CN201830521U - 离线式大功率led恒流驱动电源 - Google Patents

离线式大功率led恒流驱动电源 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种离线式大功率LED恒流驱动电源,它包括电磁兼容电路EMI、输入整流滤波电路、PWM控制芯片N1、变压器T1、输出整流滤波电路、保护电路、反馈控制电路及集成运放采样电路,所述电磁兼容电路EMI通过输入整流滤波电路依次与PWM控制芯片N1、变压器T1、输出整流滤波电路、集成运放采样电路及反馈控制电路连接,反馈控制电路与保护电路分别与PWM控制芯片N1连接。本实用新型的优越性在于改进了传统TOPSwitch拓扑结构,省去实现恒流输出的专用控制芯片及其外围电路,极大降低了成本,避免了使用两个PWM控制器造成的互相干扰,改善了电磁兼容性,具有拓扑结构简单、工作可靠、纹波较低等特点,可广泛用于路灯、隧道灯、射灯、室内照明等大功率LED驱动电源设计当中。

Description

离线式大功率LED恒流驱动电源技术领域
[0001] 本实用新型涉及LED驱动电源领域,特别涉及一种基于运算放大器采样反馈实现 的离线式大功率LED恒流驱动电源。背景技术
[0002] 面对日益严重的能源危机和温室效应,人类如何改变对能源的获取方式并提高使 用效率已经成为亟待解决的问题。据统计,照明用电约占世界总电能消耗的19%,在我国这 个比例约为12%,并以每年5%的速度增长。可以看出,照明能耗已成为能源消耗的重要组成 部分。如何实现照明节能也就成为了研究的热点问题。
[0003] LED相比传统光源具有节能、环保、使用寿命长、体积小、光线集中、响应时间短、 光衰低、显色性高等特点,受到越来越多的专业人士青睐,为照明技术领域提供了更多的选 择。由于LED具有和普通二极管相似的半导体特性,为更好的发挥其优势,一般应采用恒流 源作为驱动。恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源。恒流源的设计方法有很多种,使用 FET和稳压二极管可以设计出最简单的恒流源,但稳定度较差,并且电流值越大其功率损耗 就越大,显然违背了节能的初衷,因此不适于大功率LED照明领域的应用。也可以采用集成 运放和FET构成线性恒流源,然而线性电源一般效率较低,并且对于大功率应用而言,电源 需要由电网直接供电,不得不配备体积庞大笨重的工频变压器,因而同样不适用于大功率 LED照明,一般用于蓄电池的放电。也有使用两级PWM控制器实现恒流的方法,首先将电网 电压通过AC-DC变换电路转换为适合驱动LED的恒定低电压值,然后通过DC-DC控制电路 最终实现恒流输出,这种方法使用了两种PWM控制芯片,电路元器件的成本比单级PWM控制 电路高出一倍,两级PWM控制芯片会互相干扰,使电路工作不稳定,并产生较大辐射,造成 严重电磁兼容问题,影响连接到电网中其他用电设备工作的稳定性,这种电源设计复杂,出 现问题不便于维护,无形中又提高了人工成本,因此不适于批量生产。如何设计一种基于单 级PWM控制器的低成本高能效的大功率LED恒流驱动电源是LED照明应用领域的重要课 题。发明内容
[0004] 本实用新型的目的在于针对现有技术的不足,提供一种离线式大功率LED恒流驱 动电源。它采用PI公司生产的TOPSwitCh-HX芯片为控制核心,恒流控制部分使用集成运 放采样电路,并结合稳压器件TL431与光耦元件构成反馈控制电路来改变PWM占空比,从而 达到恒流的目的。
[0005] 本实用新型为实现上述目的,所采取的技术方案是:一种离线式大功率LED恒流 驱动电源,其特征在于:包括电磁兼容电路EMI、输入整流滤波电路、PWM控制芯片Ni、变压 器Tl、输出整流滤波电路、保护电路、反馈控制电路及集成运放采样电路,所述电磁兼容电 路EMI通过输入整流滤波电路依次与PWM控制芯片Ni、变压器Tl、输出整流滤波电路、集成 运放采样电路及反馈控制电路连接,所述反馈控制电路与保护电路分别与PWM控制芯片m连接。
[0006] 本实用新型的优越性在于改进了传统TOPSwitch拓扑结构,省去实现恒流输出的 专用控制芯片及其外围电路,极大降低了成本,避免了使用两个PWM控制器造成的互相干 扰,改善了电磁兼容性,具有拓扑结构简单、工作可靠、纹波较低等特点,可广泛用于路灯、 隧道灯、射灯、室内照明等大功率LED驱动电源设计当中。附图说明
[0007] 图1为本实用新型电路连接框图。
[0008] 图2为本实用新型电路图。
[0009] 图3为本实用新型的占空比与控制电流关系示意图。 具体实施方式
[0010] 为了更清楚的理解本实用新型,结合附图和实例详细描述本实用新型:离线式大 功率LED恒流驱动电源设计了一种宽电压输入18V,1. 8A输出的单端反激式恒流源,可用于 驱动30W大功率LED模组。如图1所示,离线式大功率LED恒流驱动电源,包括电磁兼容电 路EMI、输入整流铝箔电路、PWM控制芯片Ni、变压器Tl、输出整流滤波电路、保护电路、反馈 控制电路及集成运放采样电路,电磁兼容电路EMI通过输入整流滤波电路依次与PWM控制 芯片Ni、变压器Tl、输出整流电路、集成运放采样电路及反馈控制电路连接,反馈控制电路 与保护电路分别与PWM控制芯片W连接。该结构简化了驱动电路,减少了电路原器件, 减小了电源体积,降低了成本。交流电经过整流滤波后被T0P2M分割为高频方波,而后通 过单端反激式高频变压器将电能传输给次级,最后通过反馈控制使输出电流稳定在1. 8A。
[0011] 如图2所示,集成运放采样电路及反馈控制电路连接为:稳压芯片N4的3脚接电 解电容C15的负极、2脚接电解电容C16的负极、1脚和电解电容C15的正极及电解电容C16 的正极连接并接地,光耦器件N5的3脚接电阻R7、电容C12的一端,电阻R7的另一端通过 电容C13接电容C12的另一端,光耦器件N5的1脚接电阻R5 —端,光耦器件N5的2脚分别 连接电容Cll 一端及稳压器V8的1脚,电容Cll的另一端分别连接电容C10、电阻R8的一 端及稳压器V8的2脚、集成运放芯片N2A的1脚,集成运放芯片N2A的8脚接稳压芯片N3 的2脚,4脚接稳压芯片N4的2脚,集成运放芯片N2A的2脚分别接电阻R8、电容ClO的另 一端及电阻R9的一端,3脚分别接电阻R10、电阻R14、电容C14的一端,电阻R14、电容C14 的另一端接稳压器V8的3脚、可变电阻R13的1脚、电阻R12的一端及地,可变电阻R13的 3脚、2脚相接并通过电阻Rll接电阻RlO的另一端及三极管V6的集电极,电阻R12的另一 端接电阻R9的另一端及LED接口 2,LED接口 1接电阻R3 —端及稳压二极管V4的阴极、电 解电容C2的正极及稳压芯片N3的1脚,电阻R3的另一端接三极管V6的发射极,三极管V6 的基极接稳压二极管V4的正极及电阻R6的一端,电阻R6的另一端接地,电解电容C2的负 极接稳压芯片N3的3脚、电解电容C3的负极及地,电解电容C3的正极接稳压芯片N3的2 脚。
[0012] 整流滤波电路分为输入整流滤波和输出整流滤波,输入整流滤波可选择技术 成熟的整流桥和大容量电解电容实现;输出整流滤波由整流二极管和滤波电容构成,输出 整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一,是影响开关电源效率的主要因4素,包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低,因此具 有更低的正向导通损耗。此外,肖特基二极管反向恢复时间短,在降低反向恢复损耗,以 及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势,选用肖特基二极管作为整流二极管。对 输出滤波电容,应选用等效串联阻抗低耐压高的电容。
[0013] EMI电路由保险管、X电容和共模扼流圈构成,可以抑制电网中的共模及差模干 扰,并对短路故障提供物理保护功能。
[0014] PWM控制电路由PI公司生产的TOPSwitch-HX系列芯片构成。TOPSwitch-HX以经 济高效的方式将一个700V的功率M0SFET、高压开关电流源、PWM控制器、振荡器、热关断保 护电路、故障保护电路及其它控制电路集成在一个单片器件内,降低了电路的设计难度和 设计成本。
[0015] TOPSwitch-HX系列芯片包括Τ0Ρ252462,可根据实际应用需求从此系列中选择 不同型号和封装的芯片。
[0016] 过压欠压保护电路功能由连接到电压检测引脚V (Y、Ε、M封装)或多功能引脚M (P、G封装)上的单电阻来设定。在断电时,欠压检测可防止电源在输出失调后自动重启动, 也能防止断电时由输入大容量电容缓慢放电而产生的干扰;过压保护用于输入出现尖峰电 压时强制关断TOPSwitch-HX,以避免对电源和用电设备造成损害。
[0017] 钳位保护电路主要由瞬态电压抑制二极管和超快回复二极管构成,可以确保将内 部MOSFET的漏极电压限制在一定范围内,同时还可以提高效率及降低空载功率消耗,并且 在旁路并联了 RC滤波器用来吸收漏感。
[0018] 高频变压器是开关电源的关键器件,在电路中兼有储能、限流和隔离作用。交流 电在经过整流滤波及高频变换后加载到高频变压器的初级绕组上,在T0P2M中集成的MOS 管处于连通期间,变压器的初级绕组进行充电,极性为“上正下负”,次级绕组输出均被整流 二极管关断;在MOS管关断期间,初级绕组电压发生越变,极性与之前相反,电能以磁能的 方式传递到次级绕组进行输出。
[0019] 反馈电路包括集成运放采样电路和反馈控制电路,集成运放采样电路由输出电流 采样电阻、集成运放比较放大电路、运放基准源电路构成,反馈控制电路由TL431、限流电阻 和光耦元件组成。集成运放基准源与采样电阻的采样电压做减法运算,并将差值进行比例 放大。集成运放的输出端连接TL431控制端,可以通过控制TL431的阴极电位改变反馈电 流的大小,进而改变PWM占空比,达到稳定输出电流的目的。
[0020] 反馈电路的工作原理为:当输出电流变小时,运放输出端电压将大于2. 5V,使 TL431阴极电位减小,光耦反馈电流增大,反馈电流流入T0P254的C端,使PWM占空比减 小,,导致次级绕组输出时间增加,从而提高了电源的输出电流,PWM占空比与光耦反馈电流 的关系如图3所示;当输出电流小于1. 8A时,工作过程与上述相反,因此实现了恒流输出的 目的。
[0021] 集成运放基准源由简易恒流源和基准电阻构成,简易恒流源由稳压二极管和三极 管构成,设计为输出ImA的恒定电流,其流过基准电阻即可形成基准电压,基准电压的大小 由基准电阻决定。基准电阻可串联一个电位器,以便进行调整。

Claims (2)

1. 一种离线式大功率LED恒流驱动电源,其特征在于:包括电磁兼容电路EMI、输入整 流滤波电路、PWM控制芯片Ni、变压器Tl、输出整流滤波电路、保护电路、反馈控制电路及集 成运放采样电路,所述电磁兼容电路EMI通过输入整流滤波电路依次与PWM控制芯片m、变 压器Tl、输出整流电路、采样运放电路及反馈控制电路连接,所述反馈控制电路与保护电路 分别与PWM控制芯片m连接。
2.根据权利要求1所述的离线式大功率LED恒流驱动电源,其特征在于:所述集成运 放采样电路及反馈控制电路连接为:稳压芯片N4的3脚接电解电容C15的负极、2脚接电 解电容C16的负极、1脚和电解电容C15的正极及电解电容C16的正极连接并接地,光耦器 件N5的3脚接电阻R7、电容C12的一端,电阻R7的另一端通过电容C13接电容C12的另一 端,光耦器件N5的1脚接电阻R5 —端,光耦器件N5的2脚分别连接电容Cll 一端及稳压 器V8的1脚,电容Cll的另一端分别连接电容C10、电阻R8的一端及稳压器V8的2脚、集 成运放芯片N2A的1脚,集成运放芯片N2A的8脚接稳压芯片N3的2脚,4脚接稳压芯片 N4的2脚,集成运放芯片N2A的2脚分别接电阻R8、电容ClO的另一端及电阻R9的一端,3 脚分别接电阻R10、电阻R14、电容C14的一端,电阻R14、电容C14的另一端接稳压器V8的 3脚、可变电阻R13的1脚、电阻R12的一端及地,可变电阻R13的3脚、2脚相接并通过电 阻Rll接电阻RlO的另一端及三极管V6的集电极,电阻R12的另一端接电阻R9的另一端 及LED接口 2,LED接口 1接电阻R3 —端及稳压二极管V4的阴极、电解电容C2的正极及稳 压芯片N3的1脚,电阻R3的另一端接三极管V6的发射极,三极管V6的基极接稳压二极管 V4的正极及电阻R6的一端,电阻R6的另一端接地,电解电容C2的负极接稳压芯片N3的3 脚、电解电容C3的负极及地,电解电容C3的正极接稳压芯片N3的2脚。
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