一种无电解电容LED驱动电源的数字控制方法与流程

本发明涉及一种无电解电容led驱动电源的数字控制方法。

背景技术：

近年来，led技术发展迅速，它因其节能，长寿命和光效高等优点深受大众喜爱，成为新一代照明光源。由于led驱动电源需要电解电容平衡输入与输出功率，而电解电容的寿命随温度升高而急剧下降，不能充分发挥led灯长寿命的优点。因此发展与led光源相匹配的具有高可靠性、高功率因数和长寿命的led驱动电源必不可少。

针对大功率应用场合，led驱动电源的性能要求通常采用两级结构，第一级功率因数校正电路通常采用boost电路，驱动电路简单，pf值高，总谐波失真小，效率高。第二级dc/dc变换器通常采用半桥谐振变换器，实现电能的转换和恒流的控制，可以工作在更高的频率范围，同时又可以实现软开关。对于具有高功率因数的led驱动电源，交流输入电压和电流相位相同，输入瞬时功率中含有两倍工频脉动，而输出功率为恒定值，其大小与输入功率平均值相等。为了平衡交流输入功率和直流输出功率之间的脉动功率，通常在第一级功率因数校正电路输出侧并联一个大容量的电解电容器，该电容一般采用电解电容。电解电容寿命往往只有1万小时左右，与led8～10万小时的的寿命极不匹配，而且电解电容的寿命受环境温度影响极大，温度每升高10度，其使用寿命大约减少一半，因此电解电容成为影响led驱动电源寿命的主要因素，并且电解电容体积较大，限制了驱动电源功率密度进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无电解电容led驱动电源的数字控制方法，能够有效地抑制了pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量，可以使用薄膜电容替代电解电容，实现无电解电容化。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无电解电容led驱动电源的数字控制方法，提供一无电解电容led驱动电源，包括整流电路、pfc电路、半桥谐振电路、两路led均流电路、控制电路；所述半桥谐振电路包括开关管s1、s2，电感l1、l2，电容c1、c2和变压器t1，两路led均流电路包括均流电容c3，二极管d1、d2，电容c10、c20和led负载led1、led2；整流电路输入端与交流电源连接，整流电路输出端与pfc电路输入端连接，pfc电路的第一输出端与s1的一端连接，pfc的第二输出端与s2的一端、c2的一端、t1原边的一端连接，s1的另一端与s2的另一端相连接并经c1、l1与l2的一端、c2的另一端连接，l2的另一端与t1原边的另一端连接，t1副边的一端经c3与d1的阳极、d2的阴极连接，t1副边的另一端与c20的一端、led2的正极、c10的一端、led1的负极连接，d1的阴极与c10的另一端、led1的正极连接，d2的阳极与c20的另一端、led2的负极连接；所述方法实现方式为：控制电路通过采集整流电路输出电压、pfc电路输出电压、led负载电流、led负载电压产生pfc电路所需的控制信号，并使半桥谐振电路开关管s1、s2的工作占空比能够自动跟随pfc电路输出电压的瞬时值变化，从而抑制pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量。

在本发明一实施例中，所述控制电路包括数字控制器及与该数字控制器连接的pfc电路驱动电路和半桥谐振电路驱动电路；数字控制器通过软件编程产生所需要的pfc电路驱动信号和半桥谐振电路驱动信号，其中pfc电路驱动信号是通过采集pfc电路输出电压和led负载电流并将它们进行加权反馈产生的；半桥谐振电路驱动信号是通过采集整流电路输出电压、led负载功率并根据所提的控制方法产生的，该驱动信号的占空比能够自动跟随pfc电路输出电压的瞬时值变化，从而抑制pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量。

在本发明一实施例中，该方法利用半桥谐振电路的恒流特性，即当半桥谐振电路工作在恒流谐振频率时，输出电流：

i0＝kc×vpfc×sin(d×π)

其中，vpfc为pfc电路输出电压瞬时值，d为s1的工作占空比，kc为仅与恒流谐振参数有关的系数，即当半桥谐振电路谐振参数一定时，输出电流仅与pfc电路输出电压和半桥谐振电路开关管的工作占空比d有关；当pfc输出电压瞬时值增大时，半桥谐振电路上开关管的工作占空比增加，输出电流瞬时值i0＝kc×vpfc×sin(d×π)增加；当pfc输出电压瞬时值降低时，半桥谐振电路开关管的工作占空比减小，输出电流瞬时值减小，从而解决了led驱动电源输入输出瞬时功率不平衡的问题，有效地抑制pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量。

在本发明一实施例中，控制电路通过采集整流电路输出电压、led负载功率确定s1和s2所需的的驱动信号的时序及占空比大小，以整流电路输出电压过零点为起始点，控制半桥谐振电路的占空比以规律变化，其中kd为占空比系数，dmin为额定负载时s1的最小工作占空比；当时，d＝kd×dmin；当时，当时，d＝0.5kd；也即从整流电路输出电压过零点起，s1的工作占空比按正弦规律从dmin增加到最大值0.5，再减小到dmin为止，完成一个工作周期，该工作周期为输入交流电源工频周期的一半；开关管s2与s1互补导通，两者均以正弦规律变化。

在本发明一实施例中，所述kd的选取由pfc电路输出电压和负载功率而定，当负载功率增加时，占空比系数kd越大，pfc电路输出端储能电容电压减小；当负载功率减小时，占空比系数kd越小，pfc电路输出端储能电容电压增加。

在本发明一实施例中，所述dmin的选取由led负载电压、pfc电路输出电压的最大值和最小值以及led负载电流的峰均比确定。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明有效地抑制了pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量，可以使用薄膜电容替代电解电容，实现无电解电容化。

附图说明

图1为本发明无电解电容led驱动电源及控制原理图。

图2为本发明半桥lcl谐振网络等效电路图。

图3为本发明无电解电容led驱动电源主要工作波形。

图4为本发明半桥谐振电路开关管驱动信号占空比工作波形。

图5为dmin＝0.1，kd＝1时无电解电容led驱动电源主要仿真波形。

图6为dmin＝0.2，kd＝1时无电解电容led驱动电源主要仿真波形。

图7为dmin＝0.2，kd＝0.8时无电解电容led驱动电源主要仿真。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种无电解电容led驱动电源的数字控制方法，提供一无电解电容led驱动电源，包括整流电路、pfc电路、半桥谐振电路、两路led均流电路、控制电路；所述半桥谐振电路包括开关管s1、s2，电感l1、l2，电容c1、c2和变压器t1，两路led均流电路包括均流电容c3，二极管d1、d2，电容c10、c20和led负载led1、led2；整流电路输入端与交流电源连接，整流电路输出端与pfc电路输入端连接，pfc电路的第一输出端与s1的一端连接，pfc的第二输出端与s2的一端、c2的一端、t1原边的一端连接，s1的另一端与s2的另一端相连接并经c1、l1与l2的一端、c2的另一端连接，l2的另一端与t1原边的另一端连接，t1副边的一端经c3与d1的阳极、d2的阴极连接，t1副边的另一端与c20的一端、led2的正极、c10的一端、led1的负极连接，d1的阴极与c10的另一端、led1的正极连接，d2的阳极与c20的另一端、led2的负极连接；控制电路通过采集整流电路输出电压、pfc电路输出电压、led负载电流、led负载电压产生pfc电路所需的控制信号，并使半桥谐振电路开关管s1、s2的工作占空比能够自动跟随pfc电路输出电压的瞬时值变化，从而抑制pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量。

本发明一种无电解电容led驱动电源的数字控制方法，利用半桥谐振电路的恒流特性，即当半桥谐振电路工作在恒流谐振频率时，输出电流：

i0＝kc×vpfc×sin(d×π)

其中，vpfc为pfc电路输出电压瞬时值，d为s1的工作占空比，kc为仅与恒流谐振参数有关的系数，即当半桥谐振电路谐振参数一定时，输出电流仅与pfc电路输出电压和半桥谐振电路开关管的工作占空比d有关；当pfc输出电压瞬时值增大时，半桥谐振电路上开关管的工作占空比增加，输出电流瞬时值i0＝kc×vpfc×sin(d×π)增加；当pfc输出电压瞬时值降低时，半桥谐振电路开关管的工作占空比减小，输出电流瞬时值减小，从而解决了led驱动电源输入输出瞬时功率不平衡的问题，有效地抑制pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量。

以下为本发明的具体实现过程。

图1是本发明实施例两级式无电解电容led驱动电源及其控制原理图。pfc电路采用boost变换器；半桥谐振电路由开关管s1、s2，电感l1、l2，电容c1、c2和变压器t1组成，半桥谐振电路工作在lcl谐振网络的恒流频率处。led负载由两路均流电路驱动，一路由d1、c10和led1组成，另一路由d2、c20和led2组成，c3为两路led负载的均流电容。

图2为半桥lcl谐振网络等效电路图，输入电压为一占空比为d的方波信号，幅值为vin，工作频率为f，req为led负载折算到变压器原边的等效电阻。假设变压器励磁电感lm足够大，忽略其对负载电流的影响。根据基波分析法可得输入电压的基波分量幅值为由交流分析法推导可得：当半桥工作频率等于电感l1和c2的谐振频率，即时，负载电流kc为仅与半桥lcl谐振网络参数有关的常数，即当谐振参数一定时，输出电流仅与半桥lcl谐振网络的输入电压vin(即pfc电路的输出电压vpfc)有关，与负载电阻无关。因此当半桥lcl谐振网络的输入电压一定时，半桥lcl谐振网络可以实现恒流输出，谐振网络输入电压越高，负载电流越大，反之，负载电流越小。本发明正是利用半桥lcl谐振网络输出电流与负载无关而随pfc输出电压变化的特性，通过输出电流与pfc输出电压的加权反馈，实现了输入瞬时功率与输出功率的平衡以及对led负载的恒流控制。

从图3可以看出，以交流输入电压vac过零点为起始点，当时，pfc电路输出电压处在最小值，当时，pfc电路输出电压处在最大值。为尽可能抑制pfc电路输出电压的纹波大小，pfc电路输出电压瞬时值越大，半桥谐振电路开关管的工作占空比越大；pfc电路输出电压瞬时值越小，半桥谐振电路开关管的工作占空比越小。因此半桥谐振电路开关管的最小工作占空比dmin选取在整流电路输出电压过零后的(即)的位置，最大工作占空比dmax设在整流电路输出电压过零后的(即)的位置，由于半桥谐振电路开关管的工作占空比为0.5时的输出功率最大，因此取dmax＝0.5。由于整流电路输出电压与交流输入电压同相，因此以整流电路输出电压过零点为起始点，控制半桥恒流谐振电路的占空比以规律变化，其中kd为占空比系数(额定负载时kd＝1)，dmin为额定负载时半桥谐振电路上管s1的最小占空比。当时，d＝kd×dmin；当时，当时，d＝0.5kd；也即从起整流电路输出电压过零点起，半桥谐振电路的上管s1的占空比按正弦规律从dmin增加到最大值0.5，再减小到dmin为止，完成一个工作周期，该工作周期为输入交流电源工频周期的一半；开关管s2与s1互补导通，两者均以正弦规律变化；占空比系数kd与负载功率和pfc电路输出电压有关，当负载功率增加时，占空比系数kd越大，pfc电路输出端储能电容电压减小；当负载功率减小时，占空比系数kd越小，pfc电路输出端储能电容电压增加。最小占空比dmin的选取由led负载电压、pfc电路输出电压最大值和最小值以及led负载电流的峰均比确定；

无电解电容led驱动电源的控制电路采用数字控制。pfc电路采用恒频dcm工作模式实现功率因数校正功能，数字控制器通过检测pfc输出电压和led负载电流，并将它们进行加权反馈产生boost变换器开关管的驱动信号，实现高功率因数，并通过调节pfc电路的输出电压实现对led负载的恒流控制。

半桥谐振电路采用恒频pwm控制，工作频率设在恒流谐振频率处。数字控制器通过采集整流电路输出电压、led负载功率确定半桥谐振电路开关管s1和s2所需的的驱动信号的时序及占空比大小。如图4所示，当pfc输出电压瞬时值增大时，开关管的工作占空比增加；当pfc输出电压瞬时值降低时，开关管的工作占空比减小，使半桥谐振电路开关管的工作占空比能够自动跟随pfc输出电压的瞬时值变化，从而有效地抑制了pfc电路输出电压的低频纹波，减小pfc电路输出端储能电容的容量。

本发明采用pfc输出电压与led负载电流加权反馈的闭环控制方法，使led负载电流保持恒定，具有恒流精度高的优点。半桥谐振电路采用恒频控制，控制简单、便于变压器、电感等的优化设计。

为验证控制方案的可行性，对本发明所提的电路及控制策略进行了仿真。仿真参数如下：交流输入电压为220v,负载电流为2a，输出电压为70v，pfc电路输出端储能电容采用10uf的薄膜电容。仿真结果如下：图5为dmin＝0.1，kd＝1时无电解电容led驱动电源主要仿真波形图，图6为dmin＝0.2，kd＝1时无电解电容led驱动电源主要仿真波形图，图7为本发明dmin＝0.2，kd＝0.8时无电解电容led驱动电源主要仿真波形图。可以看出，pfc电路输出端储能电容采用10uf的薄膜电容，无电解电容led驱动电源在dmin＝0.1，kd＝1和dmin＝0.2，kd＝1时均能够正常工作，输出电流恒定在2a左右，交流输入电流可以跟踪交流正弦输入电压变化，而且pfc电路输出电压的纹波均可以得到有效的控制，既可满足pfc电路输出电压始终高于交流输入电压以实现高功率因数，又可抑制pfc电路输出电压峰值以减小储能电容和开关管的电压应力。无电解电容led驱动电源在dmin＝0.2，kd＝0.8时pfc电路输出电压峰值接近500v，因此在dmin一定时，kd越小，传递到负载的功率越小，pfc输出电压纹波越大。比较图5和图6还可以看出，在相同kd值下，最小占空比dmin取值越小，pfc电路输出电压纹波也越小，输出电流纹波越大，电流峰均比增加。

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。