一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法
技术领域
1.本发明涉及led照明驱动技术领域，特别是一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法。
背景技术：
2.发光二极管(light emitting diode,led)是继白炽灯、荧光灯以及高强度放电灯之后的第四代照明光源，有着光效高，寿命长，更环保的优点，以led代替传统照明，将节约大量电能。led是恒流驱动的冷光源，它的性能受到使用条件和驱动器性能的制约。单级功率因数校正因器件少、成本低和效率高而得到广泛应用。但它输出具有较大的两倍工频纹波，尤其是对led负载，微小的电压纹波将会产生较大的电流纹波，影响光学特性。如果使用大电解电容减小工频纹波，会大幅降低led驱动的寿命。
技术实现要素：
3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无电解电容单级低纹波降压led 驱动电路与控制方法，能够消除led负载二次工频纹波，实现输入和输出电流纹波和电磁干扰较小、高功率因数、高转换效率、低输出工频纹波和恒定的电流输出等功能。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法，包括整流单元、带耦合电感降压cuk 电路单元和辅助同步整流boost电路单元；所述整流单元的输出与带耦合电感降压cuk电路单元的输入集成为单级电路；所述带耦合电感降压cuk 电路单元与辅助同步整流boost电路单元通过反向耦合电感连接；led灯负载的两端分别连接所述带耦合电感降压cuk电路单元的输出电容和串接辅助同步整流boost电路单元。
5.所述整流单元包括二极管整流桥bd1；所述带耦合电感降压cuk单元包括：第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一功率mos开关管s1、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、中间电容c1、第一输出电容c2、第二输出电容c3；
6.所述辅助同步整流boost电路单元包括：第四电感l4、第三功率mos开关管s3、第二功率mos开关管s2、第三输出电容c4。
7.交流源ac连接所述二极管整流桥bd1；所述二极管整流桥bd1的正向输出端连接所述第一电感l1的一端；所述第一电感l1的另一端连接第二电感l2的一端、第一输出电容c2的一端和led灯负载的正极；所述led 灯负载的负极连接第四电感l4的一端和第三输出电容c4的一端；所述第四电感l4的另一端连接第三功率mos开关管s3的源极和第二功率mos开关管s2的漏极；所述第三功率mos开关管s3的漏极连接第一输出电容c2 的另一端、第一功率二极管d1的阳极、第三电感l3的一端、第二输出电容c3的一端和第一功率mos开关管s1的漏极；所述第一功率二极管d1的阴极连接第二电感l2的另一端和中间电容c1的一端；所述中间电容c1 的另一端连接二极管整流桥bd1的负向输出端和第一功率mos开关管s1的源极；所述第三电感l3的另一端连接第二功率二极管d2的阴极；所述第二功率二极管d2的阳
极连接第二输出电容c3的另一端、第二功率mos开关管s2的源极和第三输出电容c4的另一端；所述第二电感l2和第三电感l3反向耦合。
8.在一较佳的实施例中：所述中间电容c1、第一输出电容c2、第二输出电容c3和第三输出电容c4均为高频电容。
9.在一较佳的实施例中：所述二极管整流桥bd1采用的4个二极管均为整流慢速功率二极管；所述第一功率二极管d1、第二功率二极管d2为快恢复功率二极管。
10.在一较佳的实施例中：所述第一功率mos开关管s1、第二功率mos开关管s2、第三功率mos开关管s3均为硅基功率mos管或igbt，或是宽禁带半导体功率mos管或igbt，并采用pwm控制方式；所述第二功率mos开关管s2、第三功率mos开关管s3的工作频率高于一功率mos开关管s1的工作频率。
11.在一较佳的实施例中：包括一个电流控制环路和一个电压控制环路；所述电流控制环路使降压cuk电路工作在bcm模式；所述电流控制环路的输出驱动降压cuk电路的的开关管，其补偿器正端连接负载电流基准，负端连接负载电流采样，实现输出恒流控制和网侧功率因数校正；所述电压控制环路补偿器的输出控制辅助同步整流boost电路的开关管，其补偿器正端连接辅助同步整流boost电路输入电压采样，负端连接降压cuk电路输出总电压采样和一个偏置电压，该偏置电压决定了辅助同步整流boost 电路输入电压和降压cuk电路输出总电压的比例；所述电压控制环路采样降压cuk电路输出电容电压和led串接电容电压，反馈调制辅助同步整流 boost电路开关管占空比，平衡输入馒头波功率，从而实现无电解电容的 led驱动控制。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13.本发明提供了一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法，采用反向耦合电感将辅助同步整流boost电路与降压式cuk电路集成单级pfc电路；能够消除led负载二次工频纹波。具有输入输出电流连续的特点，能实现高功率因数、降压、高效的电能转换。辅助同步整流boost 电路平衡馒头波功率，实现led驱动电路无电解电容。
附图说明
14.图1是本发明优选实施例中一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法的电路原理图。
15.图2是本发明优选实施例中一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法的电路控制框图。
16.图3是本发明优选实施例中一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法的第一功率mos开关管s1、第二功率mos开关管s2导通，第三功率mos开关管s3截止阶段，各元件工作状态的模态1示意图。
17.图4是本发明优选实施例中一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法的第一功率mos开关管s1、第三功率mos开关管s3导通，第二功率mos开关管s2截止阶段，各元件工作状态的模态2示意图。
18.图5是本发明优选实施例中一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法的第一功率mos开关管s1、第三功率mos开关管s3截止，第二功率mos开关管mos开关管s2导通阶段，各元件工作状态的模态3示意图。
19.图6是本发明优选实施例中一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法的第一功率mos开关管s1、第二功率mos开关管s2截止，第三功率mos开关管s3导通阶段，各元件工作状态的模态4示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
21.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路与控制方法，参考图1 至6，包括整流单元、带耦合电感降压cuk电路单元和辅助同步整流boost 电路单元；所述整流单元的输出与带耦合电感降压cuk电路单元的输入连接；所述带耦合电感降压cuk电路单元与辅助同步整流boost电路单元通过反向耦合电感集成为单级电路；led灯负载的两端分别连接所述带耦合电感降压cuk电路单元的输出电容和串接辅助同步整流boost电路单元。
24.所述整流单元包括二极管整流桥bd1；所述带耦合电感降压cuk单元包括：第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一功率mos开关管s1、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、中间电容c1、第一输出电容c2、第二输出电容c3；
25.所述辅助同步整流boost电路单元包括：第四电感l4、第三功率mos开关管s3、第二功率mos开关管s2、第三输出电容c4。
26.交流源ac连接所述二极管整流桥bd1；所述二极管整流桥bd1的正向输出端连接所述第一电感l1的一端；所述第一电感l1的另一端连接第二电感l2的一端、第一输出电容c2的一端和led灯负载的正极；所述led 灯负载的负极连接第四电感l4的一端和第三输出电容c4的一端；所述第四电感l4的另一端连接第三功率mos开关管s3的源极和第二功率mos开关管s2的漏极；所述第三功率mos开关管s3的漏极连接第一输出电容c2 的另一端、第一功率二极管d1的阳极、第三电感l3的一端、第二输出电容c3的一端和第一功率mos开关管s1的漏极；所述第一功率二极管d1的阴极连接第二电感l2的另一端和中间电容c1的一端；所述中间电容c1 的另一端连接二极管整流桥bd1的负向输出端和第一功率mos开关管s1的源极；所述第三电感l3的另一端连接第二功率二极管d2的阴极；所述第二功率二极管d2的阳极连接第二输出电容c3的另一端、第二功率mos开关管s2的源极和第三输出电容c4的另一端；所述第二电感l2和第三电感 l3反向耦合。
27.具体来说，所述中间电容c1、第一输出电容c2、第二输出电容c3和第三输出电容c4均为高频电容。所述二极管整流桥bd1采用的4个二极管均为整流慢速功率二极管；所述第一功率二极管d1、第二功率二极管d2为快恢复功率二极管。所述第一功率mos开关管s1、第二功率mos开关管s2、第三功率mos开关管s3均为硅基功率mos管或igbt，或是宽禁带半导体功率mos管或igbt，并采用pwm控制方式；所述第二功率mos开关管s2、第三功率mos开关管s3
的工作频率高于一功率mos开关管s1的工作频率。
28.具体来说，本发明包括一个电流控制环路和一个电压控制环路；所述电流控制环路使降压cuk电路工作在bcm模式；所述电流控制环路的输出驱动降压cuk电路的的开关管，其补偿器正端连接负载电流基准，负端连接负载电流采样，实现输出恒流控制和网侧功率因数校正；所述电压控制环路补偿器的输出控制辅助同步整流boost电路的开关管，其补偿器正端连接辅助同步整流boost电路输入电压采样，负端连接降压cuk电路输出总电压采样和一个偏置电压，该偏置电压决定了辅助同步整流boost电路输入电压和降压cuk电路输出总电压的比例；所述电压控制环路采样降压 cuk电路输出电容电压和led串接电容电压，反馈调制辅助同步整流boost 电路开关管占空比，平衡输入馒头波功率，从而实现无电解电容的led驱动控制。
29.通过利用降压cuk电路作为led的驱动电路，降低了输入输出的电流纹波，同时使实现功率因数校正和输出电流恒定；利用辅助同步整流boost 电路和耦合电感辅助电路，并结合控制环路消除led灯负载的二次工频纹波，使本实施例可以实现无电解电容。下面结合具体实例说明本实施例的一种无电解电容单级低纹波降压led驱动电路的具体工作模态，如图3、图 4、图5、图6所示。
30.参照图3，该图是第一功率mos开关管s1、第二功率mos开关管s2导通，第三功率mos开关管s3截止时段，此时第一功率二极管d1截止，第二功率二极管d2导通；交流电源uin整流后给第一电感l1充能，同时给第一输出电容c2充电；中间电容c1给第二电感l2充能，同时给输出电容c2充电；第三电感l3与第二电感l2耦合得到能量，给第二输出电容c3充电；第一输出电容c2和第二输出电容c3给负载和辅助boost级供电；第三输出电容c4给第四电感l4充能。
31.参照图4，该图是第一功率mos开关管s1、第三功率mos开关管s3导通，第二功率mos开关管s2截止时段，此时第一功率二极管d1截止，第二功率二极管d2导通；交流电源uin整流后给第一电感l1充能，同时给第一输出电容c2充电；中间电容c1给第二电感l2充能，同时给输出电容 c2充电；第三电感l3与第二电感l2耦合得到能量，给第二输出电容c3充电；第一输出电容c2和第二输出电容c3给负载和辅助boost级供电；第四电感l4给第二输出电容c3充电。
32.参照图5，该图是第一功率mos开关管s1、第三功率mos开关管s3截止，第二功率mos开关管s2导通时段，此时第一功率二极管d1、第二功率二极管d2导通；第一电感l1给中间电容c1和第一输出电容c2充电；第二电感l2给输出电容c2充电；第三电感l3与第二电感l2耦合得到能量，给第二输出电容c3充电；第一输出电容c2和第二输出电容c3给负载和辅助boost级供电；第三输出电容c4给第四电感l4充能。
33.参照图6，该图是第一功率mos开关管s1、第二功率mos开关管s2截止，第三功率mos开关管s3导通时段，此时第一功率二极管d1、第二功率二极管d2导通；第一电感l1给中间电容c1和第一输出电容c2充电；第二电感l2给输出电容c2充电；第三电感l3与第二电感l2耦合得到能量，给第二输出电容c3充电；第一输出电容c2和第二输出电容c3给负载和辅助boost级供电；第四电感l4给第二输出电容c3充电。
34.参照图2，该图是本发明的控制框图，上部是电压控制环路，下部是电流控制环路。电流控制环路的补偿器的负端输入是负载电流i
led
，正端输入是基准i
ref
，补偿器输出v
c1
与
整流后的输入电压v
sin
相乘得到v
mul
，v
mul
和第一功率mos开关管s1电流i
s1
做比较，当is1大于v
mul
时，关闭第一功率mos 开关管s1，直到zcd检测电路检测到i
l1
等于零时，打开第一功率mos开关管s1。若负载电流发生变化或输入电压发生变化，则v
mul
或输入电流上升率会相应变化，使驱动信号占空比和频率相应调整，保证输出电流恒定和高功率因数。电压控制环路补偿器正端连接辅助同步整流boost电路输入电压u
o3
采样，负端连接降压cuk电路输出总电压uo采样和一个偏置电压u
bia
，该偏置电压决定了辅助同步整流boost电路输入电压和降压cuk电路输出总电压的比例；当uo因为工频纹波而变大时，补偿器输出使第二功率mos 开关管s2驱动占空比减小，辅助同步整流boost电路输入电容放电减少，该电容上的电压随之增加；当uo因为工频纹波而变小时，补偿器输出使mos 开关管s2驱动占空比增大，辅助同步整流boost电路输入电容放电增加，该电容上的电压随之减小；通过该控制过程，馒头波功率被辅助同步整流 boost电路平衡，从而实现无电解电容的led驱动控制。
35.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。