CN108770117A - 一种兼容电子变压器的整合式led驱动电源 - Google Patents

一种兼容电子变压器的整合式led驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，包括电子变压器和整流桥，电子变压器的输出端连接整流桥的输入端，整流桥的输出端并联有输入滤波电容C1，还包括前级PFC变换器和后级DC‑DC变换器；前级PFC变换器的输入端连接到整流桥的输出端，且前级PFC变换器与后级DC‑DC变换器通过单个开关管S1整合起来，其间的解耦电容Cd将瞬态输入功率的直流分量与交流分量进行解耦，交流分量存储于解耦电容Cd中，直流分量通过后级DC‑DC变换器输出稳定且不含二倍工频纹波的直流输出电压。本发明解决容性负载问题，消除前级输出的直流电压纹波，解决了单级PFC方案输出含二倍工频纹波的问题；且具有电路体积小、成本低的特点，更加符合MR16照明系统的要求。

Description

一种兼容电子变压器的整合式LED驱动电源
技术领域
本发明涉及LED驱动电源技术领域，具体为一种兼容电子变压器的整合式LED驱动电源。
背景技术
LED的出现被认为是照明发展历史120年以来的第二革命，是人类绿色技术的重大突破，由于其具有的节能环保、寿命长和效率高等优点，必然将取代传统的照明灯具，成为未来照明灯具的发展趋势。
传统的MR16卤素灯照明系统主要包含电子变压器与卤素灯，由高频降压电子变压器将电网交流电压转换为12Vac高频交流输出供给卤素灯使用。在光通量相同的条件下，若使用带有驱动电源的LED替代MR16照明系统中的卤素灯，功率为20～60W的卤素灯只需用3～7W的LED代替，极大的降低了MR16照明系统的功耗。然而，额定功率为20～60W的电子变压器通常需要接入5～10W的电阻性负载才能保证电子变压器正常工作。与呈现阻特的卤素灯相比，LED由于功率较小且传统LED驱动电源并非呈现为纯阻性，当直接使用带有驱动电源的LED替换卤素灯时，可能无法达到电子变压器正常工作时所需要的最小负载电流，电子变压器可能会出现不能正常工作、随机关闭等问题，从而导致LED闪烁。
到目前为止，已经有几种LED驱动电源兼容电子变压器的方法，传统方法是利用带有大输入电容的单级LED驱动器来兼容电子变压器，其拓扑如图1所示。市电经电子变压器降压后得到12Vac的高频交流电，12Vac交流电在整流之后经过220～470μF的大电容，再经过一级DC-DC变换以消除输出中的二倍工频纹波分量，实现较低的LED电流纹波。但因为大电容的使用，整个LED驱动电源呈现为电容性。当电容充电时，较大的充电电流可以满足电子变压器的最小负载电流要求，电子变压器在电容充电时正常工作；但当电容充电结束后，整流桥对电容停止充电，输入电流变小，不能满足电子变压器的最小负载电流要求，表现为LED闪烁，不能正常工作。并且，若电容充电时的电流尖峰过大，则可能会触发电子变压器的过电流保护，使电子变压器停止工作，LED闪烁。除此之外，在实际应用中，为了充分利用电子变压器，常需要将多个LED驱动电源并联使用，这将进一步增加电子变压器的容性负载，从而更不利于LED驱动电源与电子变压器的兼容。
传统兼容电子变压器的方法存在的主要问题：LED驱动电源呈现的非阻性导致电子变压器不能连续稳定的工作；由于不同型号电子变压器正常工作的最小负载电流和过电流等参数存在差异，同一LED驱动电源难以兼容不同规格的电子变压器。
为解决传统兼容方法的缺陷，两种基于高功率因数LED驱动电源的兼容方法被提了出来：单级PFC方案和两级PFC方案。单级PFC方案如图2所示，由于存在功率因数校正，整个LED驱动电源呈现出电阻性，解决了传统兼容方法的容性负载问题。但由于其输出电流含有较大的二倍工频纹波分量，当其驱动LED时，将导致LED频闪。两级PFC方案如图3所示，该方案包括前级PFC变换器和后级DC-DC变换器。利用驱动器的两级结构，既解决LED驱动电路与电子变压器的兼容问题，同时消去了输出的二倍工频纹波分量，实现了LED的无频闪。但由于此方案需要两个控制回路，两个开关管，导致驱动电源体积较大，很难满足小尺寸MR16系统的要求，同时由于电路较复杂，成本较高，也不适合用于小功率LED。
图4为一种使用两级boost-buck变换器兼容电子变压器的LED驱动方案。该拓扑的第一级为采用峰值电流控制的boost升压变换器，用以解决LED驱动电路与电子变压器的兼容问题；第二级是buck降压变换器，以保证恒定输出电流驱动LED。
在一个电源工频周期内，直流电压(C1上的电压)在4～5V之间变化，通过电压采样所得的峰值电流的基准值Iref0就如图5(a)所示变化，通过峰值电流控制，在每个开关周期内，当峰值电流Ipeak达到基准值Iref0之前，开关导通，Ipeak上升；当峰值电流Ipeak达到基准值Iref0时，比较器输出关断信号使开关管截止，Ipeak下降；随后由定频时钟CLK再次触发开关导通，重复上述过程，周期性变化。当开关管导通时，Ipeak＝|iin|，峰值电流Ipeak与输入电流|iin|变化相同。电子变压器启动时，由于峰值电流Ipeak的基准值Iref0较大，峰值电流Ipeak也较大，输入电流|iin|较大，会触发电子变压器的过电流保护；而较小的Iref0会导致峰值电流Ipeak较小，输入电流|iin|较小，无法达到电子变压器的最小负载电流，使电子变压器停止工作。该方案解决兼容性问题的关键点在于图4(b)所示的boost变换器的控制环路中的低通滤波器，低通滤波器的截止频率通常设为电源频率的十分之一，一般为3～5Hz。该方案通过在控制环中添加低通滤波器，将电流控制环路的基准值Iref0变为一个基本不变的平均电流Iref，如图5(b)所示，通过反馈控制环路，使峰值电流Ipeak即输入电流|iin|，在一个电源工频周期内几乎不变，其值始终大于最小负载电流，且不大于过电流保护触发电流。
由于第一级输出的直流脉动电压导致电流纹波较大，不能直接用于驱动LED，故需要第二级DC/DC变换器消除LED电流纹波，为LED提供稳定的驱动电流。
该方案由于Buck变换器独立于前级Boost变换器，需采用额外的控制回路对输出进行恒流控制，以保证LED驱动电流的稳定。由于此方案需要两个控制回路，两个开关器件，使驱动器体积较大，很难满足小尺寸MR16系统的要求，另由于电路较复杂，成本较高，也不适用于小功率LED。
传统的LED驱动电源兼容电子变压器方法是利用带有大输入电容的单级LED驱动器。但由于整个LED驱动电源的输入对于电子变压器呈现出容性，当电容充电时，较大的充电电流可以满足电子变压器的最小负载电流要求，电子变压器在电容充电时正常工作；但当电容充电结束后，整流桥对电容停止充电，输入电流变小，不能满足电子变压器的最小负载电流要求，表现为LED闪烁，不能正常工作。并且，若电容充电时的电流尖峰过大，则可能会触发电子变压器的过电流保护，使电子变压器停止工作，LED闪烁。除此之外，在实际应用中，为了充分利用电子变压器，常需要将多个LED驱动电源并联使用，这将进一步增加电子变压器的容性负载，从而破坏LED驱动电源与电子变压器的兼容性。由于不同型号电子变压器工作在连续状态的最小负载电流和过电流等参数存在差异，同一LED驱动器难以兼容不同规格的电子变压器。
为解决LED驱动器与电子变压器的兼容性问题，目前市场上主要的解决方案是以单级PFC变换器和两级PFC变换器作为兼容电子变压器的LED驱动器。其中单级PFC方案输出电流含有二倍工频纹波分量，当其驱动LED时，会导致LED频闪；而两级PFC方案由于需要两个控制回路，两个开关器件，导致驱动电源体积较大，很难满足小尺寸MR16系统的要求，又由于电路较复杂，成本较高，也不适合用于小功率LED。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，可解决传统兼容方法的容性负载问题，及单级PFC方案输出含二倍工频纹波的问题，且电路体积小，成本低，更加符合MR16照明系统的要求。技术方案如下：
一种兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，包括电子变压器和整流桥，电子变压器的输出端连接整流桥的输入端，整流桥的输出端并联有输入滤波电容C1，还包括整合式开关变换电路，整合式开关变换电路包括前级PFC变换器和后级DC-DC变换器；前级PFC变换器的输入端连接到整流桥的输出端，且前级PFC变换器与后级DC-DC变换器通过单个开关管S1整合起来，其间的解耦电容Cd取值为200μF～470μF，其将瞬态输入功率的直流分量与交流分量进行解耦，交流分量存储于解耦电容Cd中，直流分量通过后级DC-DC变换器输出稳定且不含二倍工频纹波的直流输出电压。
进一步的，所述整合式开关变换电路为buck+buck拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与电源正极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到电源负极；二极管D4的负极连接到电感L1和L2之间，正极同时连接到电源负极和开关管S1的D极，开关管S1的S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为buck+boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与开关管S1的D极之间；解耦电容Cd一侧同时连接到二极管D1和D2之间及电源负极，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到开关管S1的D极；二极管D4的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到电源正极；开关管S1的S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为buck+buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与电源负极之间；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到电源负极；二极管D4的正极连接到电源正极，负极连接到电感L1和L2之间；开关管S1的D极连接到电源负极，S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为boost+buck拓扑结构，包括二极管D1及电感L1和L2；电感L1、解耦电容Cd和电感L2顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间；开关管S1的D极连接到电感L1和解耦电容Cd之间，S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；二极管D1的正极连接到解耦电容Cd和电感L2之间，负极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为boost+boost拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；电感L1、二极管D1、电感L2和二极管D3串联于整流桥的上输出端与电源正极之间，且二极管D1正极与电感L1连接，二极管D3正极与电感L2连接；二极管D2的正极连接到电感L1和二极管D1之间，负极连接到电感L2和二极管D3之间；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和电感L2之间，另一侧同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；开关管S1的D极连接到电感L2和二极管D3之间，S极同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为boost+buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；电感L1、二极管D2、二极管D3顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间，且二极管D2正极与电感L1连接，二极管D3正极与二极管D2负极连接；二极管D1正极连接到电感L1和二极管D2之间，负极连接到电源负极；电感L2一端连接到二极管D2和二极管D3之间，另一端连接到电源负极；解耦电容Cd一侧连接电源负极，另一侧同时连接到整流桥的下输出端和开关管S1的S极，开关管S1的D连接到二极管D2和二极管D3之间；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为buck-boost+buck拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；二极管D1、D2和电感L2顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间；且二极管D2正极与电感L2连接，二极管D1正极与二极管D2负极连接；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1、D2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；二极管D3负极链接到二极管D2和电感L2之间，负极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为buck-boost+boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1、电感L2和二极管D4顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间，且二极管D1的正极连接电感L2，二极管D4的正极连接电源负极；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；二极管D2的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到电感L2和二极管D4之间；二极管D3的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到整流桥的下输出端；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和电感L2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
更进一步的，所述整合式开关变换电路为buck-boost+buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；二极管D1、D2和D3顺次串联于整流桥的上输出端与电源正极之间，且二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D3正极连接二极管D2的正极；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；电感L2一端连接到；二极管D2和D3之间，一端连接到电源负极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
本发明的有益效果是：本发明利用功率因数校正功能实现LED驱动电源在工频周期内呈现为电容性，以满足电子变压器对容性负载的要求；同时，在LED驱动电源并联适当滤波电容，实现LED驱动电源在一个开关周期内呈现为电容性，以满足电子变压器对最小负载电流的要求。
本发明所提出的兼容方法是利用单开关整合式变换器，作为LED驱动电源，只需要一个开关管和一套控制系统，减小了电路的体积和成本，更加适合MR16照明系统。与传统单级和双级PFC兼容方法相比，本发明所提方法既能实现低纹波输出，解决了传统单级PFC兼容方案造成LED频闪的问题，也能减小电路的体积和控制，解决了传统两级PFC兼容方案电路复杂、体积大等问题。
附图说明
图1为MR16LED传统单级电路拓扑。
图2为MR16LED单级PFC电路拓扑。
图3为MR16LED两级PFC电路拓扑。
图4：(a)为使用两级boost-buck变换器兼容电子变压器的LED驱动方案的电路拓扑；(b)为使用两级boost-buck变换器兼容电子变压器的LED驱动方案的boost变换器的控制环路。
图5为输入电流及基准电流的波形：图5a显示未加低通滤波器的峰值电流基准值；图5a显示加入低通滤波器后的峰值电流基准值。
图6为整合式高功率LED驱动电源兼容电子变压器结构图。
图7为整合式高功率因数变换器结构图。
图8为9种整合式高功率因数LED驱动电源：(a)buck+buck；(b)buck+boost；(c)buck+buck-boost；(d)boost+buck；(e)boost+boost(二次型boost)；(f)boost+buck-boost；(g)buck-boost+buck；(h)buck-boost+boost；(i)buck-boost+buck-boost。
图9为二次型boost LED驱动电源及控制回路。
图10为二次型boost LED驱动电源的输入电流、电压与输出电流的波形。
图11LED驱动电源兼容PHILIPS ET-E60的主要波形：(a)传统单级LED驱动电源；(b)二次型boost LED驱动电源。
图12LED驱动电源兼容OPPLE DB60的主要波形：(a)传统单级LED驱动电源；(b)二次型boost LED驱动电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提出一种利用整合式高功率因数LED驱动电源拓扑兼容电子变压器的新方法。通过功率因数校正，整个LED驱动电源在工频周期内呈现出电阻性，解决了传统兼容方法的容性负载问题；通过电压快环控制，消除前级输出的直流电压纹波，得到恒定的低纹波输出电流，驱动LED正常工作，解决了单级PFC方案输出含二倍工频纹波的问题。通过单个开关管将PFC级和DC/DC级整合，本方案只需要一个开关和一个控制回路，使电路体积小，成本低，更加符合MR16照明系统的要求。通过整流桥后并联合适的电容，一方面使电路在一个开关周期内显容性，使输入电流满足电子变压器的最小负载电流；另一方面，避免过大的充电电流触发电子变压器的过电流保护。
本实施例兼容电子变压器的整合式LED驱动电源如图6所示，包括电子变压器和整流桥，电子变压器的输出端连接整流桥的输入端，整流桥的输出端并联有输入滤波电容C1，还包括整合式开关变换电路。如图7所示，整合式开关变换电路包括前级PFC变换器和后级DC-DC变换器；前级PFC变换器的输入端连接到整流桥的输出端，且前级PFC变换器与后级DC-DC变换器通过单个开关管S1整合起来，其间的解耦电容Cd取值为200μF～470μF，其将瞬态输入功率的直流分量与交流分量进行解耦，交流分量存储于解耦电容Cd中，直流分量通过后级DC-DC变换器输出稳定且不含二倍工频纹波的直流输出电压。
电容Cd将瞬态输入功率的直流分量与交流分量进行解耦，交流分量存储于电容Cd中，直流分量通过后级DC-DC变换器传递到输出，从而获得稳定且不含二倍工频纹波的直流输出电压。由于输出电压不含二倍工频纹波，变换器控制环路的带宽不再受到二倍工频的制约，可实现快速的环路调节。整合式PFC变换器具有输出电压或电流快速调节特性，可同时实现高功率因数与低输出纹波。将整合式高功率因数变换器用作兼容电子变压器的LED驱动电源，不仅可以解决传统方法的兼容性问题，也可以实现低输出电流纹波，同时满足MR16照明系统对体积和成本的要求。将buck、boost、buck-boost三种基本变换器两两组合，理论上便可至少得到9种兼容电子变压器的整合式高功率因数LED驱动电源，如图8所示：
(a)buck+buck拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与电源正极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到电源负极；二极管D4的负极连接到电感L1和L2之间，正极同时连接到电源负极和开关管S1的D极，开关管S1的S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(b)buck+boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与开关管S1的D极之间；解耦电容Cd一侧同时连接到二极管D1和D2之间及电源负极，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到开关管S1的D极；二极管D4的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到电源正极；开关管S1的S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(c)buck+buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与电源负极之间；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到电源负极；二极管D4的正极连接到电源正极，负极连接到电感L1和L2之间；开关管S1的D极连接到电源负极，S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(d)boost+buck拓扑结构，包括二极管D1及电感L1和L2；电感L1、解耦电容Cd和电感L2顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间；开关管S1的D极连接到电感L1和解耦电容Cd之间，S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；二极管D1的正极连接到解耦电容Cd和电感L2之间，负极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(e)boost+boost拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；电感L1、二极管D1、电感L2和二极管D3串联于整流桥的上输出端与电源正极之间，且二极管D1正极与电感L1连接，二极管D3正极与电感L2连接；二极管D2的正极连接到电感L1和二极管D1之间，负极连接到电感L2和二极管D3之间；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和电感L2之间，另一侧同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；开关管S1的D极连接到电感L2和二极管D3之间，S极同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(f)boost+buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；电感L1、二极管D2、二极管D3顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间，且二极管D2正极与电感L1连接，二极管D3正极与二极管D2负极连接；二极管D1正极连接到电感L1和二极管D2之间，负极连接到电源负极；电感L2一端连接到二极管D2和二极管D3之间，另一端连接到电源负极；解耦电容Cd一侧连接电源负极，另一侧同时连接到整流桥的下输出端和开关管S1的S极，开关管S1的D连接到二极管D2和二极管D3之间；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(g)buck-boost+buck拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；二极管D1、D2和电感L2顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间；且二极管D2正极与电感L2连接，二极管D1正极与二极管D2负极连接；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1、D2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；二极管D3负极链接到二极管D2和电感L2之间，负极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(h)buck-boost+boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1、电感L2和二极管D4顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间，且二极管D1的正极连接电感L2，二极管D4的正极连接电源负极；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；二极管D2的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到电感L2和二极管D4之间；二极管D3的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到整流桥的下输出端；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和电感L2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
(i)buck-boost+buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；二极管D1、D2和D3顺次串联于整流桥的上输出端与电源正极之间，且二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D3正极连接二极管D2的正极；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；电感L2一端连接到；二极管D2和D3之间，一端连接到电源负极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
下面将以兼容电子变压器的高功率因数二次型boost LED驱动电源为例，具体分析本发明所提出的方法。
图9为兼容电子变压器的高功率因数二次型boost LED驱动电源及其控制回路。该电路通过开关管S1将前级PFC变换器与后级DC-DC变换器整合起来。在该电路中，中间解耦电容Cd取值较大(200μF～470μF)，有效地减少了电容Cd上的电压纹波，从而减小了电容Cd的电压纹波对输出的影响，另外，由于电路较宽的控制回路带宽，电容Cd的电压纹波对输出的影响进一步被削减，因此该驱动电源可以实现低纹波输出电流。通过电压快环控制，输出电流iLED被控制到Vref/Rs1，实现了恒定的电流输出。同时，因为解耦电容Cd上的电压纹波较小，在一个工频周期内，开关管的导通时间基本上保持不变，因此只要该电路的前级PFC变换器的电感电流工作在DCM(Discontinuous Conduction Mode非连续导通模式)，即可实现功率因数校正功能。
与普通的整合式PFC变换器略有不同，当该驱动电源用于兼容电子变压器时，需要让驱动电源在一个开关周期内呈现为电容性，以满足电子变压器的最小负载要求(即为电子变压器提供启动的最小负载电流)。因此，输入滤波电感不能在该驱动电源中使用，以保持该电路在一个开关周期内的电容性。同时，为了保证驱动电源与电子变压器的兼容性，在一个工频周期内，驱动电源需要呈现出电阻性。因此该驱动电源的输入滤波电容取值也不能太大，以免影响驱动电源的功率因数，尤其是当多个驱动电源并联使用时。通常，对于功率3～7W的LED，需要1～3.3μF的输入滤波电容，以保证与电子变压器良好的兼容性。
为了证明该驱动电源的特性及与电子变压器的兼容性，建立一个4W的二次型boost LED驱动电源，实验参数如下表：
表1实验参数
变量 数值
输入滤波电容C1 2.2μF
解耦电容Cd 470μF
输出电容Co 10μF
前级电感L1 4.7μH
后级电感L2 22μH
开关管频率fs 330kHz
额定输出电压VLED 27V
额定输出电流ILED 150mA
图10为该驱动电源输入12Vac/50Hz交流电时的输入电流、电压以及输出电流的波形。由图可知，输入电压与输入电流同相位。在额定输出负载下，功率因数为0.962，该电路很好的实现了功率因数校正，驱动电源在半个工频周期内呈现为电阻性，满足了电子变压器对阻性负载的要求。图中Mod％为频闪百分比，IEEE Standard 1789-2015规定无频闪的最低标准为Mod％<8％，该驱动电源输出电流引起的Mod％＝1.53％，因此，该驱动电源实现了恒定的低纹波输出电流。
为了验证二次型boost LED驱动电源与电子变压器的兼容性，实验选取了不同品牌、不同种类的电子变压器与该驱动电源进行了兼容性测试，如PHILIPS ET-E60、OPPLEDB601、OSRAM ET-P60等。测试结果如表格2所示，测试结果显示，该二次型boost驱动电源无论是单个还是多个并联使用时，对各种类型的电子变压器都具有良好的兼容性。
表2 LED驱动电源兼容不同的电子变压器的测试结果
图11(a)和(b)分别为传统的单级LED驱动电源和二次型boost LED驱动电源兼容PHILIPS ET-E60时的主要波形。从图中可以看出，这两种驱动电源都能兼容PHILIPS ET-E60。
图12(a)和(b)分别为传统的单级LED驱动电源和二次型boost LED驱动电源兼容OPPLE DB60时的主要波形。从图中可以看出，传统的单级LED驱动电源在兼容OPPLE DB60时，会出现电子变压器工作异常，从而造成LED闪烁。而二次型boost LED驱动电源却能够很好的兼容OPPLE DB60，从而证明了该驱动电源良好的兼容性。
根据上述以二次型boost LED驱动电源为例的分析与实验验证，证明了本发明提出的整合式高功率因数LED驱动电源兼容电子变压器的方法的可行性与正确性。

Claims (10)

1.一种兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，包括电子变压器和整流桥，电子变压器的输出端连接整流桥的输入端，整流桥的输出端并联有输入滤波电容C1，其特征在于，还包括整合式开关变换电路，整合式开关变换电路包括前级PFC变换器和后级DC-DC变换器；前级PFC变换器的输入端连接到整流桥的输出端，且前级PFC变换器与后级DC-DC变换器通过单个开关管S1整合起来，其间的解耦电容Cd取值为200μF~470μF，其将瞬态输入功率的直流分量与交流分量进行解耦，交流分量存储于解耦电容Cd中，直流分量通过后级DC-DC变换器输出稳定且不含二倍工频纹波的直流输出电压。
2.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为buck +buck拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与电源正极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到电源负极；二极管D4的负极连接到电感L1和L2之间，正极同时连接到电源负极和开关管S1的D极，开关管S1的S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
3.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为buck+ boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与开关管S1的D极之间；解耦电容Cd一侧同时连接到二极管D1和D2之间及电源负极，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到开关管S1的D极；二极管D4的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到电源正极；开关管S1的S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
4.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为buck+ buck -boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1和D2串联后并联于整流桥的输出端；电感L1和L2串联于二极管D1的负极与电源负极之间；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到电感L1和L2之间；二极管D3的正极连接到二极管D1和D2之间，负极连接到电源负极；二极管D4的正极连接到电源正极，负极连接到电感L1和L2之间；开关管S1的D极连接到电源负极，S极连接到二极管D2的正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
5.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为boost +buck拓扑结构，包括二极管D1及电感L1和L2；电感L1、解耦电容Cd和电感L2顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间；开关管S1的D极连接到电感L1和解耦电容Cd之间，S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；二极管D1的正极连接到解耦电容Cd和电感L2之间，负极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
6.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为boost + boost拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；电感L1、二极管D1、电感L2和二极管D3串联于整流桥的上输出端与电源正极之间，且二极管D1正极与电感L1连接，二极管D3正极与电感L2连接；二极管D2的正极连接到电感L1和二极管D1之间，负极连接到电感L2和二极管D3之间；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和电感L2之间，另一侧同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；开关管S1的D极连接到电感L2和二极管D3之间，S极同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
7.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为boost + buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；电感L1、二极管D2、二极管D3顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间，且二极管D2正极与电感L1连接，二极管D3正极与二极管D2负极连接；二极管D1正极连接到电感L1和二极管D2之间，负极连接到电源负极；电感L2一端连接到二极管D2和二极管D3之间，另一端连接到电源负极；解耦电容Cd一侧连接电源负极，另一侧同时连接到整流桥的下输出端和开关管S1的S极，开关管S1的D连接到二极管D2和二极管D3之间；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
8.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为buck-boost + buck拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；二极管D1、D2和电感L2顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间；且二极管D2正极与电感L2连接，二极管D1正极与二极管D2负极连接；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1、D2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；二极管D3负极链接到二极管D2和电感L2之间，负极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
9.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为buck-boost + boost拓扑结构，包括二极管D1、D2、D3和D4，以及电感L1和L2；二极管D1、电感L2和二极管D4顺次串联于整流桥的上输出端与电源负极之间，且二极管D1的正极连接电感L2，二极管D4的正极连接电源负极；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；二极管D2的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到电感L2和二极管D4之间；二极管D3的正极连接到开关管S1的D极，负极连接到整流桥的下输出端；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和电感L2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源正极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
10.根据权利要求1所述的兼容电子变压器的整合式LED驱动电源，其特征在于，所述整合式开关变换电路为buck-boost + buck-boost拓扑结构，包括二极管D1、D2和D3，以及电感L1和L2；二极管D1、D2和D3顺次串联于整流桥的上输出端与电源正极之间，且二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D3正极连接二极管D2的正极；电感L1一端连接到整流桥的上输出端，另一端连接到开关管S1的D极；解耦电容Cd一侧连接到二极管D1和D2之间，另一侧连接到开关管S1的D极；电感L2一端连接到；二极管D2和D3之间，一端连接到电源负极；开关管S1的S极同时连接到整流桥的下输出端和电源负极；电源正负极之间还并联有输出电容C0。
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