CN102811535A - 基于单级变换可控整流的超高效率led恒流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：包括EMI滤波器、全桥可控整流电路、输出滤波电路、过零检测电路、微控制器电路及电流电压采样电路；EMI滤波器滤除交流市电供电输入的高频干扰后输给全桥可控整流电路中；全桥可控整流电路将交流转换为直流输入到输出滤波电路中；输出滤波电路将直流电中的高频成分去除后输送给LED；过零检测电路检测EMI滤波器输出端交流电的过零点，过零检测电路的输出作为微控制器的同步信号；微控制器电路及电流电压采样电路采集输出滤波电路输出端的电流和电压，并将电流和电压反馈给微控制电路中。本发明结构的成本低，功率因数高，可靠性高、效率高。

Description

基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源
技术领域
本发明涉及一种超高效率LED恒流电源。
背景技术
半导体照明技术已取得飞速发展，LED的光效超过130Lm/W，散热材料也有突破。现在制约LED推广应用的唯一瓶颈就是驱动电源。世界各国LED驱动均采用开关式恒流电源，这种电源通常需要工频整流、功率因数校正、高频逆变、高频整流等多级变换电路，这样不仅造成驱动电源成本大大增加，而且经过多级变换后，驱动电源的效率也大大降低，从而造成LED灯具的价格较高，整灯光效也明显降低。同时由于电路结构复杂，所需电子元器件的数量极大，驱动电源的可靠性也大大降低，目前驱动电源已成为LED灯具的最严重瓶颈。
全球多个国家都在研究LED驱动电源，国内也有不少院校和企业在研究该项目。美国、韩国和我国台湾曾推出LED光源和驱动电源集成在一起的模块；还推出了交流直接供电的分段控制LED驱动电源；为了提高功率因数，串联LED模块必须实施分段控制，这种方案严重影响LED光源的发光效率。为了提高驱动电源的可靠性并降低成本，国内还推出了“大功率LED照明***”的集中供电***。该***只适用于大型照明***。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其成本低，功率因数高，可靠性高、效率高。
为达到上述目的，基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源包括EMI滤波器、全桥可控整流电路、输出滤波电路、过零检测电路、微控制器电路及电流电压采样电路；EMI滤波器滤除交流市电供电输入的高频干扰后输给全桥可控整流电路中；全桥可控整流电路将交流转换为直流输入到输出滤波电路中；输出滤波电路将直流电中的高频成分去除后输送给LED；过零检测电路检测EMI滤波器输出端交流电的过零点，过零检测电路的输出作为微控制器的同步信号；微控制器电路及电流电压采样电路采集输出滤波电路输出端的电流和电压，并将电流和电压反馈给微控制电路中。
作为具体化，EMI滤波器包括过流保险丝F1、电容C1、C2和共模电感L1；过流保险丝F1的一端与交流市电连接，另一端与电容C1和共模电感L1连接；电容C1的另一端与交流市电和共模电感L1连接；电容C2与共模电感L1连接。
作为具体化，所述的全桥可控整流电路包括电感L2、L3，二极管Q1、Q2，MOS管Q3、Q4，电容C3、C4和驱动芯片；电感L2一端与EMI滤波电路连接，另一端与电容C3、二极管Q1阳极和MOS管Q3的D端同时连接；电感L3一端与二极管Q1的阴极连接，另一端连接输出端；二极管Q1的阴极与电感L3一端连接；二极管Q2的阳极与MOS管Q4的D端连接，二极管Q2的阴极与电感L3一端连接；MOS管Q3的G端与驱动芯片连接，MOS管Q3的S端与MOS管Q4的S端连接，MOS管Q3的D端还与电容C3的另一端和MOS管Q4的D端同时连接；MOS管Q4的G端与驱动芯片连接，MOS管Q4的S端与输出端连接；电容C3的另一端与输出端连接；电容C4的一端与二极管Q1阴极连接，电容C4的另一端与MOS管Q4的S端连接。
作为具体化，所述的过零检测电路包括分压电阻R1、R2，比较器U1；分压电阻R1的一端与EMI滤波器连接，另一端与比较器U1连接；分压电阻R2的与比较器U1连接；比较器U1的输出端与微控制器连接。
作为具体化，微控制器包括微控制芯片U2、晶振Y1、指示灯D1和复位开关SW1；晶振Y1两端接微控制器芯片U2的时钟输入端；复位开关SW1和微控制芯片U2的MCLR输入引脚相连；电流采样信号AN_Current和电压采样信号AN_Voltage分别连接到微控制器的AN0和AN1上。过零检测信号连接到微控制器芯片U2的AN5（GPIO）上；微控制器芯片U2的PWM1L和PWM1H分别连接到驱动芯片的输入端。
作为具体化，所述电流电压采样电路包括采样电阻R3和放大器U3；通过采样电阻R3两端的电压来测量电流，放大器U3引入了串联电压负反馈，把采样电阻R3两侧的电压放大后送到微控制器芯片U2中。
本发明的有益效果是：
（1）可靠性高：本发明所用元器件较少，因此可靠性很高，效率也很高，可达95%以上。
（2）功率因数高：本发明相对于现有技术不需要独立的功率因数校正电路，也很容易使功率因数达到很高。本发明由两只MOS管组成全桥可控整流电路。MOS管由驱动芯片驱动，将输入的正弦波电压转变为包络为半波正弦的方波输出脉冲，因此，该全桥可控整流电路的功率因数很高，通过电流电压采样电路检测信号，调整微控制芯片U2的脉冲占空比，输入电压在很宽的范围内变化，都可保证LED所需的恒流精度。
（3）低成本：目前国内外LED驱动电源的功率都在90%以下，质保3年的100W路灯驱动电源的售价均在200元~300元之间，严重制约了LED的推广应用。而本发明100W以上的恒流电源因元器件少，工艺简单，则可大幅降低成本，质保时间可达到8年，整机效率可超过95%。
附图说明
图1是本发明的工作原理框图。
图2是EMI滤波电路。
图3是本发明构造的全桥可控整流电路。
图4是全桥可控整流电路的工作波形。
图5是过零检测电路。
图6是电流电压采样电路。
图7是辅助电路电源产生电路图。
图8是微控制器电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明一种基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源的框图，其中包括EMI滤波器1、全桥可控整流电路2、输出滤波电路3、过零检测电路4、微控制器电路5及电流电压采样电路6；EMI滤波器1滤除交流市电供电输入的高频干扰后输给全桥可控整流电路2中；全桥可控整流电路2将交流转换为直流输入到输出滤波电路3中；输出滤波电路3将直流电中的高频成分去除后输送给LED；过零检测电路4检测EMI滤波器1输出端交流电的过零点，过零检测电路4的输出作为微控制器5的同步信号；微控制器电路5及电流电压采样电路6采集输出滤波电路输出端的电流和电压，并将电流和电压反馈给微控制电路5中。
过零检测电路4检测交流输入AC处于交流电的正半周还是负半周，并将检测信息通过微控制器电路5的GPIO送给微控制器电路，该信号作为微控制器电路输出PWM波形的同步信号。全桥可控整流电路2输出的控制信号来自于微控制器电路5的PWM波形，全桥可控整流电路2将输入的正弦波电压转变为包络为半波正弦输出脉冲，半波正弦的输出脉冲经过输出滤波电路3去除高频分量，得到直流DC。在输出滤波电路3串联采样电阻R3，经电流电压采样电路6送给微控制器电路5的A/D模块，形成反馈回路。微控制器电路5根据获得的输出电流信息与预设电流值比对，改变PWM波形的占空比，从而获得稳定的恒流源输出，驱动LED正常工作。
图2是EMI滤波电路，包括过流保险丝F1、电容C1、C2和共模电感L1；过流保险丝F1的一端与交流市电连接，另一端与电容C1和共模电感L1连接；电容C1的另一端与交流市电和共模电感L1连接；电容C2与共模电感L1连接，用于滤除交流市电中的干扰。
图3是本发明构造的全桥可控整流电路。包括电感L2、L3，二极管Q1、Q2，MOS管Q3、Q4，电容C3、C4和驱动芯片；电感L2一端与EMI滤波电路连接，另一端与电容C3、二极管Q1阳极和MOS管Q3的D端同时连接；电感L3一端与二极管Q1的阴极连接，另一端连接输出端；二极管Q1的阴极与电感L3一端连接；二极管Q2的阳极与MOS管Q4的D端连接，二极管Q2的阴极与电感L3一端连接；MOS管Q3的G端与驱动芯片连接，MOS管Q3的S端与MOS管Q4的S端连接，MOS管Q3的D端还与电容C3的另一端和MOS管Q4的D端同时连接；MOS管Q4的G端与驱动芯片连接，MOS管Q4的S端与输出端连接；电容C3的另一端与输出端连接；电容C4的一端与二极管Q1阴极连接，电容C4的另一端与MOS管Q4的S端连接。由驱动芯片驱动MOS管的导通和断开，实现对全桥整流电路输出功率的控制。其具体过程是：在电网电压正半周，给Q3加入驱动脉冲，Q1和Q3导通，电流流过Q1、L2、LED、Q3，改变驱动脉冲的占空比，可以调整LED的电流平均值。电网电压负半周内，给Q4加入驱动脉冲，电流流过Q2、L3、LED和Q4，全桥可控整流电路将输入的正弦波电压转变为包络为半波正弦的输出脉冲。L3和C4构成输出滤波电路，半波正弦的输出脉冲中的高频分量，得到直流DC。
图4是全桥可控整流电路的工作波形，交流输入电压波形如图（a）所示，Q1和Q3管电压波形如图（b）所示，Q2和Q4管驱动电压波形如图（c）所示，直流输出电压如图（d）所示，交流输入电流i2的波形为比较理想的正弦波，经电感L3滤波后输出的电流波形如图（f）rn所示，当电网电压或环境温度等参数变化时，LED的电流将发生变化，为此，在直流输出电路中，加入电流取样电阻，当取样电阻两端压降增加时，通过控制电路减小PWM驱动电路输出脉冲的占空比，从而维持LED电流恒定。
图5是过零检测电路，所述的过零检测电路包括分压电阻R1、R2，比较器U1；分压电阻R1的一端与EMI滤波器连接，另一端与比较器U1连接；分压电阻R2的与比较器U1连接；比较器U1的输出端与微控制器连接。其中VIN+为经过EMI后的交流AC。当输入电压大于0.7V时，比较器输出为高，反之为低，该输出通过GPIO送给微控制器电路5中。
图6是电流电压采样电路，所述电流电压采样电路包括采样电阻R3和放大器U3；通过采样电阻R3两端的电压来测量电流，放大器U3引入了串联电压负反馈，把采样电阻R3两侧的电压放大后送到微控制器芯片U2的A/D采样模块中。
图7是辅助电路的电源产生电路图，该电源转换电路是由半波整流二极管D6和专用集成DC/DC芯片构成，其输出5V直流为该发明中的放大器，比较器，微控制器等提供直流电压，由于这些元件的功耗都很小，因而，利用专用集成DC/DC芯片为辅助电路提供电源，对该发明的电源效率影响并不大。
图8是微控制器电路。微控制器包括微控制芯片U2、晶振Y1、指示灯D1、复位开关SW1和指示灯D5；晶振Y1两端接微控制器芯片U2的时钟输入端；复位开关SW1和微控制芯片U2的MCLR输入引脚相连；电流采样信号AN_Current和电压采样信号AN_Voltage分别连接到微控制器的AN0和AN1上。过零检测信号连接到微控制器芯片U2的AN5（GPIO）上；微控制器芯片U2的PWM1L和PWM1H分别连接到驱动芯片的输入端。
在本发明中，微控制器电路为PWM电路。
该实施方式仅作为该发明的一种实现方式，凡对该发明中的形如微控制器改为专用PWM集成芯片，全桥可控整流电路中的MOS管改为IGBT，或者两只二极管改为MOS管等及其他电路所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：包括EMI滤波器、全桥可控整流电路、输出滤波电路、过零检测电路、微控制器电路及电流电压采样电路；EMI滤波器滤除交流市电供电输入的高频干扰后输给全桥可控整流电路中；全桥可控整流电路将交流转换为直流输入到输出滤波电路中；输出滤波电路将直流电中的高频成分去除后输送给LED；过零检测电路检测EMI滤波器输出端交流电的过零点，过零检测电路的输出作为微控制器的同步信号；微控制器电路及电流电压采样电路采集输出滤波电路输出端的电流和电压，并将电流和电压反馈给微控制电路中。
2.根据权利要求1所述的基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：EMI滤波器包括过流保险丝F1、电容C1、C2和共模电感L1；过流保险丝F1的一端与交流市电连接，另一端与电容C1和共模电感L1连接；电容C1的另一端与交流市电和共模电感L1连接；电容C2与共模电感L1连接。
3.根据权利要求1所述的基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：所述的全桥可控整流电路包括电感L2、L3，二极管Q1、Q2，MOS管Q3、Q4，电容C3、C4和驱动芯片；电感L2一端与EMI滤波电路连接，另一端与电容C3、二极管Q1阳极和MOS管Q3的D端同时连接；电感L3一端与二极管Q1的阴极连接，另一端连接输出端；二极管Q1的阴极与电感L3一端连接；二极管Q2的阳极与MOS管Q4的D端连接，二极管Q2的阴极与电感L3一端连接；MOS管Q3的G端与驱动芯片连接，MOS管Q3的S端与MOS管Q4的S端连接，MOS管Q3的D端还与电容C3的另一端和MOS管Q4的D端同时连接；MOS管Q4的G端与驱动芯片连接，MOS管Q4的S端与输出端连接；电容C3的另一端与输出端连接；电容C4的一端与二极管Q1阴极连接，电容C4的另一端与MOS管Q4的S端连接。
4.根据权利要求1所述的基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：所述的过零检测电路包括分压电阻R1、R2，比较器U1；分压电阻R1的一端与EMI滤波器连接，另一端与比较器U1连接；分压电阻R2的与比较器U1连接；比较器U1的输出端与微控制器连接。
5.根据权利要求1所述的基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：微控制器包括微控制芯片U2、晶振Y1、指示灯D1和复位开关SW1；晶振Y1两端接微控制器芯片U2的时钟输入端；复位开关SW1和微控制芯片U2的MCLR输入引脚相连；电流采样信号AN_Current和电压采样信号AN_Voltage分别连接到微控制器的AN0和AN1上。过零检测信号连接到微控制器芯片U2的AN5（GPIO）上；微控制器芯片U2的PWM1L和PWM1H分别连接到驱动芯片的输入端。
6.根据权利要求1所述的基于单级变换可控整流的超高效率LED恒流电源，其特征在于：所述电流电压采样电路包括采样电阻R3和放大器U3；通过采样电阻R3两端的电压来测量电流，放大器U3引入了串联电压负反馈，把采样电阻R3两侧的电压放大后送到微控制器芯片U2中。
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