LED驱动电源及其工作方法、LED灯具与流程

本发明涉及led照明领域，特别涉及led驱动电源及其工作方法、led灯具，也涉及到其他电源领域，如充电器领域。

背景技术

随着led技术的成熟，采用led作为发光源的照明产品逐渐替代了荧光灯、气体放电灯、钨丝灯等发光源。led照明产品，一般都需要采用一个电源(又称驱动电源)，将ac市电变换为直流，并提供各种控制功能。

当前的led驱动电源，存在以下三种情形：

一、绝大部分采取开关电源变换来达到恒流或恒压的功能，这种电源都存在开机输入浪涌电流大、输入电流谐波失真大、产生高次谐波等对电网的干扰，同时也存在抗浪涌电压能力差(一般只能通过零火线2kv，零火与地线之间4kv)，可靠性低(绝大多数电源的质保期只能等于或低于5年)，工作环境温度低等缺陷。

二、也有一部分led驱动电源采用线性恒流方案，也同样存在抗浪涌电压能力差，可靠性低，工作环境温度低等缺陷。

三、还有一种led驱动电源采用工频变压器作为电压变换，并在后面增加整流滤波，但存在功率因素低，恒流特征差等缺陷，市面上使用这种电路的厂家非常少。

led照明产品相对荧光灯、气体放电等照明产品寿命要长很多。led驱动电源的寿命相对led灯珠来说是个短板，所以如果解决led驱动电源的寿命问题，能很方便将led灯具的寿命延长一倍以上。当前由于led驱动电源可靠性差、寿命短，这样导致每年有大量的灯具、光源需要更换，尤其是对一些市政及公共事业用途的照明中，需要投入大量的更新、维修资金，占用了社会的公共资源，与此同时，还因为灯具的更换产生了大量的固体电子垃圾，对人类生态环境造成几乎很难逆转的污染。

具体来讲，当前的led驱动电源，一般分为以下几种：中小功率的，尤其是小于75w以内的，采用的是反激(flyback)，pfc+反激，bulk等经典的开关电源电路拓扑；而中大功率led驱动电源(70～1000w)，一般采用主动式pfc+llc或者pfc+半桥/全桥电路拓扑，也有主动式pfc+反激，主动式pfc+正激，或者各种变形的反激。采用以上拓扑电路的led驱动电源，虽然可以做到体积较小、效率较高，但在emc、开机浪涌电流、输入谐波电流、可靠性等方面存在非常大的局限性。

因此，有必要提供一种全新的led驱动电源来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供led驱动电源，该led驱动电源采用全新的拓扑结构，即采用低频电源变换和主动式阻抗特征变换及智能数字电源技术相结合拓扑结构，能解决当前led驱动电源抗浪涌能力差、易对电网产生干扰、可靠性差、寿命短、工作环境温度低等缺陷。

本发明的另一目的在于提供led灯具。

本发明的又一目的在于提供led驱动电源的工作方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

led驱动电源，包括第一级变换电路、m个第二级变换电路；其中，所述m≥1，m个第二级变换电路并联；所述第一级变换电路为低频隔离变压器电路，所述低频隔离变压器电路的一次侧接市电，二次侧分别接m个第二级变换电路，所述低频隔离变压器电路将市电高压交流电变换为低压的交流电；每个第二级变换电路包括开关式阻抗特征变换电路，将后级led负载的容性特征变换为呈阻性特征，同时完成恒流控制功能，将输入的低压交流信号变换成24～120v的低压恒流至led负载。

所述低频隔离变压器电路采用工频变压器，所述工频变压器采用骨架、铁芯、绝缘铜线绕制，所述铁芯的工作频率不高于1000hz，所述工频变压器的输出交流电压为12vac～48vac。输出交流电压的设置满足iec61558中selv(safetyextralowvoltage)的要求。通电瞬间由于工频变压器一次侧呈电感阻抗特征，所以开机时浪涌电流非常低。由于采用工频变压器，其对高频信号具有阻隔特点，一方面可以消除后级对电网的干扰，同时也可以阻隔电网浪涌及电快速脉冲对后级的冲击。由于工作在低频，且电压电流均为正弦，故元器件的电应力较低，且元器件数量少，本身的失效概率非常低，所以整个电源的可靠性非常高。

所述工频变压器的一次侧设置有保险丝，所述保险丝为慢熔保险丝或者能够自恢复的保险丝。保险丝提供异常情况下的自我保护能力，能够自恢复的保险丝提供保护后的自我恢复功能。

所述第二级变换电路还包括二极管d1、d2，高频滤波电容c1，所述开关式阻抗特征变换电路包括电感l1、控制单元m1、高频开关管q1、二极管d3、电容c2；其中二极管d1、d2的正极分别接第一级变换电路的二次侧，二极管d1、d2的负极分别接高频滤波电容c1的一端；电感l1的一端接二极管d1的负极；高频开关管q1的两端分别连接电感l1的另一端、高频滤波电容c1的另一端；二极管d3的正极同时连接电感l1的另一端，二极管d3的负极连接负载；电容c2的两端分别连接高频滤波电容c1的另一端、二极管d3的负极；控制单元m1控制高频开关管q1的导通时间。

所述二极管d1、d2均采用低压降的肖特基二极管、同步整流管中的一种。以减少二极管导通压降的损耗。

所述led驱动电源，其为高功率因素、低浪涌电流、高可靠性、低干扰型交流市电转低压直流电源，其负载为led负载或者能够充电设计的其他负载。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

led灯具，包括led驱动电源，还包括与所述led驱动电源连接的led负载。常见的led负载，如led灯珠。

本发明的又一目的通过以下的技术方案实现：

led驱动电源的工作方法，包括以下步骤：

s1、在开机瞬间，工频变压器一次侧呈电感阻抗特征，故开机浪涌电流非常低，一般低于5倍的额定工作电流；

s2、正常工作状态下，第一级变换电路将市电高压交流电变换为低压的交流电；

s3、低压交流电经过第二级变换电路的二极管d1、d2整流成全波电压，第二级变换电路的高频滤波电容c1对全波电压进行高频滤波，然后传输至第二级变换电路的开关式阻抗特征变换电路；

s4、开关式阻抗特征变换电路的控制单元m1通过采集全桥电压的相位信息，作为输入电压的瞬时参考值，控制高频开关管q1的导通开始的时间点或导通脉冲的宽度，使得第一级变换电路的二次侧输出电流波形成近似正弦波形状的全波，且与第一级变换电路输出电压的保持同相位，即相当于将后级的负载特征变换为阻性，从而使得第一级的工频变压器的负载为纯阻性，达到使整机的功率因素(pf)大于0.9以上；

开关式阻抗特征变换电路的控制单元m1参考高频滤波电容c1两端的瞬时电压参考作为开关导通控制的条件；同时，控制单元m1还分别通过采集高频开关管q1的电流瞬时值、电容c2二端的输出电压、高频开关管q1的导通时间，从而实现控制输出负载恒流、输出负载恒压、输出恒功率。

所述开关式阻抗特征变换电路的控制单元m1，还接受外部调光接口或者通讯接口发出的调光指令，通过控制高频开关管q1的导通与关闭，调节流经电感l1的电流，从而达到调节后级负载的电流，实现调光功能；

所述开关式阻抗特征变换电路的控制单元m1还检测流经开关管q2的电流作为反馈控制端，控制高频开关管q1的导通与关闭，从而达到精确的恒流输出；通过控制开关管q2的导通时间或饱和程度，完成去频闪功能，通过控制开关管q2的导通与关闭，实现调节负载电流的功能，从而达到调光的功能。

所述高频开关管q1采用高速开关、低导通电阻的mosfet；二极管d3采用恢复时间短、正向压降低的二极管或者同步整流管；电感l1采用低损耗的铁氧体磁芯高频变压器/电感或高频非晶磁芯变压器/电感；电容c2采用高温大纹波电流的电解电容，或者是高温、高容值的固态电解电容，满足高温下可靠性、低的纹波电流的要求；开关管q2是mosfet或者双极性三极管，可以作为独立的过流、短路保护。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、寿命及可靠性优势：采用本拓扑结构的led驱动电源，寿命可超过10年，20年，甚至长达30年以上；平均无故障时间能达到1000万小时以上，甚至更长。

2、工作环境温度优势：采用本拓扑结构的led驱动电源，能在100摄氏度以上的环境中正常工作，甚者可以在120摄氏度的环境中正常工作。

3、输入浪涌(inrushcurrent)抑制优势：采用本拓扑结构的led驱动电源，能将输入浪涌电流抑制在2倍正常工作电流以内，而当前市场上主流led驱动的浪涌电流高达数十、上百安培，甚至数百安培。

4、抗浪涌优势：采用本拓扑结构的led驱动电源，能将将输入零火线浪涌电压提高到8kv，甚至高达10kv。

5、效率优势：采用本拓扑结构的led驱动电源，整机效率最高可达95％，一般可达到90％以上。

6、控制优势：采用本拓扑结构的led驱动电源，能非常便捷拓展各类智能控制功能。

7、本发明的第二级变换电路使负载电流与市电的相位及瞬时值成比例，形成一个主动式pfc校正负载特征，从而使整体led驱动电源的功率因素大于0.95以上，谐波失真小于10％。由于后级是低压直流，故可以通过增加智能控制模块，可方便实现各种智能控制功能，或者组成各类智能照明系统。

附图说明

图1是本发明所述led驱动电源的整体框架图。

图2是本发明所述led驱动电源的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2，led驱动电源的实现思路如下：

(1)整个拓扑分为二级，如图1。

其中，第一级变换电路采用工频变压器，将市电高压交流变换为低压的交流电，第一级的输出交流电压的一般为12vac～48vac，以满足iec61558中selv(safetyextralowvoltage)的要求。一般地，也可以在工频变压器的一次侧增加一个保险丝，或者可自恢复的保险丝，提供异常情况下的自我保护能力。

本级所采用的工频变压器，在开机瞬间，工频变压器的一次侧呈电感阻抗特征，故开机浪涌电流非常低，一般低于5倍的额定工作电流。

本级所采用的工频变压器，由于其铁芯的工作频率一般不高于1000hz，高频信号无法通过一次侧耦合到二次侧，也无法从二次侧耦合到一次侧，故可以减少后级对电网的传导干扰，也可以阻隔电网上浪涌电压、电流对后级的冲击。

本级所采用的工频变压器，由于采用骨架、铁芯、绝缘铜线绕制，这三种材料的最高温度可以为150摄氏度，甚至可以高达180摄氏度。且失效的机率非常低，容易达到超长的使用寿命，如寿命可以大于80000小时，100000小时，甚至200000小时。同时具有极低的失效概率，如其平均无故障时间(mtbf)可以大于500万小时，甚至超过1000万小时或者更高，

本级所采用的工频变压器，采用低损耗的铁芯，及高导电率的漆包线，其变换效率一般为90～95％，最高可达98％的转换效率。

(2)第二级变换电路为负载特征变换、恒流控制、调光、通信控制部分。由于led工作在直流供电下。变压器二次侧直接连接低频滤波电容，将会呈容性负载特征。第二级电路通过阻抗特征变化电路，使工频变压器的负载呈阻性特征。与此同时，本级电路还完成led恒流控制的功能，如有需要，还可以在本级电路中，增加调光控制功能、智能控制及通讯控制等功能。

(3)如图2，第二级变换电路优先采用开关式阻抗特征变换电路。第一级输入低压交流信号经整流成为全波直流电压，送至开关式阻抗特征变换电路，输出24～120v直流电。该开关式阻抗特征变换电路一方面完成将电压从全波的直流电压变换成电压高于第一级输出电压的峰值。另一方面，通过控制开关的导通频率或脉冲宽度，使得第一级的输出电流为低频的正弦波，且相位第一级输出电压保持相同，相当于将后级的负载特征变换为阻性，使得第一级的工频变压器的负载为纯阻性，达到使整机的功率因素(pf)大于0.9以上，最高可到0.99以上。

(4)其中第二级的开关式阻抗特征变换电路，可以是采用专用的pfc校正控制ic，也可以是由单片机采用专用的算法和驱动电路一起构成；

(5)其中第二级的开关式阻抗特征变换电路，在完成全波电流转换成直流电压，将容性负载或其他类型的负载转换为阻性特征负载的同时，还可以完成负载的恒流控制，或者调光控制，或者通过通讯控制电路，与外部进行通讯，完成其他智能控制功能。

本发明的拓扑原理，详细说明如下：

1、图2为一个采用本发明拓扑的一个典型应用电路图。

2、220v市电输至第一级电路，市电交流电输入至工频变压器t1，工频变压器t1采用空载损耗低、高可靠性的工频变压器，尤其是环形变压器。该变压器将市电高压交流变换为低压的交流电，输出为低压交流电压电。其输出电压范围一般是12vac～48vac，以满足iec61558中selv(safetyextralowvoltage)的要求。一般地，在工频变压器的一次侧输入端和市电之间连接一个保险丝s1，保险丝s1可以是慢熔保险丝，或者可自恢复的保险丝，提供在异常情况下的保护，或者提供保护后的自我恢复功能。

工频变压器t1，其通电瞬间由于该变压器的一次侧呈电感阻抗特征，其开机最大浪涌电流一般低于正常工作电流的2倍，甚至更低。由于其铁芯的工作频率一般不高于1000hz，高频信号无法通过一次侧耦合到二次侧，阻隔电网上浪涌电压、电流对后级的冲击，防浪涌能力可以达到ln之间8kv甚至更高；同时高频干扰信号也无法从二次侧耦合到一次侧，故可以减少后级对电网的传导干扰。

工频变压器t1由于采用骨架、铁芯、绝缘铜线绕制，这三种材料的最高温度可以为150摄氏度，甚至可以高达180摄氏度以上。且失效的机率非常低，容易达到超长的使用寿命。其使用设计寿命大于100000小时，甚至200000小时。其绕制生产工艺成熟，故批量生产的产品有着极低的失效概率，如其平均无故障时间可以大于500万小时，甚至1000万小时或者更高。

工频变压器t1采用低损耗的铁芯，如硅钢片，或者低损耗的非晶合金。其变换效率一般为90～95％，最高可达98％以上的转换效率。

3、工频变压器t1的二次侧输出，连接至第二级变换电路的输入端，经二极管d1、d2整流成全波电压，二极管d1、d2采用低压降的肖特基二极管，或者是同步整流的mosfet管，以减少二极管导通压降的损耗。经整流以后的全波电压，送至高频滤波电容c1，高频滤波电容c1的容值一般0.1～0.47uf，或者低于1uf，其可以是一个或者数个高频电容组成。经高频滤波以后的全波电压，送至由电感l1，控制单元m1，高频开关管q1，二极管d3，电容c2组成的阻抗特征变换、恒流控制、调光控制、异常保护控制电路模块的第二级电路。第二级变换电路可以是典型的开关式阻抗特征变换电路(boost)。但是其反馈可以是多个电压、电流信号。控制单元m1通过采集全桥电压的相位信息，作为输入电压的瞬时参考值，控制高频开关管q1的导通开始的时间点或导通脉冲的宽度，使得工频变压器t1二次侧输出电流波形成近似正弦波形状的全波，且与工频变压器t1输出电压的保持同相位，相当于将后级的负载特征变换为阻性，从而使得第一级的工频变压器的负载为纯阻性，达到使整机的功率因素(pf)大于0.9以上，最高可到0.99以上。电感l1，控制单元m1，高频开关管q1，二极管d3，电容c2构成一个典型的开关升压(boost)电路，控制单元m1参考高频滤波电容c1两端的瞬时电压参考作为开关导通控制的条件，同时，控制单元m1还采集通过高频开关管q1的电流瞬时值和带内容c2二端第二级变换电路的输出电压，通过控制高频开关管q1的导通时间，从而达到输出负载恒流、输出负载恒压、输出恒功率的效果。控制单元m1同时还可以接受外部调光接口或者通讯接口发出的调光指令，通过控制高频开关管q1的导通与关闭，调节流经电感l1的电流，从而达到调节后级负载的电流，实现调光功能或者开个功能。控制单元m1还可以检测流经开关管q2的电流作为反馈控制端，控制高频开关管q1的导通与关闭，从而达到精确的恒流输出。其中，高频开关管q1采用高速开关、低导通电阻的mosfet；二极管d3采用恢复时间短，正向压降低的二极管或者同步整流管；电感l1采用低损耗的铁氧体磁芯高频变压器/电感或高频非晶磁芯变压器/电感；电容c2采用高温大纹波电流的电解电容，或者是高温，高容值的固态电解，满足高温下可靠性、低的纹波电流的要求；开关管q2是mosfet或者双极性三极管，可以作为独立的过流、短路保护，也可以通过控制开关管q2的导通时间或饱和程度，完成去频闪功能。也可以通过控制开关管q2的导通与关闭，实现调节负载电流的功能，从而达到调光的功能。

4、第二级变换电路输出所连接的负载，可以是led灯珠的串并联负载，也可以是其他负载，如大功率充电器等。

5、其中第一级工频变压器电路可以连接一个负载特征变换、恒流控制、调光通信控制电路模块。也可以是多个负载特征变换、恒流控制、调光、通信控制电路模块相同功能或类似功能的第二级电路并联，并联的多个第二级电路可以实现加大输出电流、输出功率，或者实现多路负载输出，多路负载可单独控制等功能。

本发明的关键模块及技术如下：

1、二级变换中大功率led驱动电源拓扑架构：

采用二级变换架构：第一级通过采用工频变压器，实现电气隔离和高频干扰信号的阻隔。第二级采用阻抗特征变化电路，将后级负载变换为纯阻性负载，并实现恒流、电流调节、开关、智能控制等功能。

2、负载变换及恒流、调光、多重保护一体的控制技术：

负载变换及恒流、调光、多重保护一体的控制技术方法：通过采集前级电压信号、通过主开关器件的电流、输出电压、输出电流四个信号的一个或数个，同时根据调光接口、外部调光、智能控制信号或指令的要求，通过控制典型的开关升压线路(boost)主回路开关管或者穿联在负载回路的开关，实现对后级负载的特征变换、输出恒流、输出恒压、电流调节等控制。

3、第二级并联，提高输出电流，或者实现多路输出的方法：

第一级工频变压器电路可以连接多个负载特征变换、恒流控制、调光、通信控制电路模块同样或类似功能的第二级电路并联，并联的多个第二级电路可以实现加大输出电流、输出功率，或者实现多路负载输出，多路负载可单独控制等功能。

本发明的主要创造点如下：

1、二级电路拓扑电路，第一级采用工频变压器，第二级采用负载特征、恒流控制、调光控制相结合的控制电路，实现高温、低浪涌电流、高耐冲击浪涌、高可靠性、高效率的led驱动电源电路设计方法；

2、采用以上拓扑电路的led驱动电源；

3、负载变换及恒流、调光、多重保护一体的控制技术方法：通过采集前级电压信号、通过主开关器件的电流、输出电压、输出电流四个信号的一个或数个，同时根据调光接口、外部调光、智能控制信号或指令的要求，通过控制典型的开关升压线路(boost)主回路开关管或者穿联在负载回路的开关，实现对后级负载的特征变换、输出恒流、输出恒压、电流调节等控制；

4、第二级采用负载特征、恒流控制、调光控制相结合的控制电路，采用其中一个或者数个功能进行结合；

5、第二级并联，以提高输出电流，或者实现多路输出的方法：第一级工频变压器电路可以连接多个负载特征变换、恒流控制、调光、通信控制电路模块同样或类似功能的第二级电路并联，并联的多个第二级电路可以实现加大输出电流、输出功率，或者实现多路负载输出，多路负载可单独控制等功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。