波状态，采用高频斩波的策略对开关K2进行PWM控制，并与二极管D3、电感LS、电容CS构成buck斩波器工作在负半周工作模式，LED灯珠串作为斩波器负载，电阻RS作为LED灯珠串工作电流的采样传感器，LED灯珠串负载电流经电阻RS形成负载电流信号送往控制逻辑电路，并以此形成PDM信号控制开关K2的开关脉冲宽度，稳定负载电流。

参见图4，观察本发明电路工作时电源AC电压(输入电压)波形与电流(输入)波形，两个波形均为正弦波形，同时可以看到两个波形的相位相同，这个波形图表明本发明电路具有较好的功率因数。

本发明技术方案的有益效果是：1、利用双开关管结构构成正负半周供电通道，解决了交流输入情况下正负半周都能形成buck变换器的拓扑结构，无需使用整流桥堆和滤波电容，简化了电路结构；2、利用采样电阻采集LED灯珠工作电流信息，根据LED工作电流改变双开关管占空比，形成电流闭环，稳定了LED工作电流。

Claims (5)

1.一种双管单buck LED驱动电源装置，其特征在于：包括电源AC、控制逻辑电路、开关K1、开关K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS以及若干LED灯珠(LED1—LEDn)；所述开关K1、K2为三端器件，分别是两个通断触点端与一个控制端，通过对控制端的控制可控制两个通断触点端的导通和关断；所述控制逻辑电路有输入端3、输入端4、输出端1、输出端2，输入端3用于接收电源AC两端的电压信号，输入端4用于接收流过电阻RS的电流信号，输出端1为用于控制开关K2的控制端，控制K2的导通与关断，输出端2为用于控制开关K1的控制端，控制K1的导通与关断；所述若干LED灯珠至少包括一个，LED灯珠以首尾相连的串联形式连成LED灯珠串，灯珠串分有正极与负极；所述电源AC一端与开关K1的一个通断触点端和二极管D1的负极相连，另一端与开关K2的一个通断触点端和二极管D2的负极相连，开关K1的另一个通断触点端、开关K2的另一个通断触点端、二极管D3的负极、电感LS的一个端头相连于同一个点，二极管D1、D2、D3的正极、电容Cs的一端、电阻RS的一端相连于同一个点，电感LS的另一端、电容的另一端、LED灯珠串正极相连于同一个点，LED灯珠串的负极、电阻RS的另一端相连于同一个点；控制逻辑电路的输入端3连接在电源AC两端、输入端4连接在电阻RS两端，控制逻辑电路的输出端2、输出端1分别与开关K1、K2的控制端相连；工作过程分为正半周工作模式与负半周工作模式，所述正半周工作模式由开关K1、二极管D2、二极管D3、电感LS、电容CS、电阻RS、LED灯珠串共同完成；所述负半周工作模式由开关K2、二极管D1、二极管D3、电感LS、电容CS、电阻RS、LED灯珠串共同完成；控制逻辑电路通过输入端3采集电源AC电压信号，当电压信号处于正半周时控制逻辑电路进入正半周工作模式，当电压信号处于负半周时控制逻辑电路进入负半周工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种双管单buck LED驱动电源装置，其特征在于：开关K1、K2为单向电子开关，所述单向电子开关为场效应管或IGBT管。

3.根据权利要求1所述的一种双管单buck LED驱动电源装置，其特征在于：二极管D3、电感LS、电容CS构成buck逆变电路，LED灯珠串为buck逆变电路的负载，buck逆变电路工作于电感电流连续模式或电感电流断续模式。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种双管单buck LED驱动电源装置的恒流控制方法，其特征在于：工作时根据电源AC工作电压的正负分为正半周工作模式和负半周工作模式，二种工作模式采用PDM控制方法对LED灯珠串的工作电流进行恒流控制；

1)正半周工作模式：电源AC输出正电压，此时二极管D1关断、二极管D2导通，控制逻辑电路控制开关K2处于关断，采用高频斩波对开关管K1进行PWM控制，并与二极管D3、电感LS、电容CS构成buck斩波器，LED灯珠串作为斩波器负载，电阻RS作为LED灯珠串工作电流的采样传感器；

2)负半周工作模式：电源AC输出负电压，此时二极管D2关断、二极管D1导通，控制逻辑电路控制开关K1处于关断，采用高频斩波对开关管K2进行PWM控制，并与二极管D3、电感LS、电容CS构成buck斩波器，LED灯珠串作为斩波器负载，电阻RS作为LED灯珠串工作电流的采样传感器；

3)变频变斜率PDM恒流控制：LED灯珠串的工作电流流过电阻RS，电阻RS将流过的电流信号转换为电压信号，该电压信号被送往控制逻辑电路输入端4，控制逻辑电路根据获得的电压信号进行规划，产生相应的PDM控制信号，当处于正半周工作模式时，输出端1送出信号关断开关K2，输出端2送出PDM信号调节开关K1占空比，以此稳定LED灯珠串的工作电流，当处于负半周工作模式时，输出信号端2送出信号关断开关K1，输出端1送出PDM信号调节开关K2占空比，以此稳定LED灯珠串的工作电流。

5.根据权利要求4所述的一种双管单buck LED驱动电源装置的恒流控制方法，其特征在于：所述控制逻辑电路根据输入端3的输入信号确定装置处于正半周工作状态或负半周工作状态，根据输入端4的输入信号，确定PDM占空比大小，由此保证LED灯珠串工作电流稳定。