一种隔离型多路均流LED驱动电源的制作方法

本发明涉及一种隔离型多路均流LED驱动电源。

背景技术：

LED作为新一代绿色照明电光源，以其寿命长、光效高、节能环保等优点深受青睐，在路灯、隧道等大功率照明场合得到了广泛的应用。LED灯需要恒流驱动电源驱动工作，而LED驱动电源的性能直接影响着整个LED照明系统的可靠工作。

在实际应用中大功率LED由于灯珠数目较多，往往需要使用多路LED并联的结构，然而不同支路LED的V-I特性不同会导致各路电流不均等的问题，因此需要研究多路输出时的均流策略。在各种均流控制方案中，无源均流由于电路实现简单、均流效果好、易扩展，应用越来越广泛。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隔离型多路均流LED驱动电源，可实现任意2N路LED灯个数相同或不同时各路LED灯负载的均流输出，具有电路简单、效率高和均流效果好等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种隔离型多路均流LED驱动电源，包括半桥恒流谐振网络、均流网络和LED灯负载电路，所述LED灯负载电路包括2N路LED灯负载；所述半桥恒流谐振网络中的谐振电感与所述均流网络的变压器初级绕组串联后再并联进而构成N个LED驱动电路模块，而后通过所述均流网络实现所述2N路LED灯负载的均流；所述均流网络包括第一至第N变压器、第1至第2N-1电容、第1至第2N二极管；第1二极管的阳极与第2二极管的阴极相连接，并经第1电容连接至第1变压器次级绕组的第一端，第1二极管的阴极与第1路LED灯负载的正极连接，第1路LED灯负载的负极连接至第1 变压器次级绕组的第二端、GND端，第2二极管的阳极与第2路LED灯负载的负极连接，第2路LED灯负载的正极连接第3路LED灯负载的负极，并经第N+1电容连接至第2变压器次级绕组的第二端、GND端；第2i-1二极管的阳极与第2i二极管的阴极相连接，并经第i电容连接至第i变压器次级绕组的第一端，第2i-1二极管的阴极与第2i-1路LED灯负载的正极连接，第2i二极管的阳极与第2i路LED灯负载的负极连接，第2i路LED灯负载的正极连接第2i+1路LED灯负载的负极，并经第N+i电容连接至第i+1变压器次级绕组的第二端、GND端；第2N-1二极管的阳极与第2N二极管的阴极相连接，并经第N电容连接至第N变压器次级绕组的第一端，第2N-1二极管的阴极与第2N-1路LED灯负载的正极连接，第2N二极管的阳极与第2N路LED灯负载的负极连接，第2N路LED灯负载的正极连接第N变压器次级绕组的第二端、GND端；其中，1≤i≤N-1，其中，N为大于等于2的自然数。

在本发明一实施例中，所述半桥恒流谐振网络包括开关管S1、S2、电感Lr、Ls1至Lsn、电容Cr、Cs；开关管S1、S2的栅极连接至一控制模块，开关管S1的漏极连接输入电源正极、开关管S1的源极与开关管S2的漏极、电容Cr的一端连接，开关管S2的的源极与输入电源负极、电感Lr的一端、第一至第N变压器初级绕组的第二端连接，电容Cr的另一端与电感Lr的另一端、电容Cs的一端连接，电容Cs的另一端与第一至第N变压器初级绕组的第一端连接。

在本发明一实施例中，所述2N路LED灯负载的每一路LED灯负载均由多个LED灯串联连接后与一电容并联而成。

在本发明一实施例中，所述每一路LED灯负载的LED灯个数相同或不同。

在本发明一实施例中，所述N为2，所述均流网络包括第1至第3电容、第1至第4二极管；第1二极管的阳极与第2二极管的阴极相连接，并经第1电容连接至第1变压器次级绕组的第一端，第1二极管的阴极与第1路LED灯负载的正极连接，第1路LED灯负载的负极连接至第1变压器次级绕组的第二端、GND端，第2二极管的阳极与第2路LED灯负载的负极连接，第2路LED灯负载的正极连接第3路LED灯负载的负极，并经第3电容连接至第2变压器次级绕组的第二端、GND端；第3二极管的阳极与第4二极管的阴极相连接，并经第2电容连接至第2变压器次级绕组的第一端，第3二极管的阴极与第3路LED灯负载的正极连接，第4二极管的阳极与第4路LED灯负载的负极连接，第4路LED灯负载的正极连接第2变压器次级绕组的第二端、GND端。

在本发明一实施例中，N为2的情况下，即4路LED均流时，各路LED灯负载的输出电流平均值为：

其中，I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂分别第1至第4路LED灯负载的输出电流平均值；为第1电容的充电电流、为第2、第3电容的充电电流，为第1、第3电容的放电电流、分别为第2电容的放电电流；Ts为一个充放电周期，t_a~t_b为电容充电时间，t_b~t_c为电容放电时间；

在稳态工作状态下，每个周期内的电容充电电荷与其放电电荷相等，可得，从而实现了4路LED灯负载的均流。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的多路均流电路，将变压器初级绕组并联均流与电容均流有机结合，可为四路或任意2n路相同或不同个数的LED灯负载实现均流输出，具有电路简单、效率高和均流效果好等优点。

附图说明

图1为本发明隔离型多路均流LED驱动电源结构示意图。

图2为谐振网络的交流等效电路。

图3为不同负载下的输出电流特性曲线。

图4为n路输出均流简化等效电路。

图5（a）、5（b）为变压器副边绕组的电流流通路径图一、二。

图6为4路均流电路的驱动电源样机。

图7为不同负载下的各路输出电流实验波形。

图8为4路输出电压不同时的输出电流波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种隔离型多路均流LED驱动电源，包括半桥恒流谐振网络、均流网络和LED灯负载电路，所述LED灯负载电路包括2N路LED灯负载；所述半桥恒流谐振网络中的谐振电感与所述均流网络的变压器初级绕组串联后再并联进而构成N个LED驱动电路模块，而后通过所述均流网络实现所述2N路LED灯负载的均流；所述均流网络包括第一至第N变压器、第1至第2N-1电容、第1至第2N二极管；第1二极管的阳极与第2二极管的阴极相连接，并经第1电容连接至第1变压器次级绕组的第一端，第1二极管的阴极与第1路LED灯负载的正极连接，第1路LED灯负载的负极连接至第1 变压器次级绕组的第二端、GND端，第2二极管的阳极与第2路LED灯负载的负极连接，第2路LED灯负载的正极连接第3路LED灯负载的负极，并经第N+1电容连接至第2变压器次级绕组的第二端、GND端；第2i-1二极管的阳极与第2i二极管的阴极相连接，并经第i电容连接至第i变压器次级绕组的第一端，第2i-1二极管的阴极与第2i-1路LED灯负载的正极连接，第2i二极管的阳极与第2i路LED灯负载的负极连接，第2i路LED灯负载的正极连接第2i+1路LED灯负载的负极，并经第N+i电容连接至第i+1变压器次级绕组的第二端、GND端；第2N-1二极管的阳极与第2N二极管的阴极相连接，并经第N电容连接至第N变压器次级绕组的第一端，第2N-1二极管的阴极与第2N-1路LED灯负载的正极连接，第2N二极管的阳极与第2N路LED灯负载的负极连接，第2N路LED灯负载的正极连接第N变压器次级绕组的第二端、GND端；其中，1≤i≤N-1，其中，N为大于等于2的自然数。

所述半桥恒流谐振网络包括开关管S1、S2、电感Lr、Ls1至Lsn、电容Cr、Cs；开关管S1、S2的栅极连接至一控制模块，开关管S1的漏极连接输入电源正极、开关管S1的源极与开关管S2的漏极、电容Cr的一端连接，开关管S2的的源极与输入电源负极、电感Lr的一端、第一至第N变压器初级绕组的第二端连接，电容Cr的另一端与电感Lr的另一端、电容Cs的一端连接，电容Cs的另一端与第一至第N变压器初级绕组的第一端连接。

所述2N路LED灯负载的每一路LED灯负载均由多个LED灯串联连接后与一电容并联而成。所述每一路LED灯负载的LED灯个数相同或不同。

所述N为2，所述均流网络包括第1至第3电容、第1至第4二极管；第1二极管的阳极与第2二极管的阴极相连接，并经第1电容连接至第1变压器次级绕组的第一端，第1二极管的阴极与第1路LED灯负载的正极连接，第1路LED灯负载的负极连接至第1变压器次级绕组的第二端、GND端，第2二极管的阳极与第2路LED灯负载的负极连接，第2路LED灯负载的正极连接第3路LED灯负载的负极，并经第3电容连接至第2变压器次级绕组的第二端、GND端；第3二极管的阳极与第4二极管的阴极相连接，并经第2电容连接至第2变压器次级绕组的第一端，第3二极管的阴极与第3路LED灯负载的正极连接，第4二极管的阳极与第4路LED灯负载的负极连接，第4路LED灯负载的正极连接第2变压器次级绕组的第二端、GND端。N为2的情况下，即4路LED均流时，各路LED灯负载的输出电流平均值为：

其中，I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂分别第1至第4路LED灯负载的输出电流平均值；为第1电容的充电电流、为第2、第3电容的充电电流，为第1、第3电容的放电电流、分别为第2电容的放电电流；Ts为一个充放电周期，t_a~t_b为电容充电时间，t_b~t_c为电容放电时间；

在稳态工作状态下，每个周期内的电容充电电荷与其放电电荷相等，可得 ，从而实现了4路LED灯负载的均流。

以下为本发明的具体实施过程。

为分析电路的恒流特性，假设变压器励磁电感足够大，忽略其对负载电流的影响，n个并联模块用谐振电感L_s和R_eq等效，R_eq为折算到到变压器原边的负载等效电阻，则谐振网络的交流等效电路如图2所示。可以推导出等效负载电流如下：

等效负载R_eq上的电流为：

（1）

从式（1）可以看出，当时，谐振网络工作在恒流模式，其输出电流峰值与负载电阻R_eq无关，只与输入电压及谐振参数有关。利用Mathcad软件绘制出如图3所示的谐振网络的输出电流峰值对应不同负载下的频率特性曲线。可以看出，在谐振频率f_r附近，不同负载的输出电流相交于一点，在该点处谐振网络的输出电流不随负载的变化而变化，即能实现恒流输出。

变压器并联均流原理：

当n个并联模块的参数均相同时，即，，而且，忽略变压器励磁电感L_m对输出电流的影响，则可得如图4所示的并联模块等效电路，为并联支路两端的电压，其中Req₁，Req₂……Req_n为负载电阻折算到变压器原边的等效阻抗。

假设n路输出中最大输出电流为，其对应的等效负载电阻，最小输出电流为，其对应的等效负载电阻，最大均流误差为，负载最大不均衡度为。则有：

电路的输出均流误差为：

（2）

由于R_eq为满载时的等效负载，即有，因此令R_eqb=R_eq，R_eqa=R_eq/δ，δ为负载最大不均衡度，且δ≥1，则由式(3-14)可得：

(3)

由式(3)可知，负载电流的均流误差只与负载的不均衡度有关，负载的不均衡度越大，则输出电流的均流误差大。但只要负载取在限定的负载范围内时，输出均流误差就能保持在最大均流误差的范围内。

为了进一步提高2n路输出均流电路的均流效果，研究了一种变压器并联均流与模块之间跨接均流电容的混合均流方案，以4路LED均流为例，该均流方案的均流原理如下。

图5（a）、5（b）所示为变压器副边绕组的电流流通路径图，当副边电压等于（与相位相同）时，电流的流通途径如图5(a)所示，模块1电流经过C_b1、D₁₁、U₁₁，再流回变压器副边绕组，电流给C_b1充电；模块2电流经过C_b2、D₂₁、U₂₁、C_b3，再流回变压器副边绕组，电流给C_b2、C_b3充电。

当副边电压等于时，电流的流通途径如图5(b)所示，模块1电流经过C_b3、U₁₂、D₁₂、C_b1，再流回变压器副边绕组，电流给C_b1、C_b3放电；模块2电流经过U₂₂、D₂₂、C_b2，再流回变压器副边绕组，电流给C_b2放电。

图5（a）、5（b）中各路负载的输出电流平均值为：

（4）

在稳态工作状态下，每个周期内的电容充电电荷与其放电电荷相等，可得，从而实现了4路均流。

为验证电路准确性，搭建了如图6所示的4路均流电路的驱动电源样机，实验结果如图7、图8所示：

图7为恒流实验结果，可以看出，当负载为2路或四路，输出电压为54V或18V时输出电流总和基本相等，不同LED负载时电路的总电流误差均小于1%，因此所提方案在不同LED负载路数和各路灯电压变化时都可以保持总电流恒定，实现恒流功能。

图8为4路输出电压不同时的输出电流波形，4路灯电压分别为U_o1=54V、U_o2=42V、U_o3=30V、U_o4=18V。从图7可以看出，4路灯电压不同时，4路输出电流基本相等，最大均流误差仅为0.32%，可以实现4路均流。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。