一种储能led驱动器系统的制作方法

专利名称：一种储能led驱动器系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种LED驱动器系统，尤其是涉及一种储能LED驱动器系统。
背景技术：
随着工业的高速发展，社会上对能源的需求急剧增加，特别是在电力方面会经常出现短缺现象，在某些工业发达城市会采取城市限电措施，这严重影响了城市的正常生活秩序。因而，节能技术特别是电力节能方面的技术成为当今的研究热点。在此背景下，LED照明技术应运而生，并有取代现有普通照明技术的趋势。在能源和环境问题日益突出的今天，节能减排的效果愈显重要，对LED照明的需求也越是非常迫切。在可替代能源不完善的前提下，如何对现有不可再生能源进行更加有效的利用，是解决目前的能源短缺问题的有效途径。LED灯由于具有高效、节能、环保等一系列优点而成为国家、地区与相关企业行业发展和关注的焦点。其作为半导体照明技术中最重要的部件，更因为具有节能、环保、长寿命、免维护等很多优点而被市场广泛接受。LED灯具中的驱动电源电路是LED产品的重要组成部分，无论在照明、背光源还是显示板领域，都得到了广泛的市场应用。由于在目前的LED照明的研究及产业化阶段中，LED驱动电源的使用寿命在整个LED灯使用寿命中起着决定性的作用，研究出高效率和高可靠性的LED驱动电源成为了目前LED产业中需要优先解决的关键问题。有了它才能保证LED稳定、高效率及长寿命工作及运行。由于LED照明灯所独有的电气特性使得LED驱动电源电路面临更大挑战，加上LED灯的理论使用寿命可长达10万小时，因此要求所配的LED驱动电源因具有很高的可靠性。为了防止LED灯的提前损坏，要求所设计的电路控制系统能够精确控制LED驱动电源的输出电流大小。而目前市面上采用的稳压驱动电路普遍存在稳流能力较差的缺点，从而使得所驱动的LED灯的寿命大为缩短。LED恒流驱动电源技术的好坏直接关系到大功率LED灯亮度的均匀性和一致性。在便携式产品的应用上，随着电源电压的逐渐降低，我们需要LED灯的亮度不变，那就要求LED驱动电源电路应具有很高的电流精度，由于很小的电流变化都会引起LED灯的亮度变化。所以在用市电供电的LED灯具上，由于电网电压的经常波动，要求LED驱动电源即使在电源电压变化的情况下，也能具有高精度的驱动电源恒流输出特性。此外，由于大功率LED灯发热厉害，且会随着环境温度的变化，驱动电源的输出电流也会发生漂移。这些都要求大功率LED驱动电源电路能够提供稳定的高精度的LED恒流输出电流。与白炽灯不同，LED器件必须通过开关电源将交流电整流为稳定的直流电才可工作，因此在家用或公共场所使用的高功率LED照明器件通常需要使用开关电源。虽然开关电源电路效率较高，但是因其整流电路为非线性电路，会给电网造成大量电流谐波污染，其电路中的容性滤波元件还会降低电路的功率因数，增加电网负担并引发谐波污染。因此普遍要求功率稍大一些的LED驱动电源电路都应具有高功率因数功能。在照明应用中，如果输出功率要求高于25W，LED驱动器则面临着功率因数校正(PFC)的问题。如美国“能源之星”项目固态照明标准中对PFC带有强制性要求(而无论是何种功率等级)，即针对住宅应用部分要求功率因数高于O. 7，而针对商业应用部分要求功率因数高于O. 9。而一般开关电源的功率因数通常比较低，只有使用了 PFC(功率因数校正)技术的开关电源才能有很高的功率因数。现有的LED驱动电源在性能方面主要追求的是输出功率的大小和输出的稳定度，而在功率因数和效率方面并没有好的表现，设计得到高功率因数、高效率LED驱动电源是其设计的必由之路，另外如果突然出现断电现象，当前的LED驱动电源并不能持续为LED供电，所以在断电时LED无法正常运行，从而在市电出现停电情况下出现无法进行室内照明的诸多不便，设计得到具有储能功能的LED驱动电源，则可以较好地解决这一问题。

实用新型内容本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用电压跟随PFC技术，将开关管关断时间固定，保证整个拓扑工作在DCM模式，这样就可以用一个简单的一级拓扑实现高功率因数(PF)。经测试，本实用新型所述LED驱动电源的功率因数能达到O. 9以上。且加入此PFC控制电路后，AC-DC变换器的效率仍然达到了 80%以上的一种储能LED驱动器系统。本实用新型还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能够实现恒流/恒压(CC/CV)模式的切换，在照明模式中工作在CC模式，直接对LED供电。在充电模式中工作在CV模式，对锂电储能系统供电，进行储能的一种储能LED驱动器系统。本实用新型再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能在LED关断时高效率的将输入的能量储存起来，方便电源供应中断时继续对LED供电，最多能维持48小时供电，足够满足普通用户在电源中断时的用电需求的一种储能LED驱动器系统。本实用新型还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能将高压锂电储能系统输出转换为恒定电流输出来驱动LED灯，且转换效率在80%以上的一种储能LED驱动器系统。本实用新型最后有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能够工作在3个模式即照明模式、充电模式和电池供电模式，并采用8位单片机组成一个智能切换模块，使LED驱动电源能在3个模式中智能的进行切换的一种储能LED驱动器系统。本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的一种储能LED驱动器系统，其特征在于，包括一个AC-DC变换器、同时与AC-DC变换器连接的一个储能和充放电系统和一个智能控制模块、与储能和充放电系统连接的一个DC-DC变换器、以及一个AC-DC变换器、DC-DC变换器和智能控制模块连接用于控制LED电源切换的通道选择电路，所述AC-DC变换器包括片内控制模块以及与片内控制模块连接的主拓扑模块。本实用新型有3个工作模式，即照明模式、充电模式和电池供电模式。在照明模式中，交流电输入通过带有功率因素校正(PFC)功能的恒流/恒压(CC/CV)输出AC-DC变换器直接给LED供电，此时AC-DC变换器工作在CC模式；在充电模式中，LED停止工作，交流电输入通过AC-DC变换器给锂电池管理模块供电，进行储能，此时AC-DC变换器工作在CV模式；在电池供电模式中，已经充好电的锂电池管理模块通过一个有恒流输出的DC-DC变换器后给LED供电。为了实现这三种模式之间的切换，本实用新型设计了一个智能控制模块，通过单片机控制的方式实现三种模式的切换，保证三种模式之间互不干扰，整个系统正常运行。系统的整体方案如图1所示。在上述的一种储能LED驱动器系统，所述储能和充放电系统包括锂电池电源管理模块、电池均衡电路、锂电池组、放电电路、充电电路、温度检测电路、电流检测电路和电池过流保护电路组成，其中锂电池电源管理模块分别与电池均衡电路、放电电路、充电电路、温度检测电路、电流检测电路和电池过流保护电路相连；电池均衡电路分别与锂电池电源管理模块和锂电池组相连；锂电池组分别与电池过流保护电路、电池均衡电路和电流检测电路相连；放电电路与锂电池电源管理模块相连；充电电路与锂电池电源管理模块和电流检测电路相连；温度检测电路与锂电池电源管理模块相连；电流检测电路分别与锂电池电源管理模块和充电电路相连；电池过流保护电路分别与锂电池电源管理模块和锂电池组相连。在上述的一种储能LED驱动器系统中，所述锂电池电源管理模块主要由锂电池监控管理电路组成，该模块的主要功能就是将外部采集电路送来的采集信号进行A/D转换，然后交由内部处理器经过相应的计算，从而估算出电池的电压、电流、温度、剩余容量等。然后与各自的门限做比较，判断出要对电池做出哪些控制。在上述的一种储能LED驱动器系统中，所述电池均衡电路拥有两种均衡回路一种是内置在锂电池电源管理模块中的均衡回路，均衡回路的放电电流大约为10_15mA。另一种是MOS场效应管和电阻构成的外接均衡回路。每一节锂电池都拥有这两种均衡回路。但出于对温度的考虑，本发明选择的是外接MOS场效应管的均衡回路，可以通过限流电阻来设置相对较大的均衡电流。在本锂电池监控管理电路的控制下，电路会在电池被充电，或者是闲置状态下对电池组中的电池电量进行均衡处理，通过并联在每一个电池上的M0SFET，将充电或者放电时电压过高的电池进行放电处理，使每一个电池的电压保持一致，以达到提高电池组的使用效率和使用寿命的目的。在上述的一种储能LED驱动器系统中，所述锂电池组由若干节锂电池串联组成，构成储能的载体，它在市电供电的情况下把电能储存起来，断电的时候作为LED灯的供电电源。也可以通过将本方案扩展使用，对多节锂电池的电池组进行储能。在上述的一种储能LED驱动器系统，所述DC-DC变换器包括Buck变换器拓扑结构电路和与Buck变换器拓扑结构电路连接的控制模块PWM芯片。因此，本实用新型具有如下优点1.采用电压跟随PFC技术，将开关管关断时间固定，保证整个拓扑工作在DCM模式，这样就可以用一个简单的一级拓扑实现高功率因数(PF)。经测试，本实用新型所述LED驱动电源的功率因数能达到O. 9以上。且加入此PFC控制电路后，AC-DC变换器的效率仍然达到了 80%以上；2. AC-DC变换器能够实现恒流/恒压(CC/CV)模式的切换，在照明模式中工作在CC模式，直接对LED供电。在充电模式中工作在CV模式，对锂电储能系统供电，进行储能；3.本实用新型包含一个锂电池储能系统，能在LED关断时高效率的将输入的能量储存起来，方便电源供应中断时继续对LED供电。经实验，本储能系统最多能维持48小时供电，足够满足普通用户在电源中断时的用电需求；
4.本实用新型包含一个高效率DC-DC变换器，能将高压锂电储能系统输出转换为恒定电流输出来驱动LED灯，且转换效率在80%以上；5.能够工作在3个模式即照明模式、充电模式和电池供电模式，并采用8位单片机MC9S08DZ32组成一个智能切换模块，使LED驱动电源能在3个模式中智能的进行切换。

图1所示为智能高功率因数、高效率储能LED驱动电源系统的整体方案。图2所示为LED驱动电源中AC-DC变换器的主拓扑电路。图3所示为AC-DC变换器的内部控制电路框图。图4所示为AC-DC模块中输入电压、峰值电流、平均电流和电感电流的波形图。图5所示为所述AC-DC变换器的关断时间控制器图6所示为LED驱动电源储能和充放电系统的硬件电路框图。图7所示为电池组模块和电池均衡电路模块电路示意图。图8所示为储能和充放电系统中放电电路图。图9所示为储能和充放电系统中充电电路图。图10所示为储能和充放电系统中的温度检测电路图。图11所示为储能和充放电系统中的电流检测电路图。图12所示为储能和充放电系统中的电池过流保护电路图。图13所示为LED驱动电源的DC-DC变换器的电路原理图。图14所示为DC-DC变换器中控制模块PWM芯片的电路原理图。图15所示为DC-DC变换器在稳定状态下电感L、开关Q及续流二极管D上的电流波形。图16所示为LED驱动电源的智能控制模块的具体实现方案图。图17所示为智能控制模块中交流检测模块电路示意图。图18所示为智能控制模块的主程序流程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。实施例
以下结合附图与具体实施方式
来对本实用新型作进一步的详细描述。本储能LED驱动器系统的AC-DC变换部分电路原理图如图2所示。其主要包括片外主拓扑模块和片内控制模块。主拓扑模块工作原理如下二极管D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路，将高压交流输入转换成高压直流输入。高压直流输入电压经电容Cl滤波后，高频成分被滤掉，然后加在源边主线圈上。当功率开关管Pl导通时，源边主线圈流过电流，并经采样网络Rll和Rl 2，将源边主线圈电流采样入片内控制电路的CS脚，此时二次线圈没有电流流过。当功率开关管Pl关断时，源边主线圈没有电流流过，由于变压器的反激作用，较高的源边输入电压被转换为较低的输出端电压，且经过D6、C5、R13组成的整流滤波网络，变成较低的直流输出电压，且此时二级线圈中有稳定电流流过。由于主拓扑模块增加了源边副线圈，输出电压经变压器后，通过源边副线圈反馈回源边。输出反馈电压一方面通过电阻分压网络R5、R6，反馈回DSEN引脚，用来判断输出负载的情况；另一方面通过电阻分压网络R7、R8反馈回FB引脚，作为电压反馈的采样信号。[0045]由于在功率开关管关断瞬间，源边主线圈漏感以及开关管结电容谐振，会产生很大的涌流，形成尖峰噪声，故利用R4、C2、D5组成RCD网络，用来抑制尖峰干扰。片内控制电路的供电在刚上电时由直流输入电压通过电阻网络Rl、R2后给大电容C4充电并输入VDD和STP引脚进行供电和软启动，待输出稳定后，由源边副线圈的反馈电压通过D7和R3进行供电。大电容C4的作用是维持VDD和STP电压的稳定。D8、R9、R10组成整流电路，对DRV引脚输出的开关管控制信号进行整流，使开关管的开启和关断得到精确控制。片内控制电路的系统框图如图3所示。整个控制电路通过VDD、STP引脚得到外部供电和启动信号后，电路进入软启动状态。通过软启动模块的作用，控制电路最后进入正常工作状态。正常工作时，电流反馈信号和电压反馈信号分别通过引脚CS和FB脚引入片内控制电路。电流反馈信号通过一个前沿消隐电路后进入控制逻辑电路，电压反馈信号经过一个误差放大器后也进入控制逻辑电路。DSEN引脚采样的输出反馈信号，通过CC/CV切换电路，对控制逻辑电路进行控制，从而控制电流反馈通路和电压反馈通路的开启和关断，实现CC/CV模式的切换。经过切换控制的反馈信号(电流反馈信号或电压反馈信号)经过PWM信号产生器后形成PWM控制信号，此信号经电平移位和逻辑控制模块后，为后续电路提供输出驱动。为了降低系统的EMI水平，控制电路采用了软驱动技术，即图3中的软驱动模块。最后为了实现高PFC，在软驱动模块后增加一个关断时间控制电路，保持开关管有固定的关断时间，这样既实现了输入电流对输入电压的跟随又可保持主拓扑一直工作在DCM模式，如图4所示。本实用新型的储能和充放电系统的硬件电路设计框图如图6所示。由锂电池电源管理模块、电池均衡模块、放电开关模块、充电开关模块、温度检测模块、电流检测模块和电池过流保护模块组成。其中锂电池电源管理模块分别与电池均衡电路、放电电路、充电电路、温度检测电路、电流检测电路和电池过流保护电路相连。电池均衡电路分别与锂电池电源管理模块和锂电池组相连。锂电池组分别与电池过流保护电路、电池均衡电路和电流检测电路相连。放电电路与锂电池电源管理模块相连。充电电路与锂电池电源管理模块和电流检测电路相连。温度检测电路与锂电池电源管理模块相连。电流检测电路分别与锂电池电源管理模块和充电电路相连。电池过流保护电路分别与锂电池电源管理模块和锂电池组相连。图7为电池组模块和电池均衡电路模块电路连接示意图。电池组模块为13节锂电池串联连接。每节电池上并联一个N型MOSFET (Ql Q13)，再串联一个电阻(RBl RB13)，可通过对此电阻大小的设置来控制均衡电流的大小。电阻RF(TRF13是限流电阻，控制流入锂电池监控管理电路电流的大小。CF1 CF13是滤波电容。在锂电池监控管理电路的控制下，电路会在电池被充电，或者是闲置状态下对电池组中的电池电量进行均衡处理。假设检测到第一节电池电压过高，锂电池监控管理电路送给CBl高电平，使并联在第一节电池上并联的Ql导通，此时，第一节电池和电阻RBl构成回路，有电流通过，在电阻上有能量的消耗，此过程即对该节电池进行放电处理。同样的原理可用到每节电池，使每一个电池的电压保持一致，达到均衡的目的，这样就可以提高电池组的使用效率和使用寿命。放电电路如图8所示，由M0SFET、稳压二极管以及外围一些电阻和电容组成。当外界断电时，DSG输出12V高电平，Ml导通，系统进入放电状态，对LED进行供电。当外界有电或者电池能量输出完毕时，DSG管脚输出OV低电平，Ml关闭，系统停止放电。充电电路如图9所示，由多个MOSFET结合外围一些电阻、电容和稳压二极管组成。它的主要功能是在锂电池监控管理模块的控制下对锂电池进行充电控制。当外界有电且电池电量不足时，锂电池监控管理电路根据当前电压，使CHG管脚输出5uA的电流，Rl5和R16对V12提供的12V电压进行分压，M2被打开，电流通过M2和R17到达MCHG1，使MCHGl打开，系统开始充电并储存能量，当达到电池的满荷电量时，CHG管脚输出高阻态，M2不能导通，停止充电。温度检测电路如图10所示，由一个热敏电阻RTl和一个保护电阻R19组成，该电路由锂电池监控保护电路提供工作电压，RTl的阻值随实时温度改变而变化，其两端的电压也随之发生变化，这使得锂电池监控保护电路能通过检测电压的变化而感知温度的变化，然后判断系统是否工作温度是否安全，若超出设定的门限，则控制保护开关使系统停止工作，以达到实时监控温度并保护电池系统的目的。电流检测电路如图11所示，由高精度、大功率取样电阻结合一些离散电阻电容组成。锂电池监控管理电路通过采集取样电阻(RSENSE1和RSENSE2)上的电压，通过处理得到工作电流大小，然后再通过分析工作模式与工作电流的大小判断电池是否安全工作。电池过流保护电路如图12所示，由保险、MOSFET以及外围电阻和电容组成。锂电池监控管理电路控制MOSFET开关，当锂电池监控管理电路检测到电池安全受到过压、欠压、过流、短路、过温等因素的威胁时，给PF送出高电平使保护电路导通，断开受控的保险Fl ;当系统发生短路导致电流过大时，保护电路中的保险Fl也会熔断，从而保护电池与系统电路的安全。本实用新型的DC-DC变换器电路原理图如图13所示，主要包括控制模块PWM芯片以及与PWM芯片连接的Buck变换器拓扑结构。控制模块PWM芯片电路原理图如图14所示，包含有检测电阻Rsi和RS2、比较电路、振荡电路0SC、斜坡补偿电路、过热保护电路、欠压保护电路和过流保护电路。控制模块PWM芯片采用了电流控制模式。Buck变换器主要包括电感L、续流二极管D、输入滤波电容Cin、输出滤波电容CTOT，还有内置于控制模块PWM芯片内的功率MOS管作为开关器件Q。内置于控制模块PWM芯片内的功率MOS管作为开关器件Q是Buck变换器拓扑结构的一部分，开关器件Q的漏极由PWM芯片VIN管脚引出，连接到输入电压VIN。开关器件Q的源极由PWM芯片SW管脚引出，连接到Buck变换器拓扑结构的电感。调节脉冲周期T的电阻Ron 一端接到输入电压VIN，另一端接到PWM芯片的RON管脚。PWM芯片的RON管脚CS用于对输出电压采样，接到电阻和Rsi之间。PWM芯片的RON管脚GND接地。输入电压Vin经电容Cin滤波后输入到控制模块PWM芯片的Vin脚。PWM内的功率开关Q受频率恒定的矩形脉冲控制。脉冲周期T通过电阻Rw的阻值大小调节。T定了后，脉冲的占空比D=tM/T主要受导通时间的控制。电路开启后工作于两个状态，启动状态和稳定工作状态。在启动状态下，开关Q导通时间tw内，电感电流从按斜率Vin/L上升直到开关关断，此时电流瞬时值还没达到电流限制的峰值IPK。开关Q关断后，电感电流按斜率VtZL下降，直到下一周期到来，开关才重新导通。\是输出电压值，启动状态下的％值比稳定工作时的I值低，所以下降斜率也比稳定工作时低。以至于在整个状态中电感上的电流均值LAve不断上升。直到某一周期的电感上的电流瞬时值达到限定值Ιρκ，电路就进入了稳定工作状态。
在稳定工作状态下，电感L、开关Q、续流二极管D上的电流波形如图11所示，开关Q导通时，续流二极管D关断，电流Id为O。电感电流込等于流过开关的电流IQ，均按斜率vIN/L逐渐上升。同时，负载电流被采样送到反馈回路，进行一系列的逻辑比较，当k达到峰值Ipk时使脉冲置‘0’，关断开关。输入电压Vin越高，电流L上升越快，到达峰值Ipk的时间越短，导通时间〖 就越短。反之Vin越低，导通时间越长。从而限制电流跟随输入电压的波动而变化。开关Q关断时，没有电流流过开关。此时续流二极管D导通，电感电流込等于流过二极管D的电流ID，均由峰值Ipk开始逐渐下降，下降斜率为VtZUVtj是输出电压值。
由于输出电流恒定，负载Rm的变化只影响输出电压通过
权利要求1.一种储能LED驱动器系统，其特征在于，包括一个AC-DC变换器、同时与AC-DC变换器连接的一个储能和充放电系统和一个智能控制模块、与储能和充放电系统连接的一个DC-DC变换器、以及一个AC-DC变换器、DC-DC变换器和智能控制模块连接用于控制LED电源切换的通道选择电路；所述AC-DC变换器包括片内控制模块以及与片内控制模块连接的主拓扑模块。
2.根据权利要求1所述的一种储能LED驱动器系统，其特征在于，所述储能和充放电系统包括锂电池电源管理模块、电池均衡电路、锂电池组、放电电路、充电电路、温度检测电路、电流检测电路和电池过流保护电路组成,其中锂电池电源管理模块分别与电池均衡电路、放电电路、充电电路、温度检测电路、电流检测电路和电池过流保护电路相连；电池均衡电路分别与锂电池电源管理模块和锂电池组相连；锂电池组分别与电池过流保护电路、电池均衡电路和电流检测电路相连；放电电路与锂电池电源管理模块相连；充电电路与锂电池电源管理模块和电流检测电路相连；温度检测电路与锂电池电源管理模块相连；电流检测电路分别与锂电池电源管理模块和充电电路相连；电池过流保护电路分别与锂电池电源管理模块和锂电池组相连。
3.根据权利要求2所述的一种储能LED驱动器系统，其特征在于，所述电池均衡电路包括第一均衡回路和第二均衡回路所述第一均衡回路内置在锂电池电源管理模块中，放电电流为IOmA -15mA ;第二均衡回路为MOS场效应管和电阻构成的外接均衡回路；上述每一节锂电池都设有第一均衡回路和第二均衡回路。
4.根据权利要求3所述的一种储能LED驱动器系统，其特征在于，所述锂电池组由13节锂电池串联组成，构成储能的载体。
5.根据权利要求1所述的一种储能LED驱动器系统，其特征在于，所述DC-DC变换器包括Buck变换器拓扑结构电路和与Buck变换器拓扑结构电路连接的控制模块PWM芯片。
专利摘要本实用新型涉及一种储能LED驱动器系统，本实用新型采用3种工作模式在照明模式中，交流电输入通过带有功率因素校正功能的恒流/恒压输出AC-DC变换器直接给LED供电；在充电模式中，LED灯停止工作，交流电输入通过AC-DC变换器给锂电池组模块供电，并进行储能；在电池供电模式中，已经充好电的锂电池管理模块通过一个有恒流输出的DC-DC变换器后给LED灯供电。本实用新型还包含了一个智能切换模块，通过单片机控制的方式实现三种模式的切换，保证三种模式之间互不干扰，整个系统正常运行。本实用新型的功率因数能达到0.9以上，效率在80%以上，而且在停电时仍能在长时间内持续为LED灯供电，保证断电时LED灯的正常工作。
文档编号H05B37/02GK202873150SQ20122055277
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者江金光, 李森, 谭高建, 保欢 申请人:常州矽能电子科技有限公司