CN102202450B

CN102202450B - 可调光大功率led驱动电源

Info

Publication number: CN102202450B
Application number: CN 201110191869
Authority: CN
Inventors: 沈艳霞; 周园; 纪志成; 王聪
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: CN102202450A

Abstract

本发明公开了一种可调光大功率LED驱动电源，其包括：交流输入端滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元、辅助电源单元、单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流源输出端、恒流控制单元、PWM输出调光单元。其优点是：应用单周期控制器对主电路反激变换单元进行控制，单周期控制单元根据输出电压、输入电流和参考电压给出控制信号，控制恒流源输出端中开关管的开通与关断，使在一个开关周期内输出电压的平均值等于参考值。恒流控制单元采用Anti-windup控制器，Anti-windup可有效防止控制过程中出现积分饱和现象，使控制器维持线性连续性，达到输出电流恒定，提高控制精度的目的。对输出电流进行PWM调节，实现连续调光，提高电能利用率。

Description

可调光大功率LED驱动电源

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电源，尤其是一种可调光大功率LED驱动电源。

背景技术

随着人类文明的发展，照明设备早已进入人们的日常生活中，传统的照明光源主要有白炽灯、荧光灯、节能灯等，此类照明光源技术均已比较成熟，然而此类照明光源存在寿命短、能耗高、发光效率低、甚至有些还会带来污染，发张新型照明光源是未来趋势。

大功率LED作为新型光源，它与传统光源相比的主要优势有：体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全、绿色环保，目前大功率LED不仅已经成功应用于某些一般场合照明，而且它特殊的优势如发光强度高、使用寿命长、绿色环保能够满足特殊场合的需求，随着资源的日益枯竭，大功率LED照明必将取代传统照明成为主流的照明光源。

目前的大功率LED主要采用交流供电，经过变换器得到恒定的电压电流给大功率LED供电，然而这种方式不仅功率因素比较底，而且不能有效抑制输入端带来的扰动；而调光主要是通过改变流过大功率LED的电流，而在不同电流情况下，发光的波长不同，影响发光效率，因此该类电路存在抗干扰能力弱、输出稳定性差、输出精度偏低、功率因素低等缺点。

发明内容

本发明主要针对大功率LED电路抗干扰能力弱、输出稳定性差、输出精度偏低、功率因素低等缺点，提供一种可调光大功率LED驱动电源，更加稳定高效。

按照本发明提供的技术方案，所述可调光大功率LED驱动电源包括：交流输入滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元、辅助电源单元、单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流源输出端、恒流控制单元、PWM输出调光单元；所述交流输入滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元依次连接并连接到恒流源输出端，反激变换单元的输出端连接辅助电源单元，辅助电源单元的输出分别连接单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流控制单元、PWM输出调光单元，线性光耦隔离单元的输出端通过单周期控制单元连接反激变换单元，PWM输出调光单元通过恒流控制单元连接到恒流源输出端；交流电经过交流输入滤波单元和整流滤波单元后输出到反激变换单元，线性光耦隔离单元将检测的输出电压通过线性光耦隔离输入到单周期控制单元，单周期控制单元的控制信号与反激变换单元相连接，控制反激变换单元输出电压的大小；恒流源输出端包含一个霍尔电流传感器将检测的输出电流反馈到恒流控制单元；辅助电源单元分别给单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流控制单元、PWM输出调光单元供电，单周期控制单元控制反激变换单元输出给定电压，恒流控制单元控制恒流源输出端输出给定电流，PWM输出调光单元通过恒流控制单元对大功率LED进行调光操作。

所述单周期控制单元控制反激变换单元，抑制输入扰动；在反激变换单元的输入电压存在扰动时，在一个开关周期内使反激变换单元的输出电压的平均值等于参考值。

所述单周期控制单元通过电阻分压从辅助电源单元得到参考电压信号。

所述单周期控制单元与反激变换单元的电流采样电阻相连接，对反激变换单元的输入电流进行采样，并根据采样信号调整控制信号。

所述单周期控制单元通过光耦隔离单元对输出电压进行采样，并根据采样信号调整控制信号。

所述恒流控制单元采用条件作用技术Anti-windup算法，使恒流源输出端的电流维持线性连续性，减少超调，提高精度。

所述恒流控制单元通过电阻分压从辅助电源单元得到输出参考电流的大小。

所述恒流控制单元通过恒流源输出端的霍尔电流传感器对输出电流进行采样，并根据采样信号调整控制信号。

所述PWM输出调光单元通过调节PWM波形脉宽的大小达到调光的目的。

本发明应用单周期控制器对主电路反激变换单元进行控制，单周期控制单元根据输出电压、输入电流和参考电压给出控制信号，控制反激变换单元的开关管的开通与关断，达到在一个开关周期内输出电压的平均值等于参考值的目的。恒流控制单元采用Anti-windup控制器，Anti-windup可以有效防止控制过程中出现积分饱和现象，使控制器维持线性连续性，达到输出电流恒定，提高控制精度的目的。对输出电流进行PWM调节，实现连续调光，提高电能利用率。

本发明的优点是：

1）采用单周期控制输出电压，电压精度可控制在1%以内，在输入端电压出现扰动的情况下，可以在一个开关周期内使输出电压等于电压参考值，有效抑制输入电压扰动带来的影响，同时单周期控制过程中将后续电路看做纯电阻，提高了整个电路的功率因素。

2）输出电压采样后通过光耦隔离单元输入到单周期控制单元，使主回路与控制回路有效隔离。

3）输出电流检测采用霍尔电流传感器CHB-1,可选用型号为CHB-25NP/SP5，提高了检测的精度，可有效避免电阻直接采用因温度升高阻值发生变化带来的检测误差，同时实现了输出电路和控制电路的隔离。

4）在恒流控制单元策略中，应用条件作用技术Anti-windup算法，使恒流源输出端的电流维持线性连续性，减少超调，提高控制精度，使***具有较好的动态品质和稳态精度，提高输出电流的精度。

5）采用PWM调光，可实现LED亮度的平滑调节，不会因电流大小的改变而产生色偏现象，同时提高了电能利用率。

附图说明

图1是本发明电路结构框图。

图2是本发明整体电路原理图。

图3是单周期控制单元电路图。

图4是恒流控制单元电路图。

图5是交流输入滤波单元电路图。

图6是PWM输出调光单元电路图。

图7是光耦隔离单元电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括：交流输入滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元、辅助电源单元、单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流源输出端、恒流控制单元、PWM输出调光单元；所述交流输入滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元依次连接并连接到恒流源输出端，反激变换单元的输出端连接辅助电源单元，辅助电源单元的输出分别连接单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流控制单元、PWM输出调光单元，线性光耦隔离单元的输出端通过单周期控制单元连接反激变换单元，PWM输出调光单元通过恒流控制单元连接到恒流源输出端；交流电经过交流输入滤波单元和整流滤波单元后输出到反激变换单元，线性光耦隔离单元将检测的输出电压通过线性光耦隔离输入到单周期控制单元，辅助电源单元分别给单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流控制单元、PWM输出调光单元供电，单周期控制单元控制反激变换单元输出给定电压，恒流控制单元控制恒流源输出端输出给定电流，PWM输出调光单元通过恒流控制单元对大功率LED进行调光操作。所述PWM输出调光单元通过调节PWM波形脉宽的大小达到调光的目的。

如图2所示，主电路输入交流220V电压通过输入滤波后接入整流滤波单元，整流滤波单元由整流桥D2、二极管D3、电感L3、电容C4、C5组成，整流滤波单元连接情况如下，整流桥D2输出连接到二极管D3通过电感L2连接到RCD缓冲电路，电容C4、C5一端分别接到电感L2的左右端，另一端接地GND1,RCD缓冲电路由电阻R3、电容C6、二极管D6组成，电阻R3与电容C6并联后再与二极管D6串联，RCD缓冲电路再并联到变压器T1原边的两端。二极管D6的阳极再与开关管Q1相连，开关管Q1的另一端接电阻R10，电阻R10另一端接地GND1。辅助电源单元可分为3个子单元，分别为辅助电源VCC1、辅助电源VCC2、辅助电源VCC3，二极管D9的阳极与二极管D3的阴极相连，二极管D9的阴极串联电阻R8，稳压二极管D12与电容C9相并联后再与电阻R8相串联，稳压二极管的阴极即为辅助电源VCC1；二极管D8的阳极与二极管D1的阴极相连，其阴极连接到电阻R7，稳压二极管D11与电容C8相并联后再与电阻R7相串联，稳压二极管的阴极即为VCC2；二极管D7的阴极与变压器T1的另一个副边相连，它的阳极与电阻R6相串联，稳压二极管D10与电容C7相并联后再与电阻R6相串联，稳压二极管D10的阴极即为辅助电源VCC3。辅助电源VCC1经过电阻R9和R11分压后连接到单周期控制单元的电压参考端Vref，单周期控制单元中RS触发器的Q端与开关管Q1的栅极相连，单周期控制单元的IS-1端与开关管Q1的源极相连，单周期控制单元的VC1端与线性光耦隔离单元的VC1端相连接。电阻R1与电容C1串联后再与二极管D1并联，二极管D1的阳极接到变压器T1的副边，其阴极串联电感L1，电容C2与二极管D1阴极连接，其另一端接到地GND2，电阻R2、R4串联再与电容C3并联后一端连接到电感L1的右端和负载LED+，其另一端接地GND2，电阻R2与R4的连接点连接到光耦隔离单元的Vin端，二极管D5的阴极接负载LED+，其阳极接开关管Q2的漏极与电感L3的一端，电感L3的另一端与负载LED-相连接，开关管Q2的源极接地GND2，霍尔电流传感器CHB-1（具体可选用型号为CHB-25NP/SP5）测量流过负载上的电流，其两端并联电阻R5，电阻R5的一端接地GND3，另一端接到恒流控制单元的IS-O端，辅助电源VCC3经过电阻R12、R13串联分压后接到恒流控制单元的IS-O*端，PWM输出调光单元的PWM端与恒流控制单元的PWM端相连接，恒流控制单元中U6的集电极连接到开关管Q2的栅极。

所述恒流源输出端包括霍尔电流传感器CHB-25NP/SP5、开关管Q1、负载D4、续流电感L3、续流二极管D5组成，电感L3和续流二极管D5是在开关管Q1关断期间起到续流的作用。霍尔电流传感器CHB-25NP/SP5检测电流精度在0.8%以内，可精确测量输出电流的大小反馈到恒流控制单元中,同时实现输出电流和控制电路隔离。

所述单周期控制单元包括PI调节电路、N1/N2倍放大电路（N1/N2为变压器原边副边匝数比）、求和电路、积分复位电路、比较电路、RS触发电路，其中PI调节电路、N1/N2倍放大电路、求和电路均由放大器及其***电路组成，积分复位电路由放大器、复位开关及***电路和组成，比较电路由比较器组成，RS触发电路由RS触发器和时钟脉冲发生器组成。单周期控制单元通过电阻分压从辅助电源单元得到参考电压信号。如图3所示，单周期控制单元的电压参考端Vref串接电阻R18后分别与放大器U1A的3引脚和电阻R16相连接，电阻R16的另一端串联电容C10后接地GND1，反馈电压VC1串接电阻R19后接到放大器U1A的2引脚，放大器的2引脚连接电阻R23，电阻R23串联电容C12后接到放大器U1A的1引脚，放大器U1A的1引脚与放大器U1B的5引脚相连接，放大器U1B的6引脚和电阻R24的一端相连并且通过电阻R30接地GND1，电阻R24的另一端接放大器U1B的7引脚，放大器U1B的7引脚通过电阻R15连接到放大器U1C的10引脚，放大器U1C的10引脚通过电阻R14接地GND1，输入电流检测端IS-1通过电阻R20接到放大器U1C的10引脚，放大器U1C的9引脚通过电阻R29接地GND1，电阻R28的两端分别接放大器U1C的8、9引脚，放大器U1C的8引脚通过电阻R21接到放大器U1D的12引脚，12引脚接地GND1,电阻R17串联电容C11再与复位开关S1并联后连接到放大器U1D的12、14引脚，电阻R26、R27串联后一端接放大器U1D的14引脚，另一端接地GND1，电阻R26、R27的连接端连接到放大器U1D的13端，放大器U1D的14引脚通过电阻R22连接到比较器U2A的3引脚，放大器U1B的7引脚通过电阻R25连接到比较器U2A的2引脚，比较器U2A的1引脚接RS触发器的RN端，RS触发器的SN端接时钟脉冲信号,RS触发器的QN端接到复位开关S1的复位端，RS触发器的Q端连接到开关管Q1的栅极。单周期控制单元与反激变换单元的电流采样电阻相连接，对反激变换单元的输入电流进行采样，并根据采样信号调整控制信号。单周期控制单元通过光耦隔离单元对输出电压进行采样，并根据采样信号调整控制信号。单周期控制单元控制反激变换单元，可以有效抑制输入扰动，提高输出电压的精度和响应速度，通过采样输入电流信号和输出电压信号，根据给定电压信号得到控制开关管Q1通断的信号，在输入电压存在扰动时，能在一个开关周期内使输出电压的平均值等于参考值，抑制输入扰动。

单周期单元控制输出电压，电压精度可控制在1%以内，在输入端电压出现扰动的情况下，可以在一个开关周期内使输出电压等于电压参考值，有效抑制输入电压扰动带来的影响，同时单周期控制过程中将后续电路看做纯电阻，提高了整个电路的功率因素。

恒流控制单元包括求差电路、PI调节电路、比例调节电路、比较电路、一个与非门和一个光耦。其中求差电路、PI调节电路由放大器及其***电路组成，比例调节电路由放大器、限幅器及***电路组成，比较电路由比较器、三角波发生器及***电路组成。所述恒流控制单元通过电阻分压从辅助电源单元得到输出参考电流的大小。恒流控制单元通过恒流源输出端的霍尔电流传感器对输出电流进行采样，并根据采样信号调整控制信号。如图4所示，恒流控制单元的给定负载电流端IS-O*通过电阻R33连接到放大器U4A的3引脚，放大器U4A的3引脚通过电阻R39接地GND3，放大器U4A的2引脚通过电阻R37连接到放大器U4C的8引脚，电阻R41的并联在放大器U4A的1、2引脚。放大器U4A的1引脚通过电阻R35接到放大器U4B的5引脚，电阻R32串联电容C13后一端接地GND3，另一端接到放大器U4B的5引脚，负载电流IS-O通过电阻R38接放大器U4B的6引脚，电容C14串联电阻R46后并联到放大器U4B的6、7引脚，放大器U4B的7引脚通过电阻R31接地GND3，通过电阻R34接到放大器U4C的10引脚，同时接到积分限幅器JF1的输入端，积分限幅器JF1的输出端通过电阻R40接到放大器U4C的9引脚，通过电阻R45接到放大器U4C的8引脚，通过电阻R36接到比较器U7A的3引脚，电阻R42与三角波发生器SJ1串联后一端接比较器U7A的2引脚，另一端接地GND3，比较器U7A的1引脚接到与非门U5的B端，PWM输入端接到与非门U5的A端，与非门U5的输出端Y通过电阻R44接到光耦U6的发光二极管阴极端，发光二极管的阳极端接地GND3，辅助电源VCC2通过电阻R43接三极管的集电极，集电极输出连接到开关管Q2的栅极，发射极接地GND2。

恒流控制单元采用Anti-windup控制器，Anti-windup可以有效防止控制过程中出现积分饱和现象，使控制器维持线性连续性，达到输出电流恒定，提高控制精度的目的。恒流控制单元采用条件作用技术Anti-windup算法，使恒流源输出端的电流维持线性连续性，减少超调，提高控制精度，使***具有较好的动态品质和稳态精度，提高输出电流的精度。

如图5所示，输入滤波单元的交流输入端ACI+经过抗浪涌电阻RT1后接到共模电感T2的左上端，交流输入端ACI-经过保险丝F1接到共模电感T1的左下端，压敏电阻R47并联安规电容C15后再并联到共模电感T2的左上端与左下端。共模电感T2的右上端和右下端并联安规电容C16后分别连接到交流输出端ACO+和交流输出端ACO-。

所述PWM输出调光单元包括555定时器，型号可选NE555CN,电阻R51、R53可变电阻R52,二极管D13、D14，电容C17、C18，通过调节可变电阻R52的大小即可调节输出脉冲的占空比，达到调光的目的。如图6所示，辅助电源VCC3分别接到555定时器U11的4、8引脚和电阻R51的一端，电阻R51的另一端接到可变电阻器R52的一端，可变电阻器R52的另一端接到二极管D14的阴极，可变电阻器R52的中间端接到555定时器的7引脚和二极管D13的阳极，二极管D13的阴极和二极管D14的阳极接到555定时器的6、2引脚和电容C18的一端，电容C18的另一端接地GND3,电容C17的一端接555定时器U11的5引脚，另一端接地GND3,555定时器U11的1引脚接地GND3,3引脚接PWM输出端。

实际操作中，555定时器可选型号为NE555CN，工作过程中只需调节可变电阻R52的大小，即可调节输出脉冲的占空比，从而达到PWM调光的目的。

线性光耦隔离单元包括线性光耦HCNR201，分压电阻R2、R4，输入电阻R58，反馈电阻R56，限流电阻R57，将检测的输出电压经过线性光耦隔离输入到单周期控制单元的VC1端。如图7所示，检测电压Vin通过电阻R50接到放大器U8A的2引脚和光耦U9的3引脚，放大器U8A的3引脚接地GND2,1引脚通过电阻R49接到光耦U9的1引脚，光耦U9的4、5引脚接地GND2，2引脚接VCC2,7、8引脚悬空，6引脚接到放大器U10A的2引脚，放大器U10A的2引脚通过电阻R48接到放大器U10A的1引脚输出反馈电压VC1,放大器U10A的3引脚接地GND1。

检测电压Vin经过光耦U9隔离后反馈到单周期控制单元，使主电路和控制电路有效的隔离。在实际操作中光耦可选择型号为HCNR201,同时设计过程中让R50和R48阻值相等，可实现输入输出等大小隔离。

Claims

1.可调光大功率LED驱动电源，其特征是包括：交流输入滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元、辅助电源单元、单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流源输出端、恒流控制单元、PWM输出调光单元；所述交流输入滤波单元、整流滤波单元、反激变换单元依次连接并连接到恒流源输出端，反激变换单元的输出端连接辅助电源单元，辅助电源单元的输出分别连接单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流控制单元、PWM输出调光单元，线性光耦隔离单元的输出端通过单周期控制单元连接反激变换单元，PWM输出调光单元通过恒流控制单元连接到恒流源输出端；交流电经过交流输入滤波单元和整流滤波单元后输出到反激变换单元，线性光耦隔离单元将检测的输出电压通过线性光耦隔离输入到单周期控制单元，单周期控制单元的控制信号与反激变换单元相连接，控制反激变换单元输出电压的大小；恒流源输出端包含一个霍尔电流传感器将检测的输出电流反馈到恒流控制单元；辅助电源单元分别给单周期控制单元、线性光耦隔离单元、恒流控制单元、PWM输出调光单元供电，单周期控制单元控制反激变换单元输出给定电压，恒流控制单元控制恒流源输出端输出给定电流，PWM输出调光单元通过恒流控制单元对大功率LED进行调光操作；

2.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述单周期控制单元控制反激变换单元，抑制输入扰动；在反激变换单元的输入电压存在扰动时，在一个开关周期内使反激变换单元的输出电压的平均值等于参考值。

3.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述单周期控制单元通过电阻分压从辅助电源单元得到参考电压信号。

4.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述单周期控制单元与反激变换单元的电流采样电阻相连接，对反激变换单元的输入电流进行采样，并根据采样信号调整控制信号。

5.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述单周期控制单元通过光耦隔离单元对输出电压进行采样，并根据采样信号调整控制信号。

6.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述恒流控制单元通过电阻分压从辅助电源单元得到输出参考电流的大小。

7.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述恒流控制单元通过恒流源输出端的霍尔电流传感器对输出电流进行采样，并根据采样信号调整控制信号。

8.如权利要求1所述可调光大功率LED驱动电源，其特征在于：所述PWM输出调光单元通过调节PWM波形脉宽的大小达到调光的目的。