CN108449831A - 一种高功率因数长寿命led驱动电源及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率因数长寿命LED驱动电源及控制方法。包括整流电路、PFC电路、半桥恒流谐振电路、LED负载和控制电路等；电网电源经整流后与PFC电路相连；PFC电路输出与半桥恒流谐振电路连接；半桥恒流谐振电路输出接LED负载。控制电路通过采集整流电路输出功率与LED负载电压控制半桥恒流谐振电路工作。当整流电路输出功率大于LED负载电压采样值时半桥恒流谐振电路以较低工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电压采样值时半桥恒流谐振电路以较高工作频率f2工作。本发明能够有效地减少PFC电路输出端储能电容的容量，实现无电解电容化，具有体积小、寿命长和可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率因数长寿命LED驱动电源及控制方法。
背景技术
发光二极管LED（light emitting diode）是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的第4 代照明光源，它具有效率高、寿命长、体积小、色彩丰富、可动态控制等优点， 越来越被广泛应用于道路、商业和工业等领域。驱动电源是LED照明的核心部件，它是保证LED发光品质和整体性能的关键。
在LED驱动电源中，为了匹配瞬时输入输出功率的不平衡，一般需要一个容量较大的储能电容， 该电容一般选用电解电容。而相对于长寿命的LED灯，电解电容的使用寿命较短，是影响LED驱动电源整体寿命的主要元件。而其他种类电容的耐压值和容值一般较小，无法简单替换电解电容。目前，已有的无电解电容LED驱动电源方案中，向输入电流注入谐波的方法，虽然实现了无电解电容化，但是降低了电路的功率因数；用电感代替电容做存储元件，虽然可靠性高，但是体积增大，成本增加。因此研究如何利用其他类型电容替代LED驱动电源中的电解电容，对提高用电质量，延长LED灯具的使用寿命具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率因数长寿命LED驱动电源及控制方法，能够有效地减少PFC电路输出端储能电容的容量，实现无电解电容化，具有体积小、寿命长和可靠性高等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高功率因数长寿命LED驱动电源，包括整流电路、PFC电路、半桥恒流谐振电路、LED负载电路和控制电路，电网电源经整流电路与PFC电路的输入端连接；PFC电路的输出端与半桥恒流谐振电路的输入端连接；半桥恒流谐振电路的输出端连接LED负载电路；控制电路通过采集整流电路输出功率与LED负载电路电压控制半桥恒流谐振电路工作，当整流电路输出功率大于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f2工作，其中，f1＜f2。
在本发明一实施例中，所述控制电路包括基准电压源、误差放大器、比较器、乘法器、减法器、第一非门、第二非门、第一与门、第二与门、或门、驱动器、第一方波信号发生器、第二方波信号发生器、第一至第三电阻、电容，乘法器用于检测整流电路的输出功率，乘法器的输出端与比较器的同相输入端连接，比较器的反相输入端作为LED负载电路电压采样端，比较器的输出端与第二与门的第一输入端连接，比较器的输出端还经第一非门与第一与门的第一输入端连接，第一与门的第二输入端、第二与门的第二输入端分别与输出频率为f2的第一方波信号发生器输出端、输出频率为f1的第二方波信号发生器的输出端连接，第一与门的输出端、第二与门的输出端分别与或门的第一输入端、第二输入端连接，或门的输出端与驱动器的第一输入端连接，还经第二非门与驱动器的第二输入端连接，驱动器的第一输出端、第二输出端分别与半桥恒流谐振电路的第一开关管的控制端、第二开关管的控制端连接，误差放大器的反相输入端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端作为LED负载电路电流采样端，误差放大器的反相输入端还经第二电阻、电容与误差放大器的输出端连接，误差放大器的同相输入端经基准电压源连接至GND，误差放大器的输出端还与减法器的一输入端连接，减法器的另一输入端作为PFC电路的电压采样端，减法器的输出端经第一电阻与PFC电路的PFC控制芯片连接。。
在本发明一实施例中，所述半桥恒流谐振电路还包括第二至第六电容、第一至第二电感、变压器、第一至第二二极管，第一开关管的一端作为半桥恒流谐振电路的第一输入端，第一开关管的另一端、第二开关管的一端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端与第一电感的一端、第三电容的一端连接，第一电感的另一端与变压器原边的一端、第二开关管的另一端连接，第三电容的另一端经第二电感与变压器原边的另一端连接，变压器副边的一端经第四电容与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极连接，变压器副边的另一端分别经第五电容、第六电容与第二二极管的阳极、第一二极管的阴极连接，第二开关管的另一端作为半桥恒流谐振电路的第二输入端，第五电容的两端与LED负载电路的第一LED灯串并联连接、第六电容的两端与LED负载电路的第二LED灯串并联连接。
在本发明一实施例中，工作频率f1、f2求取方式如下：
设为谐振网路输入电压，R eq为LED负载电路折算到到变压器原边的等效电阻；假设变压器励磁电感Lm足够大，忽略其对负载电流的影响，则可以推导出谐振网络等效负载电流为：
根据上述计算出谐振网络输出电流对应不同负载下的频率特性曲线，由该曲线可得，在频率f1及频率f2附近，不同负载下半桥谐振电路输出电流近似相等，也即在这两个频率附近半桥谐振电路的输出电流不随负载的变化而变化，即能实现恒流输出。
本发明还提供了一种基于上述所述LED驱动电源的控制方法，根据控制电路采集的整流电路输出功率与LED负载电路电压控制半桥恒流谐振电路工作，当整流电路输出功率大于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f2工作，其中，f1＜f2。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明能够有效地减少PFC电路输出端储能电容的容量，实现无电解电容化，具有体积小、寿命长和可靠性高等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一种高功率因数长寿命LED驱动电源及控制原理图。
图2是半桥恒流谐振网络的交流等效电路图。
图3是不同负载电阻时输出电流与工作频率关系曲线。
图4是PFC输出电压和LED负载电流仿真波形。
图5是工作频率由f1变为f2时开关管驱动与LED负载电流波形。
图6是工作频率由f2变为f1时开关管驱动与LED负载电流波形。
具体实施方式
下面结合附图1-6，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明的一种高功率因数长寿命LED驱动电源，包括整流电路、PFC电路、半桥恒流谐振电路、LED负载电路和控制电路，电网电源经整流电路与PFC电路的输入端连接；PFC电路的输出端与半桥恒流谐振电路的输入端连接；半桥恒流谐振电路的输出端连接LED负载电路；控制电路通过采集整流电路输出功率与LED负载电路电压控制半桥恒流谐振电路工作，当整流电路输出功率大于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f2工作，其中，f1＜f2。
所述控制电路包括基准电压源、误差放大器、比较器、乘法器、减法器、第一非门、第二非门、第一与门、第二与门、或门、驱动器、第一方波信号发生器、第二方波信号发生器、第一至第三电阻、电容，乘法器用于检测整流电路的输出功率，乘法器的输出端与比较器的同相输入端连接，比较器的反相输入端作为LED负载电路电压采样端，比较器的输出端与第二与门的第一输入端连接，比较器的输出端还经第一非门与第一与门的第一输入端连接，第一与门的第二输入端、第二与门的第二输入端分别与输出频率为f2的第一方波信号发生器输出端、输出频率为f1的第二方波信号发生器的输出端连接，第一与门的输出端、第二与门的输出端分别与或门的第一输入端、第二输入端连接，或门的输出端与驱动器的第一输入端连接，还经第二非门与驱动器的第二输入端连接，驱动器的第一输出端、第二输出端分别与半桥恒流谐振电路的第一开关管的控制端、第二开关管的控制端连接，误差放大器的反相输入端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端作为LED负载电路电流采样端，误差放大器的反相输入端还经第二电阻、电容与误差放大器的输出端连接，误差放大器的同相输入端经基准电压源连接至GND，误差放大器的输出端还与减法器的一输入端连接，减法器的另一输入端作为PFC电路的电压采样端，减法器的输出端经第一电阻与PFC电路的PFC控制芯片连接。
所述半桥恒流谐振电路还包括第二至第六电容、第一至第二电感、变压器、第一至第二二极管，第一开关管的一端作为半桥恒流谐振电路的第一输入端，第一开关管的另一端、第二开关管的一端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端与第一电感的一端、第三电容的一端连接，第一电感的另一端与变压器原边的一端、第二开关管的另一端连接，第三电容的另一端经第二电感与变压器原边的另一端连接，变压器副边的一端经第四电容与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极连接，变压器副边的另一端分别经第五电容、第六电容与第二二极管的阳极、第一二极管的阴极连接，第二开关管的另一端作为半桥恒流谐振电路的第二输入端，第五电容的两端与LED负载电路的第一LED灯串并联连接、第六电容的两端与LED负载电路的第二LED灯串并联连接。
工作频率f1、f2求取方式如下：
设为谐振网路输入电压，R eq为LED负载电路折算到到变压器原边的等效电阻；假设变压器励磁电感Lm足够大，忽略其对负载电流的影响，则可以推导出谐振网络等效负载电流为：
根据上述计算出谐振网络输出电流对应不同负载下的频率特性曲线，由该曲线可得，在频率f1及频率f2附近，不同负载下半桥谐振电路输出电流近似相等，也即在这两个频率附近半桥谐振电路的输出电流不随负载的变化而变化，即能实现恒流输出。
本发明还提供了一种基于上述所述LED驱动电源的控制方法，根据控制电路采集的整流电路输出功率与LED负载电路电压控制半桥恒流谐振电路工作，当整流电路输出功率大于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f2工作，其中，f1＜f2。
以下为本发明的具体实现过程。
如图2所示，为谐振网路输入电压，R eq为LED负载折算到到变压器原边的等效电阻。假设变压器励磁电感Lm足够大，忽略其对负载电流的影响，则可以推导出谐振网络等效负载电流为：
（1）
由式（1）计算出的谐振网络输出电流对应不同负载下的频率特性曲线如图3所示。可以看出，在频率f1及频率f2附近，不同负载下半桥谐振电路输出电流近似相等，也即在这两个频率附近半桥谐振电路的输出电流不随负载的变化而变化，即能实现恒流输出。因此选择这两个频率作为半桥恒流谐振电路的工作频率，当半桥谐振电路工作于较小频率f1时输出恒流值为I1，对应输出功率为P1；当半桥谐振电路工作于较大频率f2时输出恒流值为I2，对应输出功率为P2，由于I1>>I2，在相同的LED负载电压下，P1>>P2。即当LED驱动电源输入功率大于LED负载平均功率时以较小的频率工作输出较大的功率，当LED驱动电源输入功率小于LED负载平均功率时以较大的频率工作输出较小的功率，解决了输入输出功率不平衡问题。
图1是本发明实施例一种高功率因数长寿命LED驱动电源及控制原理图。PFC电路采用Boost变换器，由PFC控制芯片L6562控制，PFC电路输出电压采样信号由分压比为Kv的两个电阻串联得到；半桥恒流谐振电路由开关管Q1、Q2，电感L1、L2，电容C1、C2和变压器T1组成，开关管Q1、Q2分别由占空比为0.5的互补驱动信号控制，半桥恒流谐振电路工作在恒流频率f1或f2附近，如图3虚线所示。LED负载由两路均流电路驱动，一路由D1、C10和LED1组成，另一路由D2、C20和LED2组成， C3为两路LED负载的均流电容。
图1控制电路中，Ki1、Ki2为整流输出电流和LED负载电流的采样系数，Kv、Kv1、Kv2分别为PFC输出电压、整流输出电压和LED负载电压的采样系数。乘法器U12用于检测整流电路的输出功率；比较器U2用于比较整流电路输出功率与LED负载电压大小，第一非门U3、第一与门U4、第一方波信号发生器U5、第二方波信号发生器U6、第二与门U7、或门U9、第二非门U10、驱动器U11用于产生频率分别为f1和f2的半桥谐振电路开关管Q1、Q2的互补驱动信号。LED负载电流经采样系数Ki2隔离放大后与基准信号Vref进行比较，误差放大器U1输出与PFC输出电压采样信号通过减法器U8加权相减后送入PFC控制芯片L6562的电压反馈端，由PFC控制芯片L6562产生PFC电路开关管的驱动信号，以控制PFC电路的输出电压，从而实现了对LED负载的恒流控制。
本发明采用PFC输出电压与LED负载电流加权反馈的闭环控制方法，使LED负载电流保持恒定，具有恒流精度高的优点。半桥谐振电路采用恒频控制，工作频率设在两个恒流谐振频率附近，控制简单、便于变压器、电感等的优化设计。
图4至图6为本发明高功率因数长寿命LED驱动电路仿真波形图。其中PFC电路输出储能电容采用4.7u的薄膜电容。从图4可以看出储能电容虽然减小了，但通过高低频率切换使得PFC电路输出电压纹波得到了有效控制，既可满足PFC电路输出电压始终高于输入电压以实现高功率因数，又可抑制输出电压峰值以减小储能电容和开关管的电压应力。LED负载电流在两个恒流值之间切换，其平均电流为LED额定工作电流。图5和图6为 工作频率变化时开关管驱动与LED负载电流波形，可以看出，当工作频率由f1变为f2时LED负载电流快速地由大变小，当工作频率由f2变为f1时LED负载电流快速地由小变大，可以实现有效切换。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高功率因数长寿命LED驱动电源，包括整流电路、PFC电路、半桥恒流谐振电路、LED负载电路和控制电路，其特征在于，电网电源经整流电路与PFC电路的输入端连接；PFC电路的输出端与半桥恒流谐振电路的输入端连接；半桥恒流谐振电路的输出端连接LED负载电路；控制电路通过采集整流电路输出功率与LED负载电路电压控制半桥恒流谐振电路工作，当整流电路输出功率大于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f2工作，其中，f1＜f2。
2.根据权利要求1所述的LED驱动电源，其特征在于，所述控制电路包括基准电压源、误差放大器、比较器、乘法器、减法器、第一非门、第二非门、第一与门、第二与门、或门、驱动器、第一方波信号发生器、第二方波信号发生器、第一至第三电阻、电容，乘法器用于检测整流电路的输出功率，乘法器的输出端与比较器的同相输入端连接，比较器的反相输入端作为LED负载电路电压采样端，比较器的输出端与第二与门的第一输入端连接，比较器的输出端还经第一非门与第一与门的第一输入端连接，第一与门的第二输入端、第二与门的第二输入端分别与输出频率为f2的第一方波信号发生器输出端、输出频率为f1的第二方波信号发生器的输出端连接，第一与门的输出端、第二与门的输出端分别与或门的第一输入端、第二输入端连接，或门的输出端与驱动器的第一输入端连接，还经第二非门与驱动器的第二输入端连接，驱动器的第一输出端、第二输出端分别与半桥恒流谐振电路的第一开关管的控制端、第二开关管的控制端连接，误差放大器的反相输入端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端作为LED负载电路电流采样端，误差放大器的反相输入端还经第二电阻、电容与误差放大器的输出端连接，误差放大器的同相输入端经基准电压源连接至GND，误差放大器的输出端还与减法器的一输入端连接，减法器的另一输入端作为PFC电路的电压采样端，减法器的输出端经第一电阻与PFC电路的PFC控制芯片连接。
3.根据权利要求2所述的LED驱动电源，其特征在于，所述半桥恒流谐振电路还包括第二至第六电容、第一至第二电感、变压器、第一至第二二极管，第一开关管的一端作为半桥恒流谐振电路的第一输入端，第一开关管的另一端、第二开关管的一端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端与第一电感的一端、第三电容的一端连接，第一电感的另一端与变压器原边的一端、第二开关管的另一端连接，第三电容的另一端经第二电感与变压器原边的另一端连接，变压器副边的一端经第四电容与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极连接，变压器副边的另一端分别经第五电容、第六电容与第二二极管的阳极、第一二极管的阴极连接，第二开关管的另一端作为半桥恒流谐振电路的第二输入端，第五电容的两端与LED负载电路的第一LED灯串并联连接、第六电容的两端与LED负载电路的第二LED灯串并联连接。
4.根据权利要求1所述的LED驱动电源，其特征在于，工作频率f1、f2求取方式如下：
设为谐振网路输入电压，R eq为LED负载电路折算到到变压器原边的等效电阻；假设变压器励磁电感Lm足够大，忽略其对负载电流的影响，则可以推导出谐振网络等效负载电流为：
根据上述计算出谐振网络输出电流对应不同负载下的频率特性曲线，由该曲线可得，在频率f1及频率f2附近，不同负载下半桥谐振电路输出电流近似相等，也即在这两个频率附近半桥谐振电路的输出电流不随负载的变化而变化，即能实现恒流输出。
5.一种基于权利要求1-4任一所述LED驱动电源的控制方法，其特征在于，根据控制电路采集的整流电路输出功率与LED负载电路电压控制半桥恒流谐振电路工作，当整流电路输出功率大于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f1工作；当整流电路输出功率小于LED负载电路功率值时半桥恒流谐振电路以工作频率f2工作，其中，f1＜f2。
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| CN108449831B (zh) | 2019-07-09 |
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