一種無電解電容的led照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，所述無電解電容的LED驅(qū)動電源主要包括交流輸入電源、EMI濾波電路、整流橋、原邊控制器、RCD鉗位電路、變壓器、儲能電容、RC濾波電路、DC/DC控制器、變壓器輔助繞組和Buck電路。本發(fā)明主要技術(shù)特點是原邊控制器實現(xiàn)高功率因數(shù)；在輸出儲能電容后增加RC濾波電路來獲得電源平均電壓，將其與瞬時輸出電壓的誤差放大信號傳送至DC/DC控制器；增加輔助繞組來存儲和釋放能量，只需控制Buck拓撲結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)輸出電壓低紋波，從而降低存儲電容的容值，真正實現(xiàn)無電解電容。此驅(qū)動電源不需要較難控制的Boost拓撲電路，只需易于控制的Buck電路就可以實現(xiàn)無電解電容，具有高功率因數(shù)、壽命長、易控制等特點，適用于中小功率LED驅(qū)動電源應(yīng)用場合。
【專利說明】
一種無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及LED驅(qū)動電源設(shè)計和DC/DC控制技術(shù)，尤其涉及一種無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，全球性的環(huán)境污染問題越來越突出，各國能源嚴重短缺，人類對于環(huán)保以及怎樣充分利用能源的意識越來越高。LED以其高效節(jié)能、環(huán)保、長壽命、小尺寸等優(yōu)點使得照明領(lǐng)域進入了一個新紀元，LED也成為繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈的第四代光源。為提高功率因數(shù)和電源可靠性，整流橋后的輸入電容Cin的容值減小到微法或亞微法級，可以不用電解電容來實現(xiàn)。然而LED驅(qū)動電源設(shè)計不管采用單級式結(jié)構(gòu)還是級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，為降低輸出電流的波動，電源輸出端還需要應(yīng)用較大容值的電容，通常以電解電容來實現(xiàn)。特別是單級拓撲結(jié)構(gòu)的電源，輸出功率含有較大的兩倍輸入頻率的脈動分量，即使在輸出端采用毫法拉級的輸出電容，仍然存在頻閃現(xiàn)象，致使部分人群出現(xiàn)不良反應(yīng)。此外，LED的平均壽命有100，000小時遠高于其驅(qū)動電源中的儲能電解電容一般只有5，000小時的壽命，因此電解電容是限制LED驅(qū)動電源壽命的關(guān)鍵因素。
[0003]關(guān)于無電解電容LED照明電源的研究，參考文獻[I]給出用電感代替電解電容作為儲能元件的方法，參考文獻[2]給出向輸入電流中注入三次和五次諧波的方法，還有其它新的電路拓撲[3]。雖然這些方法各不相同，但都是對現(xiàn)有控制方法或功率電路進行改進，其思想大致可以分兩類:一是保留原來的拓撲，對控制方法進行改進；二是構(gòu)造新的電路拓撲。改進控制方法有兩種方法，即允許存在較大的電壓紋波和減小輸入功率與輸出功率之間的差值。構(gòu)造新電路拓撲有三種方法，分別為用電感代替電容進行儲能；在現(xiàn)有電路拓撲中加入輔助電路；加入功率解耦電路。
[0004]通過實際實驗比較可以得出目前還沒有一種完美的技術(shù)來真正實現(xiàn)LED驅(qū)動電源無電解電容化。向輸入電流注入諧波的方法雖然實現(xiàn)了無電解電容化，但是降低了電路的功率因數(shù)。向輸出電流注入諧波的方法雖然提高了電路的功率因數(shù)，但是其輸出電流為PWM波形，而用PWM波形電流驅(qū)動LED會降低LED的發(fā)光效率。不同新拓撲中，有的電路雖然可靠性高，但是體積增大；有的電路雖然性能穩(wěn)定，但是只適用于小功率等級；有的電路效率高，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在未來應(yīng)用中，考慮到從控制電路角度出發(fā)，向電路注入電流諧波可能會對電網(wǎng)造成不可與之的干擾，因此應(yīng)該盡量尋求使用新電路拓撲實現(xiàn)LED驅(qū)動電源的無電解電容化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種具有高可靠性、性能穩(wěn)定并且結(jié)構(gòu)簡單的無電解電容LED驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，相比現(xiàn)有的改進控制方法和新電路拓撲，其能夠使LED驅(qū)動電源真正實現(xiàn)無電解電容化，增加了 LED驅(qū)動電源壽命，在獲得高功率因數(shù)的同時不但去除大電解電容還有效降低輸出電壓脈動。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，所述的無電解電容LED照明驅(qū)動電源包括交流輸入電源、EMI濾波電路、整流橋、原邊控制器、RCD鉗位電路、變壓器、儲能電容、RC濾波電路、DC/DC控制器、變壓器輔助繞組和Buck電路。EMI濾波電路有效抑制電網(wǎng)噪聲；整流橋電路將輸入交流電壓整流為正弦半波波動的直流電壓；原邊控制器控制MOSFET的占空比來獲得高功率因數(shù)；RCD鉗位電路用來吸收泄漏電感能量和漏極電壓；變壓器降壓并實現(xiàn)輸入輸出電氣隔離；RC濾波電路獲得輸出電壓平均值；DC/DC控制器控制Buck電路中開關(guān)管的占空比來減小輸出電壓脈動。該實現(xiàn)方法包括如下步驟:
[0008]步驟一:輸入交流電源經(jīng)過EMI濾波電路濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對電源的干擾，同時減少電源本身對外界的電磁干擾。
[0009]步驟二:通過整流橋?qū)⑤斎胝也ń涣麟妷赫鳛檎野氩ú▌拥闹绷麟妷海?br>[0010]步驟三:原邊控制器工作在臨界導(dǎo)通模式，控制原邊MOSFET的占空比來實現(xiàn)輸入電流波形很好地跟隨輸入電壓正弦半波波形，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，獲得高功率因數(shù)；
[0011]步驟四:變壓器實現(xiàn)降壓和輸入輸出電氣隔離，原邊和副邊的電壓比等于其匝數(shù)比，由于Cout的容值小，副邊輸出大幅度脈動電壓；
[0012]步驟五:輸出脈動電壓經(jīng)過RC濾波電路獲得輸出電壓平均值，對電源輸出電壓的瞬態(tài)值和平均值進行實時監(jiān)控并把二者的誤差信號放大；
[0013]步驟六:將放大的誤差信號傳送至DC/DC控制器，其輸出控制信號控制開關(guān)管Ml、M2、M3開關(guān)；
[0014]步驟七:增加匝數(shù)比是副邊匝數(shù)比2倍(Na = 2Ns)的輔助繞組作為額外儲能元件，結(jié)合Buck拓撲結(jié)構(gòu)對電源輸出電壓進行調(diào)整，得到穩(wěn)定的輸出電壓。
[0015]—般來說，LED照明驅(qū)動電源的輸入為寬電壓輸入，輸入交流電壓范圍為85V?265Vo
[0016]一般來說，所述EMI濾波電路采用兩級EMI濾波，兩道EMI濾波電路，可以很好地濾除電網(wǎng)中的高頻雜波和同相干擾電流，同時把電源中產(chǎn)生的電磁輻射削減到最低限度，使泄漏到電源外的電磁輻射量不至于對人體或其它設(shè)備造成不良影響。
[0017]優(yōu)選的，所述原邊控制器采用單級反激拓撲結(jié)構(gòu)，工作在臨界導(dǎo)通模式，控制開關(guān)管的占空比實現(xiàn)功率因數(shù)校正，獲得高功率因數(shù)。單級反激拓撲結(jié)構(gòu)可以降低成本，易于控制實現(xiàn)，可以提尚效率。
[0018]優(yōu)選的，所述原邊控制器內(nèi)置乘法器，具有優(yōu)越的性能，其中包含降低交流輸入電流失真電路，具有較低的總諧波失真(THD);具有低至幾十微安的啟動電流，簡單的啟動電路，低功耗；具有過壓保護模塊；當(dāng)發(fā)生過壓的情況，一個內(nèi)部比較器保證外部電源開關(guān)保持關(guān)閉。
[0019]優(yōu)選的，所述步驟三中，變壓器的原邊需添加RCD鉗位電路用來吸收泄漏電感能量和漏極電壓，保護MOSFET不會由于其兩端的峰值電壓在關(guān)斷時包括瞬時輸入線電壓、從次級側(cè)上的反射電壓以及漏電感產(chǎn)生的電壓尖峰而損壞。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟六中，增加變壓器輔助繞組作為額外儲能元件，DC/DC控制器只需控制Buck電路，使輸出DC/DC變換器更易于控制。
[0021]有益效果:本發(fā)明提供的一種無電解電容LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，解決了 LED驅(qū)動電源的壽命短、低功率因數(shù)、發(fā)光效率低等問題；充分利用LED高效節(jié)能、環(huán)保、長壽命、小尺寸等優(yōu)點，并且避免了使用壽命短體積大的電解電容；在保障了 LED發(fā)光效率的同時，減少了驅(qū)動電源自身壽命的損耗，增加了電源的使用壽命以及可靠性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的實驗效果對比圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0025]如圖1所示為一種無電解電容的LED驅(qū)動電源，包括EMI濾波器、全橋整流電路、原邊控制器、RCD鉗位電路、變壓器、輸出儲能電容、LED、RC濾波電路、DC/DC控制器、Buck拓撲電路和輔助繞組。RC濾波器產(chǎn)生電源輸出電壓的平均值，對電源輸出電壓的瞬態(tài)值和平均值進行實時監(jiān)控，并把二者的誤差信號通過放大器放大傳送至DC/DC控制器，采用Buck拓撲結(jié)構(gòu)和變壓器輔助繞組對輸出電壓進行調(diào)整，減小輸出電壓脈動，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
[0026]具體工作原理為:
[0027]I)當(dāng)輸出瞬時電壓Vout大于輸出平均電壓Vaverage時，運算放大器(AMP)把Vout和Vaverage之間的差值放大并輸送到DC/DC控制器。此時Ml和M2處于連續(xù)開和關(guān)的工作狀態(tài)，M3則一直處于關(guān)斷狀態(tài)，原來只經(jīng)過Ns繞組輸出到Cout的部分能量經(jīng)過Na繞組被專用存儲在電容Cstorage上，使得Cstorage上的電壓Vc升高，達到減小Vout和Vaverage之間的差值的目的。Ml和M2串聯(lián)連接，且其源極連接在一起，目的是這兩個MOSFET的體二極管形成背靠背的結(jié)構(gòu)，保證當(dāng)Ml和M2處于關(guān)斷狀態(tài)時其體二極管中不會有電流通過。Ml和M2和的開關(guān)頻率和原邊開關(guān)器件MO的開關(guān)頻率相同，但剛好反相。當(dāng)D3的陽極電壓高于Vout時，Ml和M2導(dǎo)通，其導(dǎo)通時間由Vout和Vaverage之間的差值經(jīng)過運放產(chǎn)生的放大信號來決定。差值越大，導(dǎo)通時間越長，當(dāng)Vout處于Vpk位置時，導(dǎo)通時間最長。同時，Ml和M2必須在D3的陽極電壓下降到接近于Vout時關(guān)斷。
[0028]2)當(dāng)輸出瞬時電壓Vout小于輸出平均電壓Vaverage時，運算放大器(AMP)把Vout和Vaverage之間的差值放大并輸送到DC/DC控制器。此時M3處于連續(xù)開和關(guān)的工作狀態(tài)，Ml和M2則一直處于關(guān)斷狀態(tài)，Cstorage上存儲的能量經(jīng)過M3、D2和電感L組成的Buck結(jié)構(gòu)再轉(zhuǎn)移到Cout上，達到減小Vout和Vaverage之間的差值的目的，同時Cstorage上的電壓Vc下降。此時，M3的開關(guān)頻率和原邊開關(guān)器件MO的開關(guān)頻率相同，并且同相。當(dāng)D3的陽極電壓低于Vout時，M3導(dǎo)通，其導(dǎo)通時間由Vout和Vaverage之間的差值經(jīng)過運放產(chǎn)生的放大信號來決定。差值越大，導(dǎo)通時間越長，當(dāng)Vout處于Vbottom位置時，導(dǎo)通時間最長。同時，M3必須在D3的陽極電壓高于Vout時關(guān)斷。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
[0030]參考文獻:
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【主權(quán)項】
1.無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，其特征在于該LED驅(qū)動電源主要包括交流輸入電源、EMI濾波電路、整流橋、原邊控制器、RCD鉗位電路、變壓器、儲能電容、RC濾波電路、DC/DC控制器、變壓器輔助繞組和Buck電路。該實現(xiàn)方法包括如下步驟: 步驟一:輸入交流電源經(jīng)過EMI濾波電路濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對電源的干擾，同時減少電源本身對外界的電磁干擾。 步驟二:通過整流橋?qū)⑤斎胝也ń涣麟妷赫鳛檎野氩ú▌拥闹绷麟妷海? 步驟三:原邊控制器工作在臨界導(dǎo)通模式，控制原邊MOSFET的占空比來實現(xiàn)輸入電流波形很好地跟隨輸入電壓正弦半波波形，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，獲得高功率因數(shù)； 步驟四:變壓器實現(xiàn)降壓和輸入輸出電氣隔離，原邊和副邊的電壓比等于其匝數(shù)比，副邊輸出大幅度脈動電壓； 步驟五:輸出脈動電壓經(jīng)過RC濾波電路獲得輸出電壓平均值，對電源輸出電壓的瞬態(tài)值和平均值進行實時監(jiān)控并把二者的誤差信號放大； 步驟六:將放大的誤差信號傳送至DC/DC控制器，輸出控制信號控制開關(guān)管Ml、M2、M3開關(guān); 步驟七:增加匝數(shù)比是副邊匝數(shù)比2倍的輔助繞組作為額外儲能元件，結(jié)合Buck拓撲結(jié)構(gòu)對電源輸出電壓進行調(diào)整，得到穩(wěn)定的輸出電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，其特征在于:用RC濾波器產(chǎn)生電源輸出電壓的平均值。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，其特征在于:對電源輸出電壓的瞬態(tài)值和平均值進行實時監(jiān)控并把二者的誤差信號放大，并傳送至DC/DC轉(zhuǎn)換控制器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，其特征在于:利用變壓器輔助繞組作為額外的儲能元件，對能量進行存儲和釋放。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電解電容的LED照明驅(qū)動電源實現(xiàn)方法，其特征在于:采用Buck拓撲結(jié)構(gòu)對電源輸出電壓進行調(diào)整，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
【文檔編號】H05B37/02GK105898946SQ201410781955
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月12日
【發(fā)明人】黃勝明, 安覓, 嵇保健, 夏晨陽, 劉伊莎
【申請人】南京工業(yè)大學(xué)