一种高功率因数LED恒流驱动电源及其控制方法与流程

本发明涉及led驱动电源领域，特别是涉及一种高功率因数led恒流驱动电源及其控制方法。

背景技术：

近年来绿色节能的照明方式已成为社会的一大发展趋势，led作为一种新一代的绿色照明光源是未来主流的照明光源，已在隧道照明、路灯照明等领域得到十分广泛的应用。根据led的伏安特性，为保证其可靠的工作，led需要使用恒流驱动。

大功率led驱动器大多采用谐振变换器，llc谐振变换器由于其主开关管可以实现zvs，可以有效地降低开关损耗，应用较为广泛，但当驱动的led颗数不同时，工作频率变化范围较大，不适用于要求宽输出电压变化的led工作。lcl或clc谐振网络输出电流与谐振参数和输入电压有关，当输入电压及谐振参数不变时，谐振网络本身就具备恒流特性，通过开环控制即可实现led恒流输出，但在实际应用中，pfc电压及谐振参数具有分散性，这将可能导致恒流精度降低，难于满足恒流精度要求，为此提出了pfc输出电压与led负载电流复合反馈的控制方法，提高了恒流精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高功率因数led恒流驱动电源及其控制方法。

本发明采用以下技术方案：一种高功率因数led恒流驱动电源，其特征在于：包括pfc电路、半桥谐振恒流网络、led负载和控制电路；电网电源经整流滤波后流入pfc电路；pfc电路输出与半桥谐振恒流网络输入连接；半桥谐振恒流网络输出接led负载；所述pfc电路由控制电路控制；控制电路通过采集pfc电路输出电压与led负载电流，并将这两种信号进行复合反馈以控制pfc的输出电压，实现对所述led负载的恒流控制。

进一步的，所述半桥谐振恒流网络为基于clcl型谐振网络半桥谐振变换器。

进一步的，所述pfc电路采用boost变换器。

进一步的，控制电路包括电流取样电路、电流调整电路、电压取样电路、电压电流复合电路以及电压调整电路；led负载电流经电流取样电路与电流调整电路输入连接；电流调整电路输出与电压电流复合电路一输入连接；pfc电路输出电压经电压取样电路与电压电流复合电路另一输入连接；电压电流复合电路输出与电压调整电路输入连接；电压调整电路输出用于控制pfc电路输出电压。

本发明还提供一种高功率因数led恒流驱动电源的控制方法，其特征在于：提供一高功率因数led恒流驱动电源，其包括pfc电路、半桥谐振恒流网络、led负载和控制电路；采用pfc输出电压与led负载电流复合反馈的控制方法，通过复合反馈控制pfc电路输出电压以使led负载电流保持恒定；当输出短路和开路时，pfc电路输出电压控制在vmin和vmax之间，控制电路的设计需要考虑pfc电路输出电压变化范围；半桥谐振恒流网络的半桥电路采用恒频控制，工作频率设在半桥谐振恒流网络的谐振频率附近。

进一步的，所述半桥谐振恒流网络为基于clcl型谐振网络半桥谐振变换器；所述基于clcl型谐振网络半桥谐振变换器包括开关管s1、开关管s2、电容cr、电容cs、电感lr、电感ls和变压器t1；所述开关管s1的漏极与谐振网路输入电压uin正极连接，开关管s1的源极与开关管s2的漏极连接；开关管s2的源极与电压uin负极连接；电容cr一端与开关管s2的漏极连接；电容cr另一端分别与电感lr一端、电容cs一端连接；电感lr另一端与开关管s2的源极连接，电容cs另一端与电感ls一端连接；电感ls另一端与变压器t1初级一端连接；变压器t1初级另一端与电感lr另一端连接；变压器t1次级接led负载；假设变压器t1励磁电感lm足够大，忽略其对负载电流的影响，则谐振网络等效负载电流为：

其中req为led负载折算到clcl型谐振网络半桥谐振变换器的变压器t1原边后的等效电阻；从式(1)可以看出，当时，其输出电流峰值与负载电阻req无关，只与输入电压及谐振参数有关，谐振网络工作在恒流模式。

进一步的，所述控制电路包括电流取样电路、电流调整电路、电压取样电路、电压电流复合电路以及电压调整电路；电流调整电路由负载电流反馈信号、电流基准以及电流误差放大器组成，用于稳定输出电流；电压电流复合电路将pfc输出电压的取样信号与负载电流经电流调整电路后的输出信号进行复合，其结果作为电压调整电路的电压反馈信号；电压调整电路由pfc输出电压反馈信号、电压基准以及电压误差放大器组成，用于控制pfc输出电压。

进一步的，所述pfc电路采用boost变换器，由pfc控制芯片u1控制，pfc输出电压取样信号由电阻r7、r8分压得到；半桥谐振恒流电路由开关管s1、s2，电感lr、ls，电容cr、cs和变压器t1组成，开关管s1、s2分别由占空比为0.5的互补驱动信号vgs1和vgs2控制，半桥电路工作在谐振网络的恒流区；led负载由两路均流电路驱动，一路由二极管d6、电容c9和led2组成，另一路由二极管d5、电容c0和led1组成，电容c8为两路led负载的均流电容，rs为led1电流的取样电阻；控制电路由同相放大器u4、误差放大器u3、减法器u2和pfc控制芯片u1组成；led电流取样信号经同相放大器u4放大后与基准信号vref比较，经误差放大器u3后与pfc输出电压取样信号相减作为pfc控制芯片u1的电压反馈信号,使pfc输出电压受电压取样信号和led负载电流复合控制，从而实现了对led灯的恒流控制。

本发明的pfc电路用于实现高功率因数及稳压，所述的半桥谐振恒流网络由具有恒流特性的半桥谐振网络组成，所述的控制电路通过采集pfc输出电压与led负载电流，并将这两种信号进行复合反馈以控制pfc的输出电压，从而实现了对所述led负载的恒流控制。具有控制简单、效率高和恒流精度高等优点。

附图说明

图1为本发明高功率因数led恒流驱动电源原理框图。

图2为基于clcl型谐振网络的半桥谐振变换器。

图3为谐振网络的交流等效电路。

图4为不同负载电阻时输出电流与工作频率关系曲线。

图5为本发明实施例高功率因数led恒流驱动电源电路图。

图6为不同谐振参数时pfc输出电压和负载电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

参见图1，本发明提供一种高功率因数led恒流驱动电源，其包括pfc电路、半桥谐振恒流网络、led负载和控制电路；电网电源经整流滤波后流入pfc电路；pfc电路输出与半桥谐振恒流网络输入连接；半桥谐振恒流网络输出接led负载；所述pfc电路由控制电路控制；控制电路通过采集pfc电路输出电压与led负载电流，并将这两种信号进行复合反馈以控制pfc的输出电压，实现对所述led负载的恒流控制。

半桥谐振恒流网络可以是lcl谐振结构、clc谐振结构和clcl谐振结构。在谐振参数l、c一定的情况下，led负载电流只与pfc输出电压有关，为了减少pfc输出电压波动以及谐振网络参数离散性等对输出恒流精度的影响，采用pfc输出电压与led负载电流复合反馈的控制方法，通过复合反馈控制pfc输出电压以使led负载电流保持恒定。本发明具体实施例中所述半桥谐振恒流网络为基于clcl型谐振网络半桥谐振变换器。

进一步的，所述pfc电路采用boost变换器。

参见图1，控制电路包括电流取样电路、电流调整电路、电压取样电路、电压电流复合电路以及电压调整电路；led负载电流经电流取样电路与电流调整电路输入连接；电流调整电路输出与电压电流复合电路一输入连接；pfc电路输出电压经电压取样电路与电压电流复合电路另一输入连接；电压电流复合电路输出与电压调整电路输入连接；电压调整电路输出用于控制pfc电路输出电压。

本发明还提供一种高功率因数led恒流驱动电源的控制方法，提供一高功率因数led恒流驱动电源，其包括pfc电路、半桥谐振恒流网络、led负载和控制电路；采用pfc输出电压与led负载电流复合反馈的控制方法，通过复合反馈控制pfc电路输出电压以使led负载电流保持恒定；当输出短路和开路时，pfc电路输出电压控制在vmin和vmax之间，控制电路的设计需要考虑pfc电路输出电压变化范围；半桥谐振恒流网络的半桥电路采用恒频控制，工作频率设在半桥谐振恒流网络的谐振频率附近。

进一步的，所述半桥谐振恒流网络为基于clcl型谐振网络半桥谐振变换器；clcl型谐振网络半桥谐振变换器电路原理图参见图2。所述基于clcl型谐振网络半桥谐振变换器包括开关管s1、开关管s2、电容cr、电容cs、电感lr、电感ls和变压器t1；所述开关管s1的漏极与谐振网路输入电压uin正极连接，开关管s1的源极与开关管s2的漏极连接；开关管s2的源极与电压uin负极连接；电容cr一端与开关管s2的漏极连接；电容cr另一端分别与电感lr一端、电容cs一端连接；电感lr另一端与开关管s2的源极连接，电容cs另一端与电感ls一端连接；电感ls另一端与变压器t1初级一端连接；变压器t1初级另一端与电感lr另一端连接；变压器t1次级接led负载；假设变压器t1励磁电感lm足够大，忽略其对负载电流的影响，图3为图2的等效电路。

谐振网络等效负载电流为：

(1)；

其中req为led负载折算到clcl型谐振网络半桥谐振变换器t1的变压器原边后的等效电阻；从式(1)可以看出，当时，其输出电流峰值与负载电阻req无关，只与输入电压及谐振参数有关，谐振网络工作在恒流模式。图4为由式(1)计算出的谐振网络输出电流ireq对应不同负载下的频率特性曲线。可以看出，在谐振频率(恒流频率)fr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。

进一步的，所述控制电路包括电流取样电路、电流调整电路、电压取样电路、电压电流复合电路以及电压调整电路；电流调整电路由负载电流反馈信号、电流基准以及电流误差放大器组成，用于稳定输出电流；电压电流复合电路将pfc输出电压的取样信号与负载电流经电流调整电路后的输出信号进行复合，其结果作为电压调整电路的电压反馈信号；电压调整电路由电压反馈信号、电压基准以及电压误差放大器组成，用于控制pfc输出电压。

图5是本发明实施例高功率因数led恒流驱动电源电路图。pfc电路采用boost变换器，由pfc控制芯片u1控制，pfc输出电压取样信号由电阻r7、r8分压得到；半桥恒流谐振电路由开关管s1、s2，电感lr、ls，电容cr、cs和变压器t1组成，开关管s1、s2分别由占空比为0.5的互补驱动信号vgs1和vgs2控制，半桥电路工作在clcl谐振网络的恒流区，如图4虚线框所示。led负载由两路均流电路驱动，一路由d6、c9和led2组成，另一路由d5、c0和led1组成，c8为两路led负载的均流电容，rs为led1电流的取样电阻；控制电路由同相放大器u4、误差放大器u3、减法器u2和pfc控制芯片u1组成。led电流取样信号经同相放大器u4放大后与基准信号vref比较，经误差放大器u3后与pfc输出电压取样信号相减作为pfc控制芯片u1的电压反馈信号,使pfc输出电压受电压取样信号和led负载电流复合控制，从而实现了对led灯的恒流控制。图6为谐振参数变化时pfc输出电压和led负载电流仿真波形，其中可见，当谐振参数变化时，pfc输出电压随之变化，但输出电流基本保持不变，实现了恒流。其中图6a为cs＝10nf，ls＝258uh，cr＝3.3nf，lr＝500uh；图6b为cs＝11nf，ls＝258uh，cr＝3.3nf，lr＝500uh；图6c为cs＝10nf，ls＝283uh，cr＝3.3nf，lr＝500uh.

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。