CN202514138U - 一种无电解电容的驱动电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无电解电容的LED驱动电源，属于LED驱动电源领域。一种无电解电容的LED驱动电源，包括市电整流电路、PFC电路、DC/DC电路、双向变换器、陶瓷电容、数字控制电路，其中市电信号经过市电整流电路整流后输入PFC电路，PFC电路后接入陶瓷电容、DC/DC电路和双向变换器分别与陶瓷电容并联，DC/DC电路后接入LED负载，LED负载输出电流采样信号给数字控制电路，数字控制电路分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。本实用新型用陶瓷电容代替电解电容，电源使用寿命高，体积小，同时具有很好的纹波性能和PFC性能。

Description

一种无电解电容的驱动电源

技术领域

本实用新型属于一种驱动电源，具体而言属于LED驱动电源。

背景技术

随着LED的发展，对LED驱动电源的要求也越来越高，高性能，高可靠性，长寿命是LED驱动电源设计的关键特性。

LED的使用寿命可达3万～10万小时，传统的LED驱动电源中含有电解电容，而电解电容存在以下缺点：

1.寿命比较短，约为5000小时，且体积较大。

2.电解电容会发生电解液泄漏。

3.电解电容随环境温度的升高性能逐渐恶化。

4.电解电容的耐温性能和耐冲击新能很差，降低了可靠性。

电解电容的本身特性造成了LED与驱动电源寿命不匹配的问题。

为了解决以上问题，可以采用陶瓷电容直接代替电解电容。陶瓷电容的寿命要远高于电解电容，且陶瓷电容的体积较小。但是，这种用陶瓷电容代替电解电容的方法是以牺牲纹波性能和PFC性能为代价的。同时，就陶瓷电容大小的选择而言，纹波大则相应电容会减小，但是过大的纹波引起系统不稳定和频闪等问题，因此需合理选择陶瓷电容的大小。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对以上用陶瓷电容直接代替电解电容的驱动方式的不足，提供一种同时具有很好的纹波性能与PFC性能的使用陶瓷电容的无电解电容的LED驱动电源。

为了实现上述目标，本实用新型采用的技术方案是：一种无电解电容的LED驱动电源，包括市电整流电路、PFC电路、DC/DC电路、双向变换器、陶瓷电容、数字控制电路，其中市电信号经过市电整流电路整流后输入PFC电路，PFC电路后接入陶瓷电容、DC/DC电路和双向变换器分别与陶瓷电容并联，DC/DC电路后接入LED负载，LED负载输出电流采样信号给数字控制电路，数字控制电路分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。

上述的技术方案还可以进一步优化为：所述PFC电路为Boost电路，包括第一开关管、第一二极管、第一电感，所述陶瓷电容连接在第一二极管负端和PFC电路电源负端之间。

上述的技术方案还可以进一步优化为：所述市电整流电路为整流桥。

上述的技术方案还可以进一步优化为：所述DC/DC电路为反激变换器电路，包括第二开关管、变压器、第二二极管、反激变换器电容。

上述的技术方案还可以进一步优化为：所述双向变换器包括第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管、双向变换器电感、双向变换器电容。

上述的技术方案还可以进一步优化为：所述数字控制电路包括A/D转换模块、数字控制模块、PWM调制模块及驱动模块，LED负载输出的电流采样信号通过A/D转换模块输出到数字控制模块，数字控制模块输出数字控制信号到PWM调制模块，PWM调制模块输出PWM调制信号到驱动模块，驱动模块输出驱动信号分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。

上述的技术方案还可以进一步优化为：所述数字控制模块为DSP控制电路或单片机控制电路。

上述的技术方案还可以进一步优化为：还包括保护电路，用于提供过压保护、过温保护。

因陶瓷电容代替电解电容是以PFC性能为代价的，因此该无电解电容的LED驱动电源采用两级式驱动方式，两级式驱动可在全电压范围内实现功率因素校正和恒流输出。前级为PFC电路，后级为DC/DC电路。

PFC电路选用Boost电路作为主电路，调节功率因素，使电流始终跟踪电压，使得功率因素趋近于1。该电路工作在CCM模式下。

陶瓷电容平衡PFC电路的输入功率和输出功率，电压平均值和电压最大值决定陶瓷电容的大小。

双向变换器与陶瓷电容并联，作为引出和引入倍频纹波，同时平衡输入输出功率，其作用于储能电容的作用相似。

DC/DC电路选用反激变换器作为主电路，通过调节占空比调节输出电压，保证恒流驱动LED。反激变换器工作在DCM模式下，使开关管软启动，避免电流尖峰和浪涌电压对开关管的冲击。

数字控制电路包括A/D转换模块、数字控制模块、PWM调制模块及驱动模块，通过数字控制分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。将模拟量转换为数字量，根据数字控制方法实现信号的控制。同时数字控制电路提供PWM调制信号，通过驱动电路转换为驱动信号控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。

本实用新型的有益效果为：在传统的电解电容LED驱动电源中，电解电容主要起滤波及储能的作用。在本实用新型中，用陶瓷电容代替电解电容起到滤除高频纹波的作用，但不能代替电解电容的储能作用。因此在陶瓷电容后端并联双向变换器，平衡输入和输出功率。同时陶瓷电容又能吸收双向变换器反向流出的高频纹波。通过用陶瓷电容代替电解电容，并在陶瓷电容两端并联双向变换器的方式，延长了LED驱动电源的寿命，减小LED驱动电源体积。同时使用了PFC电路，可以有效的提升本电路的PFC性能。

附图说明

图1为无电解电容的LED驱动电源的电路原理图。

图2为输入电压电流及输出功率波形图。

图3为无电解电容的LED驱动电源PFC和DC/DC电路连接图。

图4为双向变换器电路原理图。

图5为PFC电路原理图。

图6为DC/DC电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型的无电解电容的LED驱动电源，包括市电整流电路、PFC电路、陶瓷电容C_b、双向变换器、DC/DC电路、数字控制电路、保护电路。

市电不整流电路由四个整流二极管D5、D6、D7、D8组成。PFC电路包括第一开关管Q1、第一二极管D1、第一电感L1。第一电感L1正端连接PFC电路电源正端，第一二极管D1正端连接第一开关管Q1的漏极，第一二极管D1与第一开关管Q1的漏极分别连接第一电感L1的负端。PFC电路工作在CCM模式，保证在全功率范围内进行调节。

陶瓷电容C_b接入PFC电路后，第一二极管D1负端与陶瓷电容C_b连接，陶瓷电容C_b另一端与第一开关管Q1源极同时接PFC电路电源负端。陶瓷电容C_b滤除高频纹波，降低LED驱动电流的峰值。陶瓷电容大小选择：

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{2}{C}_b({V_{c\_\max }}^2-{V_{c\_\min }}^2)$

ΔE为恒定的电容能量脉动，Vc为陶瓷电容C_b端的电压。

假设电容能量脉动不变，陶瓷电容C_b的大小由PFC电路输出平均电压及纹波电压最大值决定，纹波电压越大，则陶瓷电容C_b越小，但此时电压最大值会相应增大，对陶瓷电容的储能提出了更高的要求。因此，电压最大值和电压平均值必须控制在一定范围内，确保陶瓷电容滤波性能都能够满足LED稳定驱动条件。

陶瓷电容C_b滤除高频纹波，同时还需平衡输入和输出功率装置，即储能。如图2所示，为系统的输入电压电流及输出功率的波形图，输入电压电流均为工频正弦波，基于LED的恒压负载特性，输出电压应为平直电压，因此系统存在两倍的工频能量，将陶瓷电容C_b与双向变换器并联，平衡输入输出功率。

如图4所示，双向变换器为Buck-Boost结构，包括第三开关管Q3、第四开关管Q4、第三二极管D3、第四二极管D4、双向变换器电感、双向变换器电容。从陶瓷电容C_b侧到双向变换器电容侧工作在Buck模式，定义为模式1。从双向变换器电容侧到陶瓷电容侧C_b工作在Boost模式，定义为模式2。引入倍频电流时，第三开关管Q3工作。将双向变换器能量注入驱动电源时，第四开关管Q4工作。双向变换器工作在模式1时，流入双向变换器的电流is为PFC电路输出电流中的两倍工频电流。可通过电流互感器采样PFC输出电流，然后通过滤波电路和隔直电容采样两倍工频电流分量。双向变换器工作在模式2时，陶瓷电容C_b可吸收高频纹波分量。

陶瓷电容C_b后级接入DC/DC电路，DC/DC电路包括第二开关管Q2、变压器、第二二极管D2、反激变换器电容。通过调节DC/DC电路的占空比，调节输出电压，从而进一步调节驱动LED电流。DC/DC电路工作在DCM模式，使得开关管为软启动，减小开通损耗，避免电流尖峰及浪涌电压。

数字控制电路包括A/D转换模块、数字控制模块、PWM调制模块及驱动模块，通过数字控制分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。将模拟量转换为数字量，根据数字控制方法实现信号的控制。同时数字控制电路提供PWM调制信号，通过驱动电路转换为驱动信号控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。可选用DSP或者单片机进行数字控制，对控制芯片的选择不作特别说明，根据实际需求选择。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本实用新型的。在不脱离本实用新型之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (8)

1.一种无电解电容的驱动电源，其特征在于：包括市电整流电路、PFC电路、DC/DC电路、双向变换器、陶瓷电容、数字控制电路，其中市电信号经过市电整流电路整流后输入PFC电路，PFC电路后接入陶瓷电容、DC/DC电路和双向变换器分别与陶瓷电容并联，DC/DC电路后接入LED负载，LED负载输出电流采样信号给数字控制电路，数字控制电路分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。

2.根据权利要求1所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：所述PFC电路为Boost电路，包括第一开关管、第一二极管、第一电感，所述陶瓷电容连接在第一二极管负端和PFC电路电源负端之间。

3.根据权利要求1所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：所述市电整流电路为整流桥。

4.根据权利要求1所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：所述DC/DC电路为反激变换器电路，包括第二开关管、变压器、第二二极管、反激变换器电容。

5.根据权利要求1所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：所述双向变换器包括第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管、双向变换器电感、双向变换器电容。

6.根据权利要求1所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：所述数字控制电路包括A/D转换模块、数字控制模块、PWM调制模块及驱动模块，LED负载输出的电流采样信号通过A/D转换模块输出到数字控制模块，数字控制模块输出数字控制信号到PWM调制模块，PWM调制模块输出PWM调制信号到驱动模块，驱动模块输出驱动信号分别控制PFC电路、DC/DC电路和双向变换器。

7.根据权利要求6所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：所述数字控制模块为DSP控制电路或单片机控制电路。

8.根据权利要求1~6任一所述的无电解电容的驱动电源，其特征在于：还包括保护电路，用于提供过压保护、过温保护。

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