一种无电解电容的led照明驱动电源实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，所述无电解电容的LED驱动电源主要包括交流输入电源、EMI滤波电路、整流桥、原边控制器、RCD钳位电路、变压器、储能电容、RC滤波电路、DC/DC控制器、变压器辅助绕组和Buck电路。本发明主要技术特点是原边控制器实现高功率因数；在输出储能电容后增加RC滤波电路来获得电源平均电压，将其与瞬时输出电压的误差放大信号传送至DC/DC控制器；增加辅助绕组来存储和释放能量，只需控制Buck拓扑结构就可以实现输出电压低纹波，从而降低存储电容的容值，真正实现无电解电容。此驱动电源不需要较难控制的Boost拓扑电路，只需易于控制的Buck电路就可以实现无电解电容，具有高功率因数、寿命长、易控制等特点，适用于中小功率LED驱动电源应用场合。
【专利说明】
一种无电解电容的LED照明驱动电源实现方法
技术领域
[0001]本发明涉及LED驱动电源设计和DC/DC控制技术，尤其涉及一种无电解电容的LED照明驱动电源实现方法。
【背景技术】
[0002]近年来，全球性的环境污染问题越来越突出，各国能源严重短缺，人类对于环保以及怎样充分利用能源的意识越来越高。LED以其高效节能、环保、长寿命、小尺寸等优点使得照明领域进入了一个新纪元，LED也成为继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯的第四代光源。为提高功率因数和电源可靠性，整流桥后的输入电容Cin的容值减小到微法或亚微法级，可以不用电解电容来实现。然而LED驱动电源设计不管采用单级式结构还是级联式结构，为降低输出电流的波动，电源输出端还需要应用较大容值的电容，通常以电解电容来实现。特别是单级拓扑结构的电源，输出功率含有较大的两倍输入频率的脉动分量，即使在输出端采用毫法拉级的输出电容，仍然存在频闪现象，致使部分人群出现不良反应。此外，LED的平均寿命有100，000小时远高于其驱动电源中的储能电解电容一般只有5，000小时的寿命，因此电解电容是限制LED驱动电源寿命的关键因素。
[0003]关于无电解电容LED照明电源的研究，参考文献[I]给出用电感代替电解电容作为储能元件的方法，参考文献[2]给出向输入电流中注入三次和五次谐波的方法，还有其它新的电路拓扑[3]。虽然这些方法各不相同，但都是对现有控制方法或功率电路进行改进，其思想大致可以分两类:一是保留原来的拓扑，对控制方法进行改进；二是构造新的电路拓扑。改进控制方法有两种方法，即允许存在较大的电压纹波和减小输入功率与输出功率之间的差值。构造新电路拓扑有三种方法，分别为用电感代替电容进行储能；在现有电路拓扑中加入辅助电路；加入功率解耦电路。
[0004]通过实际实验比较可以得出目前还没有一种完美的技术来真正实现LED驱动电源无电解电容化。向输入电流注入谐波的方法虽然实现了无电解电容化，但是降低了电路的功率因数。向输出电流注入谐波的方法虽然提高了电路的功率因数，但是其输出电流为PWM波形，而用PWM波形电流驱动LED会降低LED的发光效率。不同新拓扑中，有的电路虽然可靠性高，但是体积增大；有的电路虽然性能稳定，但是只适用于小功率等级；有的电路效率高，但是电路结构复杂。在未来应用中，考虑到从控制电路角度出发，向电路注入电流谐波可能会对电网造成不可与之的干扰，因此应该尽量寻求使用新电路拓扑实现LED驱动电源的无电解电容化。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有高可靠性、性能稳定并且结构简单的无电解电容LED驱动电源实现方法，相比现有的改进控制方法和新电路拓扑，其能够使LED驱动电源真正实现无电解电容化，增加了 LED驱动电源寿命，在获得高功率因数的同时不但去除大电解电容还有效降低输出电压脉动。
[0006]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0007]无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，所述的无电解电容LED照明驱动电源包括交流输入电源、EMI滤波电路、整流桥、原边控制器、RCD钳位电路、变压器、储能电容、RC滤波电路、DC/DC控制器、变压器辅助绕组和Buck电路。EMI滤波电路有效抑制电网噪声；整流桥电路将输入交流电压整流为正弦半波波动的直流电压；原边控制器控制MOSFET的占空比来获得高功率因数；RCD钳位电路用来吸收泄漏电感能量和漏极电压；变压器降压并实现输入输出电气隔离；RC滤波电路获得输出电压平均值；DC/DC控制器控制Buck电路中开关管的占空比来减小输出电压脉动。该实现方法包括如下步骤:
[0008]步骤一:输入交流电源经过EMI滤波电路滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时减少电源本身对外界的电磁干扰。
[0009]步骤二:通过整流桥将输入正弦波交流电压整流为正弦半波波动的直流电压；
[0010]步骤三:原边控制器工作在临界导通模式，控制原边MOSFET的占空比来实现输入电流波形很好地跟随输入电压正弦半波波形，实现功率因数校正，获得高功率因数；
[0011]步骤四:变压器实现降压和输入输出电气隔离，原边和副边的电压比等于其匝数比，由于Cout的容值小，副边输出大幅度脉动电压；
[0012]步骤五:输出脉动电压经过RC滤波电路获得输出电压平均值，对电源输出电压的瞬态值和平均值进行实时监控并把二者的误差信号放大；
[0013]步骤六:将放大的误差信号传送至DC/DC控制器，其输出控制信号控制开关管Ml、M2、M3开关；
[0014]步骤七:增加匝数比是副边匝数比2倍(Na = 2Ns)的辅助绕组作为额外储能元件，结合Buck拓扑结构对电源输出电压进行调整，得到稳定的输出电压。
[0015]—般来说，LED照明驱动电源的输入为宽电压输入，输入交流电压范围为85V?265Vo
[0016]一般来说，所述EMI滤波电路采用两级EMI滤波，两道EMI滤波电路，可以很好地滤除电网中的高频杂波和同相干扰电流，同时把电源中产生的电磁辐射削减到最低限度，使泄漏到电源外的电磁辐射量不至于对人体或其它设备造成不良影响。
[0017]优选的，所述原边控制器采用单级反激拓扑结构，工作在临界导通模式，控制开关管的占空比实现功率因数校正，获得高功率因数。单级反激拓扑结构可以降低成本，易于控制实现，可以提尚效率。
[0018]优选的，所述原边控制器内置乘法器，具有优越的性能，其中包含降低交流输入电流失真电路，具有较低的总谐波失真(THD);具有低至几十微安的启动电流，简单的启动电路，低功耗；具有过压保护模块；当发生过压的情况，一个内部比较器保证外部电源开关保持关闭。
[0019]优选的，所述步骤三中，变压器的原边需添加RCD钳位电路用来吸收泄漏电感能量和漏极电压，保护MOSFET不会由于其两端的峰值电压在关断时包括瞬时输入线电压、从次级侧上的反射电压以及漏电感产生的电压尖峰而损坏。
[0020]优选的，所述步骤六中，增加变压器辅助绕组作为额外储能元件，DC/DC控制器只需控制Buck电路，使输出DC/DC变换器更易于控制。
[0021]有益效果:本发明提供的一种无电解电容LED照明驱动电源实现方法，解决了 LED驱动电源的寿命短、低功率因数、发光效率低等问题；充分利用LED高效节能、环保、长寿命、小尺寸等优点，并且避免了使用寿命短体积大的电解电容；在保障了 LED发光效率的同时，减少了驱动电源自身寿命的损耗，增加了电源的使用寿命以及可靠性。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的结构原理图。
[0023]图2为本发明的实验效果对比图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025]如图1所示为一种无电解电容的LED驱动电源，包括EMI滤波器、全桥整流电路、原边控制器、RCD钳位电路、变压器、输出储能电容、LED、RC滤波电路、DC/DC控制器、Buck拓扑电路和辅助绕组。RC滤波器产生电源输出电压的平均值，对电源输出电压的瞬态值和平均值进行实时监控，并把二者的误差信号通过放大器放大传送至DC/DC控制器，采用Buck拓扑结构和变压器辅助绕组对输出电压进行调整，减小输出电压脉动，达到稳定输出电压的目的。
[0026]具体工作原理为:
[0027]I)当输出瞬时电压Vout大于输出平均电压Vaverage时，运算放大器(AMP)把Vout和Vaverage之间的差值放大并输送到DC/DC控制器。此时Ml和M2处于连续开和关的工作状态，M3则一直处于关断状态，原来只经过Ns绕组输出到Cout的部分能量经过Na绕组被专用存储在电容Cstorage上，使得Cstorage上的电压Vc升高，达到减小Vout和Vaverage之间的差值的目的。Ml和M2串联连接，且其源极连接在一起，目的是这两个MOSFET的体二极管形成背靠背的结构，保证当Ml和M2处于关断状态时其体二极管中不会有电流通过。Ml和M2和的开关频率和原边开关器件MO的开关频率相同，但刚好反相。当D3的阳极电压高于Vout时，Ml和M2导通，其导通时间由Vout和Vaverage之间的差值经过运放产生的放大信号来决定。差值越大，导通时间越长，当Vout处于Vpk位置时，导通时间最长。同时，Ml和M2必须在D3的阳极电压下降到接近于Vout时关断。
[0028]2)当输出瞬时电压Vout小于输出平均电压Vaverage时，运算放大器(AMP)把Vout和Vaverage之间的差值放大并输送到DC/DC控制器。此时M3处于连续开和关的工作状态，Ml和M2则一直处于关断状态，Cstorage上存储的能量经过M3、D2和电感L组成的Buck结构再转移到Cout上，达到减小Vout和Vaverage之间的差值的目的，同时Cstorage上的电压Vc下降。此时，M3的开关频率和原边开关器件MO的开关频率相同，并且同相。当D3的阳极电压低于Vout时，M3导通，其导通时间由Vout和Vaverage之间的差值经过运放产生的放大信号来决定。差值越大，导通时间越长，当Vout处于Vbottom位置时，导通时间最长。同时，M3必须在D3的阳极电压高于Vout时关断。
[0029]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0030]参考文献:
[0031][I]Qin Y X，Chung H S H，Lin D Y，etal.Current source ballast forhigh power lighting emitting d1ds without electronic capacitor[A].1ECON2008 [C].2008.1968-1973
[0032][2]Gu Linlin? Ruan Xinbo?Xu Ming，etal.Means of eliminating electrolyticcapacitor in AC/DC power supplies for LED lighting[J].1EEE Transact1ns onPower Electronics，2009，24(5):1399-1408.
[0033][3]Arias M，Fernandez Diaz M，Lamar D G，etal.High efficiency asymmetricalhalf-bridge converter without electronic capacitor for 1w-output~voItage ac-dcLED drivers[J].1EEE Transact1ns on Power Electronics，2013，28 (5):2539-2550.
[0034][4]张能，波，丘东元.无电解电容LED驱动电路现有技术剖析[J].电工电能新技术.2014(02)，44-51。
【主权项】
1.无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，其特征在于该LED驱动电源主要包括交流输入电源、EMI滤波电路、整流桥、原边控制器、RCD钳位电路、变压器、储能电容、RC滤波电路、DC/DC控制器、变压器辅助绕组和Buck电路。该实现方法包括如下步骤: 步骤一:输入交流电源经过EMI滤波电路滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时减少电源本身对外界的电磁干扰。 步骤二:通过整流桥将输入正弦波交流电压整流为正弦半波波动的直流电压； 步骤三:原边控制器工作在临界导通模式，控制原边MOSFET的占空比来实现输入电流波形很好地跟随输入电压正弦半波波形，实现功率因数校正，获得高功率因数； 步骤四:变压器实现降压和输入输出电气隔离，原边和副边的电压比等于其匝数比，副边输出大幅度脉动电压； 步骤五:输出脉动电压经过RC滤波电路获得输出电压平均值，对电源输出电压的瞬态值和平均值进行实时监控并把二者的误差信号放大； 步骤六:将放大的误差信号传送至DC/DC控制器，输出控制信号控制开关管Ml、M2、M3开关; 步骤七:增加匝数比是副边匝数比2倍的辅助绕组作为额外储能元件，结合Buck拓扑结构对电源输出电压进行调整，得到稳定的输出电压。2.根据权利要求1所述的无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，其特征在于:用RC滤波器产生电源输出电压的平均值。3.根据权利要求1所述的无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，其特征在于:对电源输出电压的瞬态值和平均值进行实时监控并把二者的误差信号放大，并传送至DC/DC转换控制器。4.根据权利要求1所述的无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，其特征在于:利用变压器辅助绕组作为额外的储能元件，对能量进行存储和释放。5.根据权利要求1所述的无电解电容的LED照明驱动电源实现方法，其特征在于:采用Buck拓扑结构对电源输出电压进行调整，达到稳定输出电压的目的。
【文档编号】H05B37/02GK105898946SQ201410781955
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月12日
【发明人】黄胜明, 安觅, 嵇保健, 夏晨阳, 刘伊莎
【申请人】南京工业大学