CN112770455A - 宽电压非隔离ac-dc多通道驱动器及led照明设备 - Google Patents

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CN112770455A CN202110112458.6A CN202110112458A CN112770455A CN 112770455 A CN112770455 A CN 112770455A CN 202110112458 A CN202110112458 A CN 202110112458A CN 112770455 A CN112770455 A CN 112770455A
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Abstract

本申请公开了一种宽电压非隔离AC‑DC多通道驱动器及LED照明设备，其中前者包括非隔离PFC主变换器和多个DC‑DC辅变换器；非隔离PFC主变换器包括PFC功率变换单元、电压变换器和主输出端口，电压变换器包括主绕组和辅绕组；DC‑DC辅变换器包括辅输入端口和辅输出端口；PFC功率变换单元的输出端和主绕组的一端连接；主绕组的另一端和主输出端口连接；辅绕组分别与多个DC‑DC辅变换器的辅输入端口连接；多个DC‑DC辅变换器的辅输出端口分别与主输出端口串联后形成多个总输出端口。每个通道的部分电能单级变换传输至负载，部分电能两级变换传输至负载。降低了功耗，提高了整体转换效率。

Description

宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器及LED照明设备
技术领域
本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种宽电压非隔离型交流-直流(alternating current to direct current，AC-DC)恒流驱动器及发光二极管(lightemitting diode，LED)照明设备。
背景技术
LED应用在照明设备上，其具有色域广、亮度高、可视角大、功耗低和寿命长等优点，因此在各种照明显示领域，LED照明设备被广泛应用。例如比较常见的证券交易和金融信息显示、机场航班动态信息显示、港口和车站旅客引导信息显示、体育场馆信息显示、道路交通信息显示、电力调度和车辆动态跟踪等调度指挥中心信息显示、商场购物中心等服务领域的业务宣传信息显示以及广告媒体产品等。
一般情况下，LED照明设备正常工作均需要驱动电源进行驱动，其驱动电源一般为恒流驱动器。目前的恒流驱动器，包括单级和多级两种。单级恒流驱动器虽然结构简单，成本较低，但是无法同时兼顾输入高功率因数和输出低纹波，甚至功率管上还会存在过高电压或电流应力。因此，行业内一般选择多级恒流驱动器，其中以两级较为常见，两级的恒流驱动器中，其中前级PFC变换器用于调节输入功率因数，以及用于平衡输入输出能量；而后级直流-直流(direct current to direct current，DC-DC)辅变换器用于调整输出电压并降低输出纹波电压或电流。
然而，上述两级恒流驱动器的应用至多通道负载独立调光时，需要多个后级DC-DC变换器与前级PFC变换器级联，每个通道的交流输出均经过两级全功率变换后才能得到总输出，其功耗比较大，导致整体转换率低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器及LED照明设备，降低每个通道的功耗，提高整体转换效率。
本申请第一方面提供一种宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，包括非隔离PFC主变换器和多个DC-DC辅变换器；非隔离PFC主变换器包括PFC功率变换单元、电压变换器和主输出端口，电压变换器包括主绕组和辅绕组；DC-DC辅变换器包括辅输入端口和辅输出端口；PFC功率变换单元的输出端和主绕组的一端连接；主绕组的另一端和主输出端口连接；辅绕组分别与多个DC-DC辅变换器的辅输入端口连接；多个DC-DC辅变换器的辅输出端口分别与主输出端口串联后形成多个总输出端口；PFC功率变换单元将接收到的交流电转换为直流电后，输出至主绕组和辅绕组；主绕组将直流电转换为主电压后输出至主输出端口，主输出端口将主电压传输至总输出端口；辅绕组将直流电转换为辅电压后，分别输出至多个DC-DC辅变换器的辅输入端口；DC-DC辅变换器接收来自辅输入端口的辅电压后，将辅电压处理后输出至辅输出端口，辅输出端口将辅电压传输至总输出端口，总输出端口接收到主电压和辅电压后输出总电压。
在一种实施方式中，宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器还包括：PFC控制器；非隔离PFC主变换器包括还包括：主功率开关管；主功率开关管连接在PFC功率变换单元的输出端和主绕组的一端之间；或者，主功率开关管和主绕组的另一端连接；PFC控制器包括主反馈端口、第一主采集端口、主控制端口、主基准电压端口和主基准锯齿波信号端口；主反馈端口和辅输出端口连接，第一主采集端口和辅绕组连接，主控制端口和主功率开关管的控制端连接；辅输出端口将辅电压传输至主反馈端口，PFC控制器接收来自主反馈端口的辅电压、来自第一主采集端口的辅绕组的电压、来自主基准电压端口的主基准电压、以及来自主基准锯齿波信号端口的主基准锯齿波信号后；比较辅电压和主基准电压后形成电压误差信号；比较电压误差信号和主基准锯齿波信号后形成停止脉冲信号；基于辅绕组的电压形成启动脉冲信号；利用停止脉冲信号和启动脉冲信号控制主功率开关管的开通和关断。
在一种实施方式中，PFC控制器还包括第二主采集端口；第二主采集端口和主功率开关管连接；PFC控制器还接收来自第二主采集端口的主功率开关管的电压；比较电压误差信号和主基准锯齿波信号后形成停止脉冲信号包括：比较电压误差信号和主功率开关管的电压后形成比较结果，比较主基准锯齿波信号和比较结果后形成停止脉冲信号。
在一种实施方式中，PFC控制器包括主基准电压源、主基准锯齿波信号源、第一主比较器、第二主比较器、第三主比较器和触发器；触发器具有S端口、Q端口和R端口；第一主比较器的负输入端和主反馈端口连接，第一主比较器的正输入端通过主基准电压端口和主基准电压源连接，第一主比较器的输出端和第二主比较器的正输入端连接；第二主比较器的负输入端和第二主采集端口连接，第二主比较器的输出端和第三主比较器的正输入端连接；第三主比较器的负输入端通过主基准锯齿波信号端口和主基准锯齿波信号源连接，第三主比较器的输出端和R端口连接；Q端口和主控制端口连接，S端口和第一主采集端口连接；第一主比较器用于：比较辅电压和主基准电压后形成电压误差信号；第二主比较器用于：比较电压误差信号和主功率开关管的电压后形成比较结果；第三主比较器用于：比较主基准锯齿波信号和比较结果后形成停止脉冲信号；触发器用于：基于辅绕组的电压形成启动脉冲信号；利用停止脉冲信号和启动脉冲信号控制主功率开关管的开通和关断。
在一种实施方式中，宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器还包括：DC-DC控制器；DC-DC辅变换器还包括：辅功率开关管；DC-DC控制器包括辅反馈端口、辅控制端口、辅基准电流端口和辅基准锯齿波信号端口；辅反馈端口和辅输出端口连接，辅控制端口和辅功率开关管的控制端连接；总输出端口接收到主电压和辅电压后还输出总电流；总电流被传输至辅反馈端口；DC-DC控制器接收来自辅反馈端口的总电流、接收来自辅基准电流端口的辅基准电流、以及来自辅基准锯齿波信号端口的辅基准锯齿波信号之后，比较总电流和辅基准电流后形成电压误差信号；比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成控制信号，将控制信号传输至辅功率开关管的控制端。
在一种实施方式中，DC-DC控制器还包括：PWM数字调光信号端口；DC-DC控制器还接收来自PWM数字调光信号端口的PWM数字调光信号；比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成控制信号包括：比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成比较信号，基于比较信号和PWM数字调光信号形成控制信号。
在一种实施方式中，DC-DC控制器包括：第一辅比较器、第二辅比较器、与门电路、辅基准电流源、辅基准锯齿波信号源和PWM数字调光信号源；第一辅比较器的负输入端和辅反馈端口连接，第一辅比较器的正输入端通过辅基准电流端口和辅基准电流源连接，第一辅比较器的输出端和第二辅比较器的正输入端连接；第二辅比较器的负输入端通过辅基准锯齿波信号端口和辅基准锯齿波信号源连接，第二辅比较器的输出端和与门电路的一个输入端连接，与门电路的另一个输入端通过PWM数字调光信号端口和PWM数字调光信号源连接；与门电路的输出端和辅控制端口连接；第一辅比较器用于：比较总电流和辅基准电流后形成电压误差信号；第二辅比较器用于：比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成比较信号；与门电路用于：将比较信号和PWM数字调光信号经过“与”计算后形成控制信号，将控制信号传输至辅功率开关管的控制端。
在一种实施方式中，非隔离PFC主变换器包括降压变换器、升压变换器、升降压变换器、丘克变换器、单端初级电感式变换器和零电压开关变换器中的一种。
在一种实施方式中，DC-DC辅变换器包括降压变换器、升压变换器、升降压变换器、反激变换器、正激变换器、丘克变换器、单端初级电感式变换器和零电压开关变换器中的一种。
本申请第二方面提供一种LED照明设备，包括本申请第一方面中任一项的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器。
本申请提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，形成多个总输出端口连接可以连接多个负载，则证明有多个通道，每个通道中，PFC功率变换单元给负载部分输出功率仅经过单级变换。DC-DC辅变换器提供给负载部分功率经过两级变换，也即整体上仅有部分功率经过两级变换，因此相较于每个通道所有输出功率均进行两次变换的方式，该种每个通道中仅部分功率经过两次变换的方式，可以降低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一种实施方式提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器的示意图；
图2是本申请另一种实施方式提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器的示意图；
图3是本申请另一种实施方式提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器的示意图；
图4是本申请另一种实施方式提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器的示意图；
图5是本申请一种可选实施方式提供的非隔离PFC主变换器的示意图；
图6是本申请一种可选实施方式提供的非隔离PFC主变换器的示意图；
图7是本申请一种可选实施方式提供的DC-DC辅变换器的示意图；
图8是本申请一种可选实施方式提供的DC-DC辅变换器的示意图；
图9是本申请一种可选实施方式提供的DC-DC辅变换器的示意图；
图10是本申请一种可选实施方式提供的DC-DC辅变换器的示意图。
附图标记说明：
非隔离PFC主变换器10，PFC功率变换单元11，电压变换器12，主绕组121，辅绕组122，DC-DC辅变换器20，PFC控制器30，DC-DC控制器40，交流电源50，负载60，主输入端口1、2，主输出端口3、4，辅输入端口5、6，辅输出端口7、8。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参考图1至图10，本申请一种实施方式提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，包括非隔离PFC主变换器10和多个DC-DC辅变换器20。此处多个意指两个或两个以上。
其中，非隔离PFC主变换器10包括PFC功率变换单元11、电压变换器12和主输出端口，电压变换器12包括主绕组121和辅绕组122；DC-DC辅变换器20包括辅输入端口和辅输出端口。上述电压变换器12可以为具有主绕组121和辅绕组122的双绕组类型的变压器或电感L1。
具体的，PFC功率变换单元11的输出端和主绕组121的一端连接；主绕组121的另一端和主输出端口连接；辅绕组122分别与多个DC-DC辅变换器20的辅输入端口连接；多个DC-DC辅变换器20的辅输出端口分别与主输出端口串联后形成多个总输出端口。
PFC功率变换单元11将接收到的交流电转换为直流电后，输出至主绕组121和辅绕组122；主绕组121将直流电转换为主电压后输出至主输出端口，主输出端口将主电压传输至总输出端口；辅绕组122将直流电转换为辅电压后，分别输出至多个DC-DC辅变换器20的辅输入端口；DC-DC辅变换器20接收来自辅输入端口的辅电压后，将辅电压处理后输出至辅输出端口，辅输出端口将辅电压传输至总输出端口，总输出端口接收到主电压和辅电压后输出总电压。
可以理解的是，非隔离PFC主变换器10还包括主输入端口。应用时，主输入端口连接交流电源50，各个总输出端口分别连接一个负载60。当然，该负载60可以为任何需要供电的设备，本申请实施方式中，以LED灯串作为负载60。主输出端口为负载60提供主电压，辅输出端口为负载60提供辅电压，那么负载60的总电压则为主电压和辅电压总和。上述主输出端口构成直流母线。
具体的，包括n个DC-DC辅变换器20，形成n个总输出端口，n为大于或等于2的正整数。非隔离PFC主变换器10的主输入端口输出主电压Vo，n个DC-DC辅变换器20的辅输出端口分别输出n个辅电压Vo21至Vo2n，n个总输出端口的总电压分别为Vo+Vo21至Vo+Vo2n，n个总输出端口的总电流分别为Io1至Ion。n个总输出端口分别连接n个LED灯串LED1至LEDn。
由上可见，本实施方式中，形成多少个总输出端口，则可以相应的连接多少个负载60，而每个负载60总电压为主电压和各自连接的辅电压的总和。也即，提供给每个负载60的主电压仅经过单级变换，提供给每个负载60的辅电压经过一级和二级两级变换。
由上可见，形成n个总输出端口连接n个负载60，则证明有n个通道，每个通道中，PFC功率变换单元11给负载60部分输出功率仅经过单级变换。DC-DC辅变换器20提供给负载60部分功率经过两级变换，也即整体上仅有部分功率经过两级变换，因此相较于每个通道所有输出功率均进行两次变换的方式，该种每个通道中仅部分功率经过两次变换的方式，可以降低功耗。
在一种可选实施方式中，主绕组121的电阻小于辅绕组122的电阻，因此电流相同的情况下，主绕组121的电压大于辅绕组122的电压，也即主电压大于辅电压，主输出端口的输出功率大于辅输出端口的输出功率。由此可以更好的提高转换效率。
由此可见，PFC功率变换单元11给负载60大部分输出功率仅经过单级变换。DC-DC辅变换器20提供给负载60小部分功率，虽然DC-DC辅变换器20提供的功率经过两级变换，但其仅处理小部分输出功率，即仅有小部分输出功率为两级变换。
具体的，假设非隔离PFC主变换器10的转换效率为ηPFC，各个DC-DC辅变换器20的转换效率均为ηDC-DC，PPFC、PDC-DC、Pout分别为非隔离PFC主变换器10输出功率、DC-DC辅变换器20输出功率和整体输出功率，则整体效率为：
Figure BDA0002919512180000071
设PDC-DC＝10％xPout，则：
Figure BDA0002919512180000072
另设ηDC-DC＝90％，则整体转换效ηtotal＝98.9％xηPFC。
由上可见，如果DC-DC辅变换器20的输出功率占比为10％时，即使DC-DC辅变换器20的转换效率低至90％，整体效率ηtotal接近99％，非常接近于纯单级转换器直接提供至LED灯串的转换效率。即使存在多个DC-DC辅变换器20，其整体效率仍然比较高，以两个DC-DC辅变换器20为例，整体效率可以达到99％*99％。因此本申请实施方式提供的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器功率损耗更低，且可以提高整体效率。
由上可见，该申请实施方式中，其中交流电源50提供的给每个通道的大部分电能经过单变换传输至LED灯串，小部分电能经过一级和二级变换传输至LED灯串。由此，每个通道的功耗均得以降低，整体转换效率得以提高。另外，由于每个通道中，DC-DC辅变换器20仅转换小部分电能，因此，其内部器件电压和电流应力也比较小，从而可以降低元器件成本。
在一种实施方式中请参考图2和图3，宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器还包括PFC控制器30；非隔离PFC主变换器10包括还包括主功率开关管Q1。主功率开关管Q1连接在PFC功率变换单元11的输出端和主绕组121的一端之间；或者，主功率开关管Q1和主绕组121的另一端连接。
其中，PFC控制器30包括主反馈端口a1、第一主采集端口a2、主控制端口a3、主基准电压端口a5和主基准锯齿波信号端口a4；主反馈端口a1和辅输出端口连接，第一主采集端口a2和辅绕组122连接，主控制端口a3和主功率开关管Q1的控制端连接。
辅输出端口将辅电压传输至主反馈端口a1，PFC控制器30接收来自主反馈端口a1的辅电压、来自第一主采集端口a2的辅绕组122的电压、来自主基准电压端口a5的主基准电压、以及来自主基准锯齿波信号端口a4的主基准锯齿波信号后。比较辅电压和主基准电压后形成电压误差信号；比较电压误差信号和主基准锯齿波信号后形成停止脉冲信号；基于辅绕组122的电压形成启动脉冲信号；利用停止脉冲信号和启动脉冲信号控制主功率开关管Q1的开通和关断。
该停止脉冲信号和启动脉冲信号可以形成脉冲宽度调制(pulse widthmodulation，PWM)信号，该PWM信号用于控制主功率开关管Q1。
也即，辅输出端口的辅电压通过主反馈端口a1反馈至PFC控制器30，主基准电压通过主基准电压端口a5提供至PFC控制器30，PFC控制器30比较辅电压和主基准电压，然后形成电压误差信号。接着，PFC控制器30将电压误差信号和主基准锯齿波信号比较后，生成停止脉冲信号；然后PFC控制器30可以利用该停止脉冲信号控制主功率开关管Q1的关断。
而辅绕组122的电压通过第一主采集端口a2反馈至PFC控制器30，PFC控制器30利用该辅绕组122的电压生成启动脉冲信号；然后PFC控制器30利用该启动脉冲信号控制主功率开关管Q1的开通。
上述控制方式，可以闭环控制辅电压，也可以实现输入电流和输出电压为同频同相正弦波，以达到功率因数校正和更好的功率因数，从而实现对电网的零污染。
在一种实施方式中，PFC控制器30还包括第二主采集端口a6；第二主采集端口a6和主功率开关管Q1连接。PFC控制器30还接收来自第二主采集端口a6的主功率开关管Q1的电压。比较电压误差信号和主基准锯齿波信号后形成停止脉冲信号包括：比较电压误差信号和主功率开关管Q1的电压后形成比较结果，比较主基准锯齿波信号和比较结果后形成停止脉冲信号。
也即，PFC控制器30在比较主基准锯齿波信号和电压误差信号之前，将电压误差信号和主功率开关管Q1的电压进行比较，再将比较结果和主基准锯齿波信号进行比较。由此可以对主功率开关管Q1的峰值电流进行控制。
在一种可选实施方式中，请参考图4，非隔离PFC主变换器10还包括第一主采集件和第二主采集件；第一主采集件连接在第二主采集端口a6和主功率开关管Q1之间，第二主采集件连接在第一主采集端口a2和辅绕组122之间。第二主采集端口a6通过第一主采集件采集主功率开关管Q1的电压，第一主采集端口a2通过第二主采集件采集辅绕组122的电压。可选的，上述第一主采集件和第二主采集件可以分别为电阻Ri和电阻Rdem。
通过设置第一主采集件和第二主采集件可以便于PFC控制精确采集所需要的信号，提高PFC控制主功率开关管Q1的精度。
在一种实施方式中，PFC控制器30包括主基准电压源、主基准锯齿波信号源、第一主比较器U1、第二主比较器U2、第三主比较器U3和触发器U4；触发器U4具有S端口、Q端口和R端口。
具体的，第一主比较器U1的负输入端和主反馈端口a1连接，第一主比较器U1的正输入端通过主基准电压端口a5和主基准电压源连接，第一主比较器U1的输出端和第二主比较器U2的正输入端连接；第二主比较器U2的负输入端和第二主采集端口a6连接，第二主比较器U2的输出端和第三主比较器U3的正输入端连接；第三主比较器U3的负输入端通过主基准锯齿波信号端口a4和主基准锯齿波信号源连接，第三主比较器U3的输出端和R端口连接；Q端口和主控制端口a3连接，S端口和第一主采集端口a2连接。
第一主比较器U1用于：比较辅电压和主基准电压后形成电压误差信号；第二主比较器U2用于：比较电压误差信号和主功率开关管Q1的电压后形成比较结果；第三主比较器U3用于：比较主基准锯齿波信号和比较结果后形成停止脉冲信号；触发器U4用于：基于辅绕组122的电压形成启动脉冲信号；利用停止脉冲信号和启动脉冲信号控制主功率开关管Q1的开通和关断。
详细的，第一比较器接收到主输出端口的辅电压和主基准电压后，比较主输出端口的辅电压和主基准电压，然后输出电压误差信号至第二比较器。第二比较器接收到电压误差信号和主功率开关管Q1的电压后，控制主功率开关管Q1的峰值电流，然后比较电压误差信号和主功率开关管Q1的电压，输出比较结果至第三比较器。第三比较器接收到比较结果和主基准锯齿波信号后，比较该比较结果和主基准锯齿波信号后输出一个信号至接触器的R端；接触器根据该一个信号生成停止脉冲信号，并通过接触器的Q端将该停止脉冲信号输出至主功率开关管Q1的控制端，以控制主功率开关管Q1的关断。接触器通过S端接收到辅绕组122的电压后，利用该辅绕组122的电压生成启动脉冲信号；然后将启动脉冲信号通过Q端输出至主功率开关管Q1的控制端，以控制主功率开关管Q1的开通。
利用上述结构的PFC控制器30，即可实现对非隔离PFC主变换器10的精准控制，其制作简单，成本较低，控制精准度也较高。
在一种实施方式中，宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器还包括：DC-DC控制器40；DC-DC辅变换器20还包括辅功率开关管Q2；DC-DC控制器40包括辅反馈端口b1、辅控制端口b2、辅基准电流端口b3和辅基准锯齿波信号端口b4；辅反馈端口b1和辅输出端口连接，辅控制端口b2和辅功率开关管Q2的控制端连接。
总输出端口接收到主电压和辅电压后还输出总电流；总电流被传输至辅反馈端口b1；DC-DC控制器40接收来自辅反馈端口b1的总电流、接收来自辅基准电流端口b3的辅基准电流、以及来自辅基准锯齿波信号端口b4的辅基准锯齿波信号之后，比较总电流和辅基准电流后形成电压误差信号；比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成控制信号，将控制信号传输至辅功率开关管Q2的控制端。上述控制策略可以实现对LED灯串的电流的闭环控制。
另外，上述PFC控制器30的控制策略和DC-DC控制器40的控制策略结合，还可以实现主输出端口的主电压和辅输出端口的辅电压纹波反向叠加而相互抵消，降低了总输出电压的纹波，从而降低了LED灯串的电流的纹波。
详细的，主电压Vo1和辅电压Vo2纹波反向叠加的目的是减小或抵消工频纹波。主输出端口的主电压Vo1存在工频纹波，但其串联了辅输出端口的辅电压Vo2，而DC-DC辅变换器20的DC-DC控制器40的电流反馈环中参考信号为辅基准电流Iref，该辅基准电流Iref为直流参考信号。
另外，DC-DC辅变换器20的开关频率远高于非隔离PFC主变换器10的开关频率，因此DC-DC辅变换器20的动态响应速度极快，理论上可以使辅输出端口和主输出端口串联形成的总输出端口的总电流Ios实时等于Iref，因此总电流Ios也无限接近于一个直流数值。同时，主输出端口与辅输出端口是串联关系，因此辅输出端口和主输出端口串联形成的总输出端口的总电流等于辅输出端口的电流，而辅输出端口的电流为一直流数值，所以总电流也为一直流数值，相当于抵消了主输出端口输出的工频纹波。
由上可见，DC-DC辅变换器20为快环控制，非隔离PFC主变换器10为慢环控制。本申请中，为了消除主输出端口的工频纹波，将主输出端口和辅输出端口串联，由此使得主输出端口的电流、辅输出端口的电流和总电流均相等。
DC-DC控制器40只控制输出电流Ios，而主电压Vo1或总电压Vo通过PFC控制器30控制。之所以如此设置原因在于，如果输出的总电压的幅值小于维持负载LED正常工作的电压幅值的话，单纯通过DC-DC控制器40控制维持不了负载所需要的输出直流电流，所以一方面要维持负载所需要的足够高输出电压；另一方面，输出的总电压幅值达到负载要求情况下，再通过DC-DC控制器40维持负载所需要的一个输出直流电流，并通过DC-DC控制器40的快速反馈环使输出电流无限趋向无工频纹波的直流值。从而实现，既能满足负载工作电压和电流需求，又能消除工频纹波。
另外，上述宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，上述PFC控制器30的控制策略和DC-DC控制器40的控制策略结合，其中辅输出模块输出的辅电压反馈至PFC控制器30，PFC控制器30基于该反馈的辅电压控制非隔离PFC主变换器10，由此，实现了辅电压的闭环控制。其中总输出端口的总电流反馈至DC-DC控制器40，DC-DC控制器40基于该反馈的总电流控制DC-DC转换器，由此，实现了总电流的闭环控制。
综上可见，辅电压通过PFC控制器30闭环控制为一个定值，总电流通过DC-DC控制器40恒流控制也为一个定值，那么在维持总电流恒定的条件下，PFC控制器30可以间接调整主电压的大小，从而使得总电压的范围较宽。且因主电压为单级变换，仅需要对辅电压进行双级变换，因此，所需要的元器件数量得以减少，发热程度降低，降低了成本，节约了资源。
另外，上述DC-DC控制器40还可以实现多通道LED灯串的独立调光。具体的，因每个LED灯串对应一个DC-DC辅变换器20，而每个DC-DC辅变换器20对应包括一个辅基准电流端口b3，因此只要调整提供至辅基准电流端口b3的辅基准电流的大小，即可实现模拟调光方式，从而实现各个LED灯串的独立调光。
在一种实施方式中，DC-DC控制器40还包括PWM数字调光信号端口。DC-DC控制器40还接收来自PWM数字调光信号端口的PWM数字调光信号。比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成控制信号包括：比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成比较信号，将比较信号和PWM数字调光信号经过“与”计算后形成控制信号。
该实施方式中，通过给每一个DC-DC控制器40中设置PWM数字调光信号端口，以增加PWM数字调光信号端口提供PWM数字调光信号，由此可以实现闭环控制的同时，通过各DC-DC控制器40各自的PWM数字调光信号端口自动调整各自连接的LED灯串的光，以实现多通道LED灯串的独立调光。
在一种实施方式中，请参考图4，DC-DC辅变换器20还包括辅采集件。辅输出端口通过辅采集件采集总输出端口的总电流。可选的，上述辅采集件可以为电阻Ro。该辅采集件可以将LED灯串的电流转换成电压提供至辅反馈端口b1。
在一种实施方式中，DC-DC控制器40包括：第一辅比较器U5、第二辅比较器U6、与门电路U7、辅基准电流源、辅基准锯齿波信号源和PWM数字调光信号源。
具体的，第一辅比较器U5的负输入端和辅反馈端口b1连接，第一辅比较器U5的正输入端通过辅基准电流端口b3和辅基准电流源连接，第一辅比较器U5的输出端和第二辅比较器U6的正输入端连接；第二辅比较器U6的负输入端通过辅基准锯齿波信号端口b4和辅基准锯齿波信号源连接，第二辅比较器U6的输出端和与门电路U7的一个输入端连接，与门电路U7的另一个输入端通过PWM数字调光信号端口和PWM数字调光信号源连接；与门电路U7的输出端和和辅控制端口b2连接。
第一辅比较器U5用于：比较总电流和辅基准电流后形成电压误差信号。第二辅比较器U6用于：比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号后形成比较信号；与门电路U7用于：将比较信号和PWM数字调光信号经过“与”计算后形成控制信号，将控制信号传输至辅功率开关管Q2的控制端。
具体的，第一辅比较器U5从辅基准电流端口b3接收辅基准电流，以及从辅反馈端口b1接收总电流后，比较总电流和辅基准电流以形成电压误差信号，将电压误差信号输出至第二辅比较器U6；第二辅比较器U6接收到电压误差信号和辅基准锯齿波信号后，比较电压误差信号和辅基准锯齿波信号以形成比较信号输出至与门电路U7，与门电路U7接收到PWM数字调光信号和比较信号后，将比较信号和PWM数字调光信号进行与计算，以生成辅功率开关管Q2的控制信号，然后将该控制信号输出至辅功率开关管Q2的控制端，以控制辅功率开关管Q2的开通和关断。上述结构的DC-DC控制器40，结构简单，控制精度较高，且成本较低。
利用上述结构的PFC控制器30，即可实现对非隔离PFC主变换器10的精准控制，其制作简单，成本较低，控制精准度也较高。
本领域技术人员可以理解的是，图1中示出了具有多个DC-DC辅变换器20情况，图3中示出了具有多个DC-DC辅变换器20和与多个DC-DC辅变换器20一一对应的DC-DC控制器40的情况。图2和图4中以其中一个DC-DC辅变换器20和DC-DC控制器40的结构和连接情况进行实示例，其他DC-DC辅变换器20和DC-DC控制器40的结构和连接关系与图2和图4中示出的相同。
具体的，请参考图4，包括n个DC-DC辅变换器20，对应的包括n个DC-DC控制器40，形成n个总输出端口，n为大于或等于2的正整数。非隔离PFC主变换器10的主输入端口输出主电压Vo，n个DC-DC辅变换器20的辅输出端口分别输出n个辅电压Vo21至Vo2n，n个总输出端口的总电压分别为Vo+Vo21至Vo+Vo2n，n个总输出端口的总电流分别为Io1至Ion。n个总输出端口分别连接n个LED灯串LED1至LEDn。
主输出端口和n个辅输出端口串联时，一一对应的设置n个滤波电容Co1至Con。n个DC-DC辅变换器20的辅输入端口一一对应的设置n个滤波电容Cb1至Cbn，n个DC-DC辅变换器20的辅输出端口一一对应的设置n个滤波电容Co21至Co2n。PFC控制器30通过n个整流二极管Ds1至Dsn一一对应的连接至n个辅输出端口。n个DC-DC控制器40分别连接有n个PWM数字调光信号源Dim1至Dimn。
在一种可选实施方式中，非隔离PFC主变换器10包括降压变换器、升压变换器、升降压变换器、丘克变换器、单端初级电感式变换器和零电压开关变换器中的一种。DC-DC辅变换器20包括降压变换器、升压变换器、升降压变换器、反激变换器、正激变换器、丘克变换器、单端初级电感式变换器和零电压开关变换器中的一种。
非隔离PFC主变换器10包括PFC功率变换单元11、整流二极管D5、整流二极管Db、电压变换器12、主功率开关管Q1。该几个单元可以构成降压变换器、升压变换器和升降压变换器等类型的非隔离PFC主变换器10。主功率开关管Q1还具有体二极管DQ1。主输入端口包括主输入端口1和主输入端口2。主输出端口包括主输出端口3和主输出端口4。
具体的，请参考图4，上述PFC功率变换单元11可以包括LC滤波电路、二极管全桥整流电路和滤波电容Cin。其中，LC滤波电路包括电容Cf和电感Lf，二极管全桥整流电路两个半桥电路，一个半桥电路为二极管D1和D3串联而成，另一个半桥电路为二极管D2和D4串联而成，且其中D1和D2位于上部，D3和D4位于下部。D1和D3之间具有第一节点，D2和D4之间具有第二节点。电感Lf的一端通过主输入端口1和交流电源50的的一极连接，另一端和第一节点连接；电容Cf的一端和电感Lf的另一端连接，电容Cf的另一端和第二节点均通过主输入端口2和交流电源50的另一极连接。滤波电容Cin和D2与D4形成的半桥并联。另外，上述两个半桥和滤波电容Cin并联后还接地。
请参考图4，以下详述降压变换器类型的非隔离PFC主变换器10的构成：
主功率开关管Q1的漏极和滤波电容Cin的一端连接，主功率开关管Q1的源极和主绕组121连接，主功率开关管Q1的栅极和触发器U4的Q端连接。整流二极管D5的一端和功率开关管的源极连接，另一端接地。整流二极管Db连接在辅绕组122的一端和辅输入端口5之间，辅绕组122的另一端接地。
请参考图5，以下详述升压变换器类型的非隔离PFC主变换器10的构成：
主绕组121的一端和滤波电容Cin连接，另一端和整流二极管D5的一端连接；整流二极管D5的另一端和主输出端口3连接；辅绕组122的一端通过整流二极管Db和辅输入端口5连接，辅绕组122的另一端直接和辅输入端口6连接。主功率开关管Q1的源极和主输出端口4连接，漏极连接在主绕组121和整流二极管D5之间，栅极和触发器U4的Q端连接。
请参考图6，以下详述升降压变换器类型的非隔离PFC主变换器10的构成：
主功率开关管Q1的源极和主输出端口4连接，漏极和滤波电容Cin连接，栅极和触发器U4的Q端连接；主绕组121的一端连接在主功率开关管Q1的源极和主输出端口4之间，另一端连接在滤波电容Cin和整流二极管D5的一端之间，整流二极管D5的另一端和主输出端口3连接；整流二极管Db连接在辅绕组122的一端和辅输入端口5之间，辅绕组122的另一端和辅输入端口6连接。
DC-DC辅变换器20包括辅功率开关管Q2、电感L2(或变压器T2)和整流二极管D7。其中，辅输入端口包括辅输入端口5和辅输入端口6。辅输出端口包括辅输出端口7和辅输出端口8。辅功率开关管Q2还具有体二极管DQ2。
请参考图4，以下详述降压变换器类型的DC-DC辅变换器20的构成：
辅功率开关管Q2的源极和电感L2的一端连接，漏极和辅输入端口5连接，栅极和第二辅比较器U6的输出端连接。电感L2的另一端和辅输出端口7连接，整流二极管D7的一端连接在辅功率开关管Q2的源极和电感L2的一端之间，整流二极管D7的另一端连接在辅输入端口6和辅输出端口8之间。
请参考图7，以下详述升压变换器类型的DC-DC辅变换器20的构成：
电感L2的一端和辅输入端口5连接，另一端和整流二极管D7的一端连接。整流二极管D7的另一端和辅输出端口7连接。辅功率开关管Q2的源极连接在辅输入端口6和辅输出端口8之间，漏极连接在电感L2和整流二极管D7之间，栅极和第二辅比较器U6的输出端连接。
请参考图8，以下详述升降压变换器类型的DC-DC辅变换器20的构成：
辅功率开关管Q2的源极和辅输出端口8连接，漏极和辅输入端口5连接，栅极和第二辅比较器U6的输出端连接。整流二极管D7连接在辅输入端口6和辅输出端口7之间。电感L2的一端连接在辅功率开关管Q2的源极和辅输出端口8之间，电感L2的另一端连接在辅输入端口6和整流二极管D7之间。
请参考图9，以下详述负压降压变换器类型的DC-DC辅变换器20的构成：
辅功率开关管Q2的源极和电感L2的一端连接，漏极和辅输入端口5连接，栅极和第二辅比较器U6的输出端连接。电感L2的另一端和辅输出端口7连接。整流二极管的一端连接在辅输入端口6和辅输出端口8之间，另一端连接在辅功率开关管Q2的源极和电感L2的一端之间。
请参考图10，以下详述反激变换器类型的DC-DC辅变换器20的构成：
其中，变压器T2包括第一绕组和第二绕组，其中第一绕组的一端和辅输入端口5连接，另一端和辅功率开关管Q2的漏极连接；辅功率开关管Q2的源极和辅输入端口6连接，辅功率开关管Q2的栅极和第二辅比较器U6的输出端连接；变压器T2的第二绕组的一端和整流二极管D7连接，整流二极管D7的另一端和辅输出端口7连接，第二绕组的另一端和辅输出端口8连接。
另外，电路中还设置有滤波电容Co1、Cb和Co2，其中，滤波电容Co1连接在主输入端口3和4之间，对主输入端口的输出电压进行滤波。滤波电容Cb连接在辅输入端口5和6之间，对辅输入端口的输入电压进行滤波。滤波电容Co2连接在辅输出端口7和8之间，对辅输出端口的输出电压进行滤波。
本申请实施方式还提供一种LED照明设备，其包括本申请任一种可选实施方式提供的的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述。

Claims (10)

1.一种宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，包括：非隔离PFC主变换器和多个DC-DC辅变换器；
所述非隔离PFC主变换器包括PFC功率变换单元、电压变换器和主输出端口，所述电压变换器包括主绕组和辅绕组；所述DC-DC辅变换器包括辅输入端口和辅输出端口；
所述PFC功率变换单元的输出端和所述主绕组的一端连接；所述主绕组的另一端和所述主输出端口连接；所述辅绕组分别与多个所述DC-DC辅变换器的所述辅输入端口连接；多个所述DC-DC辅变换器的所述辅输出端口分别与所述主输出端口串联后形成多个总输出端口；
所述PFC功率变换单元将接收到的交流电转换为直流电后，输出至所述主绕组和所述辅绕组；所述主绕组将所述直流电转换为主电压后输出至所述主输出端口，所述主输出端口将所述主电压传输至所述总输出端口；所述辅绕组将所述直流电转换为辅电压后，分别输出至多个所述DC-DC辅变换器的所述辅输入端口；所述DC-DC辅变换器接收来自所述辅输入端口的辅电压后，将辅电压处理后输出至所述辅输出端口，所述辅输出端口将所述辅电压传输至所述总输出端口，所述总输出端口接收到所述主电压和所述辅电压后输出总电压。
2.根据权利要求1所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器还包括：PFC控制器；所述非隔离PFC主变换器包括还包括：主功率开关管；
所述主功率开关管连接在所述PFC功率变换单元的输出端和所述主绕组的一端之间；或者，所述主功率开关管和所述主绕组的另一端连接；
所述PFC控制器包括主反馈端口、第一主采集端口、主控制端口、主基准电压端口和主基准锯齿波信号端口；所述主反馈端口和所述辅输出端口连接，所述第一主采集端口和所述辅绕组连接，所述主控制端口和所述主功率开关管的控制端连接；
所述辅输出端口将所述辅电压传输至所述主反馈端口，所述PFC控制器接收来自所述主反馈端口的所述辅电压、来自所述第一主采集端口的所述辅绕组的电压、来自所述主基准电压端口的主基准电压、以及来自所述主基准锯齿波信号端口的主基准锯齿波信号后；比较所述辅电压和所述主基准电压后形成电压误差信号；比较所述电压误差信号和所述主基准锯齿波信号后形成停止脉冲信号；基于所述辅绕组的电压形成启动脉冲信号；利用所述停止脉冲信号和所述启动脉冲信号控制所述主功率开关管的开通和关断。
3.根据权利要求2所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述PFC控制器还包括第二主采集端口；所述第二主采集端口和所述主功率开关管连接；
所述PFC控制器还接收来自所述第二主采集端口的所述主功率开关管的电压；
所述比较所述电压误差信号和所述主基准锯齿波信号后形成停止脉冲信号包括：比较所述电压误差信号和所述主功率开关管的电压后形成比较结果，比较所述主基准锯齿波信号和所述比较结果后形成停止脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述PFC控制器包括主基准电压源、主基准锯齿波信号源、第一主比较器、第二主比较器、第三主比较器和触发器；所述触发器具有S端口、Q端口和R端口；
所述第一主比较器的负输入端和所述主反馈端口连接，所述第一主比较器的正输入端通过所述主基准电压端口和所述主基准电压源连接，所述第一主比较器的输出端和所述第二主比较器的正输入端连接；所述第二主比较器的负输入端和所述第二主采集端口连接，所述第二主比较器的输出端和所述第三主比较器的正输入端连接；所述第三主比较器的负输入端通过所述主基准锯齿波信号端口和所述主基准锯齿波信号源连接，所述第三主比较器的输出端和所述R端口连接；所述Q端口和所述主控制端口连接，所述S端口和所述第一主采集端口连接；
所述第一主比较器用于：比较所述辅电压和所述主基准电压后形成电压误差信号；所述第二主比较器用于：比较所述电压误差信号和所述主功率开关管的电压后形成比较结果；所述第三主比较器用于：比较所述主基准锯齿波信号和所述比较结果后形成停止脉冲信号；所述触发器用于：基于所述辅绕组的电压形成启动脉冲信号；利用所述停止脉冲信号和所述启动脉冲信号控制所述主功率开关管的开通和关断。
5.根据权利要求1所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器还包括：DC-DC控制器；所述DC-DC辅变换器还包括：辅功率开关管；
所述DC-DC控制器包括辅反馈端口、辅控制端口、辅基准电流端口和辅基准锯齿波信号端口；所述辅反馈端口和所述辅输出端口连接，所述辅控制端口和所述辅功率开关管的控制端连接；
所述总输出端口接收到所述主电压和所述辅电压后还输出总电流；所述总电流被传输至所述辅反馈端口；所述DC-DC控制器接收来自所述辅反馈端口的所述总电流、接收来自所述辅基准电流端口的辅基准电流、以及来自所述辅基准锯齿波信号端口的辅基准锯齿波信号之后，比较所述总电流和所述辅基准电流后形成电压误差信号；比较所述电压误差信号和所述辅基准锯齿波信号后形成控制信号，将所述控制信号传输至所述辅功率开关管的控制端。
6.根据权利要求5所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述DC-DC控制器还包括：PWM数字调光信号端口；
所述DC-DC控制器还接收来自所述PWM数字调光信号端口的PWM数字调光信号；
所述比较所述电压误差信号和所述辅基准锯齿波信号后形成控制信号包括：比较所述电压误差信号和所述辅基准锯齿波信号后形成比较信号，基于所述比较信号和所述PWM数字调光信号形成控制信号。
7.根据权利要求6所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述DC-DC控制器包括：第一辅比较器、第二辅比较器、与门电路、辅基准电流源、辅基准锯齿波信号源和PWM数字调光信号源；
所述第一辅比较器的负输入端和所述辅反馈端口连接，所述第一辅比较器的正输入端通过所述辅基准电流端口和所述辅基准电流源连接，所述第一辅比较器的输出端和所述第二辅比较器的正输入端连接；所述第二辅比较器的负输入端通过所述辅基准锯齿波信号端口和所述辅基准锯齿波信号源连接，所述第二辅比较器的输出端和与门电路的一个输入端连接，所述与门电路的另一个输入端通过所述PWM数字调光信号端口和所述PWM数字调光信号源连接；所述与门电路的输出端和所述辅控制端口连接；
所述第一辅比较器用于：比较所述总电流和所述辅基准电流后形成电压误差信号；
所述第二辅比较器用于：比较所述电压误差信号和所述辅基准锯齿波信号后形成比较信号；
所述与门电路用于：将所述比较信号和所述PWM数字调光信号经过“与”计算后形成控制信号，将所述控制信号传输至所述辅功率开关管的控制端。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述非隔离PFC主变换器包括降压变换器、升压变换器、升降压变换器、丘克变换器、单端初级电感式变换器和零电压开关变换器中的一种。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器，其特征在于，所述DC-DC辅变换器包括降压变换器、升压变换器、升降压变换器、反激变换器、正激变换器、丘克变换器、单端初级电感式变换器和零电压开关变换器中的一种。
10.一种LED照明设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的宽电压非隔离AC-DC多通道驱动器。
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