CN108601146B - 一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路 - Google Patents

一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，包括：输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、带辅助绕组的Flyback PFC电路以及辅助去纹波Sepic电路。本发明提出的一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，通过构造单级AC‑DC变换器Flyback与辅助变换器Sepic电路组合的LED驱动电路，实现高效、高功率因数、低输出纹波和恒定的电流输出等功能。

Description

一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动 电路
技术领域
本发明涉及LED照明驱动电源设计领域，特别是一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路。
背景技术
传统LED是第四代照明光源，具有节能、环保、体积小和寿命长的优点。LED具有单向导电性和非线性的特点，适合采用恒流驱动。设计LED驱动电源，首先需要选择合适的电路结构。针对不同的应用场合和要求，一般可分为单级PFC方案和两级结构方案，两者根据应用功率场合和具体应用要求各有优劣。两级PFC方案具有总谐波失真度(THD)小，功率因数(PF)较高的优点，但是两级变换PFC采用了较多的元器件与控制芯片，增加了电源成本，降低了驱动器效率。相比之下，单级PFC方案有体积小，转换效率高，成本较低，可靠性高的优点。
反激变换器具有变压隔离功能、功率因数高、宽输入电压范围内稳定输出、元器件数目少等优点，适合用作单级隔离型PFC变换器。但单级PFC反激变换器，存在较大的输出低频纹波，输出低频纹波会影响LED灯的光效，导致LED灯频闪，进而减小LED的使用寿命。而现有一些去纹波方法，有的方案通过牺牲PF值而降低输出低频纹波，并且增加了变换器的设计复杂程度；有的方案则牺牲了效率，造成额外的损耗。由于Sepic电路具有调压范围广、可升压可降压、去纹波能力强的特点，采用辅助Sepic电路去纹波，在良好降低输出低频纹波的同时，还具有不降低电路PF值、基本不产生额外损耗、控制简单等优点；相比于现有的辅助Buck电路去纹波，辅助Sepic电路具有开关管驱动方便，可升压可降压的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，包括：输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、带辅助绕组的Flyback PFC电路以及辅助去纹波Sepic电路；所述带辅助绕组的Flyback PFC电路包括：高频变压器T1、第一功率MOS开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2以及第一电解电容Co1；所述辅助去纹波Sepic电路包括：第二功率MOS开关管S2、第三功率二极管D3、第一高频电容C1、第二高频电容C2、第二电解电容Co2、第一高频电感L1以及第二高频电感L2；所述高频变压器T1包括原边励磁绕组N1、第一副边绕组N2和第二副边绕组N3；所述整流桥BD1的正向输出端与连接高频变压器T1原边励磁绕组N1的同名端相连；所述高频变压器T1原边励磁绕组N1的非同名端与所述第一功率MOS开关管S1的漏极相连；所述第一功率MOS开关管S1的源极与所述整流桥BD1的负向输出端相连，并接地；所述高频变器T1的第一副边绕组N2的非同名端与所述第一功率二极管D1的阳极相连；所述第一功率二极管D1的阴极分别与所述第一电解电容Co1的正端以及LED灯负载的正端相连；所述高频变压器T1的第一副边绕组N2的同名端分别与所述第一电解电容Co1的负端、所述第二功率二极管D2的阴极、所述第二电解电容Co2的正端以及所述第三功率二极管D3的阴极相连；所述高频变压器T1的第二副边绕组N3的同名端与所述第二功率二极管D2的阳极相连；所述高频变压器T1的第二副边绕组N3的非同名端分别与所述第二电解电容CO2的负端、所述第二高频电感L2的b1端、所述第二功率MOS开关管S2的源极、所述第一高频电容C1的b4端相连；所述第三功率二极管D3的阳极分别与所述第二高频电感L2的a1端、所述第二高频电容C2的a2端相连；所述第二高频电容C2的b2端分别与所述第二功率MOS开关管S2的漏极、所述第一高频电感L1的a3端相连；所述第一高频电感L1的b3端分别与所述LED负载的负端以及所述第一高频电容C1的a4端相连。
在本发明一实施例中，所述第一功率MOS开关管S1采用PWM或PFM控制，用于实现电路的PFC和输出电压恒压ULED；所述第二功率MOS开关管S2采用PWM或者PFM控制，用于实现低输出纹波和输出电流恒流ILED；所述第二功率MOS开关管S2的工作频率大于所述第一功率MOS开关管S1的工作频率。
在本发明一实施例中，当所述第一功率MOS开关管S1关断时，所述高频变压器T1的第一副边绕组N2传递能量；当所述第一功率MOS开关管S1开通时，所述高频变压器T1的第二副边绕组N3向辅助去纹波Sepic电路提供能量，减小输出纹波。
在本发明一实施例中，所述带辅助绕组的Flyback PFC电路工作于BCM模式或者DCM模式下；所述辅助去纹波Sepic电路工作于CCM模式下。
在本发明一实施例中，当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2均处于导通状态时，此时输入电压通过所述第一功率MOS开关管S1给所述高频变压器T1中所述原边励磁绕组N1充电；所述第二副边绕组N3向所述第二电解电容Co2充电，并给LED负载供电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供；所述辅助去纹波Sepic电路中所述第一高频电容C1向所述第一高频电感L1充电，所述第二高频电容C2向所述第二高频电感L2充电；
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1导通、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2关断时，此时所述输入电压通过所述第一功率MOS开关管S1给所述高频变压器T1中所述原边励磁绕组N1充电；所述第二副边绕组N3向所述第二电解电容Co2充电，并给LED负载供电；所述辅助去纹波Sepic电路中的所述第一高频电感L1和所述第二高频电感L2共同向所述第二电解电容Co2充电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供；
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1关断、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2关断时，此时所述高频变压器T1原副边断开，所述第一副边绕组N2向所述第一电解电容Co1充电，同时给LED负载供电；所述辅助去纹波Sepic电路的所述第一高频电感L1和所述第二高频电感L2共同向所述第二电解电容Co2充电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供；
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1关断、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2导通，此时所述高频变压器T1原副边断开，所述第一副边绕组N2仍向所述第一电解电容Co1充电，同时给LED负载供电；所述辅助去纹波Sepic电路的所述第一高频电容C1向所述第一高频电感L1充电，所述第二高频电容C2向所述第二高频电感L2充电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供。
在本发明一实施例中，所述带辅助绕组的Flyback PFC电路的输出电压u o1 与所述辅助去纹波Sepic电路的输出电压u o2 同向串联，共同为LED负载供电；所述带辅助绕组的Flyback PFC电路的输出电压u o1 与所述辅助去纹波Sepic电路的输出电压u o2 同向串联电压纹波与所述辅助去纹波Sepic电路的第一高频电容C1的输入电压的低频纹波相互抵消，以使LED负载无两倍工频电流纹波。
在本发明一实施例中，所述高频变压器T1是单端激磁高频变压器，副边为双绕组输出；所述原边励磁绕组N1的同名端与所述第一副边绕组N2的同名端反向，与所述第二副边绕组N3的同名端同向。
在本发明一实施例中，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3均采用快恢复功率二极管；所述二极管整流桥BD1的二极管均采用工频功率二极管。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、单级高功率因数和低输出纹波LED驱动电路采用辅助Sepic变换电路去纹波的方案，具有调压范围广、可升压可降压、去纹波能力强的优点，可以良好地消除LED负载上的两倍工频电流纹波。
2、单级高功率因数和低输出纹波LED驱动电路相对于部分去纹波电路而言，效率更高，器件数目较少，降低了系统成本，并且可以适用于可调光LED驱动，辅助Sepic变换器在宽的电压范围内，始终只承担小部分功率，保证了较高的转换效率。
附图说明
图1为本发明中单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路的电路结构原理框图。
图2为本发明实施例中当第一功率MOS开关管S1导通、第二功率MOS开关管S2导通时的工作模态示意图。
图3为本发明实施例中当第一功率MOS开关管S1导通、第二功率MOS开关管S2关断时的工作模态示意图。
图4为本发明实施例中当第一功率MOS开关管S1关断、第二功率MOS开关管S2关断时的工作模态示意图。
图5为本发明实施例中当第一功率MOS开关管S1关断、第二功率MOS开关管S2导通时的工作模态示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，如图1所示，包括：输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、带辅助绕组的Flyback PFC电路以及辅助去纹波Sepic电路；带辅助绕组的Flyback PFC电路包括：高频变压器T1、第一功率MOS开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2以及第一电解电容Co1；辅助去纹波Sepic电路包括：第二功率MOS开关管S2、第三功率二极管D3、第一高频电容C1、第二高频电容C2、第二电解电容Co2、第一高频电感L1以及第二高频电感L2；高频变压器T1包括原边励磁绕组N1、第一副边绕组N2和第二副边绕组N3；整流桥BD1的正向输出端与连接高频变压器T1原边励磁绕组N1的同名端相连；高频变压器T1原边励磁绕组N1的非同名端与第一功率MOS开关管S1的漏极相连；第一功率MOS开关管S1的源极与整流桥BD1的负向输出端相连，并接地；高频变器T1的第一副边绕组N2的非同名端与第一功率二极管D1的阳极相连；第一功率二极管D1的阴极分别与第一电解电容Co1的正端以及LED灯负载的正端相连；高频变压器T1的第一副边绕组N2的同名端分别与第一电解电容Co1的负端、第二功率二极管D2的阴极、第二电解电容Co2的正端以及第三功率二极管D3的阴极相连；高频变压器T1的第二副边绕组N3的同名端与第二功率二极管D2的阳极相连；高频变压器T1的第二副边绕组N3的非同名端分别与第二电解电容CO2的负端、第二高频电感L2的b1端、第二功率MOS开关管S2的源极、第一高频电容C1的b4端相连；第三功率二极管D3的阳极分别与第二高频电感L2的a1端、第二高频电容C2的a2端相连；第二高频电容C2的b2端分别与第二功率MOS开关管S2的漏极、第一高频电感L1的a3端相连；第一高频电感L1的b3端分别与LED负载的负端以及第一高频电容C1的a4端相连。
在本实施例中，第一功率MOS开关管S1采用PWM或PFM控制，用于实现电路的PFC和输出电压恒压ULED；第二功率MOS开关管S2采用PWM或者PFM控制，用于实现低输出纹波和输出电流恒流ILED；第二功率MOS开关管S2的工作频率大于第一功率MOS开关管S1的工作频率。
在本实施例中，当第一功率MOS开关管S1关断时，高频变压器T1的第一副边绕组N2传递能量；当第一功率MOS开关管S1开通时，高频变压器T1的第二副边绕组N3向辅助去纹波Sepic电路提供能量，减小输出纹波。
在本实施例中，带辅助绕组的Flyback PFC电路工作于BCM模式或者DCM模式下；辅助去纹波Sepic电路工作于CCM模式下。
在本实施例中，带辅助绕组的Flyback PFC电路的输出电压u o1 与辅助去纹波Sepic电路的输出电压u o2 同向串联，共同为LED负载供电；带辅助绕组的Flyback PFC电路的输出电压u o1 与辅助去纹波Sepic电路的输出电压u o2 同向串联电压纹波与辅助去纹波Sepic电路的第一高频电容C1的输入电压的低频纹波相互抵消，以达到LED负载无两倍工频电流纹波的效果。
在本实施例中，高频变压器T1是单端激磁高频变压器，副边为双绕组输出；原边励磁绕组N1的同名端与第一副边绕组N2的同名端反向，与第二副边绕组N3的同名端同向。
在本实施例中，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3均采用快恢复功率二极管；二极管整流桥BD1的二极管均采用工频功率二极管。
本实施例通过采用工作在BCM模式或者DCM模式的单级AC-DC变换器主电路Flyback和工作在CCM模式的辅助去波纹Sepic变换器的单级复合式LED驱动电路实现功率因数校正和输出低纹波。下面结合具体实例进一步说明第一功率MOS开关管S1和第二功率MOS开关管S2相互独立工作时的电路工作模态。
如图2所示，当带辅助绕组的Flyback PFC电路中第一功率MOS开关管S1、辅助去纹波Sepic电路中第二功率MOS开关管S2均处于导通状态时，此时输入电压通过第一功率MOS开关管S1给高频变压器T1原边励磁绕组N1充电；第二副边绕组N3向第二电解电容Co2充电，并给LED负载供电；LED负载所需能量同时由与第二电解电容Co2串接的第一电解电容Co1提供。辅助去纹波Sepic电路第一高频电容C1向第一高频电感L1充电，第二高频电容C2向第二高频电感L2充电。
如图3所示，当带辅助绕组的Flyback PFC电路中第一功率MOS开关管S1导通、辅助去纹波Sepic电路中第二功率MOS开关管S2关断时，此时输入电压仍旧通过第一功率MOS开关管S1给高频变压器T1原边励磁绕组N1充电；第二副边绕组N3向第二电解电容Co2充电，并给LED负载供电；辅助去纹波Sepic电路中的第一高频电感L1和第二高频电感L2共同向第二电解电容Co2充电。LED负载所需能量同时由与第二电解电容Co2串接的第一电解电容Co1提供。
如图4所示，当带辅助绕组的Flyback PFC电路中第一功率MOS开关管S1关断、辅助去纹波Sepic电路中第二功率MOS开关管S2关断时，此时高频变压器T1原副边断开，第一副边绕组N2向第一电解电容Co1充电，同时给LED负载供电。辅助去纹波Sepic电路的第一高频电感L1和第二高频电感L2共同向第二电解电容Co2充电。LED负载所需能量同时由与第二电解电容Co2串接的第一电解电容Co1提供。
如图5所示，当带辅助绕组的Flyback PFC电路中第一功率MOS开关管S1关断、辅助去纹波Sepic电路中第二功率MOS开关管S2导通，此时高频变压器T1原副边断开，第一副边绕组N2仍向第一电解电容Co1充电，同时给LED负载供电。辅助去纹波Sepic电路的第一高频电容C1向第一高频电感L1充电，第二高频电容C2向第二高频电感L2充电。LED负载所需能量同时由与第二电解电容Co2串接的第一电解电容Co1提供。
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)

1.一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，其特征在于，包括：输入交流电源AC、二极管整流桥BD1、带辅助绕组的Flyback PFC电路以及辅助去纹波Sepic电路；所述带辅助绕组的Flyback PFC电路包括：高频变压器T1、第一功率MOS开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2以及第一电解电容Co1；所述辅助去纹波Sepic电路包括：第二功率MOS开关管S2、第三功率二极管D3、第一高频电容C1、第二高频电容C2、第二电解电容Co2、第一高频电感L1以及第二高频电感L2；所述高频变压器T1包括原边励磁绕组N1、第一副边绕组N2和第二副边绕组N3；所述整流桥BD1的正向输出端与连接高频变压器T1原边励磁绕组N1的同名端相连；所述高频变压器T1原边励磁绕组N1的非同名端与所述第一功率MOS开关管S1的漏极相连；所述第一功率MOS开关管S1的源极与所述整流桥BD1的负向输出端相连，并接地；所述高频变器T1的第一副边绕组N2的非同名端与所述第一功率二极管D1的阳极相连；所述第一功率二极管D1的阴极分别与所述第一电解电容Co1的正端以及LED灯负载的正端相连；所述高频变压器T1的第一副边绕组N2的同名端分别与所述第一电解电容Co1的负端、所述第二功率二极管D2的阴极、所述第二电解电容Co2的正端以及所述第三功率二极管D3的阴极相连；所述高频变压器T1的第二副边绕组N3的同名端与所述第二功率二极管D2的阳极相连；所述高频变压器T1的第二副边绕组N3的非同名端分别与所述第二电解电容CO2的负端、所述第二高频电感L2的b1端、所述第二功率MOS开关管S2的源极、所述第一高频电容C1的b4端相连；所述第三功率二极管D3的阳极分别与所述第二高频电感L2的a1端、所述第二高频电容C2的a2端相连；所述第二高频电容C2的b2端分别与所述第二功率MOS开关管S2的漏极、所述第一高频电感L1的a3端相连；所述第一高频电感L1的b3端分别与所述LED负载的负端以及所述第一高频电容C1的a4端相连；所述第一功率MOS开关管S1采用PWM或PFM控制，用于实现电路的PFC和输出电压恒压ULED；所述第二功率MOS开关管S2采用PWM或者PFM控制，用于实现低输出纹波和输出电流恒流ILED；所述第二功率MOS开关管S2的工作频率大于所述第一功率MOS开关管S1的工作频率；
所述带辅助绕组的Flyback PFC电路工作于BCM模式或者DCM模式下；所述辅助去纹波Sepic电路工作于CCM模式下；
所述带辅助绕组的Flyback PFC电路的输出电压u o1 与所述辅助去纹波Sepic电路的输出电压u o2 同向串联，共同为LED负载供电；所述带辅助绕组的Flyback PFC电路的输出电压u o1 与所述辅助去纹波Sepic电路的输出电压u o2 同向串联电压纹波与所述辅助去纹波Sepic电路的第一高频电容C1的输入电压的低频纹波相互抵消，以使LED负载无两倍工频电流纹波。
2.根据权利要求1所述的一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，其特征在于，当所述第一功率MOS开关管S1关断时，所述高频变压器T1的第一副边绕组N2传递能量；当所述第一功率MOS开关管S1开通时，所述高频变压器T1的第二副边绕组N3向辅助去纹波Sepic电路提供能量，减小输出纹波。
3.根据权利要求1所述的一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，其特征在于：
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2均处于导通状态时，此时输入电压通过所述第一功率MOS开关管S1给所述高频变压器T1中所述原边励磁绕组N1充电；所述第二副边绕组N3向所述第二电解电容Co2充电，并给LED负载供电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供；所述辅助去纹波Sepic电路中所述第一高频电容C1向所述第一高频电感L1充电，所述第二高频电容C2向所述第二高频电感L2充电；
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1导通、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2关断时，此时所述输入电压通过所述第一功率MOS开关管S1给所述高频变压器T1中所述原边励磁绕组N1充电；所述第二副边绕组N3向所述第二电解电容Co2充电，并给LED负载供电；所述辅助去纹波Sepic电路中的所述第一高频电感L1和所述第二高频电感L2共同向所述第二电解电容Co2充电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供；
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1关断、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2关断时，此时所述高频变压器T1原副边断开，所述第一副边绕组N2向所述第一电解电容Co1充电，同时给LED负载供电；所述辅助去纹波Sepic电路的所述第一高频电感L1和所述第二高频电感L2共同向所述第二电解电容Co2充电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供；
当所述带辅助绕组的Flyback PFC电路中所述第一功率MOS开关管S1关断、所述辅助去纹波Sepic电路中所述第二功率MOS开关管S2导通，此时所述高频变压器T1原副边断开，所述第一副边绕组N2仍向所述第一电解电容Co1充电，同时给LED负载供电；所述辅助去纹波Sepic电路的所述第一高频电容C1向所述第一高频电感L1充电，所述第二高频电容C2向所述第二高频电感L2充电；LED负载所需能量同时由与所述第二电解电容Co2串接的所述第一电解电容Co1提供。
4.根据权利要求1所述的一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，其特征在于，所述高频变压器T1是单端激磁高频变压器，副边为双绕组输出；所述原边励磁绕组N1的同名端与所述第一副边绕组N2的同名端反向，与所述第二副边绕组N3的同名端同向。
5.根据权利要求1所述的一种单级高功率因数和低输出纹波Flyback/Sepic LED驱动电路，其特征在于，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3均采用快恢复功率二极管；所述二极管整流桥BD1的二极管均采用工频功率二极管。
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