一种led照明灯开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种LED照明灯开关电源，此开关电源采用恒流脉冲式给LED照明灯进行供电，由于LED照明灯工作于脉冲状态，其瞬间工作电流比较大，工作电压相对也比较高，因此，LED照明灯的动态内阻相对比较小，与普通恒压或恒流式供电的LED照明灯相比，在平均功率相等的条件下，采用本发明的LED照明灯开关电源给LED照明灯供电，其亮度和工作效率均要比采用普通恒压或恒流供电的LED照明灯高很多，由于输出脉冲的工作频率与开关电源反激输出电压的工作频率同步，滤波电容器充、放电产生的纹波电流很小，因此，滤波电容器的容量相对可以选得比较小，这样，可使开关电源的可靠性大大提高，使用寿命也相应增加。
【专利说明】 —种LED照明灯开关电源
【【技术领域】】
[0001]本发明专利涉及一种LED照明灯开关电源(参看图1)，此开关电源采用恒流脉冲式给LED照明灯进行供电，由于LED照明灯工作于恒流脉冲状态，其瞬间工作电流比较大，而工作电压却相对比较低，因此，LED照明灯的动态内阻相对比较小，与普通恒压或恒流式供电的LED照明灯相比，在平均功率相等的条件下，采用本发明的LED照明灯开关电源给LED照明灯供电，其亮度和工作效率均要比采用普通恒压或恒流供电的LED照明灯高很多，由于输出脉冲的工作频率与开关电源反激输出电压的工作频率同步，滤波电容器充、放电产生的纹波电流很小，这样，可使开关电源的可靠性大大提高，电磁干扰减小，使用寿命增加。
【【背景技术】】
[0002]目前很多LED照明灯都是采用恒压方式给LED进行供电(参看图2)，也有采用恒流方式给LED进行供电的(参看图3)，但采用恒流供电方式相对比较少，因为恒压式开关电源工作原理比较简单，成本相对很低，但这种LED照明灯的亮度功率比(LM/W)相对比较低，如果要提高LED照明灯的亮度，则需要增大LED照明灯的工作电流，因为，LED照明灯的亮度基本上与其工作电流的大小成正比(参看图4)，而增大LED照明灯的工作电流，则会增大LED照明灯的损耗功率，从而使LED照明灯的温升增大，而当LED照明灯的温升增大之后，又会使LED照明灯因过热而损坏，或降低LED照明灯的使用寿命。
[0003]由于上述原因，目前使用的LED照明灯最大亮度功率比(LM/W)只有160LM/W(流明/瓦)左右，并且LED照明灯的亮度调得越高，其使用寿命就越短。实际应用中的LED照明灯，其亮度功率比(LM/W)大部分都在70-130LM/W之间，并且其亮度会随着使用时间增长而下降，温升越高，亮度会随时间下降的速度越快，即使用寿命越短。
[0004]试验结果表明，LED照明灯的亮度基本上与流过LED照明灯的电流大小成正比，流过LED照明灯的电流越大，LED照明灯的亮度就越高，同时LED照明灯的动态电阻Λ R ( Λ R=Δν/ΔΙ)也越小，因此，其工作效率也越高，S卩，LED照明灯的工作电流越大，其亮度功率比(LM/W)也越高(参看图4和图5)。
[0005]理论上，LED照明灯的最大亮度功率比(LM/W)可达到220LM/W(流明/瓦)，S卩，当流过LED照明灯的电流大到使其亮度功率比(LM/W)达到220LM/W(流明/瓦)时，LED照明灯的亮度才会出现饱和。由此可知，目前使用的LED照明灯，在亮度方面，或在亮度功率比(LM/W)方面,离最大值还有很大的距离。
[0006]图2是LED照明灯采用恒压供电的开关电源基本电路结构图，在图2中，用于对输出电压进行控制的误差信号，取自开关电源的整流滤波输出电压，通过误差信号来对脉冲调制电路(PWM)的输出脉冲的占空比进行控制，因此，其输出电压是稳定的，即，LED照明灯为恒压供电。
[0007]图3是LED照明灯采用恒流供电的开关电源基本电路结构图，在图3中，用于对输出电流进行控制的误差信号，取自流过LED照明灯的电流，因此，其LED照明灯的电流是稳定的，即，LED照明灯为恒流供电。
【
【发明内容】
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[0008]针对目前使用的LED照明灯亮度低，以及工作效率低，使用寿命短等缺点，本发明的一种LED照明灯开关电源，采用恒流脉冲式给LED照明灯进行供电，不但克服了目前使用的LED照明灯亮度低，以及工作效率低和使用寿命短等缺点，并且在其它技术性能方面也有很大的提高。比如，一般开关电源由于受到开关管耐压低的限制，其占空比一般都选得比较小(小于0.5)，因此，开关电源本身的工作效率相对比较低，并且很容易被浪涌电压冲击而损坏，因此，可靠性相对也比较低。本发明的一种LED照明灯开关电源，通过技术改进，基本上克服了现有LED照明灯开关电源工作效率和可靠性低等缺点。
[0009]本发明的一种LED照明灯开关电源，所述LED照明灯开关电源包括:开关变压器次级线圈、用于对开关变压器次级线圈反激输出电压进行整流的整流二极管1、用于对反激输出电压进行滤波的滤波电容器2、用于产生恒流输出的稳压二极管3、用于控制恒流脉冲输出的PNP晶体管4、用于调整恒流大小的第一限流电阻5、用于确保稳压二极管工作于稳压状态的第二限流电阻6、用于驱动PNP晶体管4工作的NPN晶体管7、用于确保NPN晶体管饱和导通的第三限流电阻8、用于引导触发信号让单稳态电路工作的第四限流电阻9、用于调整恒流输出脉冲宽度的单稳态电路100、LED发光二极管110、LED发光二极管为多个发光二极管串联；
[0010]其中，开关变压器次级线圈的正激输出电压端接地(冷地)，开关变压器次级线圈的反激输出电压端接整流二极管1的正极，整流二极管1的负极分别与滤波电容器2和稳压二极管3的负极以及PNP晶体管4的发射极连接，PNP晶体管4的集电极和LED照明灯110的正极连接，LED照明灯110的负极接地(冷地)，PNP晶体管4的基极和第一限流电阻5连接，第一限流电阻5的另一端和稳压二极管3的正极以及第二限流电阻6连接，第二限流电阻6的另一端和NPN晶体管7的集电极连接，NPN晶体管7的发射极接地(冷地)；
[0011]NPN晶体管7的基极和第三限流电阻8连接，第三限流电阻8的另一端和单稳态电路100的脉冲电压输出端连接，单稳态电路100的脉冲电压输入端和第四限流电阻9连接，第四限流电阻9的另一端和开关变压器次级线圈的反激输出电压端连接。
[0012]图1是本发明的一种LED照明灯开关电源的基本电路结构图，图1的工作原理是这样的，交流输入电压被接通之后，经RB1整流和电容器C1滤波，在电容器C1的两端就会产生一个直流电压Vc，此电压将通过变压器T1的初级线圈N1加到晶体管VI的集电极，当PWM脉冲调制器有信号输出时，晶体管VI就开始工作，在变压器T1的次级线圈N2就有感应电压输出，N2输出的正激电压经整流滤波后用于PWM脉冲调制器的工作电压，同时经整流后也可以作为过流、过压保护的取样电压，N2输出的反激电压经整流后可作为误差信号，用于对输出电压(反激输出)进行稳压，使输出电压保持稳定。采用线圈N2取样的优点是反应速度快，输出电压不会产生抖动，同时还可节省一个光电耦合器，并且可以避免光电耦合器在高温状态下很容易失效而产生的后果。
[0013]在图1电路中，当晶体管VI由导通转变为关断时，在变压器T1的次级线圈N3就有一个反激电压输出，经整流二极管整流，再经电容器2滤波，在电容器2的两端就会产生一个直流电压Vd，此电压被加到PNP晶体管4的发射极，当PNP晶体管4受到单稳态电路输出的控制信号作用时，其发射极与集电极就会导通，LED照明灯110就会被点亮；虽然LED照明灯110发光并不是连续的，但由于人的眼睛反应速度相对比较低，其看到的形象还是连续的。
[0014]当变压器T1的次级线圈N3有反激电压脉冲(方波)输出时，此电压脉冲可作为触发信号T通过第四限流电阻9加到单稳态电路100的触发信号输入端，使单稳态电路100输出一个与输入信号T同步的脉冲信号F，此脉冲信号F经过第三限流电阻8被加到NPN晶体管7的基极，使NPN晶体管7饱和导通，其产生的集电极电流，有一部分通过第二限流电阻6和第一限流电阻5加到PNP晶体管4的基极，成为PNP晶体管4的基极电流，此电流经PNP晶体管4放大后，由集电极输出，然后加到LED照明灯110的正极，使LED照明灯110工作(发光)；
[0015]NPN晶体管7饱和导通时产生的集电极电流的另一部分，先是通过第二限流电阻6，然后被稳压二极管3分流，此电流为稳压二极管3的工作电流，由于稳压二极管3两端的电压基本上是固定的，因此流过第一限流电阻5的电流基本上是恒定的，因此，流过PNP晶体管4基极的电流也基本上是恒定的，即，在PNP晶体管4工作期间，从PNP晶体管4集电极输出给LED照明灯110的电流基本上是恒定的；
[0016]由于单稳态电路100输出的脉冲信号F的宽度基本上是稳定的，它不会跟随触发信号宽度的变化而改变，因此，PNP晶体管4输出的恒流脉冲宽度也是稳定的，这样，LED照明灯110就完全工作于恒流脉冲状态。
[0017]LED照明灯110工作于恒流脉冲状态的优点是显而易见的，这个我们可以用图5来说明。图5是LED照明灯的伏-安特性曲线图，同时也是LED照明灯亮度与工作电压和电流及功率损耗的关系曲线图。
[0018]一般LED照明灯的亮度和工作效率很低的主要原因，是因为LED照明灯工作于恒压或恒流状态，由于LED照明灯受到最大平均功率的限制，其最大工作电流显然要比工作于脉冲状态下的LED照明灯的最大工作电流小很多；当LED照明灯工作于恒流脉冲状态时，由于LED照明灯的伏-安特性为非线性，其工作电流会随着电压的增加而急速增加，因此，其亮度也随着电压的增加而急速增加，与此同时，其动态电阻也会随着电压的增加而急速下降，但在恒流脉冲工作状态下，其平均功率并没有增加，因此，其工作效率将显著提高。
[0019]由于一般的LED照明灯都工作于恒压或恒流状态，其瞬时功率与平均功率是完全相等的，其平均功率就等于图5中线段a、b、v、i组成的面积(实线所示)，由于LED照明灯的最大亮度受到最大工作温度的限制(不能超过100°C )，而LED照明灯的温升又与损耗功率的大小有关，因此，工作于恒压或恒流状态下的LED照明灯的最大亮度基本上就是由此面积(平均功率)的大小来决定的。
[0020]如果LED照明灯工作于恒流脉冲状态，其瞬时功率与平均功率是完全不相等的，在图5中，如果用线段c、d、v、i组成的面积(虚线所示)来表示LED照明灯损耗的瞬时功率，则其平均功率除了与此面积的大小相关之外，还与其工作的脉冲宽度(占空比)以及工作频率相关。
[0021]要比较LED照明灯工作于恒流脉冲状态与工作于恒压或恒流状态，两者工作效率的高低，只需要比较图5中，两者对应的亮度L或电流I与其对应的面积或电压变化率(即求导数:dL/dA或dl/dV，L为亮度、A为面积、I为电流、V为电压)的大小即可；变化率越大，其动态电阻就越小，从而其工作效率就越高。显然，工作于恒流脉冲状态的LED照明灯的工作效率要比工作于恒压或恒流状态的LED照明灯的工作效率高很多。因此，在同样温升的条件下，或同样平均功率的条件下，工作于恒流脉冲状态的LED照明灯，其亮度要比工作于恒压或恒流状态的LED照明灯高很多。
[0022]另外，从图5还可以看出，工作于恒流脉冲状态的LED照明灯，要比工作于恒压状态的LED照明灯，在技术性能方面要优越非常多。比如，当LED照明灯的工作电压略有变化时，或LED照明灯的温度特性发生变化时，流过LED照明灯的电流将发生很大的变化，这样，LED照明灯将很容易因工作电流过大而损坏，特别是当工作温度升高时，由于LED照明灯为负温特性，其内阻会随温度升高而变小，从而使工作电流增大。但对于工作于恒流脉冲状态的LED照明灯，则很少出现这种情况，因为恒流源的动态电阻相当大，任随负载电阻变大或变小，流过负载的电流几乎都不变，因此，工作于恒流脉冲状态的LED照明灯比工作于恒压状态的LED照明灯工作更稳定可靠。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0023]图1是一种LED照明灯开关电源的基本电路结构图；
[0024]图2是LED照明灯采用恒压供电的开关电源基本电路结构图；
[0025]图3是LED照明灯采用恒流供电的开关电源基本电路结构图；
[0026]图4是LED照明灯工作电压与电流以及亮度之间的关系曲线图；
[0027]图5是LED照明灯的伏-安特性与亮度关系性曲线及功率损耗图；
[0028]图6是一种LED照明灯开关电源【具体实施方式】的电原理图。
[0029]【实施方案】
[0030]图6是根据图1的基本电路结构设计的一种晶体管开关电源【具体实施方式】的电原理图。图6中，开关变压器次级线圈N3、整流二极管D21、电容器C25、稳压二极管VD22、晶体管V22、电阻R26、电阻R27、晶体管V23、电阻R28、电阻R21、LED照明灯LEDl_LEDn，分别与图1中的开关变压器次级线圈、整流二极管1、滤波电容器2、稳压二极管3、PNP晶体管4、第一限流电阻5、第二限流电阻6、NPN晶体管7、第三限流电阻8、第四限流电阻9、LED照明灯110对应，虚线之内以NE555组成的脉冲整形电路与单稳态电路100对应；
[0031]图6中，F1为保险丝，Cl、L1、C2为EMC滤波电路，RB1、C3为整流滤波电路，R1、C4、D1为反电动势尖峰吸收电路；晶体管VI与晶体管V2同为电源开关管，晶体管VI工作于共基极电路，晶体管V2工作于共发射极电路，当晶体管V2截止时，相当于晶体管VI的发射极开路，因此，晶体管VI的耐压为BVcbo，其耐压约等于基极开路时集电极与发射极耐压(BVceo)的两倍。
[0032]这样，不但可以提高开关电源的可靠性，同时还可以降低成本，用一个耐压(BVceo)约等于600V的晶体管与另一个耐压只有几十伏的晶体管串联，就可以达到一个耐压(BVceo)为1200?1500V晶体管的效果。因此，开关电源的占空比可以选择得比较高，因为，当占空比约等于0.5时，开关电源的工作效率最高，而对于普通开关电源，当开关管的耐压只有600V时，其占空比一般只有0.3左右，因此，普通开关电源的工作效率相对要比图6所示的开关电源低。
[0033]图6中，电阻R2为启动电阻，当交流电压被接通之后，在滤波电容器C3的两端就会产生一个直流电压Vc，此电压将通过变压器T1的初级线圈N1加到第一晶体管1的集电极及电阻R2，在电阻R2中就有电流流过，并对电容器C5进行充电，与此同时，流过电阻R2的电流还通过整流二极管D2对电容器C6进行充电。
[0034]当电容器C5两端的电压达到触发二极管DB1的击穿电压时，触发二极管DB1就被触发导通，电容器C5存储的电荷将通过触发二极管DB1对晶体管V2的基极和发射极进行放电，使晶体管V2导通。与此同时，电容器C6存储的电荷也将通过电阻R3以及正在导通的晶体管V2对晶体管VI的基极和发射极进行放电，使晶体管VI与V2同时导通。
[0035]当晶体管VI与晶体管V2同时导通后，直流电压Vc将通过晶体管VI与晶体管V2加到变压器T1初级线圈N1的两端，在变压器T1初级线圈N1中就会有电流流过，并在变压器T1次级线圈N2中产生感应电压；此电压(正激输出电压)通过整流二极管D4整流，然后对电容器C7进行充电，电容器C7两端的电压就是集成电路U1(NE555)的工作电压Vs ；与此同时，Vs还通过整流二极管D3对电容器C6进行充电，因此，当开关电源进入正常工作状态后，电容器C6两端的电压，就是晶体管VI导通时的驱动电压。
[0036]当U1 (NE555)的工作电压Vs建立以后，U1的3脚就会有PWM脉冲输出，此脉冲首先通过电容器C8和电阻R5加到晶体管V2的基极，使晶体管V2快速导通，与此同时晶体管VI也会导通，此时，在变压器T1的次级线圈N2、N3的两端均有电压脉冲输出，次级线圈N2输出的正激电压经整流二极管D4整流后主要用于对电容器C7和C6充电，以提供集成电路U1 (NE555)的工作电压和晶体管VI导通时所需要的驱动电压。
[0037]—旦晶体管VI与晶体管V2同时导通之后，虽然电容器C5 —直还处于充电状态，但由于流过R2的电流被D2、R3分流，电容器C5两端电压就再也无法达到触发二极管DB1的击穿电压，即，触发二极管DB1被击穿一次之后，再也不会被二次击穿，而后，开关电源进入正常工作状态。
[0038]当U1 (NE555)的3脚输出的PWM脉冲被关断时，电容器C8事先被充电的电荷将会通过电阻R5对晶体管V2的基极和发射极进行反向放电，使晶体管V2快速关断，与此同时，晶体管VI也被快速关断，此时在变压器T1的次级线圈N2、N3的两端将会产生反激脉冲电压输出。
[0039]次级线圈N3输出的反激电压经整流二极管D21整流，再经电容器C25滤波得到的直流输出电压，就是给LED照明灯提供恒流脉冲输出所需要的工作电压。恒流脉冲输出由晶体管V22通过断续工作而得到，控制晶体管V22断续工作的信号由单稳态电路U2 (NE555)输出脉冲来提供，通过单稳态电路U2 (NE555)输出脉冲F对晶体管V22的工作进行调制，就可以使LED照明灯工作于恒流脉冲状态。
[0040]单稳态电路的触发信号取自变压器T1的次级线圈N3的反激电压输出，此电压脉冲经电阻R21限流后被加晶体管V21的基极，经晶体管V21进行倒相放大后，再经电容器C22进行微分，此微分输出信号就是单稳态电路U2(NE555)的触发输入信号。单稳态电路输出脉冲宽度的大小可以通过改变R25或C23参数的大小来取得，改变输出脉冲的宽度，以及改变电阻R26和稳压二极管VD22的参数，就可以改变恒流脉冲的输出功率，从而改变LED照明灯的亮度。
[0041]由于单稳态电路输出脉冲的工作频率与开关电源反激输出电压的工作频率同步，因此，滤波电容器充、放电产生的纹波电流很小，流过整流二极管D21的平均电流也很小，因此，在输出电压、电流纹波相同的条件下，储能滤波电容器的容量相对可以选得比较小，这样，可使开关电源的工作效率和可靠性大大提高，使用寿命也相应增加。
[0042]NE555的4脚具有禁止输出脉冲的功能，在晶体管VI和晶体管V2导通期间，N2输出的正激电压通过R8和C10积分后，可得到一个锯齿波，锯齿波正半周的幅度与N2正激输出电压的幅度和脉冲宽度成正比，同时，正激输出电压脉冲的宽度与反激输出电压幅度成正比，因此，通过监视正激输出电压脉冲的宽度和幅度，就可以监视开关电源的工作状态；把锯齿波电压经过稳压二极管VD2加到晶体管V3的基极，而V3的集电极与U2 (NE555)的4脚连接，当锯齿波正半周的幅度高于VD2的稳压值时，V3将导通，此时U2(NE555)的输出脉冲将被禁止，从而可实现对开关电源的输出过压、过流保护。
[0043]NE555的5脚是电压比较器的一个输入端，改变5脚的电位可以改变PWM脉冲的宽度(占空比)，变压器次级线圈N2的反激输出电压通过VR1，经D5整流，再经C9滤波得到的直流电压，可作为反激输出电压的误差信号用来对输出电压进行控制(负反馈)；此误差信号通过稳压二极管VD1直接加到5脚来控制PWM脉冲的占空比，以达到稳定输出电压的目的，微调VRI阻值的大小，就可以改变输出电压的大小。
[0044]这种直接从变压器次级线圈输出电压进行取样来对输出电压进行控制的方法，其瞬态控制特性特别好，开关电源的输出电压不会因负载产生突变而出现抖动，并且还可以节省一个光电稱合器，避免光电稱合器在高温状态下很容易失效而产生的后果。
[0045]脉冲调制器单元U1和单稳态电路U2均采用的555类集成电路U1(NE555或LM555)来实现脉冲调制和脉冲整形功能，这些功能都是通过外电路改变其内部的两个电压比较器的工作状态来实现的。
[0046]例如，U1的3脚输出脉冲的宽度主要由电阻R10和电容器C11的值来决定，而输出脉冲的间隔时间主要由R11和电容器C11的值来决定，因此，改变电阻R10、R11和电容器C11的值，就可以改变脉冲调制器的工作频率与输出脉冲的占空比。
[0047]U2的3脚输出脉冲的宽度主要由电阻R25和电容器C23的值来决定，改变电阻R25和电容器C23的值，就可以改变恒流脉冲的宽度，从而改变LED照明灯的亮度，在保证晶体管V22处于放大状态的条件下，LED照明灯的亮度与变压器次级线圈N3输出电压的大小基本无关。
[0048]图6中，由于晶体管V2工作于共发射极电路，其工作电压相对比较低，电流放大倍数相对比较大，因此，要求PWM脉冲调制器U1(NE555)提供输出的电流和功率都比较小；开机的时候，只需用一个充满电的小电容器在第二晶体管2的基极与发射极之间进行放电，就可以使开关电源启动而转入正常工作状态，因此，启动电阻R2的阻值可以选得很大，这样开关电源的工作效率相对就比较高。
[0049]因此，本发明的LED照明灯开关电源比普通LED照明灯的开关电源具有更好的高温、高压、高效性能。
【权利要求】
1.一种LED照明灯开关电源，其特征在于:所述LED照明灯开关电源包括:开关变压器次级线圈、用于对开关变压器次级线圈反激输出电压进行整流的整流二极管(1)、用于对反激输出电压进行滤波的滤波电容器(2)、用于产生恒流输出的稳压二极管(3)、用于控制恒流脉冲输出的PNP晶体管(4)、用于调整恒流大小的第一限流电阻(5)、用于确保稳压二极管(3)工作于稳压状态的第二限流电阻(6)、用于驱动PNP晶体管(4)工作的NPN晶体管(7)、用于确保NPN晶体管(7)饱和导通的第三限流电阻(8)、用于引导触发信号让单稳态电路(100)工作的第四限流电阻(9)、用于调整恒流输出脉冲宽度的单稳态电路(100)、LED发光二极管(110)、LED发光二极管(110)为多个发光二极管串联； 其中，开关变压器次级线圈的正激输出电压端接地(冷地)，开关变压器次级线圈的反激输出电压端接整流二极管(1)的正极，整流二极管(1)的负极分别与滤波电容器(2)和稳压二极管⑶的负极以及PNP晶体管(4)的发射极连接，PNP晶体管(4)的集电极和LED发光二极管(110)的正极连接，LED发光二极管(110)的负极接地(冷地)，PNP晶体管(4)的基极和第一限流电阻(5)连接，第一限流电阻(5)的另一端和稳压二极管(3)的正极以及第二限流电阻(6)连接，第二限流电阻(6)的另一端和NPN晶体管(7)的集电极连接，NPN晶体管(7)的发射极接地(冷地)； NPN晶体管(7)的基极和第三限流电阻(8)连接，第三限流电阻(8)的另一端和单稳态电路(100)的脉冲电压输出端连接，单稳态电路(100)的脉冲电压输入端和第四限流电阻(9)连接，第四限流电阻(9)的另一端和开关变压器次级线圈的反激输出电压端连接。
【文档编号】H05B37/02GK104470100SQ201410686943
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】陶显芳, 蔡循 申请人:苏州蓝特照明科技有限公司