CN110536517A - 一种单级隔离型无电解电容led驱动电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源及其控制方法。所述LED驱动电源包括交流输入电源、全桥整流电路、反激式变换电路、辅助电路、LED负载和控制电路。反激式变换电路工作在完全能量传递方式用于实现功率因数校正功能并为LED负载提供恒流输出；辅助电路由辅助开关管、二极管和储能电容组成，用于平衡输入输出之间的瞬时功率并吸收由变压器漏感产生的电压尖峰，从而抑制了LED负载电流的低频纹波，并使变压器漏感能量得到有效利用。本发明可以直接采用薄膜电容替代大容量电解电容，具有高效、高功率因数、长寿命等优点。

Description

一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源及其控制方法。

背景技术

LED以其节能、环保、高效、长寿命等诸多优点，成为新一代的绿色照明光源，已广泛应用于城市景观照明、应急照明、路灯照明、家居照明等领域。驱动电源是LED照明的核心部件，因此开发高性能、长寿命的LED驱动电源是保证LED照明发光品质及整体性能的关键。

在交流供电场合，为了满足IEC61000-3-2的谐波要求，LED驱动电源都必须进行功率因数校正。当功率因数为1时，输入电流与输入电压为同频、同相的正弦波，其输入功率呈现两倍工频的脉动形式，而LED的输出功率为恒定功率，因此驱动电源在工作时存在瞬时输入功率与恒定输出功率的不平衡问题，导致其输出电流存在较大的低频纹波，通常需要选用较大容量的电解电容作为储能电容来平衡，而电解电容寿命往往只有1万小时左右，远低于10万小时的LED发光二极管的使用寿命，而且电解电容的寿命受环境温度影响极大，温度每升高10度，其使用寿命大约减少一半，因此，电解电容的使用限制了LED照明产品的整体寿命，制约了高性能LED驱动电源的发展。另一方面，电解电容的体积比较大，这也导致LED驱动电源的体积增大，不利用小型化和提高功率密度。

因此，在不影响LED光学性能和电性能的前提下，使用容值较小的薄膜电容替代电解电容，开发高功率因数、无电解电容LED驱动电源成为LED驱动电源行业亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源及其控制方法，可以直接采用薄膜电容替代大容量电解电容，具有高效、高功率因数、长寿命等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源、全桥整流电路、反激式变换电路、辅助电路、LED负载和控制电路，所述反激式变换电路包括开关管S1、变压器T1、整流二极管D3、滤波电容C0，所述辅助电路包括开关管S2、开关管S3、二极管D1、二极管D2、储能电容C2，交流输入电源与全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的第一输出端与C2的一端、D1的阳极连接，全桥整流电路的第二输出端与S1的一端连接，D1的阴极与S2的一端、T1原边的一端连接，C2的另一端与D2的阴极、S2的另一端连接，S1的另一端与S3的一端、T1原边的另一端连接，S3的另一端与D2的阳极连接，T1副边的一端与D3的阳极连接，T1副边的另一端与C0的一端、LED负载的负极连接，D3的阴极与C0的另一端、LED负载的正极连接；控制电路采集全桥整流电路输出电压、储能电容电压、LED驱动电源输出电压、LED驱动电源输出电流，通过控制S1、S2、S3的工作，实现高功率因数和恒流输出以及瞬时输入功率和输出功率的平衡，抑制LED负载电流的低频纹波，减小滤波电容C0的容量。

在本发明一实施例中，还包括一电容C1，C1两端分别与全桥整流电路的两输出端连接。

本发明还提供了一种基于上述所述的单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，控制电路采集全桥整流电路输出电压、储能电容电压、LED驱动电源输出电压、LED驱动电源输出电流，而后控制电路通过控制S1的工作，使得反激式变换电路工作在完全能量传递方式用于实现功率因数校正功能并为LED负载提供恒流输出；通过控制S2、S3的工作，使得辅助电路的储能电容C2电压保持恒定，实现瞬时输入功率和输出功率的平衡，抑制LED负载电流的低频纹波。

在本发明一实施例中，控制电路控制S2、S3的工作的具体过程如下：

1)当全桥整流电路输出电压大于等于设定值Uh时，S2一直关断，S3在S1关断后导通，S3导通时间小于S1关断时间，多余的能量储存在储能电容C2中，并且吸收由于变压器漏感产生的电压尖峰；

2)当全桥整流电路输出电压小于设定值Uh时，S3一直关断，S2与S1同时导通，S2导通时间小于S1导通时间，储能电容C2向LED负载释放能量。

在本发明一实施例中，设定值Uh大小由全桥整流电路输出电压与输出功率大小而定。

在本发明一实施例中，S2和S3的工作占空比D＝K_D*a[N]，是一组以正弦规律变化的数组，其中K_D为占空比系数，a[n]为正弦变换的函数数组；通过检测储能电容C2电压大小获取占空比系数K_D，通过检测全桥整流电路输出电压大小获取数组a[N]]的占空比波形相位，从而得到S2和S3的占空比大小和控制时序。

在本发明一实施例中，储能电容C2电压与全桥整流电路输出电压之和始终大于反激变换器的反射电压nV₀，即v_C2+v_C1＞nV_o，反射电压nV₀为二极管D3导通时变压器次级折算到初级的电压。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可以直接采用薄膜电容替代大容量电解电容，具有高效、高功率因数、长寿命等优点。

附图说明

图1为本发明的无电解电容LED驱动电源原理图。

图2为本发明无电解电容LED驱动电源主要工作波形。

图3为本发明Pin≥Po时各开关管主要工作波形图。

图4为本发明Pin≥Po时各工作模态等效电路图。

图5为本发明Pin<Po时各开关管主要工作波形图。

图6为本发明Pin<Po时各工作模态等效电路图。

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。

如图1所示，本发明提供了一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源、全桥整流电路、反激式变换电路、辅助电路、LED负载和控制电路，所述反激式变换电路包括开关管S1、变压器T1、整流二极管D3、滤波电容C0，所述辅助电路包括开关管S2、开关管S3、二极管D1、二极管D2、储能电容C2，交流输入电源与全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的第一输出端与C2的一端、D1的阳极连接，全桥整流电路的第二输出端与S1的一端连接，D1的阴极与S2的一端、T1原边的一端连接，C2的另一端与D2的阴极、S2的另一端连接，S1的另一端与S3的一端、T1原边的另一端连接，S3的另一端与D2的阳极连接，T1副边的一端与D3的阳极连接，T1副边的另一端与C0的一端、LED负载的负极连接，D3的阴极与C0的另一端、LED负载的正极连接；控制电路采集全桥整流电路输出电压、储能电容电压、LED驱动电源输出电压、LED驱动电源输出电流，通过控制S1、S2、S3的工作，实现高功率因数和恒流输出以及瞬时输入功率和输出功率的平衡，抑制LED负载电流的低频纹波，减小滤波电容C0的容量。还包括一电容C1，C1两端分别与全桥整流电路的两输出端连接。

本发明还提供了一种基于上述所述的单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，控制电路采集全桥整流电路输出电压、储能电容电压、LED驱动电源输出电压、LED驱动电源输出电流，而后控制电路通过控制S1的工作，使得反激式变换电路工作在完全能量传递方式用于实现功率因数校正功能并为LED负载提供恒流输出；通过控制S2、S3的工作，使得辅助电路的储能电容C2电压保持恒定，实现瞬时输入功率和输出功率的平衡，抑制LED负载电流的低频纹波。控制电路控制S2、S3的工作的具体过程如下：

1)当全桥整流电路输出电压大于等于设定值Uh时，S2一直关断，S3在S1关断后导通，S3导通时间小于S1关断时间，多余的能量储存在储能电容C2中，并且吸收由于变压器漏感产生的电压尖峰；

2)当全桥整流电路输出电压小于设定值Uh时，S3一直关断，S2与S1同时导通，S2导通时间小于S1导通时间，储能电容C2向LED负载释放能量。

设定值Uh大小由全桥整流电路输出电压与输出功率大小而定。

S2和S3的工作占空比D＝K_D*a[N]，是一组以正弦规律变化的数组，其中K_D为占空比系数，a[n]为正弦变换的函数数组；通过检测储能电容C2电压大小获取占空比系数K_D，通过检测全桥整流电路输出电压大小获取数组a[N]]的占空比波形相位，从而得到S2和S3的占空比大小和控制时序。

储能电容C2电压与全桥整流电路输出电压之和始终大于反激变换器的反射电压nV₀，即v_C2+v_C1＞nV_o，反射电压nV₀为二极管D3导通时变压器初级折算到次级的电压。

以下为本发明的具体实现过程。

图1为本发明的无电解LED驱动电源原理图。主电路工作时的主要工作波形如图2所示，通过控制主电路开关管S1工作，使反激变换器工作在DCM状态，实现高功率因数和恒流输出。根据瞬时输入功率与输出功率的大小，电路有两种工作情况(如图3-图6所示)。

(1)Pin≥P0：多余能量储存在储能电容中，开关管S2关断

1)(t0-t1)：t0时刻，开关管S1和二极管D1导通，输入电压通过二极管D1和开关管S1对励磁电感充电，副边二极管D3关断，输出滤波电容对LED负载供电；

2)(t1-t2)：t1时刻，开关管S1关断，开关管S3导通，二极管D2和D3导通，励磁电感通过开关管S3、二极管D1和D2向储能电容C2充电，并通过二极管D3向LED负载释放能量，这个阶段储能电容C2吸收了由于变压器T1的漏感引起的电压尖峰。

3)(t2-t3)：t2时刻，开关管S3关断,励磁电感继续通过二极管D3向LED负载释放能量，到t3时，二极管D3截止，由输出滤波电容对LED负载供电；

4)(t3-t4)：这个阶段所有开关器件均截止，LED负载由滤波电容继续提供能量，t4以后又重复上一个开关周期。

(2)Pin<P0：储能电容向LED负载释放能量，开关管S3关断

1)(t0-t1):t0时刻，开关管S1和S2导通，二极管D1截止，输入电压与储能电容C2一起通过开关管S1和S2对励磁电感充电，副边二极管D3截止，输出滤波电容对LED负载供电；

2)(t1-t2):t1时刻，开关管S2关断、开关管S1和二极管D1导通，输入电压通过二极管D1和S1继续对励磁电感充电，输出滤波电容对LED负载继续供电；

3)(t2-t3):t2时刻，开关管S1关断，二极管D3导通，励磁电感通过二极管D3向LED负载释放能量，到t3时，二极管截止，输出滤波电容对LED负载供电；

4)(t3-t4)：这个阶段所有开关器件均截止，LED负载由滤波电容继续提供能量，t4以后又重复上一个开关周期。

本发明控制电路原理

控制电路采用数字控制，微处理器通过采集整流电路输出电压、储能电容电压、LED负载电压和电流等，根据所提的控制策略进行处理，并产生反激式变换电路和辅助电路开关管所需的驱动信号。当输入瞬时功率大于输出恒定功率时，辅助电路将多余的输入功率储存在储能电容中，当输入瞬时功率小于输出恒定功率时，将储能电容中的能量传递到负载侧，并在主开关管关断时，吸收了由变压器漏感产生的电压尖峰。

辅助电路开关管S2和S3的占空比为：

D＝K_D*a[N]

其中，K_D为占空比系数，a[N]为正弦变换的函数数组。通过检测储能电容电压获取占空比系数K_D，通过检测整流电路输出电压获取数组a[N]]的占空比波形相位，从而得到了开关管S2和S3的占空比大小和控制时序，当整流电路输出电压达到设定值Uh时，以此为起始时刻，开关管占空比以规律变化。

辅助电路通过控制储能电容电压的恒定来维持电路输入输出功率的平衡。当电路输入功率增加时，占空比系数K_D越大，储能电容电压增加；当输入功率减小时，占空比系数K_D变小，储能电容电压减小。同时还可通过控制储能电容电压，使得储能电容电压与整流电路输出电压之和始终大于反激变换器的反射电压(即变压器初级绕组两端电压)nV₀，即v_C2+v_C1＞nV_o。

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 (7)

1.一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，包括交流输入电源、全桥整流电路、反激式变换电路、辅助电路、LED负载和控制电路，所述反激式变换电路包括开关管S1、变压器T1、整流二极管D3、滤波电容C0，所述辅助电路包括开关管S2、开关管S3、二极管D1、二极管D2、储能电容C2，交流输入电源与全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的第一输出端与C2的一端、D1的阳极连接，全桥整流电路的第二输出端与S1的一端连接，D1的阴极与S2的一端、T1原边的一端连接，C2的另一端与D2的阴极、S2的另一端连接，S1的另一端与S3的一端、T1原边的另一端连接，S3的另一端与D2的阳极连接，T1副边的一端与D3的阳极连接，T1副边的另一端与C0的一端、LED负载的负极连接，D3的阴极与C0的另一端、LED负载的正极连接；控制电路采集全桥整流电路输出电压、储能电容电压、LED驱动电源输出电压、LED驱动电源输出电流，通过控制S1、S2、S3的工作，实现高功率因数和恒流输出以及瞬时输入功率和输出功率的平衡，抑制LED负载电流的低频纹波，减小滤波电容C0的容量。

2.根据权利要求1所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，还包括一电容C1，C1两端分别与全桥整流电路的两输出端连接。

3.一种基于权利要求1或2所述的单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，控制电路采集全桥整流电路输出电压、储能电容电压、LED驱动电源输出电压、LED驱动电源输出电流，而后控制电路通过控制S1的工作，使得反激式变换电路工作在完全能量传递方式用于实现功率因数校正功能并为LED负载提供恒流输出；通过控制S2、S3的工作，使得辅助电路的储能电容C2电压保持恒定，实现瞬时输入功率和输出功率的平衡，抑制LED负载电流的低频纹波。

4.根据权利要求3所述的一种基于单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，控制电路控制S2、S3的工作的具体过程如下：

1)当全桥整流电路输出电压大于等于设定值Uh时，S2一直关断，S3在S1关断后导通，S3导通时间小于S1关断时间，多余的能量储存在储能电容C2中，并且吸收由于变压器漏感产生的电压尖峰；

2)当全桥整流电路输出电压小于设定值Uh时，S3一直关断，S2与S1同时导通，S2导通时间小于S1导通时间，储能电容C2向LED负载释放能量。

5.根据权利要求4所述的一种基于单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，设定值Uh大小由全桥整流电路输出电压与输出功率大小而定。

6.根据权利要求4所述的一种基于单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，S2和S3的工作占空比D＝K_D*a[N]，是一组以正弦规律变化的数组，其中K_D为占空比系数，a[n]为正弦变换的函数数组；通过检测储能电容C2电压大小获取占空比系数K_D，通过检测全桥整流电路输出电压大小获取数组a[N]]的占空比波形相位，从而得到S2和S3的占空比大小和控制时序。

7.根据权利要求4所述的一种基于单级隔离型无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，储能电容C2电压与全桥整流电路输出电压之和始终大于反激变换器的反射电压nV₀，即v_C2+v_C1＞nV_o，反射电压nV₀为二极管D3导通时变压器次级折算到初级的电压。