一種高功率因數LED恆流驅動電源及其控制方法與流程
2023-04-22 22:43:31 1
本發明涉及led驅動電源領域，特別是涉及一種高功率因數led恆流驅動電源及其控制方法。
背景技術：
近年來綠色節能的照明方式已成為社會的一大發展趨勢，led作為一種新一代的綠色照明光源是未來主流的照明光源，已在隧道照明、路燈照明等領域得到十分廣泛的應用。根據led的伏安特性，為保證其可靠的工作，led需要使用恆流驅動。
大功率led驅動器大多採用諧振變換器，llc諧振變換器由於其主開關管可以實現zvs，可以有效地降低開關損耗，應用較為廣泛，但當驅動的led顆數不同時，工作頻率變化範圍較大，不適用於要求寬輸出電壓變化的led工作。lcl或clc諧振網絡輸出電流與諧振參數和輸入電壓有關，當輸入電壓及諧振參數不變時，諧振網絡本身就具備恆流特性，通過開環控制即可實現led恆流輸出，但在實際應用中，pfc電壓及諧振參數具有分散性，這將可能導致恆流精度降低，難於滿足恆流精度要求，為此提出了pfc輸出電壓與led負載電流複合反饋的控制方法，提高了恆流精度。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種高功率因數led恆流驅動電源及其控制方法。
本發明採用以下技術方案：一種高功率因數led恆流驅動電源，其特徵在於：包括pfc電路、半橋諧振恆流網絡、led負載和控制電路；電網電源經整流濾波後流入pfc電路；pfc電路輸出與半橋諧振恆流網絡輸入連接；半橋諧振恆流網絡輸出接led負載；所述pfc電路由控制電路控制；控制電路通過採集pfc電路輸出電壓與led負載電流，並將這兩種信號進行複合反饋以控制pfc的輸出電壓，實現對所述led負載的恆流控制。
進一步的，所述半橋諧振恆流網絡為基於clcl型諧振網絡半橋諧振變換器。
進一步的，所述pfc電路採用boost變換器。
進一步的，控制電路包括電流取樣電路、電流調整電路、電壓取樣電路、電壓電流複合電路以及電壓調整電路；led負載電流經電流取樣電路與電流調整電路輸入連接；電流調整電路輸出與電壓電流複合電路一輸入連接；pfc電路輸出電壓經電壓取樣電路與電壓電流複合電路另一輸入連接；電壓電流複合電路輸出與電壓調整電路輸入連接；電壓調整電路輸出用於控制pfc電路輸出電壓。
本發明還提供一種高功率因數led恆流驅動電源的控制方法，其特徵在於：提供一高功率因數led恆流驅動電源，其包括pfc電路、半橋諧振恆流網絡、led負載和控制電路；採用pfc輸出電壓與led負載電流複合反饋的控制方法，通過複合反饋控制pfc電路輸出電壓以使led負載電流保持恆定；當輸出短路和開路時，pfc電路輸出電壓控制在vmin和vmax之間，控制電路的設計需要考慮pfc電路輸出電壓變化範圍；半橋諧振恆流網絡的半橋電路採用恆頻控制，工作頻率設在半橋諧振恆流網絡的諧振頻率附近。
進一步的，所述半橋諧振恆流網絡為基於clcl型諧振網絡半橋諧振變換器；所述基於clcl型諧振網絡半橋諧振變換器包括開關管s1、開關管s2、電容cr、電容cs、電感lr、電感ls和變壓器t1；所述開關管s1的漏極與諧振網路輸入電壓uin正極連接，開關管s1的源極與開關管s2的漏極連接；開關管s2的源極與電壓uin負極連接；電容cr一端與開關管s2的漏極連接；電容cr另一端分別與電感lr一端、電容cs一端連接；電感lr另一端與開關管s2的源極連接，電容cs另一端與電感ls一端連接；電感ls另一端與變壓器t1初級一端連接；變壓器t1初級另一端與電感lr另一端連接；變壓器t1次級接led負載；假設變壓器t1勵磁電感lm足夠大，忽略其對負載電流的影響，則諧振網絡等效負載電流為：
其中req為led負載折算到clcl型諧振網絡半橋諧振變換器的變壓器t1原邊後的等效電阻；從式(1)可以看出，當時，其輸出電流峰值與負載電阻req無關，只與輸入電壓及諧振參數有關，諧振網絡工作在恆流模式。
進一步的，所述控制電路包括電流取樣電路、電流調整電路、電壓取樣電路、電壓電流複合電路以及電壓調整電路；電流調整電路由負載電流反饋信號、電流基準以及電流誤差放大器組成，用於穩定輸出電流；電壓電流複合電路將pfc輸出電壓的取樣信號與負載電流經電流調整電路後的輸出信號進行複合，其結果作為電壓調整電路的電壓反饋信號；電壓調整電路由pfc輸出電壓反饋信號、電壓基準以及電壓誤差放大器組成，用於控制pfc輸出電壓。
進一步的，所述pfc電路採用boost變換器，由pfc控制晶片u1控制，pfc輸出電壓取樣信號由電阻r7、r8分壓得到；半橋諧振恆流電路由開關管s1、s2，電感lr、ls，電容cr、cs和變壓器t1組成，開關管s1、s2分別由佔空比為0.5的互補驅動信號vgs1和vgs2控制，半橋電路工作在諧振網絡的恆流區；led負載由兩路均流電路驅動，一路由二極體d6、電容c9和led2組成，另一路由二極體d5、電容c0和led1組成，電容c8為兩路led負載的均流電容，rs為led1電流的取樣電阻；控制電路由同相放大器u4、誤差放大器u3、減法器u2和pfc控制晶片u1組成；led電流取樣信號經同相放大器u4放大後與基準信號vref比較，經誤差放大器u3後與pfc輸出電壓取樣信號相減作為pfc控制晶片u1的電壓反饋信號,使pfc輸出電壓受電壓取樣信號和led負載電流複合控制，從而實現了對led燈的恆流控制。
本發明的pfc電路用於實現高功率因數及穩壓，所述的半橋諧振恆流網絡由具有恆流特性的半橋諧振網絡組成，所述的控制電路通過採集pfc輸出電壓與led負載電流，並將這兩種信號進行複合反饋以控制pfc的輸出電壓，從而實現了對所述led負載的恆流控制。具有控制簡單、效率高和恆流精度高等優點。
附圖說明
圖1為本發明高功率因數led恆流驅動電源原理框圖。
圖2為基於clcl型諧振網絡的半橋諧振變換器。
圖3為諧振網絡的交流等效電路。
圖4為不同負載電阻時輸出電流與工作頻率關係曲線。
圖5為本發明實施例高功率因數led恆流驅動電源電路圖。
圖6為不同諧振參數時pfc輸出電壓和負載電流波形。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步解釋說明。
參見圖1，本發明提供一種高功率因數led恆流驅動電源，其包括pfc電路、半橋諧振恆流網絡、led負載和控制電路；電網電源經整流濾波後流入pfc電路；pfc電路輸出與半橋諧振恆流網絡輸入連接；半橋諧振恆流網絡輸出接led負載；所述pfc電路由控制電路控制；控制電路通過採集pfc電路輸出電壓與led負載電流，並將這兩種信號進行複合反饋以控制pfc的輸出電壓，實現對所述led負載的恆流控制。
半橋諧振恆流網絡可以是lcl諧振結構、clc諧振結構和clcl諧振結構。在諧振參數l、c一定的情況下，led負載電流只與pfc輸出電壓有關，為了減少pfc輸出電壓波動以及諧振網絡參數離散性等對輸出恆流精度的影響，採用pfc輸出電壓與led負載電流複合反饋的控制方法，通過複合反饋控制pfc輸出電壓以使led負載電流保持恆定。本發明具體實施例中所述半橋諧振恆流網絡為基於clcl型諧振網絡半橋諧振變換器。
進一步的，所述pfc電路採用boost變換器。
參見圖1，控制電路包括電流取樣電路、電流調整電路、電壓取樣電路、電壓電流複合電路以及電壓調整電路；led負載電流經電流取樣電路與電流調整電路輸入連接；電流調整電路輸出與電壓電流複合電路一輸入連接；pfc電路輸出電壓經電壓取樣電路與電壓電流複合電路另一輸入連接；電壓電流複合電路輸出與電壓調整電路輸入連接；電壓調整電路輸出用於控制pfc電路輸出電壓。
本發明還提供一種高功率因數led恆流驅動電源的控制方法，提供一高功率因數led恆流驅動電源，其包括pfc電路、半橋諧振恆流網絡、led負載和控制電路；採用pfc輸出電壓與led負載電流複合反饋的控制方法，通過複合反饋控制pfc電路輸出電壓以使led負載電流保持恆定；當輸出短路和開路時，pfc電路輸出電壓控制在vmin和vmax之間，控制電路的設計需要考慮pfc電路輸出電壓變化範圍；半橋諧振恆流網絡的半橋電路採用恆頻控制，工作頻率設在半橋諧振恆流網絡的諧振頻率附近。
進一步的，所述半橋諧振恆流網絡為基於clcl型諧振網絡半橋諧振變換器；clcl型諧振網絡半橋諧振變換器電路原理圖參見圖2。所述基於clcl型諧振網絡半橋諧振變換器包括開關管s1、開關管s2、電容cr、電容cs、電感lr、電感ls和變壓器t1；所述開關管s1的漏極與諧振網路輸入電壓uin正極連接，開關管s1的源極與開關管s2的漏極連接；開關管s2的源極與電壓uin負極連接；電容cr一端與開關管s2的漏極連接；電容cr另一端分別與電感lr一端、電容cs一端連接；電感lr另一端與開關管s2的源極連接，電容cs另一端與電感ls一端連接；電感ls另一端與變壓器t1初級一端連接；變壓器t1初級另一端與電感lr另一端連接；變壓器t1次級接led負載；假設變壓器t1勵磁電感lm足夠大，忽略其對負載電流的影響，圖3為圖2的等效電路。
諧振網絡等效負載電流為：
(1)；
其中req為led負載折算到clcl型諧振網絡半橋諧振變換器t1的變壓器原邊後的等效電阻；從式(1)可以看出，當時，其輸出電流峰值與負載電阻req無關，只與輸入電壓及諧振參數有關，諧振網絡工作在恆流模式。圖4為由式(1)計算出的諧振網絡輸出電流ireq對應不同負載下的頻率特性曲線。可以看出，在諧振頻率(恆流頻率)fr附近，不同負載的輸出電流相交於一點，在該點處諧振網絡的輸出電流不隨負載的變化而變化，即能實現恆流輸出。
進一步的，所述控制電路包括電流取樣電路、電流調整電路、電壓取樣電路、電壓電流複合電路以及電壓調整電路；電流調整電路由負載電流反饋信號、電流基準以及電流誤差放大器組成，用於穩定輸出電流；電壓電流複合電路將pfc輸出電壓的取樣信號與負載電流經電流調整電路後的輸出信號進行複合，其結果作為電壓調整電路的電壓反饋信號；電壓調整電路由電壓反饋信號、電壓基準以及電壓誤差放大器組成，用於控制pfc輸出電壓。
圖5是本發明實施例高功率因數led恆流驅動電源電路圖。pfc電路採用boost變換器，由pfc控制晶片u1控制，pfc輸出電壓取樣信號由電阻r7、r8分壓得到；半橋恆流諧振電路由開關管s1、s2，電感lr、ls，電容cr、cs和變壓器t1組成，開關管s1、s2分別由佔空比為0.5的互補驅動信號vgs1和vgs2控制，半橋電路工作在clcl諧振網絡的恆流區，如圖4虛線框所示。led負載由兩路均流電路驅動，一路由d6、c9和led2組成，另一路由d5、c0和led1組成，c8為兩路led負載的均流電容，rs為led1電流的取樣電阻；控制電路由同相放大器u4、誤差放大器u3、減法器u2和pfc控制晶片u1組成。led電流取樣信號經同相放大器u4放大後與基準信號vref比較，經誤差放大器u3後與pfc輸出電壓取樣信號相減作為pfc控制晶片u1的電壓反饋信號,使pfc輸出電壓受電壓取樣信號和led負載電流複合控制，從而實現了對led燈的恆流控制。圖6為諧振參數變化時pfc輸出電壓和led負載電流仿真波形，其中可見，當諧振參數變化時，pfc輸出電壓隨之變化，但輸出電流基本保持不變，實現了恆流。其中圖6a為cs＝10nf，ls＝258uh，cr＝3.3nf，lr＝500uh；圖6b為cs＝11nf，ls＝258uh，cr＝3.3nf，lr＝500uh；圖6c為cs＝10nf，ls＝283uh，cr＝3.3nf，lr＝500uh.
以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。