CN108684104B - 基于改进sepic软开关的led汽车前照灯驱动器 - Google Patents

基于改进sepic软开关的led汽车前照灯驱动器 Download PDF

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Abstract

基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器，属于LED驱动领域，解决了现有LED汽车前照灯驱动器存在***效率低以及所驱动LED汽车前照灯的亮度不足、不稳定的问题。LED汽车前照灯驱动器：主电路用于根据输入驱动信号对LED汽车前照灯进行驱动。主电路的目标信号输出端与采样电路的目标信号输入端相连，采样电路的采样信号输出端与控制电路的采样信号输入端相连，控制电路的驱动信号输出端经驱动电路与主电路的驱动信号输入端相连。驱动电路用于对控制电路输出的驱动信号进行增强，使其能够驱动主电路。主电路在改进SEPIC电路的基础上增设有电容CQ，电容CQ与改进SEPIC电路的开关管并联。

Description

基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器
技术领域
本发明涉及一种LED驱动器，属于LED驱动领域。
背景技术
近年来，LED因具有工作效率高、发光光色纯净、使用寿命长和成本低等诸多优点而被广泛地应用于多种照明场合。除此之外，由于LED固有的反应灵敏度高、易于控制和体积小等特点，使得LED在汽车自适应前照***的应用中具有较大的潜在优势。目前，LED汽车前照灯已经呈现出逐渐取代现有氙气大灯的趋势。随之而来的是，LED汽车前照灯驱动器的设计引起了相关研究人员的越来越多的关注。
然而，现有LED汽车前照灯驱动器主要存在以下两个问题：
一、现有LED汽车前照灯驱动器的开关管多工作在硬开关状态。LED汽车前照灯驱动器的工作频率越高，***的损耗就越大。这导致现有LED汽车前照灯驱动器的***效率较低。
二、现有LED汽车前照灯驱动器由车载蓄电池供电。现有车载蓄电池的额定输出电压较低，多为12V或24V，而且实际输出电压不稳定。这使得现有LED汽车前照灯驱动器存在所驱动LED汽车前照灯的亮度不足和亮度不稳定的问题。
发明内容
本发明为解决现有LED汽车前照灯驱动器存在***效率低以及所驱动LED汽车前照灯的亮度不足、不稳定的问题，提出了一种基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器。
本发明所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器包括主电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
主电路用于根据输入驱动信号对LED汽车前照灯进行驱动；
主电路的目标信号输出端与采样电路的目标信号输入端相连，采样电路的采样信号输出端与控制电路的采样信号输入端相连，控制电路的驱动信号输出端经驱动电路与主电路的驱动信号输入端相连；
驱动电路用于对控制电路输出的驱动信号进行增强，使其能够驱动主电路；
主电路在改进SEPIC电路的基础上增设有电容CQ，电容CQ与改进SEPIC电路的开关管并联。
作为优选的是，主电路包括改进SEPIC电路和电容CQ，改进SEPIC电路包括直流电压源Vg、电感L1、电感L2、电容Cs、电容CM、电容Co、电阻Rref、二极管DM、二极管Do和开关管；
开关管为带体二极管DQ的NMOS管，NMOS管的漏极D和源极S分别与体二极管DQ的阴极和阳极相连；
直流电压源Vg的正极与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端同时与电容Cs的第一端、NMOS管的漏极D、电容CQ的第一端和二极管DM的阳极相连，电容Cs的第二端同时与二极管Do的阳极和电感L2的第一端相连，二极管Do的阴极与电容Co的第一端相连，电感L2的第二端同时与二极管DM的阴极和电容CM的第一端相连，电阻Rref的第一端、电容Co的第二端、电容CM的第二端、电容CQ的第二端、NMOS管的源极S和直流电压源Vg的负极均接入电源地；
二极管Do与电容Co的公共端和电阻Rref的第二端分别为LED汽车前照灯的两个接入端；
NMOS管的栅极G为主电路的驱动信号输入端，电阻Rref与LED汽车前照灯的公共端为主电路的目标信号输出端；
电感L1和电感L2分别工作于CCM模式和DCM模式，电感L1的电感值大于电感L2的电感值。
作为优选的是，控制电路采用SI8271系列芯片实现。
本发明所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器，其主电路根据输入驱动信号对LED汽车前照灯进行驱动。主电路通过在现有改进SEPIC电路的开关管的两端增设并联电容的方式使开关管工作在软开关状态，以减小***损耗，进而解决了现有LED汽车前照灯驱动器的***效率低的问题。另一方面，主电路是基于改进SEPIC电路实现的，改进SEPIC电路不仅具有较高的升压比，而且具有稳定的电路结构和较强的抗干扰能力，能够保证恒流输出。因此，采用本发明所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器来驱动LED汽车前照灯时，能够同时保证LED汽车前照灯的亮度和亮度稳定性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器的电路原理图；
图2为实施例提及的主电路的第一工作模态图；
图3为实施例提及的主电路的第二工作模态图；
图4为实施例提及的主电路的第三工作模态图；
图5为实施例提及的主电路的第四工作模态图；
图6为实施例提及的主电路的第五工作模态图；
图7为实施例提及的主电路的综合波形图；
图8为实施例提及的不同拓扑结构的静态增益对比图；
图9为实施例提及的NMOS管的电压信号和电流信号波形图；
图10为实施例提及的控制电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器作进一步说明。
实施例：下面结合图1～图10详细地说明本实施例。
参照图1，本实施例所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器包括主电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
主电路用于根据输入驱动信号对LED汽车前照灯HL进行驱动；
主电路的目标信号输出端与采样电路的目标信号输入端相连，采样电路的采样信号输出端与控制电路的采样信号输入端相连，控制电路的驱动信号输出端经驱动电路与主电路的驱动信号输入端相连；
驱动电路用于对控制电路输出的驱动信号进行增强，使其能够驱动主电路；
主电路在改进SEPIC电路的基础上增设有电容CQ，电容CQ与改进SEPIC电路的开关管并联。
本实施例的主电路包括改进SEPIC电路和电容CQ，改进SEPIC电路包括直流电压源Vg、电感L1、电感L2、电容Cs、电容CM、电容Co、电阻Rref、二极管DM、二极管Do和开关管；
开关管为带体二极管DQ的NMOS管，NMOS管的漏极D和源极S分别与体二极管DQ的阴极和阳极相连；
直流电压源Vg的正极与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端同时与电容Cs的第一端、NMOS管的漏极D、电容CQ的第一端和二极管DM的阳极相连，电容Cs的第二端同时与二极管Do的阳极和电感L2的第一端相连，二极管Do的阴极与电容Co的第一端相连，电感L2的第二端同时与二极管DM的阴极和电容CM的第一端相连，电阻Rref的第一端、电容Co的第二端、电容CM的第二端、电容CQ的第二端、NMOS管的源极S和直流电压源Vg的负极均接入电源地；
二极管Do与电容Co的公共端和电阻Rref的第二端分别为LED汽车前照灯的两个接入端；
NMOS管的栅极G为主电路的驱动信号输入端，电阻Rref与LED汽车前照灯的公共端为主电路的目标信号输出端；
电感L1和电感L2分别工作于CCM模式和DCM模式，电感L1的电感值大于电感L2的电感值。
本实施例的电感均为平面电感，电容均为贴片电容。如此设计不仅能够减小LED汽车前照灯驱动器的体积，而且能够提高功率密度。
本实施例所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器，二极管DM和电容CM构成倍压单元，二极管Do和二极管DM的工作模态一致，电容CQ以及NMOS管的寄生电容与电感L2构成谐振网络。为了实现ZVS，即软开关，电感L1需工作于CCM模式，电感L2需工作于DCM模式，以减小输入电流的脉动。电容CM和电容Cs的电容值应足够大，以保证电容两端电压恒定。电容Co为输出稳压电容。
下面参照图2～图7详细说明本实施例的主电路的工作模态：
图2为主电路的第一工作模态图。
第一工作模态(t0-t1)：t0时刻，电容CQ充电完成。电感L1中存储的能量通过二极管DM传输到电容CM，通过二极管Do传输到电容Co。同样地，电感L2中存储的能量通过二极管DM传输到电容CM，通过二极管Do传输到电容Co。由于电感L1的电感值大于电感L2的电感值，电感L1上的电流波动小于电感L2上的电流波动。此时，电感L1两端的电压和电感L2两端的电压均等于电容CM两端电压。在此工作模态下，流过二极管DM和二极管Do的电流呈线性减小，直至减小为零时，此工作模态结束。
图3为主电路的第二工作模态图。
第二工作模态(t1-t2)：此工作模态下，二极管DM和Do二极管均截止。电容CQ以及NMOS管的寄生电容与电感L2开始谐振。当谐振电流ic为零时，此工作模态结束。同时，NMOS管的漏极D与源极S之间的电压谐振到零。
图4为主电路的第三工作模态图。
第三工作模态(t2-t3)：由于NMOS管的漏极D与源极S之间存在反向电压，体二极管DQ开始导通，电感L1两端的电压和电感L2两端的电压等于直流电压源Vg的输出电压，电感L1和电感L2中存储的能量和经过的电流开始线性增大。
图5为主电路的第四工作模态图。
第四工作模态(t3-t4)：t3时刻，NMOS管导通，实现了零电压导通，电感L1和电感L2上的电流仍然线性增大，直至NMOS管截止。
图6为主电路的第五工作模态图。
第五工作模态(t4-t5)：t4时刻，NMOS管截止，电容CQ开始充电，NMOS管的漏极D与源极S之间的电压增大。由于电容CQ的电容值很小，此工作模态持续时间很短。当NMOS管的漏极D与源极S之间的电压增大到与电容CM两端电压一致时，电容CQ充电完成，此工作模态结束。
图7为主电路的综合波形图。其中，vgs为NMOS管的栅极G与源极S之间的电压，iDo为流经二极管Do的电流，iDM为流经二极管DM的电流，vds为NMOS管的漏极D与源极S之间的电压，ids为流经NMOS管的漏极D和源极S的电流，iL1为流经电感L1的电流，iL2为流经电感L2的电流，vL1为电感L1两端电压，vL2为电感L2两端电压，Vo为主电路的输出电压，Vg为NMOS管的栅极G与电源地之间的电压。
下面参照图8和图9详细说明本实施例所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器的效果：
图8为不同拓扑结构的静态增益对比图。如图8所示，在可实现软开关的占空比范围内，本实施例的改进SEPIC的静态增益大于现有boost拓扑结构和SEPIC拓扑结构的静态增益。由此可知：与现有的boost拓扑结构和SEPIC拓扑结构相比，本发明的主电路在升压比方面具有很大优势，十分符合汽车前照灯的照明要求。
本实施例的主电路通过在现有改进SEPIC电路的开关管的两端增设并联电容的方式，实现了开关管的零电压导通，减少了开关管的开关损耗。根据实验室所搭建的36W LED驱动器实物测试结果表明，该***在满载时效率高达90.91％。流经NMOS管的漏极D和源极S的电流波形和NMOS管的漏极D与源极S之间的电压波形如图9所示。
本实施例的主电路的控制原理为：
根据图7中电感L1两端电压和电感L2两端电压的波形，利用伏秒平衡原理，可以推导出软开关条件下主电路的传递函数：
Figure BDA0001670703980000051
式中，D为导通占空比，Dd＝td/T，td＝t1-t0，Db＝tb/T，tb＝t3-t2，T为开关周期。
根据主电路的传递函数可知，该***在软开关条件下输出电压恒定，但在非软开关条件下可以通过调节占空比D来调节电路输出，实现闭环控制。
本实施例所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器的工作频率为1MHz。对于高频LED驱动器来说，其开关管的控制电路十分重要，切忌驱动信号延迟和失真等问题的产生。本实施例的控制电路采用SI8271芯片实现，并采用转压芯片LM7805和LP2985作为辅助电源，实现对开关管的通断控制。控制电路的电路原理图如图10所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器，所述LED汽车前照灯驱动器包括主电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
主电路用于根据输入驱动信号对LED汽车前照灯进行驱动；
主电路的目标信号输出端与采样电路的目标信号输入端相连，采样电路的采样信号输出端与控制电路的采样信号输入端相连，控制电路的驱动信号输出端经驱动电路与主电路的驱动信号输入端相连；
驱动电路用于对控制电路输出的驱动信号进行增强，使其能够驱动主电路；
其特征在于，主电路在改进SEPIC电路的基础上增设有电容CQ，电容CQ与改进SEPIC电路的开关管并联；
主电路包括改进SEPIC电路和电容CQ，改进SEPIC电路包括直流电压源Vg、电感L1、电感L2、电容Cs、电容CM、电容Co、电阻Rref、二极管DM、二极管Do和开关管；
开关管为带体二极管DQ的NMOS管，NMOS管的漏极D和源极S分别与体二极管DQ的阴极和阳极相连；
直流电压源Vg的正极与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端同时与电容Cs的第一端、NMOS管的漏极D、电容CQ的第一端和二极管DM的阳极相连，电容Cs的第二端同时与二极管Do的阳极和电感L2的第一端相连，二极管Do的阴极与电容Co的第一端相连，电感L2的第二端同时与二极管DM的阴极和电容CM的第一端相连，电阻Rref的第一端、电容Co的第二端、电容CM的第二端、电容CQ的第二端、NMOS管的源极S和直流电压源Vg的负极均接入电源地；
二极管Do与电容Co的公共端和电阻Rref的第二端分别为LED汽车前照灯的两个接入端；
NMOS管的栅极G为主电路的驱动信号输入端，电阻Rref与LED汽车前照灯的公共端为主电路的目标信号输出端；
电感L1和电感L2分别工作于CCM模式和DCM模式，电感L1的电感值大于电感L2的电感值。
2.如权利要求1所述的基于改进SEPIC软开关的LED汽车前照灯驱动器，其特征在于，控制电路采用SI8271系列芯片实现。
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