CN202587528U - 一种led恒流驱动电源 - Google Patents

Abstract

一种LED恒流驱动电源，涉及一种用于LED照明的驱动电源。设有恒压部分和恒流部分，恒压部分设有整流滤波电路、Boost升压型斩波电路、有源功率因数校正控制电路和谐波注入电路，有源功率因数校正控制电路设有采样电路、给定电压产生电路、第1比较器、电压控制电路、乘法器、第2比较器和电流跟踪控制电路；所述恒流部分设有至少2个恒流源，所述至少2个恒流源并联，所有恒流源的输出端接负载。功率因数较高，使用寿命较长。

Description

一种LED恒流驱动电源

技术领域

本实用新型涉及一种用于LED照明的驱动电源，尤其是涉及一种当负载由多组LED并联，且对功率因数及其电源寿命有严格要求的LED驱动电源。

背景技术

LED照明由于具有环保、寿命长、高可靠性、发光效率高、显色指数高、方向性好、结构牢固等特点，正在迅速崛起和发展，成为实施绿色节能照明工程中最具有前途的第四代光源。目前随着LED行业的日趋成熟，低频谐波抑制的电磁兼容规范标准在国内外的强制实施，作为LED的供电电源，除了要求高效率、高可靠性等，还必须具有高输入功率因数，寿命与LED的寿命匹配、以及当负载为多路并联时为各支路分别恒流供电的要求。

LED的供电电源是一个AC/DC变换器，是将市电变换为直流电供给LED灯具的驱动器。Energy Star标准规定：商业照明的供电设备的功率因数不得低于0.9。因此，AC/DC变换器必须具有功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)的功能，当前多采用的是有源功率因数校正方式。然而，采用传统的有源功率因数校正方式，由于输入功率是脉动的，而输出功率是平直的，因此需要储能电容来平衡瞬时输入功率和输出功率。一般储能电容容值较大，所以通常选用电解电容。但是电解电容的寿命对温度非常敏感，较高的工作温度将加速内部电解液的蒸发，而当电解液的量减少到一定程度时，电解电容的寿命也就基本结束。LED灯具本身是一个长寿命的器件，可达10万小时，因此电解电容的存在影响了LED驱动电源的寿命。

随着LED行业的逐步发展，用LED作为显示器或其他照明设备或背光源已经成为一种趋势，而对其进行恒流驱动也越来越成为关注的一个焦点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种功率因数较高，使用寿命较长的LED恒流驱动电源。

本实用新型设有恒压部分和恒流部分，所述恒压部分设有整流滤波电路、Boost升压型斩波电路、有源功率因数校正控制电路和谐波注入电路，所述有源功率因数校正控制电路设有采样电路、给定电压产生电路、第1比较器、电压控制电路、乘法器、第2比较器和电流跟踪控制电路；所述Boost升压型斩波电路的输入端接整流滤波电路输出端，所述Boost升压型斩波电路的输出端的电压正极与有源功率因数校正控制电路的采样电路输入端以及负载连接，所述采样电路的输出端和给定电压产生电路输出端分别与第1比较器的2个输入端连接，第1比较器的输出端与电压控制电路的输入端连接，电压控制电路的输出端和谐波注入电路的输出端分别与乘法器的2个输入端连接，乘法器的输出端和整流滤波电路的输出端与第2比较器的2个输入端连接，第2比较器的输出端与电流跟踪控制电路的输入端连接，电流跟踪控制电路的输出端与Boost升压型斩波电路的开关控制信号输入端连接。

所述恒流部分设有至少2个恒流源，所述至少2个恒流源并联，所有恒流源的输出端接负载。

为了满足Energy Star标准：商业照明的供电设备的功率因数不得低于0.9。因此，本实用新型必须具有功率因数校正功能，本实用新型不仅具有有源功率因数校正的功能，而且采用了谐波注入的方式，克服了传统的有源功率因数校正方式中采用的电解电容导致LED驱动电源与LED灯具寿命严重脱节，以及通过负载各并联支路均独立设立一个恒流源的供电形式，实现负载分布恒流供电。这种电源包括恒压和恒流两部分：恒压部分采用有源功率因数校正、谐波注入的方式；恒流部分采用负载各并联支路均独立设立一个恒流源的形式，从而达到有高输入功率因数、电源寿命与LED的寿命匹配，以及实现负载分布恒流的要求。

与现有的LED二极管相比，由于本实用新型在恒压部分设有谐波注入电路，将谐波注入电路的输出信号作为乘法器的一端输入信号，并与电压控制电路的输出信号在乘法器中进行乘法运算，并将乘法器的输出端和整流滤波电路的输出端与第2比较器的2个输入端连接，因此可提高输入功率，延长其使用寿命。另外，由于本实用新型采用了一种比较新型的恒流方式，即恒压供电给负载，负载部分各并联支路均独立设立一个恒流源的分布恒流方式，因此可实现为负载LED分布恒流供电。同时，本实用新型的电路结构简单，经济实用。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路组成框图。

图2为本实用新型实施例的三次谐波注入电路组成原理图。

图3为本实用新型实施例的恒流源电路组成原理图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型实施例设有恒压部分和恒流部分，所述恒压部分设有整流滤波电路、Boost升压型斩波电路、有源功率因数校正控制电路和谐波注入电路，所述有源功率因数校正控制电路设有采样电路、给定电压产生电路、第1比较器（在图1中用比较器（1）表示）、电压控制电路、乘法器、第2比较器（在图1中用比较器（2）表示）和电流跟踪控制电路；所述Boost升压型斩波电路的输入端接整流滤波电路输出端，所述Boost升压型斩波电路的输出端的电压正极与有源功率因数校正控制电路的采样电路输入端以及负载连接，所述采样电路的输出端和给定电压产生电路输出端分别与第1比较器的2个输入端连接，第1比较器的输出端与电压控制电路的输入端连接，电压控制电路的输出端和谐波注入电路的输出端分别与乘法器的2个输入端连接，乘法器的输出端和整流滤波电路的输出端与第2比较器的2个输入端连接，第2比较器的输出端与电流跟踪控制电路的输入端连接，电流跟踪控制电路的输出端与Boost升压型斩波电路的开关控制信号输入端连接。

所述恒流部分设有n个恒流源（在图1中用CCS第1组……CCS第n组），所述n个恒流源并联，n个恒流源的输出端接负载。

以下给出谐波注入电路搭建的理论依据以及有源功率因素校正控制电路的工作情况：

1）谐波注入电路搭建的理论依据

由于采用的是单相整流桥，交流侧的电流波形与横轴成镜对称,所以减小储能电容，输入电流中将产生大量奇次谐波。

由功率因数(PF)与总谐波畸变(THD)的关系：

$\mathrm{PF}=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{THD}\right)}^2}}\cos \mathrm{\φ}---\left(1\right)$

其中，cosφ表示基波电压与基波电流间的相移因数。

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{\underset{n>1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^2}}{I_1}=\frac{\sqrt{I_3^2+I_5^2+I_7^2+...}}{I_1}---\left(2\right)$

从式（1）可知，为了减小储能电容，输入电流中产生的大量奇次谐波，从而降低了功率因数。换句话来讲，若在输入电流中适当注入相应的谐波，则可以抵消上述的奇次谐波产生的负面影响。然而试验表明，在输入电流中加入奇次谐波才可以保证在功率因数不变的情况下，尽量减少储能电容的容量，用容量较小的薄膜电容代替电解电容，达到延长电源寿命的目的。所以，为了达到延长电源寿命的目的，有必要根据实际需要搭建相应的谐波注入电路。

2）有源功率因数校正控制电路

输出电压经采样后得到Boost升压型斩波电路的输出电压的回馈电压，由电压控制电路根据该电压与给定电压之间的误差，调节电感电流的大小，从而达到控制输出电压的目的。电压控制电路的输出信号是平稳的直流信号，用乘法器将该信号同谐波注入电路的输出信号（传统的有源功率因数校正方式中采用的是正弦绝对值信号）相乘，得到电流跟踪环节的给定信号。电流跟踪控制电路使电感电流跟踪该电流给定信号，从而在实现功率因数校正的同时抵消因减少储能电容的容量而带给电路的负面影响。

其次，由于负载一般采用多组LED并联，则在各并联支路均独立设立一个恒流源的连接形式，实现负载LED分布恒流供电。

以下给出附图中相关符号的说明：

电压参量：V_g整流滤波电路输出电压；V_O驱动电源恒压部分直流输出电压；V_FB为电源输出回馈电压；V_ref为给定电压；V_in为三次谐波注入电路输入电压；V_a和V_b谐波注入电路内部的采样电压；V_c为谐波注入电路内部减法器输出电压；。

电流参量：I_LED流过各组支路LED的电流；I_R8、I_R9分别为流过电阻R₈、R₉的电流。

电容参量：C_b薄膜储能电容。

电阻参量：R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉。

其他相关符号：L表示电感；S表示开关；CCS表示恒流源(Constant Current Source)；n表示并联支路数(n≥1,其n值由具体需要确定)；LED+与LED-分别表示连接到负载LED的阳极与阴极的接线端；三极管Q₁、Q₂；OUT表示三次谐波注入电路输出端；A表示主电路中检测电感电流的节点；B、C、D、E分别为恒流源电路中节点编号。

下面结合附图，对本实用新型如何在提高功率因数的同时，克服传统有源功率因数校正方式在电路引入大容量电解电容，导致LED驱动电源与LED灯具寿命严重脱节，以及实现负载LED分布恒流供电的问题作进一步说明：

从图1中可以清楚地看到，本实用新型包括恒压部分和恒流部分，恒压部分主要由整流滤波电路、Boost升压型斩波电路、有源功率因数校正控制电路和谐波注入电路等组成，其中有源功率因数校正控制电路主要由采样电路、给定电压产生电路、第1比较器、电压控制电路、乘法器、第2比较器、电流跟踪控制电路组成。恒流部分由若干恒流源(CCS)组成。

电源整体的连接方式：整流滤波电路输出端与Boost升压型斩波电路输入端相连；Boost升压型斩波电路输出端电压正极一方面连接到负载n条并联支路正极公共端，另一方面接到有源功率因数校正控制电路的采样电路输入端；采样电路的输出端与给定电压产生电路输出端作为比较器(1)的输入端，两输出端信号经比较由比较器(1)的输出端与电压控制电路的输入端相连；电压控制电路的输出端与谐波注入电路的输出端作为乘法器的输入端，两输出端信号做乘法运算作为乘法器的输出信号；乘法器输出端和主电路中检测电感电流所获取的信号(图1中节点A处的信号)分别与比较器(2)输入端相连，比较后经比较器输出端与电流跟踪控制电路输入端相连；电路跟踪控制电路输出端信号作为Boost升压型斩波电路中开关的控制信号。其次，Boost升压型斩波电路输出端电压正极与负载n条并联支路的正极公共端相连；各负载支路的负端与每个恒流源电路的输入端相连；每个恒流源输出端相连并连接于Boost升压型斩波电路输出端负极。

本实用新型中采用的有源功率因数校正方式与传统的有源功率因数校正方式不同，区别在于本实用新型中有源功率因数校正方式使用谐波注入电路输出作为有源功率因数校正控制电路中乘法器的一个输入，通过谐波注入法减小所需储能电容的容值，以便用薄膜电容取代因采用传统功率因数校正方式在电路中引入的电解电容，从而在保证电源寿命能与LED灯具寿命相匹配前提下恒压供电给负载；保证在提高功率因数的同时克服LED驱动电源与LED灯具寿命严重脱节的问题。其次，恒流部分是由若干恒流源(CCS)组成，各个恒流源分别设置在负载的各并联支路。

以下给出采用谐波注入何以实现延长电源寿命以及有源功率因数校正控制电路的工作情况：

首先，为了减小储能电容，输入电流中将产生大量奇次谐波，从而降低了功率因数。反过来说，如果在输入电流中适当注入相应的谐波便可以抵消上述的奇次谐波产生的负面影响。然而试验表明在输入电流中加入奇次谐波才可以保证在功率因数不变的情况下，尽量减少储能电容的容量，用容量较小的薄膜电容代替电解电容，达到延长电源寿命的目的。为了更直观了解谐波注入原理，这里以三次谐波注入电路（参见图2）为例说明谐波注入的原理。

在输入电流中注入三次谐波，需要在电流基准中加入三次谐波信号，而三次谐波信号的获取需要从基波信号得来。根据三角函数关系：sin3ωt＝3sinωt-4sin³ωt可搭建电路如图3所示三次谐波电路，主要由两个乘法器、一个减法器构成，其中V_a和V_b分别为输入电压整流后的采样信号，V_a经过两次相乘后得到V_a ³，减法器的输出V_c中含有三次谐波，V_c作为有源功率因数校正控制电路乘法器的一个输入信号，从而实现谐波的注入。如此，根据需要搭建类似此三次谐波的谐波注入电路，在输入电流中适当注入相应的谐波以抵消由于减小储能电容容量，输入电流中将产生大量的奇次谐波给电路带来的负面影响，从而可以用容量较小的薄膜电容C_b代替传统的有源功率因数校正方式中所采用的大容量电解电容，达到延长电源寿命的目的。

其次，有源功率因数校正控制电路部分（如图1虚线框中所示），输出电压经采样后得到Boost升压型斩波电路的输出电压回馈电压V_FB，由电压控制电路将该电压与给定电压V_ref之间的误差，调节电感L电流的大小，从而达到控制输出电压V_O(t)的目的。其次，电压控制电路的输出信号是平稳的直流信号，用乘法器将该信号同谐波注入电路的输出信号V_c（传统的有源功率因数校正方式中采用的是正弦绝对值信号）相乘，获得电流跟踪环节的给定信号。电流跟踪控制电路使流经电感L中的电流跟踪该电流跟踪环节给定信号，从而在实现功率因数校正的同时平衡了由于减少储能电容的容量带给电路的负面影响。

图3给出的恒流源电路包括两个三极管Q₁、Q₂,两个电阻R₈、R₉，其中R₉为采样电阻，通过改变R₉的阻值可以调节流过负载各支路LED的电流I_LED的大小。由于电路中I_LED≈I_R8+I_R9，当选取较大阻值的电阻R₈可以使I_LED≈I_R9,从而有达到恒流的目的。

这样，整套供电系统由整流滤波电路、Boost升压型斩波电路、有源功率因数校正控制电路、谐波注入电路及恒流源电路等各部分的协同工作，使得商业照明用供电设备在提高功率因数的同时，克服传统功率因数校正电路中因电解电容的存在而导致的LED驱动电源与LED灯具寿命严重脱节，以及解决负载LED分布恒流供电的问题。

其中在本实用新型中采用的有源功率因数校正方式与传统的有源功率因数校正方式不同，区别在于本实用新型中有源功率因数校正方式使用谐波注入电路输出作为有源功率因数校正控制电路中乘法器的一个输入。通过谐波注入法减小所需储能电容的容值，以便用薄膜电容取代因采用传统有源功率因数校正方式而引入的大容量电解电容，从而在保证电源寿命能与LED灯具寿命相匹配前提下恒压供电给负载；恒流部分由数个恒流源组成，分别设置在负载的各并联支路。

Claims (1)

1.一种LED恒流驱动电源，其特征在于设有恒压部分和恒流部分，所述恒压部分设有整流滤波电路、Boost升压型斩波电路、有源功率因数校正控制电路和谐波注入电路，所述有源功率因数校正控制电路设有采样电路、给定电压产生电路、第1比较器、电压控制电路、乘法器、第2比较器和电流跟踪控制电路；所述Boost升压型斩波电路的输入端接整流滤波电路输出端，所述Boost升压型斩波电路的输出端的电压正极与有源功率因数校正控制电路的采样电路输入端以及负载连接，所述采样电路的输出端和给定电压产生电路输出端分别与第1比较器的2个输入端连接，第1比较器的输出端与电压控制电路的输入端连接，电压控制电路的输出端和谐波注入电路的输出端分别与乘法器的2个输入端连接，乘法器的输出端和整流滤波电路的输出端与第2比较器的2个输入端连接，第2比较器的输出端与电流跟踪控制电路的输入端连接，电流跟踪控制电路的输出端与Boost升压型斩波电路的开关控制信号输入端连接；

所述恒流部分设有至少2个恒流源，所述至少2个恒流源并联，所有恒流源的输出端接负载。

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