CN102595700B - 一种矿用本安大功率led驱动电源 - Google Patents

Abstract

一种矿用本安大功率LED驱动电源，属于LED灯驱动电源。本安大功率LED驱动电源包括高频反激变换器、整流电路、输出滤波电路、反馈电路、PWM控制器，高频反激变换器的输出端与整流电路连接，整流电路的输出端与输出滤波电路连接，输出滤波电路的输出端为电路输出端，同时与反馈电路的输入端连接，反馈电路通过PWM控制器与高频反激变换器连接。本发明与现有技术相比，改变负载或输入电压输出电流总能保持恒定且当输出发生短路时释放的能量在气体最小点燃能量值以下，避免了***的发生，结构简单、节能环保、使用寿命长、携带方便，适用于煤矿、石化等危险场所。

Description

一种矿用本安大功率LED驱动电源

技术领域

本发明涉及一种LED灯驱动电源，尤其是一种矿用本安大功率LED驱动电源。

背景技术

煤矿照明对灯具的防爆照明有较高的要求：保证良好的照明水平，同时还要考虑工作环境的安全防爆。矿山巷道至今仍使用白炽灯作为主要光源，存在照度低，寿命短等诸多缺点；照明***不能满足作业现场照明以及突发事故的应急照明需要；许多矿井使用旧式矿灯，笨重不易携带，且工作时间较短。而LED灯具具有使用寿命长、绿色照明、光效高，安全可靠、节电显著等优点，因此LED灯具成为矿用照明的更好的选择。目前LED驱动电源都是针对地面上使用的，功率较高，在煤矿井下容易引起***，因此不适用于矿井，另外由于LED驱动电源是恒流型驱动，目前本安电源都是输出为恒压型的，不适合LED驱动使用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种矿用本安大功率LED驱动电源，解决目前LED驱动电源都是针对地面上使用的且功率较高，在煤矿井下容易引起***的问题。

本发明是这样实现的：本安大功率LED驱动电源包括高频反激变换器、整流电路、输出滤波电路、反馈电路、PWM控制器，高频反激变换器的输出端与整流电路连接，整流电路的输出端与输出滤波电路连接，输出滤波电路的输出端为电路输出端，同时与反馈电路的输入端连接，反馈电路通过PWM控制器与高频反激变换器连接。

所述的反馈电路包括光耦、稳压管和反馈运算放大器，光耦的控制输入端与整流电路输出端连接，光耦的控制输入端的另一端通过稳压管输出；光耦的输出端为三极管，光耦输出三极管的集电极为控制输出端，光耦输出三极管的发射极接地；反馈运算放大的输入端与输出滤波电路连接，反馈运算放大的输出端与稳压管连接。

该驱动电源的控制方法及器件的取值方法：

控制方法：为实现恒流输出，整流电路采用二极管进行整流；高频反激变换器中变压器具有电感的作用，输出滤波电路只采用电容；反馈电路采用稳压管配合光耦作为参考、隔离、取样，利用检测电阻将输出反馈到稳压管，再通过光耦将输入输出进行隔离，光耦内置三极管的集电极端接到误差放大器；PWM控制器采用高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片误差放大器，与内部放大器同相输入端的基准电压进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，实现输出恒定；所述的误差放大器为高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片误差放大器；

器件取值方法：最大输出纹波电流取得极小值得到电感的设计下限值：

$L_{2\min }=\frac{{\mathrm{\γ}}^2{V_{i,\max }}^2}{{2\mathrm{fI}}_0(I_0{R}_{L,\min }+{\mathrm{\γV}}_{i,\max })}---\left(1\right)$

式中：γ：占空比；V_i，max：最大输入电压；R_L，min：最小负载电阻；f：频率；I₀：输出电流

以满足输出纹波电流指标要求得到电容的设计下限值：

$C_{\min }=\frac{{I_0}^2}{f(I_0{R}_{L,\min }+{\mathrm{\γV}}_{i,\min })I_{\mathrm{PP},\max }}---\left(2\right)$

式中：V_i，min：最小输入电压；I_PP,max：最大输出纹波电流；其余参数同上。

如果本质安全开关变换器的最大输出短路释放能量为W_max，从能量等效的角度可得变换器的输出短路等效电容C_e为

$C_e=\frac{{2W}_{\max }}{{V_0}^2}=\frac{{2W}_{\max }}{{I_0}^2{R_L}^2}$

如果考虑到安全系数K(一个故障，安全系数为1.5)，则对于输出电压为V₀的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV₀对应的电容为C_B，则变换器满足输出本质安全的判据为

C_e＜C_B

因此以满足输出本质安全要求得到电容的设计上限值：

$C_{\max }=C_B-\frac{L_2}{{I_0}^2{R_{L,\max }}^2}[\frac{I_0(I_0{R}_{L,\max }+{\mathrm{\γV}}_{i,\min })}{{\mathrm{\γV}}_{i,\min }}+\frac{{\mathrm{\γI}}_0{R}_{L,\max }{V}_{i,\min }}{{2L}_{2}f(I_0{R}_{L,\max }+{\mathrm{\γV}}_{i,\min })}]---\left(3\right)$

式中：C_B：在最小点燃电压曲线上查得KV₀对应的电容；R_L,max：最大负载电阻；L₂：次级电感；其余参数同上。

有益效果：改变负载或输入电压输出电流总能保持恒定且当输出发生短路时释放的能量在气体最小点燃能量值以下，避免了***的发生，实现了本发明的目的。

本发明与现有技术相比，结构简单、节能环保、使用寿命长、携带方便，适用于煤矿、石化等危险场所。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的主拓扑结构图。

图3是本发明的控制芯片电路结构图。

图4是本发明的电路结构图。

图1中，U1、高频反激变换器；U2、整流电路；U3、输出滤波电路；U4、反馈电路；U5、PWM控制器。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1：本安大功率LED驱动电源包括高频反激变换器U1、整流电路U2、输出滤波电路U3、反馈电路U4、PWM控制器U5，高频反激变换器U1的输出端与整流电路U2连接，整流电路U2的输出端与输出滤波电路U3连接，输出滤波电路U3的输出端为电路输出端，同时与反馈电路U4的输入端连接，反馈电路U4通过PWM控制器U5与，高频反激变换器U1连接。

所述的反馈电路包括光耦、稳压管和反馈运算放大器，光耦的控制输入端与整流电路输出端连接，光耦的控制输入端的另一端通过稳压管输出；光耦的输出端为三极管，光耦输出三极管的集电极为控制输出端，光耦输出三极管的发射极接地；反馈运算放大的输入端与输出滤波电路连接，反馈运算放大的输出端与稳压管连接。

该驱动电源的控制方法及器件的取值方法：

控制方法：为实现恒流输出，整流电路采用二极管进行整流；高频反激变换器中变压器具有电感的作用，输出滤波电路只采用电容；反馈电路采用稳压管TL431配合光耦

PC817A作为参考、隔离、取样，利用检测电阻将输出反馈到稳压管，再通过光耦将输入输出进行隔离，光耦内置三极管的集电极端接到误差放大器UC3842的2脚；PWM控制器采用高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片误差放大器UC3842，与内部放大器同相输入端的基准电压进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，实现输出恒定；所述的误差放大器为高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片误差放大器；

器件取值方法：最大输出纹波电流取得极小值得到电感的设计下限值：

$L_{2\min }=\frac{{\mathrm{\γ}}^2{V_{i,\max }}^2}{{2\mathrm{fI}}_0(I_0{R}_{L,\min }+{\mathrm{\γV}}_{i,\max }}---\left(1\right)$

式中：γ：占空比；V_i，max：最大输入电压；R_L，min：最小负载电阻；f：频率；I₀：输出电流

以满足输出纹波电流指标要求得到电容的设计下限值：

$C_{\min }=\frac{{I_0}^2}{f(I_0{R}_{L,\min }+{\mathrm{\γV}}_{i,\min })I_{\mathrm{PP},\max }}---\left(2\right)$

式中：V_i，min：最小输入电压；I_PP,max：最大输出纹波电流；其余参数同上。

如果本质安全开关变换器的最大输出短路释放能量为W_max，从能量等效的角度可得变换器的输出短路等效电容C_e为

$C_e=\frac{{2W}_{\max }}{{V_0}^2}=\frac{{2W}_{\max }}{{I_0}^2{R_L}^2}$

如果考虑到安全系数K(一个故障，安全系数为1.5)，则对于输出电压为V₀的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV₀对应的电容为C_B，则变换器满足输出本质安全的判据为

C_e＜CB

因此以满足输出本质安全要求得到电容的设计上限值：

$C_{\max }=C_B-[\frac{L_2}{{I_0}^2{R_{L,\max }}^2}\frac{I_0(I_0{R}_{L,\max }+{\mathrm{\γV}}_{i,\min })}{{\mathrm{\γV}}_{i,\min }}+\frac{{\mathrm{\γI}}_0{R}_{L,\max }{V}_{i,\min }}{{2L}_{2}f(I_0{R}_{L,\max }+{\mathrm{\γV}}_{i,\min })}]---\left(3\right)$

式中：C_B：在最小点燃电压曲线上查得KV₀对应的电容；R_L，max：最大负载电阻；L₂：次级电感；其余参数同上。

在图1中：电路主要由高频反激变压器U1，整流电路U2，输出滤波电路U3，反馈电路U4，PWM控制器U5组成。高频反激变压器U1的二次侧通过一个二极管进行整流，输出滤波电路U3通过电容实现，反馈电路U4由光耦PC817A和稳压管TL431构成，电路的输出通过检测电阻R₁，分压电阻R₂、R3及反相放大器uA741反馈到TL431的参考端R，TL431与PC817A的二极管串联，输出变化引起通过二极管电流的变化从而引起PC817A三极管集电极电压的变化。PC817A三极管的集电极与UC3842的2脚相连，与内部放大器同相输入端的基准电压进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，从而实现输出恒定。PWM控制器U5采用的是高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片UC3842。

在图2中，V_i为输入电压，i₁为输入电流，i₀为输出电流，K为功率开关管，D为续流二极管，C为滤波器，R为负载，T为变压器，初级电感为L₁，次级电感为L₂，i₁为流过电感L₁的电流，i₂为流过电感L₂的电流，初级匝数为N₁，次级匝数为N₂。

变压器初级线圈的同名端接在电源正极，异名端与开关K的一个触头相连，开关K的另一个触头接在电源负极，二极管D的阳极接在变压器次级线圈的异名端，阴极与滤波器C的一端相连，滤波器C的另一端接在变压器次级线圈的同名端，负载RL并接在滤波器两端。

UC3842有8个引脚。1脚是误差放大器输出端，通过一个电阻接地；2脚是电压反馈端，此脚与内部放大器同相输入端的基准电压进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度；3脚是电流检测输入端，初级电流通过***一个与开关Q的源极串联的以地为参考的取样电阻R_s转换成电压，此电压由3脚监视并与来自误差放大器的输出电平比较。在R_s和3脚之间接R、C组成的滤波器，用于抑制功率开关管开通时产生的电流尖峰；4脚是定时端，外接定时电阻R_T和定时电容C_T，产生所需频率的锯齿波；5脚是接地端；6脚是驱动脉冲输出端，通过一个电阻驱动功率开关管；7脚是芯片供电电源输入端；8脚是基准电压输出端。

在图4中，D1是主电路，主要由高频反激变换器、整流电路、输出滤波电路组成；D2是反馈电路，主要由稳压管TL431及光耦PC817A组成；D3是控制电路，由PWM控制器及其辅助电路组成。

变压器T1初级线圈的同名端与电源的正极相连，异名端接在开关Q的一个触头上，Q的另一个触头与取样电阻R_s的一端相连，R_s另一端接地。二极管VDl的阳极接在变压器次级线圈的异名端，阴极与滤波电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端接在变压器次级线圈的同名端。负载电阻R_L一端接在二极管VDl的阴极，另一端接地。电流检测电阻R₁一端接地，另一端接在变压器次级线圈的同名端。分压电阻R₂一端与R₁的非接地端相连，再与R₃串联，R₃的另一端接地。电压反馈端a通过反相放大器uA741接在稳压管TL431的参考端R。TL431的C端接地，A端与光耦PC817A的2端相连，1端通过电阻R₄及稳压管ZD接在续流二极管VDl的阴极，3端接地，4端接电源。UC3842的Vcc端和Vc端接在电源上；gnd端和pwgnd端接地；comp端通过电阻R6接地；Vfb端与Vcc端相连后通过电阻R₅接在Vref端上；电阻R_T一端接Vref端，另一端与电容C_T相连后接地；rct端接在R_T与C_T的连接处，rct端通过电容C₂与R_s的非接地端相连；cs端分别与电容C₃和电阻R₉的一端相连，电容C₃的另一端接地，R₉的另一端接在R_s的非接地端，output端通过电阻R_g驱动开关Q关断。

Claims (1)

1.一种矿用本安大功率LED驱动电源，其特征是：本安大功率LED驱动电源包括高频反激变换器、整流电路、输出滤波电路、反馈电路、PWM控制器，高频反激变换器的输出端与整流电路连接，整流电路的输出端与输出滤波电路连接，输出滤波电路的输出端为电路输出端，同时与反馈电路的输入端连接，反馈电路通过PWM控制器与高频反激变换器连接；

所述的反馈电路包括光耦、稳压管和反馈运算放大器，光耦的控制输入端与整流电路输出端连接，光耦的控制输入端的另一端通过稳压管输出；光耦的输出端为三极管，光耦输出三极管的集电极为控制输出端，光耦输出三极管的发射极接地；反馈运算放大的输入端与输出滤波电路连接，反馈运算放大的输出端与稳压管连接；

为实现恒流输出，整流电路采用二极管进行整流；高频反激变换器中变压器具有电感的作用，输出滤波电路只采用电容；反馈电路采用稳压管配合光耦作为参考、隔离、取样，利用检测电阻将输出反馈到稳压管，再通过光耦将输入输出进行隔离，光耦内置三极管的集电极端接到误差放大器；PWM控制器采用高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片误差放大器，与内部放大器同相输入端的基准电压进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，实现输出恒定；所述的误差放大器为高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片误差放大器；

所述的电容为输出滤波电路中的电容；

该驱动电源的器件取值方法：最大输出纹波电流取得极小值得到电感的设计下限值：

$L_{2\min }=\frac{{\mathrm{\γ}}^2{V_{i,\max }}^2}{2{\mathrm{fI}}_o(I_o{R}_{L,\min }+\mathrm{\γ}{V}_{i,\max })}---\left(1\right)$

式中：γ：占空比；V_i，max：最大输入电压；R_L，min：最小负载电阻；f：频率；I_o：输出电流

以满足输出纹波电流指标要求得到输出滤波电路中电容的设计下限值：

$C_{\min }=\frac{{I_o}^2}{f(I_o{R}_{L,\min }+\mathrm{\γ}{V}_{i,\min })I_{\mathrm{PP},\max }}---\left(2\right)$

式中：V_i，min：最小输入电压；I_PP，max：最大输出纹波电流；其余参数同上；

如果本质安全开关变换器的最大输出短路释放能量为W_max，从能量等效的角度可得变换器的输出短路等效电容C_e为

$C_e=\frac{{2W}_{\max }}{{V_o}^2}=\frac{{2W}_{\max }}{{I_o}^2{R_L}^2}$

如果考虑到安全系数K为1.5，则对于输出电压为V_o的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV_o对应的电容为C_B，则变换器满足输出本质安全的判据为

C_e＜C_B

因此以满足输出本质安全要求得到电容的设计上限值：

$C_{\max }=C_B-\frac{L_2}{{I_o}^2{R_{L,\max }}^2}[\frac{I_o(I_o{R}_{L,\max }+\mathrm{\γ}{V}_{i,\min })}{\mathrm{\γ}{V}_{i,\min }}+\frac{\mathrm{\γ}{I}_o{R}_{L,\max }{V}_{i,\min }}{2L_{2}f(I_o{R}_{L,\max }+\mathrm{\γ}{V}_{i,\min })}]---\left(3\right)$

式中：C_B：在最小点燃电压曲线上查得KV_o对应的电容；R_L，max：最大负载电阻；L₂：次级电感；其余参数同上。