CN104619076B - 一种无电解电容交错并联反激led驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电解电容交错并联反激LED驱动电源，其电路拓扑包括交流输入、EMI滤波、电容C_IN、两路并联的单级反激变换器、两个功率解耦电路、整流二极管D5，D6、输出电容C、采样电阻R和LED负载，在交错并联反激变换器的输入端加上两个功率解耦电路，平衡瞬时输入输出功率，使得所需的输出滤波电容容量大大减小，可以有效地去除交错并联反激LED驱动电源中的电解电容，从而减小了整个驱动电源的体积，延长其使用寿命，提高了系统的稳定性。

Description

一种无电解电容交错并联反激LED驱动电源

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，具体涉及一种交错并联反激变换器和其功率解耦电路，适用于开关电源尤其是LED驱动电源。

背景技术

随着制造材料和制造工艺的迅速发展，LED在景观照明、建筑装饰、电子产品背光等领域已经得到了广泛应用。然而在普通照明以及路灯照明等领域，LED的应用还没有的到大规模的推广，其瓶颈主要在于：一是LED发热量大，温升高，导致寿命缩短；二是驱动电源中的电解电容制约了驱动电源的寿命，导致LED照明系统的寿命进一步缩短。LED的寿命一般在80000-100000小时，电解电容的寿命一般为10000小时，而现在许多LED驱动电源采用电解电容作为储能元件，这将造成LED驱动电源寿命缩短，同时也表明了去除LED驱动电源中电解电容的必要性。

目前，很多去除电解电容的方法已经被应用在LED驱动电源设计中。许多研究表明，通过对电路拓扑进行改进或者使用新的控制方法，可实现LED驱动电源的无电解电容化，延长LED的使用寿命。虽然方法很多且各不相同，但都是对现有控制方法或功率电路进行改进，其思想大致可以分两类；一是保留原来的拓扑，对控制方法进行改进；二是构造新的电路拓扑。构造新的电路拓扑有三种方法，分别为用电感代替电容进行储能；在现有电路拓扑中加入辅助电路；功率解耦电路。

交错并联反激变换器能够有效减小开关管的电流应力，增大反激变换器的功率等级，同时输入、输出电流纹波明显减小，EMI设计简单，电源功率密度高。但交错并联反激式LED驱动电源仍需要电解电容作为储能元件，这将严重制约LED驱动电源的寿命。

发明内容

本发明是针对交错并联反激LED驱动电源中存在电解电容，影响驱动电源寿命的问题，提出一种无电解电容的交错并联反激LED驱动电源。在交错并联反激变换器的输入端加上功率解耦电路，从而达到了去电解电容的目的，延长了LED驱动电源的使用寿命。

本发明采用了如下的技术方案：在交错并联反激LED驱动电源主电路的输入端增加两个功率解耦电路，用于平衡瞬时输入输出功率并减小输出滤波电容的容量。

进一步，所述的无电解电容交错并联反激LED驱动电源，其主电路结构包括交流输入、EMI滤波、电容C_IN、两个功率解耦电路、整流二极管D5，D6、输出电容C、采样电阻R和LED负载。

进一步，所述两路并联的单级反激变换器，第一路单级反激变换器包括变压器T1的初级绕组Np1、次级绕组Ns、开关管Q1；第二路反激变换器包括变压器T2的初级绕组Np1’、次级绕组Ns’、开关管Q2。交流市电输入经过EMI滤波连接由二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥后输出正极分别连接电容的一端、变压器T1、T2的初级绕组Np1一端，变压器T1初级绕组Np1的另一端连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源级连接电容的另一端并连接整流桥的输出负极；变压器T1次级绕组Ns的一端连接输出整流二极管D5的正级，输出二极管D5的负极与输出整流二极管D6的负极、输出电容的一端以及LED负载的一段相连，变压器T1次级绕组Np1’的另一端与输出电容的另一端、采样电阻R的一端以及输出地端相连，采样电阻R的另一端与LED负载的另一端连接；变压器T2初级绕组Np1’的另一端连接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源级连接整流桥输出负极；变压器T2次级绕组Ns’的一端连接输出整流二极管D6的正级，变压器T2次级绕组Ns’的另一端连接输出地端。

进一步，所述两个功率解耦电路，Np2是变压器T1初级侧的附加绕组，C_a是有大电压波动的储能电容，Q3是解耦电路的开关，D7是整流二极管，D9是防止反向电流流向Q3的阻断二极管，Q5是变压器T1次级侧的开关。Np2’是变压器T2的初级侧的附加绕组，C_b是有大电压波动的储能电容，Q4是解耦电路的开关，D8是整流二极管，D10是防止反向电流流向Q4的阻断二极管，Q6是变压器T2次级侧的开关。变压器T1初级侧的附加绕组Np2的一端连接至二极管D9的负极，二极管D9的正极连接至开关Q3的一端，开关Q3的另一端分别与二极管D7的负极、储能电容Ca的一端相连，储能电容C_a的另一端和整流桥的V_in端相连，二极管D7的正极则连接至变压器T1初级绕组Np1的一端，开关Q5则连接在变压器T1次级侧；变压器T2初级侧的附加绕组Np2’的一端连接至二极管D10的负极，二极管D10的正极连接至开关Q4的一端，开关Q4的另一端分别与二极管D8的负极、储能电容C_b的一端相连，储能电容C_b的另一端和整流桥的V_in端相连，二极管D8的正极则连接至变压器T2初级绕组Np1’的一端，开关Q6则连接在变压器T2次级侧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可以平衡瞬时输入输出功率，使得所需的电容容量大大减小，可以使用小容量、长寿命的薄膜电容代替电解电容，从而去除交错并联反激LED驱动电源中的电解电容，减小了整个驱动电源的体积，延长其使用寿命，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明无电解电容交错并联反激变换器拓扑结构图；

图2为本发明无电解电容交错并联反激变换器在P_in<P_o时开关管驱动信号；

图3为本发明无电解电容交错并联反激变换器在P_in>P_o时开关管驱动信号；

图4为本发明无电解电容交错并联反激变换器在P_in>P_o时的等效电路，其中：

(a)t₀～t₁阶段等效电路图；

(b)t₁～t₂阶段等效电路图；

(c)t₂～t₃阶段等效电路图；

(d)t₃～t₄阶段等效电路图；

图5为本发明无电解电容交错并联反激变换器在P_in>P_o时的等效电路，其中：

(a)t₀～t₁阶段等效电路图；

(b)t₁～t₂阶段等效电路图；

(c)t₂～t₃阶段等效电路图；

(d)t₃～t₄阶段等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1为本发明无电解电容交错并联反激变换器结构原理图。

一种无电解电容交错并联反激LED驱动电源，其主电路结构如图1所示，包括交流输入、EMI滤波、电容C_IN、两路并联的单级反激变换器、两个功率解耦电路、整流二极管D5，D6、输出电容C、采样电阻R和LED负载。

其中，第一路单级反激变换器包括变压器T1的初级绕组Np1、次级绕组Ns，开关管Q1；第二路反激变换器包括变压器T2的初级绕组Np1’、次级绕组Ns’，开关管Q2。交流市电输入经过EMI滤波连接由二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥后输出正极分别连接电容的一端、变压器T1、T2的初级绕组Np1一端，变压器T1初级绕组Np1的另一端连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源级连接电容的另一端并连接整流桥的输出负极；变压器T1次级绕组Ns的一端连接输出整流二极管D5的正级，输出二极管D5的负极与输出整流二极管D6的负极、输出电容的一端以及LED负载的一段相连，变压器T1次级绕组Np1’的另一端与输出电容的另一端、采样电阻R的一端以及输出地端相连，采样电阻R的另一端与LED负载的另一端连接；变压器T2初级绕组Np1’的另一端连接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源级连接整流桥输出负极；变压器T2次级绕组Ns’的一端连接输出整流二极管D6的正级，变压器T2次级绕组Ns’的另一端连接输出地端。

两个功率解耦电路，Np2是变压器T1初级侧的附加绕组，C_a是有大电压波动的储能电容，Q3是解耦电路的开关，D7是整流二极管，D9是防止反向电流流向Q3的阻断二极管，Q5是变压器T1次级侧的开关。Np2’是变压器T2的初级侧的附加绕组，C_b是有大电压波动的储能电容，Q4是解耦电路的开关，D8是整流二极管，D10是防止反向电流流向Q4的阻断二极管，Q6是变压器T2次级侧的开关。

由于本发明是用来平衡输入输出功率的，所以其主要工作状态分为两部分：一是输入功率小于输出功率，即P_in<P_o；二是输入功率大于输出功率，即P_in>P_o；每个部分各有四个工作模态，先介绍P_in<P_o时的四个工作过程。

1.P_in<P_o：驱动信号参见图2；

[t₀～t₁]参见图4(a)，在t₀～t₁时间段内，Q1，Q4开关管导通，反激变压器T1的Np1绕组储能能量。这里可以注意到Q5、Q6虽然一直处于导通状态，但并没有电流流过，因为此时P_in<P_o，次级绕组是消极的。此时电容C_b通过Q4、D10开始释放能量，给变压器T2的附加绕组Np2’储存能量，C_b在这里起到了补充能量的作用，此时LED负载由C_OUT供能。

[t₁～t₂]参见图4(b)，在t₁时刻，Q4开关管关断，此时反激变压器T2储能完毕；在t₁～t₂时间段，原边能量转移到副边，开始给LED负载供能；反激变压器T1的原边继续储能。

[t₂～t₃]参见图4(c)，在t₂时刻，开关管Q1关断，此时由于P_in<P_o，虽然Q5一直处于导通状态，但没有电流流过Q5。在t₂～t₃时间段内，Q3开关管导通，储能电容C_a开始释放能量，通过Q3、D9给附加绕组Np2储能能量。同时Q2导通，反激变压器T2的Np1’绕组开始储存能量，LED负载由C_OUT供能。

[t₃～t₄]参见图4(d)，在t₃时刻，开关管Q3关断，反激变压器T1储能完毕；在t₃～t₄时间段内，原边能量传递到副边，开始给LED负载供能；同时反激变压器T2继续储能。

2.P_in>P_o：驱动信号参见图3；

[t₀～t₁]参见图5(a)，在t₀时刻，开关管Q1、Q6导通，反激变压器T1的原边Np1绕组开始储存能量；在t₀～t₁时间段内，由于P_in>P_o，储存在反激变压器T2中的能量从原边转移到副边，给LED负载供能。

[t₁～t₂]参见图5(b)，在t₁时刻开关管Q6关断，在Q6关断以后，储存在变压器中多余的能量通过初级绕组Np1‘和D8储存到C_b中，C_b此时起到了储存多余能量的作用。同时反激变压器T1的原边继续储能能量，LED负载由C_OUT供能。

[t₂～t₃]参见图5(c)，在t₂时刻开关管Q1关断，Q2导通，此时本反激变压器T2的原边Np2’绕组开始储存能量。由于开关管Q5导通，储存在反激变压器T1中的能量从原边传递到副边，给LED负载提供能量。

[t₃～t₄]参见图5(d)，在t₃时刻开关管Q5关断，此时反激变压器T1能量传递完毕，储存在T1中的多余的能量通过初级绕组Np1和D7储存到C_a中，此时C_a起到了储存多余能量的作用。同时反激变压器T2的原边继续储存能量，LED负载由C_OUT供能。

本发明在交错并联反激LED驱动电源的基础上，加入两个功率解耦电路，平衡瞬时输入输出功率，使得所需的电容容量大大减小，可以有效地去除交错并联反激LED驱动电源中的电解电容，从而减小了整个驱动电源的体积，延长其使用寿命，提高了系统的稳定性。

Claims (2)

1.一种无电解电容交错并联反激LED驱动电源，其特征在于，在交错并联反激LED驱动电源主电路的输入端增加两个功率解耦电路，用于平衡瞬时输入输出功率并减小输出滤波电容的容量；

所述交错并联反激LED驱动电源主电路包括交流输入、EMI滤波、电容C_IN、两路并联的单级反激变换器、整流二极管D5和D6、输出电容C、采样电阻R和LED负载；

所述两路并联的单级反激变换器，第一路单级反激变换器包括变压器T1的初级绕组Np1、次级绕组Ns、开关管Q1；第二路反激变换器包括变压器T2的初级绕组Np1’、次级绕组Ns’、开关管Q2；交流市电输入经过EMI滤波连接由二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥后输出正极分别连接电容的一端、变压器T1的初级绕组Np1和变压器T2的初级绕组Np1’一端，变压器T1初级绕组Np1的另一端连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接电容的另一端并连接整流桥的输出负极；变压器T1次级绕组Ns的一端连接输出整流二极管D5的正极，输出二极管D5的负极与输出整流二极管D6的负极、输出电容的一端以及LED负载的一段相连，变压器T1次级绕组Ns的另一端与输出电容的另一端、采样电阻R的一端以及输出地端相连，采样电阻R的另一端与LED负载的另一端连接；变压器T2初级绕组Np1’的另一端连接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源极连接整流桥输出负极；变压器T2次级绕组Ns’的一端连接输出整流二极管D6的正极，变压器T2次级绕组Ns’的另一端连接输出地端。

2.根据权利要求1所述的无电解电容交错并联反激LED驱动电源，其特征在于，所述两个功率解耦电路中的Np2是变压器T1初级侧的附加绕组，C_a是有大电压波动的储能电容，Q3是解耦电路的开关，D7是整流二极管，D9是防止反向电流流向Q3的阻断二极管，Q5是变压器T1次级侧的开关；Np2’是变压器T2的初级侧的附加绕组，C_b是有大电压波动的储能电容，Q4是解耦电路的开关，D8是整流二极管，D10是防止反向电流流向Q4的阻断二极管，Q6是变压器T2次级侧的开关；

变压器T1初级侧的附加绕组Np2的一端连接至二极管D9的负极，二极管D9的正极连接至开关Q3的一端，开关Q3的另一端分别与二极管D7的负极、储能电容C_a的一端相连，储能电容C_a的另一端和整流桥的V_in端相连，二极管D7的正极则连接至变压器T1初级绕组Np1的一端，开关Q5则连接在变压器T1次级侧；

变压器T2初级侧的附加绕组Np2’的一端连接至二极管D10的负极，二极管D10的正 极连接至开关Q4的一端，开关Q4的另一端分别与二极管D8的负极、储能电容C_b的一端相连，储能电容C_b的另一端和整流桥的V_in端相连，二极管D8的正极则连接至变压器T2初级绕组Np1’的一端，开关Q6则连接在变压器T2次级侧。