CN113966032A - 一种基于反激电路的单级多路led驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，包括整流单元、改进型反激电路和LED灯负载电路，整流单元的输入端连接交流电源，整流单元的输出端连接改进型反激电路的输入端，改进型反激电路的输出端连接LED灯负载电路的输入端。本发明可为多路LED负载提供恒流或均流输出，具有电路简单、效率高等优点，不仅能够实现负载大范围亮度调节，还利用分时复用理论，实现了多单元整合，仅1个开关管完成能量的单级传输。

Description

一种基于反激电路的单级多路LED驱动器
技术领域
本发明涉及LED驱动技术领域，特别是一种基于反激电路的单级多路LED驱动器。
背景技术
LED作为电流型器件，其伏安特性及输出光特性均受驱动电流影响，若无引入均流措施，将造成大电流LED串发生光衰、加速老化甚至损坏，从而影响LED系统的整体寿命与稳定性。
常用的均流方法分为有源均流和无源均流，有源电路可提高均流的效率，但由于所需元件的数目比较多，会导致复杂程度和成本倍增；无源均流的方法主要是利用电容、磁性元件等无源器件使相邻两通道或多通道达到均流，目前无源均流的方法备受欢迎。
而传统的两级功率便变换的PFC变换器，常采用Boost变换器、Buck-Boost变换器等DC-DC变换器实现输入电流追踪输入电压的目的，后级变换器应对输入和输出干扰，此类拓扑结构有较强的抗干扰能力和简易的控制回路，但功率密度低、成本高，相对而言，单级传输效率高，稳定性高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，具有功率矫正的能力，可实现多路LED输出和大范围亮度调节。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，包括整流单元、改进型反激电路和LED灯负载电路，整流单元的输入端连接交流电源，整流单元的输出端连接改进型反激电路的输入端，改进型反激电路的输出端连接LED灯负载电路的输入端。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述改进型反激电路是由高频和低频脉宽调制共同控制，通过调整反激变换器中高频脉宽调制的占空比来实现LED灯负载电路的调幅调光控制，通过低频脉宽调制控制来调节LED灯负载电路中的发光二极管。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述改进型反激电路包括二极管D、反激变换器T1、第一开关MOS管Q、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，反激变换器T1的初级绕组一端与二极管D负极相连，二极管D正极接地。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述反激变换器T1的次级绕组两端分别与第一开关MOS管Q的源极和第二滤波电容C2的负极相连，第一开关MOS管Q的漏极与第一滤波电容C1的正极和第二滤波电容C2的正极均连接，第一开关MOS管Q的栅极接收控制信号。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述反激变换器T1的初级绕组与次级绕组的线圈匝数比为1:3。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述整流单元包括组成桥式整流电路的第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述整流单元的第一输出端分别连接反激变换器T1初级绕组的另一端和第一滤波电容C1与第二滤波电容C2的正极连接点，整流单元的第二输出端连接第一滤波电容C1的负极。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述第一滤波电容C1和第二滤波电容C2由极性相反的电压之和驱动。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述LED灯负载电路包括变压器T2和n个并列设置的负载LED灯串，变压器T2的初级侧两端分别与改进型反激电路中的第一滤波电容C1负极和第二滤波电容C2负极相连，变压器T2次级侧设置有n个与负载LED灯串相应的二次绕组，每个二次绕组分别连接一个负载LED灯串。
上述一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，所述变压器T2初级侧绕组与次级绕组的线圈匝数比为n:1。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明可为多路LED负载提供恒流或均流输出，具有电路简单、效率高、均流效果好等优点，不仅能够实现负载大范围亮度调节，还利用分时复用理论，实现了多单元整合，仅1个开关管完成能量的单级传输，相较于传统多路LED驱动器，效率得到了明显提升。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的驱动信号及输出电流波形的示意图；
图3为本发明的均衡等效电路图；
图4为本发明一实施例中两路LED负载电阻均为100Ω时电流仿真波形图；
图5为本发明一实施例中两路LED负载电阻分别为100Ω、140Ω时电流仿真波形图；
图6为本发明一实施例中输入电压为110V，负载为100Ω时输出电流仿真波形图；
图7为本发明一实施例中输入电压为90V，负载为100Ω时输出电流仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其电路原理图如图1所示，包括整流单元、改进型反激电路和LED灯负载电路，整流单元的输入端连接交流电源，整流单元的输出端连接改进型反激电路的输入端，改进型反激电路的输出端连接LED灯负载电路的输入端。
整流单元用来对交流电源进行整流，最后得到直流源，为负载供电，整流单元包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4，第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4组成桥式整流电路。
改进型反激电路包括二极管D、反激变换器T1、第一开关MOS管Q、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，反激变换器T1的初级绕组一端与二极管D负极相连，二极管D正极接地，反激变换器T1的次级绕组两端分别与第一开关MOS管Q的源极和第二滤波电容C2的负极相连，第一开关MOS管Q的漏极与第一滤波电容C1的正极和第二滤波电容C2的正极均连接，第一开关MOS管Q的栅极接收控制信号。
整流单元的第一输出端分别连接反激变换器T1初级绕组的另一端和第一滤波电容C1与第二滤波电容C2的正极连接点，整流单元的第二输出端连接第一滤波电容C1的负极。
本实施例中，反激变换器T1的初级绕组与次级绕组的线圈匝数比为1:3。
反激变换器T1和直流源两部分负责供电，其中反激变换器T1可作为电流调节器，调节负载亮度，而且反激变换器T1仅提供部分能量，因此功率器件电压和电流能力可显著降低。
第一滤波电容C1和第二滤波电容C2由极性相反的电压之和驱动。
改进型反激电路中的第一开关MOS管Q是由高频和低频脉宽调制共同控制，通过调整反激变换器T1中高频脉宽调制的占空比来实现负载的调幅调光控制，通过低频脉宽调制控制来调节LED灯负载电路中的发光二极管灯，可以防止发光二极管照明发生颜色偏移。
LED灯负载电路包括变压器T2和n个并列设置的负载LED灯串，变压器T2的初级侧两端分别与改进型反激电路中的第一滤波电容C1负极和第二滤波电容C2负极相连，变压器T2次级侧设置有n个与负载LED灯串相应的二次绕组，每个二次绕组分别连接一个负载LED灯串。变压器T2初级绕组与次级绕组的线圈匝数比为n:1。本实施例中，共设置了两个负载LED灯串LED1和LED2，相应地变压器T2的次级侧设置两个二次绕组，变压器T2初级绕组与次级绕组的线圈匝数比为2:1。
下面根据图2所示的驱动信号及输出电流波形的示意图来具体说明本发明的工作原理。
状态1：t0时刻，给第一开关MOS管Q触发信号，二极管D反向偏置，电容器以近似恒定的电压加到耦合电感；此时电感电流线性上升；电容C2为负载供电。第一开关MOS管Q关闭，此阶段结束。
状态2：t1时刻，第一开关MOS管Q和二极管D都关断；此时耦合电感将储存的能量释放至第一滤波电容C1，第一滤波电容C1和第二滤波电容C2为负载供电。当第一开关MOS管Q关闭时，第二滤波电容C2由输出电流充电，同时电感电流因直流电路电压降低而降低，当电感电流为0时，第二阶段结束。
下面以均流等效电路说明均流原理、均衡等效的原理图如图3所示。
LED驱动器是由反激变换器与直流电路电压源串联供电，因此，LED灯电压VLED如式(1)所示：
VLED＝Vc2-Vc1 (1)
在稳态时，LED可以用电压VC与电阻R总串联表示，因此LED上电压VLED如式(2)所示：
VLED＝VR+ILEDR总 (2)
其中，ILED为流经LED的电流，VC为与R总串联的接入电压，R总为两路LED并联等效电阻。
由式(1)和式(2)可得到ILED，如式(3)所示：
Figure BDA0003309387180000051
在第一阶段，电容以近似恒定的电压施加至耦合电感，电感电流线性上升。
因此，在第一阶段结束电流达到峰值LLEDPP。
Figure BDA0003309387180000061
其中，d为反激变换器的占空比，占空比d的变换范围为(0.1-0.9)，T为反激变换器的周期，LP为反激变换器T1的副边电感。
因电容C2由IP充电，ILED放电；根据电容充放电平衡原理，则
Figure BDA0003309387180000062
将式(2)和式(3)代入式(4)得
Figure BDA0003309387180000063
因此，LED的电流也可表示为
Figure BDA0003309387180000064
根据式(7)可得，VLED为
Figure BDA0003309387180000065
对式(7)和(8)分析可知，通过控制反激变换器的占空比，可影响输出电压，最终达到LED灯亮度调节的目的。
本实施例中，各元件的参数和器件选型结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003309387180000066
Figure BDA0003309387180000071
图4为本实施例在两路LED负载电阻均为100Ω时的电流仿真波形图，即LED1和LED2波形重复；图5为本实施例在不同LED负载状态下的电流仿真波形图，即当负载分别为100Ω和140Ω时，电路工作在DCM模式下变压器占空比和输出电流的波形。图4的占空比为0.812，图5的占空比为0.876，从图中可看出，各支路电流在很短的时间内达到稳态值，即350mA附近，说明本发明所提出均流拓扑均流效果好，其最大纹波为12mA，在可接受范围内(10％)，LED照明不会闪烁，同时不会对眼睛造成视觉疲劳和伤害。
图6和图7分别示出了本实施例在不同输入电压状态下的驱动信号和输出电流波形，图6和图7的输入电压分别是110V和90V。其中，图6的占空比为0.812，图7的占空比为0.9，可以发现，所述的反激变换器通过PWM调控后，可实现负载大范围亮度调节，同时改变输入电压也可使电流幅值均可稳定在350mA，证明系统稳定性高。

Claims (10)

1.一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：包括整流单元、改进型反激电路和LED灯负载电路，整流单元的输入端连接交流电源，整流单元的输出端连接改进型反激电路的输入端，改进型反激电路的输出端连接LED灯负载电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述改进型反激电路是由高频和低频脉宽调制共同控制，通过调整反激变换器中高频脉宽调制的占空比来实现LED灯负载电路的调幅调光控制，通过低频脉宽调制控制来调节LED灯负载电路中的发光二极管。
3.根据权利要求2所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述改进型反激电路包括二极管D、反激变换器T1、第一开关MOS管Q、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，反激变换器T1的初级绕组一端与二极管D负极相连，二极管D正极接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述反激变换器T1的次级绕组两端分别与第一开关MOS管Q的源极和第二滤波电容C2的负极相连，第一开关MOS管Q的漏极与第一滤波电容C1的正极和第二滤波电容C2的正极均连接，第一开关MOS管Q的栅极接收控制信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述反激变换器T1初级绕组与次级绕组的线圈匝数比为1:3。
6.根据权利要求4所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述整流单元包括组成桥式整流电路的第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4。
7.根据权利要求6所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述整流单元的第一输出端分别连接反激变换器T1初级绕组的另一端和第一滤波电容C1与第二滤波电容C2的正极连接点，整流单元的第二输出端连接第一滤波电容C1的负极。
8.根据权利要求7所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述第一滤波电容C1和第二滤波电容C2由极性相反的电压之和驱动。
9.根据权利要求7所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述LED灯负载电路包括变压器T2和n个并列设置的负载LED灯串，变压器T2的初级侧两端分别与改进型反激电路中的第一滤波电容C1负极和第二滤波电容C2负极相连，变压器T2次级侧设置有n个与负载LED灯串相应的二次绕组，每个二次绕组分别连接一个负载LED灯串。
10.根据权利要求9所述的一种基于反激电路的单级多路LED驱动器，其特征在于：所述变压器T2初级侧绕组与次级绕组的线圈匝数比为n:1。
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