AC輸入高功率因數無頻閃的LED驅動電路的製作方法

2023-04-28 07:55:16

本發明涉及led驅動電路技術領域，尤其涉及一種ac輸入高功率因數無頻閃的led驅動電路。

背景技術：

led光源作為一種新型綠色光源，由於其具有耗電量低、壽命長、反應速度快、高效節能等優點，已被越來越廣泛的應用。在同樣亮度下，led光源耗電量僅為普通白熾燈的十分之一，而壽命卻可以延長100倍。但其壽命很大程度上決定於驅動電源，因此一種可靠的、轉換效率高的、壽命長的led驅動電源對於led光源至關重要。

目前，led燈的供電方式多採用直流，供電的市電需要通過整流橋轉換為直流，再通過驅動電路驅動led燈珠發光。其輸入部分一般由橋式整流器和濾波電容器構成，二者均屬於非線性元器件。由於大容量濾波電容器的存在，使得整流二極體的導通角變得很窄，僅在交流輸入電壓的峰值附近才能導通，致使交流輸入電流產生嚴重失真，變成為尖峰脈衝。這種電流波形中包含了大量的諧波分量，不僅對電網造成汙染，還導致濾波後輸出的有功功率顯著降低，使功率因數大幅度降低。雖然使用開關電源能夠提高功率因數，但是其組成比較複雜，成本較高。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是如何提供一種組成簡單且功率因數高的ac輸入高功率因數無頻閃的led驅動電路。

為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是：一種ac輸入高功率因數無頻閃的led驅動電路，其特徵在於：包括整流電路、填谷式電容濾波電路、電壓監測比較電路和開關切換控制及恆流電路，所述整流電路的輸入端接交流市電，所述整流電路的輸出端與所述填谷式電容濾波電路的輸入端連接，所述整流電路用於將輸入的交流市電轉換成脈動的直流電，所述填谷式電容濾波電路的輸出端與所述電壓監測比較電路的輸入端連接，所述填谷式電容濾波電路用於將脈動直流電的低電壓部分填高，形成半高壓恆壓加脈動高壓的周期電壓，所述電壓監測比較電路的輸出端與所述開關切換控制及恆流電路的輸入端連接，所述電壓監測比較電路用於監測所述填谷式電容濾波電路輸出的瞬態電壓，在電壓高於某一個設定的閾值時，輸出低電平，低於所述設定的閾值時，輸出高電平，所述開關切換控制及恆流電路的兩組輸出端分別與兩組led燈串連接，每組led燈串包含一個以上的led，當電壓監測比較電路輸出低電平時，開關切換控制及恆流電路控制兩組led燈串串聯，當電壓監測比較電路輸出高電平時，開關切換控制及恆流電路控制兩組led燈串並聯。

進一步的技術方案在於：所述驅動電路還包括保護電路，所述保護電路的輸入端接市電，所述保護電路的輸出端接所述整流電路的輸入端，所述保護電路用於為所述驅動電路提供輸入保護。

進一步的技術方案在於：所述保護電路包括壓敏電阻mov1-mov3、氣體放電管gdt、熱敏電阻ntc以及保險管f1，火線l經所述保險管f1後分為三路，第一路經壓敏電阻mov1後與零線n連接，第二路依次經壓敏電阻mov2以及壓敏電阻mov3後與零線n連接，第三路與所述熱敏電阻ntc的一端連接，所述熱敏電阻ntc的另一端為所述保護電路的一個輸出端，所述氣體放電管gdt的一端接所述壓敏電阻mov2與壓敏電阻mov3的結點，所述氣體放電管gdt的另一端接地，所述壓敏電阻mov1與壓敏電阻mov3的結點為所述保護電路的另一個輸出端。

優選的：所述氣體放電管gdt使用b8g600l型氣體放電管。

優選的：所述整流電路包括全橋式整流橋db1。

進一步的技術方案在於：所述填谷式電容濾波電路包括二極體d1-d3以及電容c1-c2，二極體d1的負極經所述電容c2與所述二極體d2的負極連接，所述二極體d2的正極接地，所述二極體d1的正極經電容c1後接地，所述二極體d3的正極接電容c2與二極體d2的結點，所述二極體d3的負極接所述二極體d1與電容c1的結點，所述二極體d1與電容c2的結點為所述填谷式電容濾波電路的接線端，用於分別與所述整流電路的正極電源輸出端以及電壓監測比較電路的電源輸入端連接。

進一步的技術方案在於：所述電壓監測比較電路包括電阻r2、電位器r3、電阻r4-r6、二極體d4、電容c3以及運算放大器u1，所述電阻r2的一端經電位器r3後接地，電阻r2的另一端經所述電阻r4後與所述二極體d4的負極連接，二極體d4的正極接地，所述電容c3與所述二極體d4並聯，電阻r5的一端接所述電阻r4與二極體d4的結點，電阻r5的另一端分為兩路，第一路與所述運算放大器u1的同相輸入端連接，第二路經電阻r6接地，運算放大器u1的反相輸入端接所述電阻r2與電位器r3的結點，所述運算放大器u1的電源輸入端接所述電阻r4與二極體d4的結點，所述運算放大器u1的接地端接地，所述運算放大器u1的輸出端為所述電壓監測比較電路的輸出端。

優選的：所述運算放大器u1使用lm358型運算放大器。

進一步的技術方案在於：所述開關切換控制及恆流電路包括電阻r7-r14、電容c4-c5、二極體d5、三極體q1-q5以及線性恆流晶片u2-u3，電阻r7的一端為所述開關切換控制及恆流電路的信號輸入端，電阻r7的另一端與所述三極體q1的基極連接，電阻r9的一端與所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端連接，電阻r9的另一端分為兩路，第一路與三極體q2的基極連接，第二路與三極體q1的集電極連接，三極體q1的發射極接地，所述線性恆流晶片u2的1腳分為兩路，第一路與所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端連接，第二路經電容c4後又分為三路，第一路與所述u2的2腳連接，第二路經電阻r8後與所述u2的3腳連接，第三路與第二led燈串led2的正極連接，第二led燈串led2的負極分別與所述三極體q2以及三極體q3的集電極連接，三極體q2的發射極與二極體d5的正極連接，二極體d5的負極與第一led燈串led1的正極連接，第一led燈串led1的負極分為兩路，第一路與所述線性恆流晶片u3的1腳連接，第二路經電容c5後又分為三路，第一路與所述u3的2腳連接，第二路經電阻r14後與所述u3的3腳連接，第三路接地，電阻r10的一端與所述電壓監測比較電路的輸出端連接，電阻r10的另一端與三極體q3的基極連接，三極體q3的發射極接地，電阻r13的一端與所述電壓監測比較電路的輸出端連接，電阻r13的另一端與三極體q4的基極連接，三極體q4的發射極接地，三極體q4的集電極經電阻r12後分為兩路，第一路經電阻r11接所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端，第二路與所述三極體q5的基極連接，三極體q5的集電極接所述二極體d5與第一led燈串led1的結點，三極體q5的發射極接所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端。

優選的：所述線性恆流晶片u2-u3使用sm2082b型線性恆流晶片。

採用上述技術方案所產生的有益效果在於：所述驅動電路中led分兩組，分別線性恆流，通過填谷式電容濾波電路實現高電壓時給電容充電，低壓時電容給led供電，延長了工作時間，同時能保證較高的功率因數，並能夠根據輸入電壓高低自動切換led組的串並聯狀態，實現寬電壓適應。

所述驅動電路可實現0.9以上高功率因數，且led無頻閃工作；電路工作效率可達85%以上，因電路結構簡單，生產效率比採用開關電源方式更高，且延長了電路的使用壽命，可與led集成在同一個基板上，無需外置驅動器；採用三極體作為開關器件，成本比開關電源低很多；適應電壓範圍更寬，可以從90到264v都能工作；通過使用保護電路，因此具備抗浪湧、防雷擊、過壓保護、過溫保護等功能，使用安全。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是本發明實施例所述驅動電路的原理框圖；

圖2是本發明實施例所述驅動電路中保護電路的原理圖；

圖3是本發明實施例所述驅動電路中整流電路的原理圖；

圖4是本發明實施例所述驅動電路中填谷式電容濾波電路的原理圖；

圖5是本發明實施例所述驅動電路中電壓監測比較電路的原理圖；

圖6是本發明實施例所述驅動電路中開關切換控制及恆流電路的原理圖；

圖7是本發明實施例所述驅動電路的原理圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖1所示，本發明實施例公開了一種ac輸入高功率因數無頻閃的led驅動電路，包括整流電路、填谷式電容濾波電路、電壓監測比較電路以及開關切換控制及恆流電路。所述整流電路的輸入端接交流市電，所述整流電路的輸出端與所述填谷式電容濾波電路的輸入端連接，所述整流電路用於將輸入的交流市電轉換成脈動的直流電；所述填谷式電容濾波電路的輸出端與所述電壓監測比較電路的輸入端連接，所述填谷式電容濾波電路用於將脈動直流電的低電壓部分填高，形成半高壓恆壓加脈動高壓的周期電壓；所述電壓監測比較電路的輸出端與所述開關切換控制及恆流電路的輸入端連接，所述電壓監測比較電路用於監測所述填谷式電容濾波電路輸出的瞬態電壓，在電壓高於某一個設定的閾值時，輸出低電平，低於所述設定的閾值時，輸出高電平；所述開關切換控制及恆流電路的兩組輸出端分別與兩組led燈串連接，每組led燈串包含一個以上的led，每組led燈串中led與led之間串聯連接，當電壓監測比較電路輸出低電平時，開關切換控制及恆流電路控制兩組led燈串串聯，當電壓監測比較電路輸出高電平時，開關切換控制及恆流電路控制兩組led燈串並聯。

工作原理：首先，交流市電經整流電路轉換成脈動直流電源，脈動直流電源通過填谷式電容濾波電路將脈動直流電的低電壓部分填高，形成半高壓恆壓加脈動高壓的電壓狀態；之後，通過電壓監測比較電路監測所述填谷式電容濾波電路輸出的瞬態電壓，在電壓高於某個設定值（大約是稍高於led串聯工作的額定電壓）時輸出低電平，低於這個設定值時輸出高電平；最後，開關切換控制及恆流電路在電壓監測比較電路輸出低電平時，打開led串聯工作通路，關閉並聯工作通路，使兩組led燈串串聯，在電壓監測比較電路輸出高電平時，關閉led串聯工作通路，打開並聯工作通路，使兩組led燈串並聯。

優選的，為了防止輸入的交流市電對所述驅動電路造成損害，所述驅動電路還在交流市電的輸入端增加了保護電路。具體的，所述保護電路的輸入端接市電，所述保護電路的輸出端接所述整流電路的輸入端，所述保護電路用於為所述驅動電路提供輸入保護。

具體的，如圖2所示，所述保護電路包括壓敏電阻mov1-mov3、氣體放電管gdt、熱敏電阻ntc以及保險管f1。火線l經所述保險管f1後分為三路，第一路經壓敏電阻mov1後與零線n連接，第二路依次經壓敏電阻mov2以及壓敏電阻mov3後與零線n連接，第三路與所述熱敏電阻ntc的一端連接，所述熱敏電阻ntc的另一端為所述保護電路的一個輸出端，所述氣體放電管gdt的一端接所述壓敏電阻mov2與壓敏電阻mov3的結點，所述氣體放電管gdt的另一端接地，所述壓敏電阻mov1與壓敏電阻mov3的結點為所述保護電路的另一個輸出端。

優選的，所述氣體放電管gdt使用b8g600l型氣體放電管，需要說明的是，所述氣體放電管gdt的具體型號還可以為其它型號，本領域技術人員可以根據實際情況進行適當的選擇。

所述保護電路中，在火線l輸入端串聯2a/250v保險管f1，防止電路中出現短路或大電流放電等異常狀態的過流保護，避免發生火災。由於電容性電路在啟動瞬間會對電容有一個瞬間的大電流充電過程，所述保護電路中在輸入線路中串聯熱敏電阻ntc，熱敏電阻ntc對瞬間的大電流有一個抑制作用，避免對電網以及驅動電路產生大的電流衝擊。在火線l與零線n之間並聯壓敏電阻mov1，火線l與地、零線n與地之間同樣並聯壓敏電阻mov2、mov3並且串聯一個氣體放電管gdt，對雷擊浪湧等瞬間高能量向地快速釋放，以保護電路。由於火線l、零線n對地的壓敏電阻有微小的漏電流，多個電路同時工作時漏電流的累加效應導致電網的漏電保護啟動掉閘而影響工作，氣體放電管gdt在電路工作時可隔絕火線l、零線n對地的漏電，防止電網的漏電保護器錯誤啟動。

如圖3所示，所述整流電路包括全橋式整流橋db1。需要說明的是，所述整流電路的具體形式還可以為其它形式，本領域技術人員可以根據實際需要使用現有技術中的其它整流電路的具體形式。圖2中的a和b分別與圖3中的a和b連接後，將所述保護電路與整流電路連接到一起。

如圖4所示，所述填谷式電容濾波電路包括二極體d1-d3以及電容c1-c2。二極體d1的負極經所述電容c2與所述二極體d2的負極連接，所述二極體d2的正極接地，所述二極體d1的正極經電容c1後接地，所述二極體d3的正極接電容c2與二極體d2的結點，所述二極體d3的負極接所述二極體d1與電容c1的結點，所述二極體d1與電容c2的結點為所述填谷式電容濾波電路的接線端，用於分別與所述整流電路的正極電源輸出端以及電壓監測比較電路的電源輸入端連接。所述填谷式電容濾波電路使得整流電路輸出的波谷電壓可提高到峰值電壓的一半，而且功率因數維持較高的指標。

圖3中的c與圖4中的c連接後，將所述整流電路與所述填谷式電容濾波電路連接到一起。

如圖5所示，所述電壓監測比較電路包括電阻r2、電位器r3、電阻r4-r6、二極體d4、電容c3以及運算放大器u1。所述電阻r2的一端經電位器r3後接地，電阻r2的另一端經所述電阻r4後與所述二極體d4的負極連接，二極體d4的正極接地，所述電容c3與所述二極體d4並聯，電阻r5的一端接所述電阻r4與二極體d4的結點，電阻r5的另一端分為兩路，第一路與所述運算放大器u1的同相輸入端連接，第二路經電阻r6接地，運算放大器u1的反相輸入端接所述電阻r2與電位器r3的結點，所述運算放大器u1的電源輸入端接所述電阻r4與二極體d4的結點，所述運算放大器u1的接地端接地，所述運算放大器u1的輸出端為所述電壓監測比較電路的輸出端。

優選的，所述運算放大器u1使用lm358型運算放大器。需要說明的是，所述運算放大器u1的具體型號還可以是其它型號，本領域技術人員可以根據實際需要使用現有技術中的其它型號來實現所述運算放大器u1的功能。

由電阻r2-r6、二極體d4和運算放大器u1組成電壓比較電路，隨著工作電壓的變化在運算放大器u1的輸出端1腳（即f點）輸出高低電平信號。工作電壓低的時候輸出13v的高電平，工作電壓高的時候輸出0v的低電平，調整電位器r3的阻值可改變工作基準電壓。

圖4中的d與圖5中的d連接後將所述填谷式電容濾波電路與所述電壓監測比較電路連接到一起。

如圖6所示，所述開關切換控制及恆流電路包括電阻r7-r14、電容c4-c5、二極體d5、三極體q1-q5以及線性恆流晶片u2-u3。電阻r7的一端為所述開關切換控制及恆流電路的一個信號輸入端（圖6中的f1），該信號輸入端與所述電壓監測比較電路的輸出端（圖5中的f）連接，電阻r7的另一端與所述三極體q1的基極連接；電阻r9的一端與所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端連接，電阻r9的另一端分為兩路，第一路與三極體q2的基極連接，第二路與三極體q1的集電極連接，三極體q1的發射極接地；所述線性恆流晶片u2的1腳分為兩路，第一路與所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端連接，第二路經電容c4後又分為三路，第一路與所述u2的2腳連接，第二路經電阻r8後與所述u2的3腳連接，第三路與第二led燈串led2的正極連接，第二led燈串led2的負極分別與所述三極體q2以及三極體q3的集電極連接。

三極體q2的發射極與二極體d5的正極連接，二極體d5的負極與第一led燈串led1的正極連接，第一led燈串led1的負極分為兩路，第一路與所述線性恆流晶片u3的1腳連接，第二路經電容c5後又分為三路，第一路與所述u3的2腳連接，第二路經電阻r14後與所述u3的3腳連接，第三路接地。電阻r10的一端（圖6中的f2）與所述電壓監測比較電路的輸出端（圖5中的f）連接，電阻r10的另一端與三極體q3的基極連接，三極體q3的發射極接地。電阻r13的一端（圖6中的f3）與所述電壓監測比較電路的輸出端（圖5中的f）連接，電阻r13的另一端與三極體q4的基極連接，三極體q4的發射極接地，三極體q4的集電極經電阻r12後分為兩路，第一路經電阻r11接所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端，第二路與所述三極體q5的基極連接，三極體q5的集電極接所述二極體d5與第一led燈串led1的結點，三極體q5的發射極接所述填谷式電容濾波電路的電源輸出端。

優選的，所述線性恆流晶片u2-u3使用sm2082b型線性恆流晶片。需要說明的是，所述線性恆流晶片u2-u3的具體型號還可以是其它型號，本領域技術人員可以根據實際需要使用現有技術中的其它型號來實現所述線性恆流晶片u2-u3的功能。

圖5中的e與圖6中的e連接，圖5中的f分別與圖6中的f1-f3連接，將所述電壓監測比較電路與所述開關切換控制及恆流電路連接到一起。

led光源為兩組，當工作電壓較低時led1、led2為並聯狀態工作，當工作電壓較高時led1、led2為串聯狀態工作，工作方式的切換由電壓監測比較電路輸出的控制信號來實現。二段式led驅動是對傳統的單段led線性恆流電路的改進和優化，既能實現在高電壓下與單段led線性恆流電路一樣的工作狀態，又能避免單段led線性恆流電路在較低電壓下不能正常工作的弊端。其工作原理如下：

如圖6所示，當工作電壓低於設定值時，電壓監測比較電路輸出高電平（本實施例中高電平可以設置為13v），即f點為高電平，三極體q1導通，三極體q2截止，三極體q4-q5導通，通過三極體q5給led1加載正向電壓形成工作通路；同時三極體q3導通，通過三極體q3將led2負極與電路負極接通形成工作通路。此時led1與led2同時點亮，處於並聯工作方式。

當工作電壓高於設定值時，電壓監測比較電路輸出低電平（電平為0），即f點為低電平，三極體q3-q5處於截止狀態，三極體q1截止則三極體q2導通，電流通過恆流晶片u2→led2→三極體q2→二極體d5→led1→恆流晶片u1→地，構成工作迴路，此時led1與led2同時點亮，處於串聯工作方式。

圖7是本發明實施例所述驅動電路的整體原理圖，圖7中的f分別與f2和f3連接。

所述驅動電路中led分兩組，分別線性恆流，通過填谷式電容濾波電路實現高電壓時給電容充電，低壓時電容給led供電，延長了工作時間，同時能保證較高的功率因數，並能夠根據輸入電壓高低自動切換led組的串並聯狀態，實現寬電壓適應。

所述驅動電路可實現0.9以上高功率因數，且led無頻閃工作；電路工作效率可達85%以上，因電路結構簡單，生產效率比採用開關電源方式更高，且延長了電路的使用壽命，可與led集成在同一個基板上，無需外置驅動器；採用三極體作為開關器件，成本比開關電源低很多；適應電壓範圍更寬，可以從90v到264v都能工作；通過使用保護電路，因此具備抗浪湧、防雷擊、過壓保護、過溫保護等功能，使用安全。