非隔離式led電源的製作方法

2023-04-30 19:03:51

專利名稱：非隔離式led電源的製作方法
技術領域：
非隔離式LED電源技術領域[0001]本實用新型涉及一種LED電源，特別是涉及一種非隔離式LED電源。
背景技術：
[0002]一個完整的LED照明系統由LED燈珠和電源兩部分組成，目前市場上的LED電源主要有兩種結構隔離式和非隔離式。[0003]隔離式LED電源又稱為離線式電源，其特點是先將市電輸入的正弦交流電壓轉換為直流電壓，然後用該直流電壓作為LED電源的輸入電壓，通過反饋控制實現對LED燈珠的恆流或恆壓驅動。一個完整的隔離式LED電源包括兩部分一次控制部分和二次控制部分。 一次控制部分包括對輸入市電進行EMI濾波、橋式整流、電容濾波及開關控制等。二次控制是利用LC濾波，二極體續流、光耦合反饋等措施實現驅動電源的恆流或恆壓輸出。一次控制與二次控制之間通過變壓器的磁耦合以實現驅動電源與電網的物理隔離，故稱為隔離式電源。隔離式LED電源具有較好的安全性，但因為輸入市電要經過較多的轉換過程，造成較大的電源內部能量轉換損失，使整個電源的效率低下，發熱嚴重。另外，隔離式LED電源需要使用大容量電解質電容，LED電源的高溫工作環境使電解質揮發較快，造成電解電容過早失效，從而導致整個LED電源及照明燈具壽命縮短。[0004]非隔離式LED電源是一種新型的LED電源驅動技術。非隔離式LED電源的設計思想是，不需要變壓器耦合，而將市電直接加在LED燈珠上，通過開關電源或線性電源的方式實現對流過LED燈珠的電流進行恆流控制。由於電網的輸入電壓較高，為了防止燈珠損壞， 一部分電壓需要被轉移到電感或超高壓MOSFET上。非隔離式LED電源由於使用市電直接驅動LED，使得中間轉換環節大大減少，因此電源內部能量損失減少，電源效率大幅度提高。 同時，由於避免了變壓器和光耦器件的使用，電源成本也大幅度降低。另外，由於不需要使用電解質電容，電源的壽命得到較大延長。為了進一步減少電網的無功損耗以及對電網的諧波幹擾，非隔離式LED電源通常都要內置功率因數校正(以下簡稱PFC)功能。[0005]參照圖3,文獻「AN-9744Smart LED Lamp Driver IC with PFC Function，，， Fairchild Semiconductor Corporation, Rev. I. 0. 0, 2011 年 11 月」公開了一種帶 PFC 功能的非隔離式LED電源。該電源方案中，PFC功能是基於數字電路實現的。這種帶PFC功能的非隔離式LED電源包括橋式整流器、電感、LED燈珠、續流二極體、超高壓M0SFET、電流檢測電阻和控制電路。電感與LED串聯後與續流二極體並聯；橋式整流器直接與市電相接， 將市電的正弦輸入進行整流後輸出給所述電感、LED燈珠與續流二極體組成的電路；超高壓MOSFET與電流檢測電阻串聯，並與電感、LED燈珠與續流二極體組成的電路相連；控制電路控制超高壓MOSFET的柵極，採用脈衝寬度調製(PWM)控制方式實現對流過LED電流的控制。為了實現PFC功能，一個零點檢測(ZCD)電路用來檢測半正弦波的零點，獲得的零點信息被送給一個正弦產生模塊(Sine Generator)來產生正弦數位訊號，所生成的正弦數位訊號經數-模變換(DAC)後產生半正弦基準電壓，然後將半正弦基準電壓與電流檢測電阻的電壓進行比較，並通過SR型觸發器與振蕩器所輸出的同步信號進行擬合，產生脈衝寬度調製(PWM)式的超高壓MOSFET的柵極控制信號。[0006]文獻I公開的PFC功能實現方法存在如下缺點1) PFC實現電路複雜。為了實現 PFC,需要零點檢測電路、正弦信號產生模塊(內嵌一個數字DSP算法)、數-模變換電路等。 由於PFC實現電路完成了「模擬_數位訊號處理_模擬」的轉換，需要大量高精度的電路實現，這使得系統的成本增加。而且LED電源長時間工作在高溫環境中，高精度電路受溫度影響較大，容易較早失效，影響LED燈具的使用壽命。2)由於PFC實現電路經過的處理電路較多，系統的響應延時會比較大，很難對外部電網的瞬間波動作出快速實時響應。當電網頻率發生波動時，如當電網頻率從IOOHz突變到45Hz時，大約需要6個半正弦周期才能實現穩定的PFC功能。發明內容[0007]為了克服現有的帶功率因數校正功能的非隔離式LED電源對電網的瞬間波動響應慢的不足，本實用新型提供一種非隔離式LED電源。該電源採用兩個串聯分壓電阻產生半正弦基準電壓，結構簡單，可以提高電路的可靠性，特別適合於高溫環境下的LED電源使用；在實現按正弦方式變化的PWM控制時，中間控電路僅由電壓比較器、與門和驅動電路組成，電路對於電網電壓的瞬間變化響應速度快，驅動電流 波形實時跟隨電網電壓波形。[0008]本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種非隔離式LED電源，包括橋式整流器I、電感10、LED燈珠9、續流二極體11、超高壓M0SFET8、電流檢測電阻7和控制電路，所述電感10與LED燈珠9串聯後與續流二極體11並聯，橋式整流器I將市電的正弦輸入進行整流後輸出給所述電感10、LED燈珠9與續流二極體11組成的電路；超高壓 M0SFET8與電流檢測電阻7串聯，並與電感10、LED燈珠9與續流二極體11組成的電路相連，其特點是所述控制電路由串聯分壓電阻2、電壓比較器3、SR觸發器4、振蕩電路5、與門6、採樣開關12和驅動電路13組成；橋式整流器I輸出端串聯分壓電阻2，用比例分壓方式產生一個半正弦的基準電壓送電壓比較器3，採樣開關12通過電流檢測電阻7將與驅動電流線性相關的反饋電壓送電壓比較器3 ;反饋電壓與半正弦的基準電壓進行比較，比較結果輸出到SR型觸發器4的復位端，SR型觸發器4的置位端由振蕩電路5生成的周期性脈衝信號控制；SR型觸發器4輸出和振蕩電路5輸出的周期信號通過與門6輸出給驅動電路 13，用來驅動超高壓M0SFET8的開關。在每個周期開始，由振蕩電路5輸出的周期性脈衝信號置位SR型觸發器4，閉合超高壓M0SFET8，此時電流流過電流檢測電阻7，被轉化成電壓， 並與此時採樣到的半正弦基準電壓比較，大於半正弦基準電壓時，電壓比較器3輸出復位 SR型觸發器4，關閉超高壓M0SFET8。[0009]本實用新型的有益效果是由於僅用兩個串聯分壓電阻就能產生半正弦基準電壓，結構簡單，提高了電路的可靠性，特別適合於高溫環境下的LED電源使用；在實現按正弦方式變化的PWM控制時，中間控制電路僅由電壓比較器、與門和驅動電路組成，電路對於電網電壓的瞬間變化響應速度快，驅動電流波形實時跟隨電網電壓波形。當電網頻率從 IOOHz突變到45Hz時，背景技術需要6個半正弦周期才能響應該變化，而本實用新型實現了實時跟蹤，即實現零響應時間的調整。[0010]
以下結合附圖和實施例對本實用新型作詳細說明。4
[0011]圖I是本實用新型非隔離式LED電源電路圖。[0012]圖2是圖I電路各節點信號的波形圖。[0013]圖3是背景技術帶功率因數校正功能的非隔離式LED電源電路圖。[0014]I-橋式整流器，2-串聯分壓電阻，3-電壓比較器，4-SR型觸發器，5_振蕩電路， 6-與門，7-電流檢測電阻，8-超高壓MOSFET，9-LED燈珠，10-電感，11-續流二極體，12-採樣開關，13-驅動電路。
具體實施方式
[0015]參照圖I、圖2，本實用新型非隔離式LED電源包括橋式整流器I、電感10、LED燈珠9、續流二極體11、超高壓M0SFET8、電流檢測電阻7和控制電路，所述電感10與LED燈珠9 串聯後與續流二極體11並聯，橋式整流器I將市電的正弦輸入進行整流後輸出給所述電感10,LED燈珠9與續流二極體11組成的電路；超高壓M0SFET8與電流檢測電阻7串聯，並與電感10、LED燈珠9與續流二極體11組成的電路相連，所述控制電路由串聯分壓電阻2、電壓比較器3、SR型觸發器4、振蕩電路5、與門6、採樣開關12和驅動電路13組成。[0016]控制電路在橋式整流器I輸出端通過串聯分壓電阻2用比例分壓方式產生一個半正弦的基準電壓送電壓比較器3，同時通過採樣開關12從電流檢測電阻7引入與驅動電流線性相關的反饋電壓到電壓比較器3 ;反饋電壓與半正弦的基準電壓進行比較，比較結果輸出給SR型觸發器4的復位端，SR型觸發器4的置位端由一個振蕩電路5生成的周期性脈衝信號控制；SR型觸發器4輸出和振蕩電路5輸出的周期信號通過與門6輸出給驅動電路13，用來驅動超高壓M0SFET8的開關。在每個周期開始，由振蕩電路5輸出的周期性脈衝信號置位SR型觸發器4，閉合超高壓M0SFET8，此時電流流過電流檢測電阻7，被轉化成電壓，並與此時採樣到的半正弦基準電壓比較，大於半正弦基準電壓時，電壓比較器3輸出復位SR型觸發器4，關閉超高壓M0SFET8。[0017]220V交流市電經橋式整流器I被整形成半正弦波形，利用串聯分壓電阻2，將橋式整流器I輸出的高壓半正弦波形按照線性比例縮小成具有同樣波形特徵的低壓半正弦波形，該低壓半正弦波形是生成正弦式PWM的基準電壓。流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續流二極體11的電流，通過電流檢測電阻7被轉化成電壓並進行採樣，由於電流檢測電阻 的線性特性，採樣電壓與流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續流二極體 11的電流是線性相關的。與驅動電流線性相關的採樣電壓和低壓半正弦基準電壓通過電壓比較器3進行比較，若採樣電壓大於基準電壓，說明流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續流二極體11的驅動電流大於當前周期正弦採樣點的電壓，此時將PWM脈衝復位到 「0」，並關斷超高壓M0SFET8 ;相反，若採樣電壓小於基準電壓，說明流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續流二極體11的驅動電流小於當前周期正弦採樣點的電壓，此時PWM 脈衝變為「1」，並閉合超高壓M0SFET8。由於電感10對電流的抑制作用會隨時間的延長而逐步衰減，迴路電流隨超高壓M0SFET8閉合的時間延長而增大，與電流正相關的採樣電壓在有限時間內會最終超過當前周期正弦基準電壓，使電壓比較器3復位PWM脈衝，並打開超高壓MOSFET 8。電壓比較器3的輸出用來復位PWM脈衝，振蕩電路5的輸出脈衝信號共有三個CLK是佔空比為I :1的信號，該信號的狀態為「O」時PWM信號將強制與門6復位，狀態為「I」時對PWM信號不產生影響；SpuSe是周期性脈衝信號，它在每個周期的開始設置 PWM脈衝為「 I」，當CLK信號為狀態「 I」時，由電壓比較器3復位PWM脈衝，否則PWM脈衝由 CLK信號強制復位。Sclk信號是反饋電壓採樣信號，由於在每次超高壓M0SFET8閉合時，會產生一個較大的尖峰電流，該尖峰電流經電流檢測電阻7轉化成電壓後會引發電壓比較器 3的誤動作，進而影響到PWM波形的產生，故採用Sclk信 號控制採樣開關12來推後採樣時間，避免採樣開關12毛刺的影響。[0018]由圖2 (A)可以看出，串聯分壓電阻2所產生的基準電壓是電網輸出電壓波形的按比例縮小，是半正弦式的，電壓比較器3強制使得電流檢測電阻上的電壓不超過該基準電壓，圖2 (B)和2 (C)分別為時鐘信號和PWM脈衝信號，流過電流檢測電阻的電流具有圖 2 (D)所示的形狀。在超高壓MOSFET 8打開時，迴路被切斷，此時續流二極體11、電感10 和LED燈珠9三個器件形成一個續流迴路，消耗電感10上所存儲的能量，最終使整個LED 驅動電路的電流波形如圖2 (E)所示，該電流波形具有與輸入電網電壓相似的波形特徵，從而最終實現PFC功能。
權利要求1.一種非隔離式LED電源，包括橋式整流器(I)、電感(10)、LED燈珠(9)、續流二極體(11)、超高壓MOSFET(8 )、電流檢測電阻(7 )和控制電路，所述電感(10 )與LED燈珠(9 )串聯後與續流二極體(11)並聯，橋式整流器(I)將正弦輸入進行整流後輸出給所述電感(10)、 LED燈珠(9 )與續流二極體(11)組成的電路；超高壓MOSFET (8 )與電流檢測電阻(7 )串聯， 並與電感(10)、LED燈珠(9)與續流二極體(11)組成的電路相連，其特徵在於所述控制電路由串聯分壓電阻(2)、電壓比較器(3)、SR觸發器(4)、振蕩電路(5)、與門(6)、採樣開關(12)和驅動電路(13)組成；橋式整流器(I)輸出端串聯分壓電阻(2)，用比例分壓方式產生一個半正弦的基準電壓送電壓比較器(3)，採樣開關(12)通過電流檢測電阻(7)將與驅動電流線性相關的反饋電壓送電壓比較器(3);反饋電壓與半正弦的基準電壓進行比較，比較結果輸出到SR型觸發器(4)的復位端，SR型觸發器(4)的置位端由振蕩電路(5)生成的周期性脈衝信號控制；SR型觸發器(4)輸出和振蕩電路(5)輸出的周期信號通過與門(6)輸出給驅動電路(13)，用來驅動超高壓MOSFET (8)的開關；在每個周期開始，由振蕩電路(5) 輸出的周期性脈衝信號置位SR型觸發器(4)，閉合超高壓MOSFET (8)，此時電流流過電流檢測電阻(7)，被轉化成電壓，並與此時採樣到的半正弦基準電壓比較，大於半正弦基準電壓時，電壓比較器(3)輸出復位SR型觸發器(4)，關閉超高壓MOSFET (8)。
專利摘要本實用新型公開了一種非隔離式LED電源，用於解決現有的帶功率因數校正功能的非隔離式LED電源對電網的瞬間波動響應慢的技術問題。技術方案是電源的控制電路由串聯分壓電阻(2)、電壓比較器(3)、SR觸發器(4)、振蕩電路(5)、與門(6)、採樣開關(12)和驅動電路(13)組成。由於僅用兩個串聯分壓電阻產生半正弦基準電壓，結構簡單；在實現按正弦方式變化的PWM控制時，中間控制電路僅由電壓比較器、與門和驅動電路組成，電路對於電網電壓的瞬間變化響應速度快，驅動電流波形實時跟隨電網電壓波形。當電網頻率從100Hz突變到45Hz時，背景技術需要6個半正弦周期才能響應該變化，而本實用新型實現了實時跟蹤，即實現零響應時間的調整。
文檔編號H05B37/02GK202750281SQ20122033695
公開日2013年2月20日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者魏曉敏, 魏廷存, 李博, 陳奇萌 申請人:西北工業大學