CN104470160A - 一种自适应高效led驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明的自适应高效LED驱动电源，设置了独立循环控制单元，可以将电压精度控制在极小的范围内，可以有效的抑制电压畸变；通过设置稳流控制单元，可以使电流维持线性连续性；整个电路抗干扰能力强，输出稳定，具有较高的电能利用率。

Description

一种自适应高效LED驱动电源

技术领域

本发明涉及LED驱动领域，尤其涉及一种自适应高效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。

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，LED照明必将取代传统照明成为主流的照明光源。

目前的LED主要采用交流供电，经过变换器得到恒定的电压电流给LED供电，然而这种方式不仅功率因素比较低，而且不能有效抑制输入端带来的畸变；而调光主要是通过改变流过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

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的实施方式，提出一种自适应高效LED驱动电源，所述LED驱动电源包括：EMI滤波单元、直流变换单元、开关转换单元、驱动开关电源单元、独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流电源输出单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元；其中，

所述EMI滤波单元、直流变换单元、开关转换单元依次连接，并连接到稳流电源输出单元，开关转换单元的输出端连接驱动开关电源单元，驱动开关电源单元的输出分别连接独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元，模拟光电隔离单元的输出端通过独立循环控制单元连接开关转换单元，脉宽调制光调节单元通过稳流控制单元连接到稳流电源输出单元；交流电经过EMI滤波单元和直流变换单元后输出到开关转换单元，模拟光电隔离单元将检测的输出电压通过模拟光电隔离输入到独立循环控制单元，驱动开关电源单元分别给独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元供电，独立循环控制单元控制开关转换单元输出期望电压，稳流控制单元控制稳流电源输出单元输出期望电流，脉宽调制光调节单元通过稳流控制单元对所述LED进行调光操作。

根据本发明的实施方式，输入交流220V电压通过EMI滤波后接入所述直流变换单元，所述直流变换单元由直流变换桥D2、二极管D3、电感L2、电容C4、C5组成，直流变换桥D2输出连接到二极管D3通过电感L2连接到吸收电路，电容C4、C5一端分别接到电感L2的左右端，另一端接地GND1，吸收电路由电阻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，吸收电路再并联到变压器T1电压输入侧的两端，二极管D6的正极再与通断三极管Q1相连，通断三极管Q1的另一端接电阻R10，电阻R10另一端接地GND1。

根据本发明的实施方式，所述驱动开关电源单元可分为3个子单元，分别为第一驱动开关电源VCC1、第二驱动开关电源VCC2、第三驱动开关电源VCC3，二极管D9的正极与二极管D3的负极相连，二极管D9的负极串联电阻R8，齐纳二极管D12与电容C9相并联后再与电阻R8相串联，齐纳二极管D12的负极即为第一驱动开关电源VCC1；二极管D8的正极与二极管D1的负极相连，其负极连接到电阻R7，齐纳二极管D11与电容C8相并联后再与电阻R7相串联，齐纳二极管D11的负极即为VCC2；二极管D7的负极与变压器T1的另一个电压输出侧相连，它的正极与电阻R6相串联，齐纳二极管D10与电容C7相并联后再与电阻R6相串联，齐纳二极管D10的负极即为第三驱动开关电源VCC3。

根据本发明的实施方式，所述第一驱动开关电源VCC1经过电阻R9和R11分压后连接到独立循环控制单元的电压参照端Vref，独立循环控制单元中复位置位触发器的Q端与通断三极管Q1的栅极相连，独立循环控制单元的IS-1端与通断三极管Q1的源极相连，独立循环控制单元的VC1端与模拟光电隔离单元的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的正极接到变压器T1的电压输出侧，其负极串联电感L1，电容C2与二极管D1负极连接，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的连接点连接到模拟光电隔离单元的Vin端，二极管D5的负极接负载LED+，其正极接通断三极管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，通断三极管Q2的源极接地GND2，Hall电流感应电路CHB-1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，另一端接到稳流控制单元的IS-O端，第三驱动开关电源VCC3经过电阻R12、R13串联分压后接到稳流控制单元的IS-O*端，脉宽调制光调节单元的脉宽调制端与稳流控制单元的脉宽调制端相连接，稳流控制单元中U6的集电极连接到通断三极管Q2的栅极。

本发明的自适应高效LED驱动电源，设置了独立循环控制单元，可以将电压精度控制在极小的范围内，可以有效的抑制电压畸变；通过设置稳流控制单元，可以使电流维持线性连续性；整个电路抗干扰能力强，输出稳定，具有较高的电能利用率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的自适应高效LED驱动电源结构示意图；

附图2示出了根据本发明实施方式的自适应高效LED驱动电源电路原理图；

附图3示出了根据本发明实施方式的独立循环控制单元电路原理图；

附图4示出了根据本发明实施方式的稳流控制单元电路原理图；

附图5示出了根据本发明实施方式的EMI滤波单元电路原理图；

附图6示出了根据本发明实施方式的脉宽调制光调节单元电路原理图

附图7示出了根据本发明实施方式的模拟光电隔离单元电路原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出一种自适应高效LED驱动电源，如图1所示，所述LED驱动电源包括：EMI滤波单元、直流变换单元、开关转换单元、驱动开关电源单元、独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流电源输出单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元；其中，

所述EMI滤波单元、直流变换单元、开关转换单元依次连接并连接到稳流电源输出单元，开关转换单元的输出端连接驱动开关电源单元，驱动开关电源单元的输出分别连接独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元，模拟光电隔离单元的输出端通过独立循环控制单元连接开关转换单元，脉宽调制光调节单元通过稳流控制单元连接到稳流电源输出单元；交流电经过EMI滤波单元和直流变换单元后输出到开关转换单元，模拟光电隔离单元将检测的输出电压通过模拟光电隔离输入到独立循环控制单元，驱动开关电源单元分别给独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元供电，独立循环控制单元控制开关转换单元输出期望电压，稳流控制单元控制稳流电源输出单元输出期望电流，脉宽调制光调节单元通过稳流控制单元对所述LED进行调光操作。

如图2所示，主电路输入交流220V电压通过EMI滤波后接入所述直流变换单元，所述直流变换单元由直流变换桥D2、二极管D3、电感L2、电容C4、C5组成，直流变换单元连接情况如下，直流变换桥D2输出连接到二极管D3通过电感L2连接到吸收电路，电容C4、C5一端分别接到电感L2的左右端，另一端接地GND1，吸收电路由电阻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，吸收电路再并联到变压器T1电压输入侧的两端。二极管D6的正极再与通断三极管Q1相连，通断三极管Q1的另一端接电阻R10，电阻R10另一端接地GND1。

所述驱动开关电源单元可分为3个子单元，分别为第一驱动开关电源VCC1、第二驱动开关电源VCC2、第三驱动开关电源VCC3，二极管D9的正极与二极管D3的负极相连，二极管D9的负极串联电阻R8，齐纳二极管D12与电容C9相并联后再与电阻R8相串联，齐纳二极管D12的负极即为第一驱动开关电源VCC1；二极管D8的正极与二极管D1的负极相连，其负极连接到电阻R7，齐纳二极管D11与电容C8相并联后再与电阻R7相串联，齐纳二极管D11的负极即为VCC2；二极管D7的负极与变压器T1的另一个电压输出侧相连，它的正极与电阻R6相串联，齐纳二极管D10与电容C7相并联后再与电阻R6相串联，齐纳二极管D10的负极即为第三驱动开关电源VCC3。

所述第一驱动开关电源VCC1经过电阻R9和R11分压后连接到独立循环控制单元的电压参照端Vref，独立循环控制单元中复位置位触发器的Q端与通断三极管Q1的栅极相连，独立循环控制单元的IS-1端与通断三极管Q1的源极相连，独立循环控制单元的VC1端与模拟光电隔离单元的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的正极接到变压器T1的电压输出侧，其负极串联电感L1，电容C2与二极管D1负极连接，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的连接点连接到模拟光电隔离单元的Vin端，二极管D5的负极接负载LED+，其正极接通断三极管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，通断三极管Q2的源极接地GND2，Hall电流感应电路CHB-1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，另一端接到稳流控制单元的IS-O端，第三驱动开关电源VCC3经过电阻R12、R13串联分压后接到稳流控制单元的IS-O*端，脉宽调制光调节单元的脉宽调制端与稳流控制单元的脉宽调制端相连接，稳流控制单元中U6的集电极连接到通断三极管Q2的栅极。

所述稳流电源输出单元包括Hall电流感应电路CHB-25NP/SP5、通断三极管Q1、负载D4、储能电感L3、肖特基二极管D5组成，电感L3和肖特基二极管D5是在通断三极管Q1关断期间起到续流的作用。Hall电流感应电路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稳流控制单元中，同时实现输出电流和控制电路隔离。

所述独立循环控制单元包括线性比例积分调节电路、N1/N2倍放大电路(N1/N2为变压器电压输入侧电压输出侧匝数比)、相加电路、初始化电路、比较电路、RS触发电路，其中线性比例积分调节电路、N1/N2倍放大电路、相加电路均由放大器及其外围电路组成，初始化电路由放大器、复位开关及外围电路和组成，比较电路由比较器组成，RS触发电路由复位置位触发器和时钟脉冲发生器组成。独立循环控制单元通过电阻分压从驱动开关电源单元得到参考电压信号。如图3所示，独立循环控制单元的电压参照端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引脚接复位置位触发器的RN端，复位置位触发器的SN端接时钟脉冲信号，复位置位触发器的QN端接到复位开关S1的复位端，复位置位触发器的Q端连接到通断三极管Q1的栅极。独立循环控制单元与开关转换单元的电流采样电阻相连接，对开关转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。独立循环控制单元通过模拟光电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。独立循环控制单元控制开关转换单元，可以有效抑制输入畸变，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，根据期望电压信号得到控制通断三极管Q1通断的信号，在输入电压存在畸变时，能在一个开关周期内使输出电压的平均值等于参考值，抑制输入畸变。

所述独立循环控制单元控制输出电压，电压精度可控制在1％以内，在输入端电压出现畸变的情况下，可以在一个开关周期内使输出电压等于电压参考值，有效抑制输入电压畸变带来的影响。

所述稳流控制单元包括相减电路、线性比例积分调节电路、比例调节电路、比较电路、一个与非门和一个光电隔离电路。其中相减电路、线性比例积分调节电路由放大器及其外围电路组成，比例调节电路由放大器、限幅器及外围电路组成，比较电路由比较器、三角波发生器及外围电路组成。所述稳流控制单元通过电阻分压从驱动开关电源单元得到输出参考电流的大小。稳流控制单元通过稳流电源输出单元的Hall电流感应电路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，稳流控制单元的期望负载电流端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，脉宽调制输入端接到与非门U5的A端，与非门U5的输出端Y通过电阻R44接到光电隔离电路U6的发光二极管负极端，发光二极管的正极端接地GND3，第二驱动开关电源VCC2通过电阻R43接三极管的集电极，集电极输出连接到通断三极管Q2的栅极，发射极接地GND2。

稳流控制单元采用抗饱和控制器，抗饱和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。稳流控制单元采用条件作用技术抗饱和算法，使稳流电源输出单元的电流维持线性连续性，减少超调，提高控制精度，使系统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，EMI滤波单元的交流输入端ACI+经过抗冲击电阻RT1后接到共模扼流圈T2的左上端，交流输入端ACI-经过熔断体F1接到共模扼流圈T1的左下端，压敏电阻R47并联安全电容C15后再并联到共模扼流圈T2的左上端与左下端。共模扼流圈T2的右上端和右下端并联安全电容C16后分别连接到交流输出端ACO+和交流输出端ACO-。

所述脉宽调制光调节单元包括555定时器，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，第三驱动开关电源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的负极，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的正极，二极管D13的负极和二极管D14的正极接到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引脚接脉宽调制输出端。

所述模拟光电隔离单元包括线性光电隔离电路HCNR201，输入电阻R50，反馈电阻R48，稳压调整电阻R49，将检测的输出电压经过模拟光电隔离输入到独立循环控制单元的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引脚和光电隔离电路U9的3引脚，放大器U8A的3引脚接地GND2，1引脚通过电阻R49接到光电隔离电路U9的1引脚，光电隔离电路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经过光电隔离电路U9隔离后反馈到独立循环控制单元，使主电路和控制电路有效的隔离。在实际操作中光电隔离电路可同时设计过程中让R50和R48阻值相等，可实现输入输出等大小隔离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种自适应高效LED驱动电源，所述LED驱动电源包括：EMI滤波单元、直流变换单元、开关转换单元、驱动开关电源单元、独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流电源输出单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元；其中，

所述EMI滤波单元、直流变换单元、开关转换单元依次连接，并连接到稳流电源输出单元，开关转换单元的输出端连接驱动开关电源单元，驱动开关电源单元的输出分别连接独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元，模拟光电隔离单元的输出端通过独立循环控制单元连接开关转换单元，脉宽调制光调节单元通过稳流控制单元连接到稳流电源输出单元；交流电经过EMI滤波单元和直流变换单元后输出到开关转换单元，模拟光电隔离单元将检测的输出电压通过模拟光电隔离输入到独立循环控制单元，驱动开关电源单元分别给独立循环控制单元、模拟光电隔离单元、稳流控制单元、脉宽调制光调节单元供电，独立循环控制单元控制开关转换单元输出期望电压，稳流控制单元控制稳流电源输出单元输出期望电流，脉宽调制光调节单元通过稳流控制单元对所述LED进行调光操作。

2.一种如权利要求1所述的驱动电源，输入交流220V电压通过EMI滤波后接入所述直流变换单元，所述直流变换单元由直流变换桥D2、二极管D3、电感L2、电容C4、C5组成。

3.一种如权利要求2所述的驱动电源，所述直流变换桥D2输出连接到二极管D3通过电感L2连接到吸收电路，电容C4、C5一端分别接到电感L2的左右端，另一端接地GND1，吸收电路由电阻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，吸收电路再并联到变压器T1电压输入侧的两端，二极管D6的正极再与通断三极管Q1相连，通断三极管Q1的另一端接电阻R10，电阻R10另一端接地GND1。

4.一种如权利要求3所述的驱动电源，所述驱动开关电源单元分为3个子单元，分别为第一驱动开关电源VCC1、第二驱动开关电源VCC2、第三驱动开关电源VCC3，二极管D9的正极与二极管D3的负极相连，二极管D9的负极串联电阻R8，齐纳二极管D12与电容C9相并联后再与电阻R8相串联，齐纳二极管D12的负极即为第一驱动开关电源VCC1；二极管D8的正极与二极管D1的负极相连，其负极连接到电阻R7，齐纳二极管D11与电容C8相并联后再与电阻R7相串联，齐纳二极管D11的负极即为VCC2；二极管D7的负极与变压器T1的另一个电压输出侧相连，它的正极与电阻R6相串联，齐纳二极管D10与电容C7相并联后再与电阻R6相串联，齐纳二极管D10的负极即为第三驱动开关电源VCC3。

5.一种如权利要求4所述的驱动电源，所述第一驱动开关电源VCC1经过电阻R9和R11分压后连接到独立循环控制单元的电压参照端，独立循环控制单元中复位置位触发器的Q端与通断三极管Q1的栅极相连，独立循环控制单元的IS-1端与通断三极管Q1的源极相连，独立循环控制单元的VC1端与模拟光电隔离单元的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的正极接到变压器T1的电压输出侧，其负极串联电感L1，电容C2与二极管D1负极连接，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的连接点连接到模拟光电隔离单元的Vin端，二极管D5的负极接负载LED+，其正极接通断三极管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，通断三极管Q2的源极接地GND2，Hall电流感应电路CHB-1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，另一端接到稳流控制单元的IS-O端，第三驱动开关电源VCC3经过电阻R12、R13串联分压后接到稳流控制单元的IS-O*端，脉宽调制光调节单元的脉宽调制端与稳流控制单元的脉宽调制端相连接，稳流控制单元中U6的集电极连接到通断三极管Q2的栅极。