CN109496016A - 一种高功率因数led驱动电源低频纹波抑制方法 - Google Patents

一种高功率因数led驱动电源低频纹波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，提供交流电源、整流电路、单级功率因数校正电路、LED负载以及纹波抑制电路；所述交流电源与所述整流电路的输入端相连，整流电路的正、负输出端分别与所述单级功率因数校正电路的正、负输入端相连，将单级功率因数校正电路的输出与纹波抑制电路的输出并联在一起为LED负载供电。本发明能够抑制LED灯电流的低频纹波，并使漏感能量得到有效利用。

Description

一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法
技术领域
本发明涉及LED驱动电源领域，特别是一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法。
背景技术
LED以其节能、环保、高效、长寿命等诸多优点，成为新一代的绿色照明光源。随着LED照明技术的日益成熟，它将被广泛应用于各个领域。在交流供电场合，为了满足IEC61000-3-2的谐波要求，LED驱动电源都需要进行功率因数校正。
具有功率因数校正功能的LED驱动电源按其拓扑结构形式可分为单级电路拓扑和两级电路拓扑。两级电路拓扑通常采用Boost-PFC变换器和DC/DC变换器的电路结构，前级Boost-PFC变换器实现功率因数校正功能，后级DC/DC变换器实现对LED灯的恒流控制，但采用两级功率变换电路的LED驱动电源，输出能量经过了两级功率变换，效率低、成本高、电路结构复杂，限制了其在LED驱动电源中的应用。单级电路拓扑因其结构简单、成本低、功率因数高以及效率高等优点被广泛应用于小功率场合，然而单级功率因数LED驱动电路由于瞬时输入功率与恒定输出功率不平衡，导致其输出电流存在较大的低频纹波，使LED工作时出现频闪问题。因此，具有PFC能力的低纹波LED驱动电源成为研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，能够抑制LED灯电流的低频纹波，并使漏感能量得到有效利用。
本发明采用以下方案实现：一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，提供交流电源、整流电路、单级功率因数校正电路、LED负载以及纹波抑制电路；所述交流电源与所述整流电路的输入端相连，整流电路的正、负输出端分别与所述单级功率因数校正电路的正、负输入端相连，将单级功率因数校正电路的输出与纹波抑制电路的输出并联在一起为LED负载供电。
进一步地，所述纹波抑制电路包括漏感能量吸收电路和反激变换器；漏感能量吸收电路的输入端与单级功率因数校正电路中的变压器原边绕组相连，用以吸收由单级功率因数校正电路中的变压器漏感产生的电压尖峰，漏感能量吸收电路的输出端与反激变换器输入端相连，所述反激变换器的输出端与单级功率因数校正电路的输出并联，一起连接至LED负载；
通过控制反激变换器中开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号，从而抑制了LED灯电流的低频纹波，并使漏感能量得到有效利用。
进一步地，所述漏感能量吸收电路包括第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、以及钳位电容C1，所述第一钳位二极管D1的阳极与所述第二钳位二极管D2的阳极作为所述漏感能量吸收电路的输入端，所述第一钳位二极管D1的阴极与第二钳位二极管D2的阴极相连，并连接至钳位电容C1的一端；所述钳位电容C1的另一端连接至整流电路的负输出端；所述钳位电容C1的两端作为所述漏感能量吸收电路的输出端；
所述反激变换器包括变压器T2、开关管S3以及二极管D3；所述变压器T2的原边异名端连接至开关管S3的漏极，所述开关管S3的源极与所述变压器T2的原边同名端作为反激变换器的输入端；所述变压器T2的副边同名端连接至所述二极管D3的阳极，所述变压器T2的副边异名端与所述二极管D3的阴极作为反激变换器的输出端。
进一步地，所述通过控制反激变换器中开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号具体为：设反激变换器的占空比为：
D＝KD*a[N]；
式中，KD为反激变换器开关管占空比系数，a[N]为正弦变换的函数数组；通过检测钳位电容的电压获得占空比系数KD，进而调节反激变换器占空比大小，控制输出纹波补偿电流的幅值；通过检测输出电流纹波获得相位信息，通过改变数组a[N]的读取顺序调节反激变换器占空比波形相位，从而控制输出纹波补偿电流的相位；
进一步地，钳位电容电压经采样后得到采样信号Vcf，与基准电压Vref比较，经过内部PI程序调节，得到反激变换器开关管占空比系数KD；输出电流经过采样后得到采样信号Vif，与输出电流直流分量信号Vifdc比较，得到输出电流纹波信号Vrip，并通过相位检测获得控制信号N，确定数组a[N]的读取顺序，由此获得反激变压器开关管占空比D＝KD*a[N]。
进一步地，所述占空比系数KD的调节，需要满足以下要求：
纹波抑制电路能提供足够的补偿能量，即纹波抑制电路的输入功率等于输出功率；当纹波抑制电路输入功率增加时，占空比系数KD变大，纹波补偿电流的幅值变大，输出功率增加；当输入功率减小时，占空比系数KD变小，纹波补偿电流的幅值也变小，输出功率减小；
纹波抑制电路工作时不影响主电路实现功率因数校正功能。
进一步地，所述纹波抑制电路工作时不影响主电路实现功率因数校正功能具体为：通过控制钳位电容的电压始终大于单级功率因数校正电路中的变压器的原边电压，使得纹波抑制电路工作时不影响单级功率因数校正电路的功率因数校正功能。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明通过控制反激变换器开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号，从而抑制了LED灯电流的低频纹波，并使漏感能量得到有效利用。具有高效、高功率因数和无频闪等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的控制电路原理示意图。
图2为本发明实施例的纹波抑制控制原理框图。
图3为本发明实施例的不同读取顺序情况下反激变换器开关管占空比波形图。
图4为本发明实施例的相位检测原理图。
图5为本发明实施例的纹波抑制策略程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，提供交流电源、整流电路、单级功率因数校正电路、LED负载以及纹波抑制电路；所述交流电源与所述整流电路的输入端相连，整流电路的正、负输出端分别与所述单级功率因数校正电路的正、负输入端相连，将单级功率因数校正电路的输出与纹波抑制电路的输出并联在一起为LED负载供电。
在本实施例中，所述纹波抑制电路包括漏感能量吸收电路和反激变换器；漏感能量吸收电路的输入端与单级功率因数校正电路中的变压器原边绕组相连，用以吸收由单级功率因数校正电路中的变压器漏感产生的电压尖峰，漏感能量吸收电路的输出端与反激变换器输入端相连，所述反激变换器的输出端与单级功率因数校正电路的输出并联，一起连接至LED负载；
通过控制反激变换器中开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号，从而抑制了LED灯电流的低频纹波，并使漏感能量得到有效利用。
在本实施例中，所述漏感能量吸收电路包括第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、以及钳位电容C1，所述第一钳位二极管D1的阳极与所述第二钳位二极管D2的阳极作为所述漏感能量吸收电路的输入端，所述第一钳位二极管D1的阴极与第二钳位二极管D2的阴极相连，并连接至钳位电容C1的一端；所述钳位电容C1的另一端连接至整流电路的负输出端；所述钳位电容C1的两端作为所述漏感能量吸收电路的输出端；
所述反激变换器包括变压器T2、开关管S3以及二极管D3；所述变压器T2的原边异名端连接至开关管S3的漏极，所述开关管S3的源极与所述变压器T2的原边同名端作为反激变换器的输入端；所述变压器T2的副边同名端连接至所述二极管D3的阳极，所述变压器T2的副边异名端与所述二极管D3的阴极作为反激变换器的输出端。
在本实施例中，所述通过控制反激变换器中开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号具体为：设反激变换器的占空比为：
D＝KD*a[N]；
式中，KD为反激变换器开关管占空比系数，a[N]为正弦变换的函数数组；通过检测钳位电容的电压获得占空比系数KD，进而调节反激变换器占空比大小，控制输出纹波补偿电流的幅值；通过检测输出电流纹波获得相位信息，通过改变数组a[N]的读取顺序调节反激变换器占空比波形相位，从而控制输出纹波补偿电流的相位；
其中，纹波抑制控制原理框图如图2所示，其中uC1为钳位电容电压，iLED为输出电流，KC为钳位电容电压采样系数，Ki为输出电流采样系数，纹波抑制电路输出的占空比D＝KD*a[N],KD为占空比系数，a[N]为正弦变换的函数数组，用于控制反激变换器开关管工作。通过对补偿电流纹波的幅值和相位的控制使得纹波补偿电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号，从而抑制了LED灯电流的低频纹波。
在本实施例中，钳位电容电压经采样后得到采样信号Vcf，与基准电压Vref比较，经过内部PI程序调节，得到反激变换器开关管占空比系数KD；输出电流经过采样后得到采样信号Vif，与输出电流直流分量信号Vifdc比较，得到输出电流纹波信号Vrip，并通过相位检测获得控制信号N，确定数组a[N]的读取顺序，由此获得反激变压器开关管占空比D＝KD*a[N]。
在本实施例中，所述占空比系数KD的调节，需要满足以下要求：
纹波抑制电路能提供足够的补偿能量，即纹波抑制电路的输入功率等于输出功率；当纹波抑制电路输入功率增加时，占空比系数KD变大，纹波补偿电流的幅值变大，输出功率增加；当输入功率减小时，占空比系数KD变小，纹波补偿电流的幅值也变小，输出功率减小；
纹波抑制电路工作时不影响主电路实现功率因数校正功能。
在本实施例中，所述纹波抑制电路工作时不影响主电路实现功率因数校正功能具体为：通过控制钳位电容的电压始终大于单级功率因数校正电路中的变压器的原边电压，使得纹波抑制电路工作时不影响单级功率因数校正电路的功率因数校正功能；即使钳位电容电压VC1始终大于变压器T1原边电压nV0，即VC1＞nVo。
特别的，数组a[N]的读取顺序可以调节反激变换器占空比波形相位，图3给出了几种不同读取顺序情况下反激变换器开关管占空比波形。其中，(a)为标准数组a[N]线性化曲线，当读取顺序为a[0]→a[1]......a[360]时，反激变换器开关管占空比波形如图3中的(b)所示，此时占空比可以表示为：
当读取顺序为a[90]→a[91]......a[360]→a[0]......a[89]时，反激变换器开关管占空比波形如图3中的(c)所示，此时占空比可以表示为：
当读取顺序为a[180]→a[181]......a[360]→a[0]......a[179]时，反激变换器开关管占空比波形如图3中的(d)所示，此时占空比可以表示为：
通过改变数组a[N]的读取顺序可以调节反激变换器占空比波形相位，数组a[N]包含的数据个数N＝360，因此有360组不同的读取顺序，其读取顺序由相位检测程序给出，相位检测原理图如图4所示。其中iLEDrip为输出电流纹波，i1为主电路输出电流，D为纹波抑制电路反激变换器开关管占空比波形。为了提高纹波相位检测精度，所选的相位检测点斜率应较大，因此本实施例所选相位检测点为A、B、C点。由于两倍工频情况下电路输出等效阻抗导致LED电流纹波滞后于主电路输出电流纹波90°，因此为了使纹波抑制电路输出补偿电流相位与主电路输出电流相位相反，相位检测点A、B、C对应的数组a[N]的读取顺序应为a[0]→a[1]......a[360]。
特别的，具体的纹波抑制策略程序流程如图5所示。
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 (7)

1.一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：提供交流电源、整流电路、单级功率因数校正电路、LED负载以及纹波抑制电路；所述交流电源与所述整流电路的输入端相连，整流电路的正、负输出端分别与所述单级功率因数校正电路的正、负输入端相连，将单级功率因数校正电路的输出与纹波抑制电路的输出并联在一起为LED负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：所述纹波抑制电路包括漏感能量吸收电路和反激变换器；漏感能量吸收电路的输入端与单级功率因数校正电路中的变压器原边绕组相连，用以吸收由单级功率因数校正电路中的变压器漏感产生的电压尖峰，漏感能量吸收电路的输出端与反激变换器输入端相连，所述反激变换器的输出端与单级功率因数校正电路的输出并联，一起连接至LED负载；
通过控制反激变换器中开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号，从而抑制了LED灯电流的低频纹波，并使漏感能量得到有效利用。
3.根据权利要求2所述的一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：所述漏感能量吸收电路包括第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、以及钳位电容C1，所述第一钳位二极管D1的阳极与所述第二钳位二极管D2的阳极作为所述漏感能量吸收电路的输入端，所述第一钳位二极管D1的阴极与第二钳位二极管D2的阴极相连，并连接至钳位电容C1的一端；所述钳位电容C1的另一端连接至整流电路的负输出端；所述钳位电容C1的两端作为所述漏感能量吸收电路的输出端；
所述反激变换器包括变压器T2、开关管S3以及二极管D3；所述变压器T2的原边异名端连接至开关管S3的漏极，所述开关管S3的源极与所述变压器T2的原边同名端作为反激变换器的输入端；所述变压器T2的副边同名端连接至所述二极管D3的阳极，所述变压器T2的副边异名端与所述二极管D3的阴极作为反激变换器的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：所述通过控制反激变换器中开关管的占空比，使得纹波抑制电路产生一个与单级功率因数校正电路输出电流低频纹波大小相等、相位相反的纹波补偿信号具体为：设反激变换器的占空比为：
D＝KD*a[N]；
式中，KD为反激变换器开关管占空比系数，a[N]为正弦变换的函数数组；通过检测钳位电容的电压获得占空比系数KD，进而调节反激变换器占空比大小，控制输出纹波补偿电流的幅值；通过检测输出电流纹波获得相位信息，通过改变数组a[N]的读取顺序调节反激变换器占空比波形相位，从而控制输出纹波补偿电流的相位。
5.根据权利要求4所述的一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：钳位电容电压经采样后得到采样信号Vcf，与基准电压Vref比较，经过内部PI程序调节，得到反激变换器开关管占空比系数KD；输出电流经过采样后得到采样信号Vif，与输出电流直流分量信号Vifdc比较，得到输出电流纹波信号Vrip，并通过相位检测获得控制信号N，确定数组a[N]的读取顺序，由此获得反激变压器开关管占空比D＝KD*a[N]。
6.根据权利要求4所述的一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：所述占空比系数KD的调节，需要满足以下要求：
纹波抑制电路能提供足够的补偿能量，即纹波抑制电路的输入功率等于输出功率；当纹波抑制电路输入功率增加时，占空比系数KD变大，纹波补偿电流的幅值变大，输出功率增加；当输入功率减小时，占空比系数KD变小，纹波补偿电流的幅值也变小，输出功率减小；
纹波抑制电路工作时不影响主电路实现功率因数校正功能。
7.根据权利要求6所述的一种高功率因数LED驱动电源低频纹波抑制方法，其特征在于：所述纹波抑制电路工作时不影响主电路实现功率因数校正功能具体为：通过控制钳位电容的电压始终大于单级功率因数校正电路中的变压器的原边电压，使得纹波抑制电路工作时不影响单级功率因数校正电路的功率因数校正功能。
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