CN102149243A

CN102149243A - 一种可用于多路led驱动的反激式磁集成变换器

Info

Publication number: CN102149243A
Application number: CN2011101305130A
Authority: CN
Inventors: 陈为; 王小博; 黄国泰
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: CN102149243B

Abstract

本发明涉及了一种多路LED的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管，磁芯、原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，其余磁柱不设置气隙；所述的原边绕组绕在所述的开有气隙的磁柱上，副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的磁柱上，所述的原边绕组通过原边开关与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED负载连接。由于各个副边绕组每两两之间都形成一个不设置气隙的可由高磁导率材料组成的低磁阻磁回路，本发明不需要复杂的控制***就能实现多路独立负载之间的电流自动按一定比例分配或均流，成本低，结构简单，可用于LED驱动上，实现对多路LED负载电流的控制。

Description

一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器

技术领域

本发明涉及一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器。

背景技术

LED被誉为第三代照明技术，具有节能、环保、寿命长等优点。由于LED的电气特性，微小的电压变化就可引起很大的电流变化，而电流的变化又会引起LED的发光亮度的变化，因此作为面光源用时，或者LED照明装置由多路LED单元组成时，为了保证发光的均匀性，必须保证各路LED上电流近乎相等。

一个最常见的均流方法是在各路LED中串联电阻，利用电阻电压降帮助实现均流。均流电阻的阻值越大均流精度也就越高，但是损耗也越大；专利文献一（CN101715267A）分别在两路LED支路中串联一三极管和一阻值很小的电阻，通过较为简单的反馈网络，来实现两路LED的均流，其缺点是：均流精度会受到反馈网络中的两个三极管的放大倍数的一致性的影响；且其只适用与两路LED均流；专利文献二（CN101702849A）又提出一种多路PWM斩波均流电路，如图1所示。每一个支路的均流电路由调整管和采样电阻组成，每个支路的均流都由各自的均流控制电路控制，每路的电流采样信号和均流总线电压在均流控制电路内部进行比较调节后，产生PWM信号控制对应均流电路调整管的工作占空比大小，从而控制每路电流的大小，实现各路电流的均流。这样虽然提高了LED各路的均流精度，但是采样电阻的损耗仍然存在，并且每一个支路都需要单独的控制电路，电路结构较为复杂，额外增加的电路器件也势必会增加电路的成本。2009年发表的文献“A Simple Current-Balancing Converter for LED Lighting”（ K.I. Hwu, S.C. Chou, “A Simple Current-Balancing Converter for LED Lighting”, in Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf., 2009, pp. 587-590.）提出了一种结构较为简单的均流方案，其结构简图如图2所示。该变换器包含两级结构：第一级为恒流控制的BUCK变换器；第二级由均流变压器和整流电路组成。第一级将直流母线电压变换为交流，而各路LED串的均流由第二级相互耦合的均流变压器或均流变压器串来完成。但这一电路需要增加额外的均流变压器磁性元件。

发明内容

本发明针对上述问题，将反激变压器和用于均流的均流变压器集成在一个磁芯结构中，本发明目的是提出一种可用于多路LED负载驱动的反激式磁集成变换器，该电路结构简单，成本低，特别适用于低成本的LED驱动，并且在多路LED压差较大时，仍能实现良好的均流性能。需要说明的是：当各个副边绕组匝数相等时，可实现均流性能良好的多路直流输出的恒流控制；当副边绕组匝数不相等时，可以实现各个输出电流按副边匝数的反比例进行分配；为实现上述目的，本发明按照以下两个方案实现：

方案一：一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管、磁芯、原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，形成变换器的激磁电感储能磁路，其余磁柱不设置气隙；所述的原边绕组绕在所述的开有气隙的磁柱上，副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的磁柱上，所述的原边绕组通过原边开关管与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED负载串连接。

方案二：一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管、磁芯、一个总的原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，形成变换器的激磁电感储能磁路，其余磁柱不设置气隙；所述的总的原边绕组由多个对应绕在所述不设置气隙的各个磁柱上的各个原边绕组组成，所述副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的各个磁柱上，所述的总的原边绕组通过原边开关管与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED负载连接。

附图说明

图1和图2是现有的变换器电路原理示意图。

图3是本发明实施例一的电路结构示意图。

图4是本发明实施例二的电路结构示意图。

图5是本发明实施例一的等效磁路图。

图6是图5简化后的等效磁路图。

图7是本发明实施例三的电路结构示意图。

图8是本发明实施例四的电路结构示意图。

图9是本发明实施例五的电路结构示意图。

具体实施方式

本发明的方案一是提供一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管、磁芯、原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，形成变换器的激磁电感储能磁路，其余磁柱不设置气隙；所述的原边绕组绕在所述的开有气隙的磁柱上，副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的磁柱上，所述的原边绕组通过原边开关与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED负载连接。所述整流滤波电路为整流二极管与电容组成的整流滤波电路；所述的磁芯可采用高磁导率的磁性材料，如铁氧体等。设当变换器原边开关导通时，原边绕组的电流流入点为同名端，各个副边绕组相对于原边绕组的异名端连于各个整流二极管的阳极，各个整流二极管的的阴极与副边各个滤波电容的正端及负载LED串的正端相连，各个滤波电容的负端及LED串的负端返回连接于各个副边绕组的相对于原边绕组的同名端。这里要说明的是，当本发明所述的多个副边绕组匝数不相等时，各个副边输出电流将按各个副边绕组匝数的反比例分配，如设第一路匝数为Ns1，电流为Is1；第二路匝数为Ns2，电流为Is2；第n路匝数为Nsn，电流为Isn，则Is1：Is2=Ns2：Ns1；Is1：Isn=Nsn：Ns1，以此类推。当本发明所述的多个副边绕组匝数相等时，能实现良好的多路直流输出的均流控制。为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的工作原理做具体说明。

请参见图3，图3负载是由两路多个LED灯组成，其磁性元件的磁集成结构既具有反激式变压器的功能，又具有多路输出均流的功能，该集成磁件结构包括一个至少含有三个磁柱的磁芯，其中磁柱一1开有气隙5，磁柱二2和磁柱三3不设置气隙，反激变压器原边线圈绕在磁柱一1上面，两路输出的副边线圈分别绕在磁柱二2和磁柱三3上面，由于磁柱二2和磁柱三3不设置气隙，它们构成了一个很低磁阻的磁回路，如图3中的磁回路4。当原边开关管关断期间，能量向副边传递时，磁芯的等效磁路图如图5所示。由于磁柱二和三不设置气隙，磁阻很小可以忽略不计，图5可简化为图6，根据安培环路定律和磁势平衡原理，这个低磁阻磁回路即图4中的磁回路4上的总安匝磁势必须为零，即Is1*Ns1-Is2*Ns2=0，或Is1*Ns1=Is2*Ns2，当两路副边匝数相等，即Ns1=Ns2时，则有Is1=Is2，即实现了两路副边绕组电流的相等，从而获得两路输出电流的均流。由于本专利将均流的低磁阻结构和反激变压器集成在同一磁芯结构上面，整个电路并没有增加额外的电路器件，保持了反激变换器拓扑结构简单的优点，有很好的实用价值。这里要说明的，本发明所述的绕组可以采用平面型绕组或者卷绕式绕组。所述的整流滤波电路可以是同步整流滤波电路或是如图3所示由二极管和电容组成的二极管整流滤波电路。由于本专利磁芯和绕组结构的特点是两个副边绕组之间形成有一个不设置气隙的由高磁导率材料组成的低磁阻磁回路，两个输出支路能按照各个副边绕组的匝数的反比关系分配电流。这里要说明，本发明上述的实施例是以两路副边输出为例，但本发明不仅限于此。该设计同样可以适用于副边输出大于两路的情况，其结构请参见图4。由于各个副边绕组每两两之间都能形成一个不设置气隙的低磁阻磁回路，根据安培环路定律和磁势平衡原理，各路LED负载电流能按照各个副边绕组的匝数的反比关系自动实现电流的分配。当各个副边匝数相同时，自动实现各路LED负载电流的均流。

在本发明的方案二中，将反激变压器原边绕组从带有气隙的磁柱转移到不设置有气隙的各个磁柱上，即将原边绕组分成多个分别绕到不设置气隙的各个磁柱上，由于原边绕组与对应的副边绕组位于同一个磁柱上，因此原、副边绕组的漏感大大减小。本发明提供一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管、磁芯、原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，其余磁柱不设置气隙；所述的原边绕组由各个对应绕在所述不设置气隙的磁柱上的绕组组成，所述副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的磁柱上，所述的各个原边绕组通过串联或并联后通过原边开关与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED串负载连接。所述整流滤波电路为整流二极管与电容组成的整流滤波电路，当变换器原边开关导通时，原边绕组的电流流入点为同名端，各个磁柱上的副边绕组相对于各个相对应磁柱上的原边绕组的异名端连于各个整流二极管的阳极，各个整流二极管的的阴极与副边各个滤波电容的正端及负载LED串的正端相连，各个滤波电容的负端及LED串的负端返回连接于各个副边绕组的相对于原边绕组的同名端。同样，本发明的副边绕组匝数可以是相等或不相等。当本发明所述的多个副边绕组匝数不相等时，输出电流将按各个副边绕组匝数的反比例分配，如当第一路匝数为Ns1，电流为Is1；第二路匝数为Ns2，电流为Is2；第n路匝数为Nsn，电流为Is，则Is1：Is2=Ns2：Ns1；Is1：Isn=Nsn：Ns1。当本发明所述的各个副边绕组匝数相等时，能实现多路直流输出的均流控制，为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面我们结合附图对本发明工作原理做具体说明。

请参见图7，从图中可知，该原边绕组从所述的开有气隙的磁柱转移放置在所述的各个不设置气隙的磁柱上，原边绕组分成多个分别绕在所述的多个不设置气隙的磁柱上，所述的多个原边绕组通过同名端相连接串联起来组成总原边绕组，所述多个副边绕组分别通过各个输出整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路接各个输出负载，所述的总的原边绕组通过原边开关与所述直流电源连接。当变换器原边开关导通时，各个原边绕组的电流流入点为同名端，各个磁柱上的副边绕组相对于各个相对应磁柱上的原边绕组的异名端连于各个整流二极管的阳极，各个整流二极管的的阴极与副边各个滤波电容的正端及负载LED串的正端相连，各个滤波电容的负端及LED串的负端返回连接于各个副边绕组的相对于原边绕组的同名端。当反激变压器的能量向副边传递时，同样根据安培环路定律，低磁阻磁回路即图7中的磁回路4上的总安匝磁势也必须为零，即Is1*Ns1-Is2*Ns2=0，或Is1*Ns1=Is2*Ns2，当两路副边匝数相等，即Ns1=Ns2时，则有Is1=Is2，即实现了两路副边绕组电流的相等，从而获得两路输出电流的均流。这里要说明，本发明上述的实施例是以两路副边输出为例，但本发明不仅限于此。该设计同样可以适用于副边输出大于两路的情况，其结构请参见图8。

请继续参见图9，图中所述的原边绕组可以从所述的开有气隙的磁柱转移放置在所述的多个不设置气隙的磁柱，原边绕组分成多个分别绕在所述的多个不设置气隙的磁柱上，所述的多个原边绕组通过异名端相连接并联起来组成总的原边绕组，所述多个副边绕组分别通过各个输出整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路接各个输出负载，所述的总的原边绕组通过原边开关与所述直流电源连接。变换器原边开关导通时，各个原边绕组的电流流入点为同名端，各个磁柱上的副边绕组相对于各个相对应磁柱上的原边绕组的异名端连于各个整流二极管的阳极，各个整流二极管的的阴极与副边各个滤波电容的正端及负载LED串的正端相连，各个滤波电容的负端及LED串的负端返回连接于各个副边绕组的相对于原边绕组的同名端。这里要说明，所述的原边绕组并联结构的变换器只适用于反激变换器工作于断续的工作模式，因为当工作于连续模式时，开关管导通时由于各个原边绕组中电流的不平衡，会造成低磁阻回路中磁势不平衡，可能会导致各低磁阻回路磁芯饱和，从而失去均流效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管、磁芯、原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，其余磁柱不设置气隙；所述的原边绕组绕在所述的开有气隙的磁柱上，副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的磁柱上，所述的原边绕组通过原边开关管与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED负载串连接。

2.根据权利要求1所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：所述整流滤波电路为整流二极管与电容组成的整流滤波电路，当变换器原边开关导通时，原边绕组的电流流入点为同名端，各个副边绕组相对于原边绕组的异名端连于各个整流二极管的阳极，各个整流二极管的的阴极与副边各个滤波电容的正端及负载LED串的正端相连，各个滤波电容的负端及LED串的负端返回连接于各个副边绕组的相对于原边绕组的同名端。

3. 根据权利要求1所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：由于各个副边绕组每两两之间都能形成一个不设置气隙的由高磁导率材料组成的低磁阻磁回路，各路LED负载电流能按照各路副边绕组的匝数的反比关系自动实现电流的分配。当各个副边匝数相同时，自动实现各路LED负载电流的均流。

4. 一种可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，包括直流电源、原边开关管、磁芯、一个总的原边绕组、至少两路副边绕组以及对应的副边整流电路和LED串负载，其特征在于：所述的磁芯具有至少三个磁柱，其中一个磁柱开有气隙，其余磁柱不设置气隙；所述的总的原边绕组由多个对应绕在所述不设置气隙的各个磁柱上的各个原边绕组组成，所述副边绕组一一对应的绕在所述不设置气隙的各个磁柱上，所述的总的原边绕组通过原边开关管与所述直流电源连接；所述的副边绕组各自通过一整流滤波电路与LED负载连接。

5. 根据权利要求4所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：所述总的原边绕组是由所述多个对应绕在所述不设置气隙的各个磁柱上的所述各个原边绕组通过同名端相连接而串联起来组成。

6. 根据权利要求4所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：所述总的原边绕组是由所述多个对应绕在所述不设置气隙的各个磁柱上的所述各个原边绕组通过异名端相连接而并联起来组成。

7. 根据权利要求4所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：所述整流滤波电路为整流二极管与电容组成的整流滤波电路，当变换器原边开关导通时，各个原边绕组的电流流入点为同名端，各个磁柱上的副边绕组相对于各个相对应磁柱上的原边绕组的异名端连于各个整流二极管的阳极，各个整流二极管的的阴极与副边各个滤波电容的正端及负载LED串的正端相连，各个滤波电容的负端及LED串的负端返回连接于各个副边绕组的相对于原边绕组的同名端。

8. 根据权利要求4、5、6或7所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：所述各个磁柱上的各个原边绕组的匝数相等。

9. 根据权利要求4、5、6或7所述的可用于多路LED驱动的反激式磁集成变换器，其特征在于：所述的绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组。

10. 根据权利要求4、5、6或7所述的可用于多路LED的反激式磁集成变换器，其特征在于：由于各个副边绕组每两两之间都能形成一个不设置气隙的由高磁导率材料组成的低磁阻磁回路，各路LED负载电流能按照各路副边绕组的匝数的反比关系自动实现电流的分配，当各个副边匝数相同时，自动实现各路LED负载电流的均流。