一種多路輸出均流的隔離型大功率LED驅動電源及其實現方法與流程
2024-03-02 06:05:15
本發明涉及led驅動電源領域，特別是涉及一種多路輸出均流的隔離型大功率led驅動電源及其實現方法。
背景技術：
隨著社會的快速發展以及人們對能源消耗和環境的重視，節能減排的觀念越來越深入人心。照明用電的需求量越來越大，成為節能減排的重點領域之一。led作為新一代綠色照明電光源，以其壽命長、光效高、節能環保等優點深受青睞，在路燈、隧道等大功率照明場合得到了廣泛的應用。led驅動電源的性能優劣直接影響led照明系統。
led的單體功率小，為了滿足大功率照明場合需求，需要同時點亮多顆燈珠。如果單獨採用串聯結構，電路簡單，但是輸出電壓會隨led個數的增多而增大並使電路的可靠性降低，因此，大功率led照明燈珠常常採用串並聯結構。而led伏安特性的不同可能引起不同支路的led電流存在差異，因此需要引入均流技術以保證led照明系統穩定可靠運行。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的是提供一種多路輸出均流的隔離型大功率led驅動電源及其實現方法，可實現任意2n路led燈個數相同或不同時各路led燈負載的均流輸出，具有電路簡單、效率高和均流精度高等優點。
本發明採用以下方案實現：一種多路輸出均流的隔離型大功率led驅動電源，包括半橋cll諧振網絡、均流網絡與led燈負載電路；所述led燈負載電路包括2n路led燈負載；所述半橋cll諧振網絡通過所述均流網絡實現所述2n路led燈負載的均流輸出；
所述均流網絡包括第一變壓器至第n變壓器、第一均流電容至第2n均流電容、第一二極體至第2n二極體；所述第一變壓器的初級繞組至第n變壓器的初級繞組依次串聯；
所述第一變壓器的次級繞組的一端與所述第一均流電容的一端相連，所述第一均流電容的另一端與所述第一二極體的陽極、第二二極體的陰極相連，所述第一二極體的陰極與第一路led燈負載的正極相連，所述第一路led燈負載的負極與第2n均流電容的一端、第2n路led燈負載的正極相連；所述第2n均流電容的另一端與所述第一變壓器的次級繞組的另一端相連，所述第二二極體的陽極與第二路led燈負載的負極相連，所述第二路led燈負載的正極與第三路led燈負載的負極相連；
所述第i變壓器的次級繞組的一端與第i均流電容的一端相連，所述第i均流電容的另一端與第2i-1二極體的陽極、第2i二極體的陰極相連，所述第2i-1二極體的陰極與第2i-1路led燈負載的正極相連，所述第2i-1路led燈負載的正極與第2i-1均流電容的一端相連，所述第2i-1均流電容的另一端與所述第i變壓器的次級繞組的另一端相連，所述第2i二極體的陽極與第2i路led燈負載的負極相連；
所述第n變壓器的次級繞組的一端與第n均流電容的一端相連，所述第n均流電容的另一端與第2n-1二極體的陽極、第2n二極體的陰極相連，所述第2n-1二極體的陰極與第2n-1路led燈負載的正極相連，所述第2n-1路led燈負載的正極與第2n-1均流電容的一端相連，所述第2n-1均流電容的另一端與所述第n變壓器的次級繞組的另一端相連，所述第2n二極體的陽極與第2n路led燈負載的負極相連；
所述第一變壓器至第n變壓器的次級繞組的另一端均接地；
其中，1≤i≤n-1，n為大於等於2的自然數。
進一步地，所述均流網絡還包括第一電容至第2n電容；
所述第一電容的兩端並聯至所述第一路led燈負載的兩端，所述第二電容的兩端並聯至所述第二路led燈負載的兩端；
所述第2i-1電容的兩端並聯至所述第2i-1路led燈負載的兩端，所述第i電容的兩端並聯至所述第i路led燈負載的兩端；
所述第2n-1電容的兩端並聯至所述第2n-1路led燈負載的兩端，所述第n電容的兩端並聯至所述第n路led燈負載的兩端；
其中，1≤i≤n-1，其中，n為大於等於2的自然數。
進一步地，所述半橋cll諧振網絡包括第一開關管s1、第二開關管s2、第一電容cr、第一電感lr、第二電感ls以及一電源；所述第一開關管s1的漏極連接至所述電源的正極，所述第一開關管s1的源極與所述第二開關管s2的漏極、第一電容cr的一端相連，所述第二開關管s2的源極與所述電源的負極、所述第一電感lr的一端、所述第n變壓器的初級繞組的另一端相連；所述第一電容cr的另一端與所述第一電感lr的另一端、所述第二電感ls的一端連接，所述第二電感ls的另一端與所述第一變壓器的初級繞組的一端相連。
進一步地，所述第一開關管s1與第二開關管s2的漏極與柵極兩端均並聯有一二極體與一電容。
進一步地，所述2n路led燈負載的每一路led燈負載均包括多個相互串聯led燈。
進一步地，所述每一路led燈負載中的led燈個數相同或不同。
本發明還採用以下方法實現：一種多路輸出均流的隔離型大功率led驅動電源的實現方法，包括以下步驟：
步驟s1：當n為2時，所述第一變壓器的次級繞組的電壓為上正下負時，電流依次經過第一均流電容、第一二極體、第一路led燈負載電路以及第四均流電容，流回至所述第一變壓器的次級繞組，電流io1給所述第一均流電容與第四均流電容充電；所述第二變壓器的次級繞組的電壓為上正下負時，電流依次經過第二均流電容、第三二極體、第三路led燈負載電路以及第三均流電容，流回至所述第二變壓器的次級繞組，電流io2給所述第二均流電容與第三均流電容充電；
步驟s2：所述第一變壓器的次級繞組的電壓為上負下正時，電流依次經過第三均流電容、第二路led燈負載電路以、第二二極體以及第一均流電容，流回至所述第一變壓器的次級繞組，電流i′o1給所述第一均流電容與第三均流電容放電；所述第二變壓器的次級繞組的電壓為上負下正時，電流依次經過第四均流電容、第四路led燈負載電路、第四二極體以及第二均流電容，流回至所述第二變壓器的次級繞組，電流i′o2給所述第四均流電容與第二均流電容放電；
步驟s3：通過步驟s1與步驟s2中的均流電容在一個周期內電容充放電平衡，使得與其連接的led燈負載電路中的電流相等，並且將兩個變壓器的初級繞組相互串聯使與不同變壓器的次級繞組相連的各路負載實現均流。
進一步地，當n為2，四路led燈負載的輸出電流平均值為：
其中，i11、i12、i21、i22分別第一路至第四路led燈負載的輸出電流平均值；io1為第一均流電容與第四均流電容的充電電流、io2為第二均流電容與第三均流電容的充電電流，i′o1為第一均流電容與第三均流電容的充電電流的放電電流、i′o2為第二均流電容與第四均流電容的放電電流；ts為一個充放電周期，ta～tb為電容充電時間，tb～tc為電容放電時間；
在穩態工作狀態下，每個周期內的電容充電電荷與其放電電荷相等，可得i11＝i12＝i21＝i22，從而實現四路led燈負載電路的均流。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
1、本發明中的半橋cll諧振網絡中半橋cll諧振變換器的軟開關、增益等特性與llc變換器類似，但是其變壓器勵磁電感不參與諧振，可以靈活設計。半橋cll諧振變換器能夠克服llc諧振變換器採用變壓器原邊繞組串聯均流精度受勵磁電感影響的缺點。
2、本發明採用均流網絡接線方式：n個變壓器原邊串聯實現各模塊電流均衡，均流電容cb1、cb2...cbn實現各模塊中2路led均流，跨接於各模塊之間的均流電容cb(n+1)、……、cb(2n)進一步提高了各個模塊的均流精度，進而提高了各路led的均流精度。
3、本發明所提出的多路輸出均流驅動電路，通過將變壓器原邊繞組串聯，並與變壓器副邊均流電容相結合，實現了四路或任意2n路相同或不同個數的led負載的均流輸出，具有電路簡單、效率高和均流精度高等優點。
附圖說明
圖1是本發明的多路輸出均流的隔離型大功率led驅動電源結構示意圖。
圖2是本發明的變壓器原邊串聯均流原理圖。
圖3是本發明的4路均流電路原理圖。
圖4是本發明的變壓器次級繞組的電流流通路徑圖一。
圖5是本發明的變壓器次級繞組的電流流通路徑圖二。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
本實施例提供一種多路輸出均流的隔離型大功率led驅動電源，如圖1所示，包括半橋cll諧振網絡、均流網絡與led燈負載電路；所述led燈負載電路包括2n路led燈負載；所述半橋cll諧振網絡通過所述均流網絡實現所述2n路led燈負載的均流輸出；
所述均流網絡包括第一變壓器至第n變壓器、第一均流電容至第2n均流電容、第一二極體至第2n二極體；所述第一變壓器的初級繞組至第n變壓器的初級繞組依次串聯；
所述第一變壓器的次級繞組的一端與所述第一均流電容的一端相連，所述第一均流電容的另一端與所述第一二極體的陽極、第二二極體的陰極相連，所述第一二極體的陰極與第一路led燈負載的正極相連，所述第一路led燈負載的負極與第2n均流電容的一端、第2n路led燈負載的正極相連；所述第2n均流電容的另一端與所述第一變壓器的次級繞組的另一端相連，所述第二二極體的陽極與第二路led燈負載的負極相連，所述第二路led燈負載的正極與第三路led燈負載的負極相連；
所述第i變壓器的次級繞組的一端與第i均流電容的一端相連，所述第i均流電容的另一端與第2i-1二極體的陽極、第2i二極體的陰極相連，所述第2i-1二極體的陰極與第2i-1路led燈負載的正極相連，所述第2i-1路led燈負載的正極與第2i-1均流電容的一端相連，所述第2i-1均流電容的另一端與所述第i變壓器的次級繞組的另一端相連，所述第2i二極體的陽極與第2i路led燈負載的負極相連；
所述第n變壓器的次級繞組的一端與第n均流電容的一端相連，所述第n均流電容的另一端與第2n-1二極體的陽極、第2n二極體的陰極相連，所述第2n-1二極體的陰極與第2n-1路led燈負載的正極相連，所述第2n-1路led燈負載的正極與第2n-1均流電容的一端相連，所述第2n-1均流電容的另一端與所述第n變壓器的次級繞組的另一端相連，所述第2n二極體的陽極與第2n路led燈負載的負極相連；
所述第一變壓器至第n變壓器的次級繞組的另一端均接地；
其中，1≤i≤n-1，n為大於等於2的自然數。
在本實施例中，所述均流網絡還包括第一電容至第2n電容；
所述第一電容的兩端並聯至所述第一路led燈負載的兩端，所述第二電容的兩端並聯至所述第二路led燈負載的兩端；
所述第2i-1電容的兩端並聯至所述第2i-1路led燈負載的兩端，所述第i電容的兩端並聯至所述第i路led燈負載的兩端；
所述第2n-1電容的兩端並聯至所述第2n-1路led燈負載的兩端，所述第n電容的兩端並聯至所述第n路led燈負載的兩端；
其中，1≤i≤n-1，其中，n為大於等於2的自然數。
在本實施例中，所述半橋cll諧振網絡包括第一開關管s1、第二開關管s2、第一電容cr、第一電感lr、第二電感ls以及一電源；所述第一開關管s1的漏極連接至所述電源的正極，所述第一開關管s1的源極與所述第二開關管s2的漏極、第一電容cr的一端相連，所述第二開關管s2的源極與所述電源的負極、所述第一電感lr的一端、所述第n變壓器的初級繞組的另一端相連；所述第一電容cr的另一端與所述第一電感lr的另一端、所述第二電感ls的一端連接，所述第二電感ls的另一端與所述第一變壓器的初級繞組的一端相連。
在本實施例中，所述第一開關管s1與第二開關管s2的漏極與柵極兩端均並聯有一二極體與一電容。
在本實施例中，所述2n路led燈負載的每一路led燈負載均包括多個相互串聯led燈。
在本實施例中，所述每一路led燈負載中的led燈個數相同或不同。
在本實施例中，該均流led驅動電源的設計思想是：利用均流電容在一個周期內電容充放電平衡，使得與其連接的兩路led負載電流相等，並且通過變壓器原邊串聯使與不同變壓器副邊繞組相連的各路負載實現均流。採用變壓器原邊串聯均流和電容充放電電荷平衡均流相結合的均流方法克服了單獨採用電容均流擴展困難的缺點，又可提高各路led的均流精度。
均流原理分析如下：基於cll諧振變換器的多路輸出均流電路中，n個變壓器原邊繞組串聯，將n個變壓器分別等效為一勵磁電感和理想變壓器的並聯，如圖2所示。假設變壓器勵磁電感足夠大，由於n個變壓器的原邊繞組串聯，原邊電流相等，忽略勵磁電感的影響，則副邊電流也相等，因此可以實現副邊電流均衡。實際應用中由於不能忽略勵磁電感的影響，當led負載不平衡時，勵磁電流存在差異，將導致變壓器副邊電流不均衡，造成均流誤差。因此，應儘可能增大變壓器的勵磁電感以減小勵磁電流對均流效果的影響。半橋cll諧振變換器由於勵磁電感不參與諧振，可以設計得很大以減小均流誤差，因此非常適合於採用變壓器原邊串聯的均流方式。
為了進一步提高多路輸出均流電路的均流效果，研究了一種變壓器原邊串聯均流與電容充放電電荷平衡均流相結合的混合均流方案，以4路led為例，其均流led驅動電源的電路如圖3所示，半橋cll諧振變換器工作時，在變壓器副邊繞組產生正負交錯的高頻交流信號，圖4和圖5所示為變壓器副邊繞組的電流流通路徑圖，該均流電路的實現方法包括以下步驟：
步驟s1：所述第一變壓器的次級繞組的電壓為上正下負時，電流的流通途徑如圖4所示，電流依次經過第一均流電容、第一二極體、第一路led燈負載電路以及第四均流電容，流回至所述第一變壓器的次級繞組，電流io1給所述第一均流電容與第四均流電容充電；所述第二變壓器的次級繞組的電壓為上正下負時，電流依次經過第二均流電容、第三二極體、第三路led燈負載電路以及第三均流電容，流回至所述第二變壓器的次級繞組，電流io2給所述第二均流電容與第三均流電容充電；
步驟s2：所述第一變壓器的次級繞組的電壓為上負下正時，電流的流通途徑如圖5所示，電流依次經過第三均流電容、第二路led燈負載電路以、第二二極體以及第一均流電容，流回至所述第一變壓器的次級繞組，電流i′o1給所述第一均流電容與第三均流電容放電；所述第二變壓器的次級繞組的電壓為上負下正時，電流依次經過第四均流電容、第四路led燈負載電路、第四二極體以及第二均流電容，流回至所述第二變壓器的次級繞組，電流i′o2給所述第四均流電容與第二均流電容放電；
步驟s3：通過步驟s1與步驟s2中的均流電容在一個周期內電容充放電平衡，使得與其連接的led燈負載電路中的電流相等，並且將兩個變壓器的初級繞組相互串聯使與不同變壓器的次級繞組相連的各路負載實現均流。
其中，四路led燈負載的輸出電流平均值為：
其中，i11、i12、i21、i22分別第一路至第四路led燈負載的輸出電流平均值；io1為第一均流電容與第四均流電容的充電電流、io2為第二均流電容與第三均流電容的充電電流，i′o1為第一均流電容與第三均流電容的充電電流的放電電流、i′o2為第二均流電容與第四均流電容的放電電流；ts為一個充放電周期，ta～tb為電容充電時間，tb～tc為電容放電時間；
在穩態工作狀態下，每個周期內的電容充電電荷與其放電電荷相等，可得i11＝i12＝i21＝i22，從而實現四路led燈負載電路的均流。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。