CN110177413A - 一种恒流源的电流纹波控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种恒流源的电流纹波控制装置和控制方法，主要包括：输入电解C1，主控制芯片U1，控制开关S1和S2，功率电感L1和L2，二极管D1和D2，输出电容C2和LED负载；控制芯片U1的DRV1连接R3来控制S1，DRV2连接R5来控制S2；控制开关S1与L1和D1组成功率回路1；控制开关S2与L2和D2组成功率回路2；两个功率回路通过功率电感L1和L2并联后给LED负载提供转换能量。通过控制功率回路2和功率回路1中的电感电流形成一定的相位差，本发明可以在使用较小的输出电容C2，或者省掉输出电容C2的前提下将LED的纹波电流控制在一定范围内，同时不会影响LED驱动电源的EMC、温升和成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体为一种恒流源的电流纹波控制装置和方法。
背景技术
目前LED照明行业中对非隔离电源的需求越来越大，远超隔离电源；非隔离电源的特点是高转换效率，外围简单(工作在电感电流临界连续模式)，成本低的这个优势在不同灯具和功率段的应用上占领绝大部分的市场。
面对价格的竞争，一部分厂商会考虑在非隔离电源的架构上再将输出电解省掉，这样带来的是输出纹波电流很大，几乎输出电流等于纹波电流；带来的后果是成品LED灯具的光效会变低，会加剧LED灯珠的老化和光衰；另一部分厂商会在去掉输出电解后采用非隔离连续模式(CCM)的方式来减小纹波电流，但是CCM模式下续流二极管存在反向恢复时间引起的损耗发热和EMI的问题需要额外的增加成本来保证产品的可靠性。可见以上两种方式各有优缺点。
目前非隔离电源只限于在输出高压低电流的应用上比隔离的体现出优势；如果电源要满足不同国家和区域的使用，势必要满足全电压输入100-265V的应用，这样就需要将输出电压降低到80V以下，输出电流肯定要增大很多才能满足要求，一旦要满足更大的输出电流，也就意味着需要更大续流二极管和更大的MOS才能完成(效率会降低，以及带来发热的增加)，并且这样的成本就几乎接近隔离的成本了。
因此在全电压输入100-265V的要求下，很多厂商会更愿意选择两个小电流的电源并联起来使用，这样就是两倍的电流和功率了；但是这样在成本上还是没有多大的优势：导致在大输出电流的应用条件下，还是宁愿选择相对昂贵隔离的电源。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种恒流源的电流纹波控制装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种恒流源的电流纹波控制装置，主要包括：输入电解C1，主控制芯片U1，控制开关S1和S2，功率电感L1和L2，二极管D1和D2，输出电容C2和LED负载；控制芯片U1的DRV1连接R3来控制S1，DRV2连接R5来控制S2；控制开关S1与L1和D1组成功率回路I；控制开关S2与L2和D2组成功率回路II；两路通过功率电感L1和L2并联后给LED负载提供转换能量，同时控制功率回路II和功率回路I中的电感电流形成一定的相位差。
进一步的，并联后的功率回路I和功率回路II连接的输出电解C2所需容量很小或者可以直接省掉。
进一步的，两路BUCK的控制策略采用的是主从控制方式，从路的控制信号完全来源于主路。
进一步的，主从控制方式中主路和从路都是以检测到的电感电流达到设定值作为其PWM关断信号，主路的电感电流设定值为IL1_ref，从路的电感电流设定值为IL2_ref。
进一步的，主从控制方式中以电感电流自然过零作为主路的PWM的开通信号；而以主路的关断信号作为从路的PWM开通信号参考之一。
进一步的，主从控制方式中以从路电感电流自然过零作为从路的PWM开通信号。
进一步的，主从控制方式中当两路BUCK的参数发生偏差时，为了防止从路进入电感电流断续模式或者电感电流连续模式从而导致效率和EMI等问题，通过判断从路的电感电流过零时刻Tszcd和主路的PWM关断时刻Tpoff的时间差△Tson(△Tson＝Tszcd-Tpoff)来调节主路的电感电流设定值IL1_ref和从路的电感电流设定值IL2_ref，从而保证从路电感电流处于临界连续模式。
进一步的，主路和从路的电感电流设定值调节方式，当两△Tson大于零时，调节主路的电感电流设定值为IL1_ref+△IL，同时调节从路的电感电流设定值为IL2_ref-△IL，其中△IL为对主路和从路电感电流设定值的控制量。
进一步的，主路和从路的电感电流设定值调节方式，当两△Tson小于零时，调节主路的电感电流设定值为IL1_ref-△IL，同时调节从路的电感电流设定值为IL2_ref+△IL，其中△IL为对主路和从路电感电流设定值的控制量。
进一步的，主路和从路的电感电流设定值调节方式，控制的目标是△Tson等于零，或者接近零(比如在负的500ns到整得500ns之间)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明既可以使非隔离电源满足全电压的输入100-265V的应用(大输出电流的应用)，也可以省掉输出电解(降低成本)，还将纹波控制在一定范围内(可以使用更小的输出电容或者省略该电容，达到同样的效果)；也不会影响驱动电源的温升和EMI。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的波形图。
图3为本发明的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通。
如图3所示，一种恒流源的电流纹波控制装置，主要包括：输入电解C1，主控制芯片U1，控制开关S1和S2，功率电感L1和L2，二极管D1和D2，输出电容C2和LED负载；控制芯片U1的DRV1连接R3来控制S1，DRV2连接R5来控制S2；控制开关S1与L1和D1组成功率回路I；控制开关S2与L2和D2组成功率回路II；两个功率回路通过功率电感L1和L2并联后给LED负载提供转换能量；实际是两路BUCK拓扑结构并联工作，两路并联BUCK要通过主从方式来实现。
U1为控制芯片，主要输出两个PWM信号(DRV1和DRV2)控制S1和S2，CS1和CS2为两路CS基准检测，L1和L2为功率电感输出并联，C2为输出电解；假设在理想工作状态下，DRV1和DRV2的PWM波形相位差约90°,两路BUCK都是工作在BCM模式。
如图1和图2所示，两路并联BUCK是主从关系的工作方式(假设DRV1是主，DRV2是从)，从路PWM(DRV2)的开通以主路PWM(DRV1)关断作为参考，从而使两路电感电流在相位上错开，从而能将两路的电感电流(IL1和IL2)产生一个交叠，实现总电感电流IL1+IL2形成CCM的电流波形，从而达到减小纹波的电流效果，这样就可以减小或者省掉输出电解(C2)；从单BUCK来看依然工作在BCM模式，所以没有续流二极管存在反向恢复时间引起的损耗发热和EMI的问题了。
由于两路BUCK在参数和芯片基准都会存在一定的偏差，主要表现在两路的电感L1和L2电感量肯定会存在偏差，那么在实际应用中主路和从路的电感量会存在5-10％的公差是很正常的现象；我们可以采用从路的开通时间(也就是从路电感电流自然过零的这个时间)和主路的关断时间差来做判断，再通过两路CS基准的调整(降低和升高)来保证两路BUCK始终工作在BCM模式。
从路比主路的电感量小时，那么我们要遵循的从路的开通由主路的关断信号决定会受到影响，由于从路的电感较小，过零较快，周期较短，也就是说从路过零的时候主路还没有关断，会造成从路存在一定甚至较长电感电流为零的时间(进入DCM模式)，这种现象会导致从路的效率下降；我们可以采用从路的关断时间(也就是从路电感电流自然过零的这个时间)和主路的关断时间差来做判断，例如控制芯片里面允许的时间差是500ns，一旦从路过零太早，那么这个时间和主路的关断时间差会大于500ns，芯片会将从路的CS基准(假设理想情况下主路和从路的CS基准都是400mV)提高410mV，同时降低主路的CS基准到390mV,那么这样的调整输出电流是没有变化的，这个调整也同时会让从路的过零的时间靠近主路的关断时间，这样也就保证了从路的工作效率。
从路比主路电感量大时，从路的开关周期比主路长，那么主路关断时，从路的电感电流还没有过零就去关断，这样会导致从路进入CCM模式(而此时主路工作在BCM模式)，从路会出现EMI的问题和反向恢复时间带来的开关损耗的问题，同样的的控制方法，我们将从路的CS基准降低到390mV,让其更早的被CS基准检测到，电感电流的峰值就会降低，同时将主路的CS基准增加到410mV,那么这样调整会让从路增加开关周期，主路减小开关周期)，那么从路便会转向BCM模式.这样的控制调整一般只需要1-2个周期就可以调整过来；两路BUCK始终工作在BCM模式，从路的开通和主路的关断的这个时间差也会得到有效的控制和减小。
本发明能解决省掉输出电解后的纹波问题，也能避免类似CCM出现的损耗发热和EMI的问题，还能让非隔离电源可以在有限的范围和成本内实现高输出电压和高输出电流，以便在一定范围内满足全电压的输入100-265V的应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种恒流源的电流纹波控制装置，主要包括：输入电解C1，主控制芯片U1，控制开关S1和S2，功率电感L1和L2，二极管D1和D2，输出电容C2和LED负载；控制芯片U1的DRV1连接R3来控制S1，DRV2连接R5来控制S2；控制开关S1与L1和D1组成功率回路I；控制开关S2与L2和D2组成另功率回路II；功率回路I的输出端和功率回路II的输出端并联后给LED负载提供转换能量。
2.根据权利要求1所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：并联后的功率回路I和功率回路II连接的输出电解C2所需容量很小或者可以直接省掉。
3.根据权利要求1所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：两路BUCK的控制策略采用的是主从控制方式，从路的控制信号完全来源于主路。
4.根据权利要求2所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主从控制方式中主路和从路都是以检测到的电感电流达到设定值作为其PWM关断信号，主路的电感电流设定值为IL1_ref，从路的电感电流设定值为IL2_ref。
5.根据权利要求2所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主从控制方式中以电感电流自然过零作为主路的PWM的开通信号；而以主路的关断信号作为从路的PWM开通信号参考之一。
6.根据权利要求2所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主从控制方式中以从路电感电流自然过零作为从路的PWM开通信号。
7.根据权利要求2所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主从控制方式中当两路BUCK的参数发生偏差时，为了防止从路进入电感电流断续模式或者电感电流连续模式从而导致效率和EMI等问题，通过判断从路的电感电流过零时刻Tszcd和主路的PWM关断时刻Tpoff的时间差△Tson(△Tson＝Tszcd-Tpoff)来调节主路的电感电流设定值IL1_ref和从路的电感电流设定值IL2_ref，从而保证从路电感电流处于临界连续模式。
8.根据权利要求7所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主路和从路的电感电流设定值调节方式，当两△Tson大于零时，调节主路的电感电流设定值为IL1_ref+△IL，同时调节从路的电感电流设定值为IL2_ref-△IL，其中△IL为对主路和从路电感电流设定值的控制量。
9.根据权利要求7所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主路和从路的电感电流设定值调节方式，当两△Tson小于零时，调节主路的电感电流设定值为IL1_ref-△IL，同时调节从路的电感电流设定值为IL2_ref+△IL，其中△IL为对主路和从路电感电流设定值的控制量。
10.根据权利要求7所述的一种恒流源的电流纹波控制装置，其特征在于：主路和从路的电感电流设定值调节方式，控制的目标是△Tson等于零，或者接近零。
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