專利名稱：帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式led電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非隔離式LED電源，特別是涉及一種帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源。
背景技術(shù)：
一個完整的LED照明系統(tǒng)由LED燈珠和電源兩部分組成，目前市場上的LED電源主要有兩種結(jié)構(gòu)隔離式和非隔離式。隔離式LED電源又稱為離線式電源，其特點是先將市電輸入的正弦交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后用該直流電壓作為LED電源的輸入電壓，通過反饋控制實現(xiàn)對LED燈珠的 恒流或恒壓驅(qū)動。一個完整的隔離式LED電源包括兩部分一次控制部分和二次控制部分。一次控制部分包括對輸入市電進(jìn)行EMI濾波、橋式整流、電容濾波及開關(guān)控制等。二次控制是利用LC濾波，二極管續(xù)流、光耦合反饋等措施實現(xiàn)驅(qū)動電源的恒流或恒壓輸出。一次控制與二次控制之間通過變壓器的磁耦合以實現(xiàn)驅(qū)動電源與電網(wǎng)的物理隔離，故稱為隔離式電源。隔離式LED電源具有較好的安全性，但因為輸入市電要經(jīng)過較多的轉(zhuǎn)換過程，造成較大的電源內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換損失，使整個電源的效率低下，發(fā)熱嚴(yán)重。另外，隔離式LED電源需要使用大容量電解質(zhì)電容，LED電源的高溫工作環(huán)境使電解質(zhì)揮發(fā)較快，造成電解電容過早失效，從而導(dǎo)致整個LED電源及照明燈具壽命縮短。非隔離式LED電源是一種新型的LED電源驅(qū)動技術(shù)。非隔離式LED電源的設(shè)計思想是，不需要變壓器耦合，而將市電直接加在LED燈珠上，通過開關(guān)電源或線性電源的方式實現(xiàn)對流過LED燈珠的電流進(jìn)行恒流控制。由于電網(wǎng)的輸入電壓較高，為了防止燈珠損壞，一部分電壓需要被轉(zhuǎn)移到電感或超高壓MOSFET上。非隔離式LED電源由于使用市電直接驅(qū)動LED，使得中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)大大減少，因此電源內(nèi)部能量損失減少，電源效率大幅度提高。同時，由于避免了變壓器和光耦器件的使用，電源成本也大幅度降低。另外，由于不需要使用電解質(zhì)電容，電源的壽命得到較大延長。為了進(jìn)一步減少電網(wǎng)的無功損耗以及對電網(wǎng)的諧波干擾，非隔離式LED電源通常都要內(nèi)置功率因數(shù)校正(以下簡稱PFC)功能。參照圖3,文獻(xiàn)“AN-9744 Smart LED Lamp Driver IC with PFC Function”，F(xiàn)airchild Semiconductor Corporation, Rev. I. 0. 0, 2011 年 11 月”公開了一種帶 PFC 功能的非隔離式LED電源。該電源方案中，PFC功能是基于數(shù)字電路實現(xiàn)的。這種帶PFC功能的非隔離式LED電源包括橋式整流器、電感、LED燈珠、續(xù)流二極管、超高壓M0SFET、電流檢測電阻和控制電路。電感與LED串聯(lián)后與續(xù)流二極管并聯(lián)；橋式整流器直接與市電相接，將市電的正弦輸入進(jìn)行整流后輸出給所述電感、LED燈珠與續(xù)流二極管組成的電路；超高壓MOSFET與電流檢測電阻串聯(lián)，并與電感、LED燈珠與續(xù)流二極管組成的電路相連；控制電路控制超高壓MOSFET的柵極，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式實現(xiàn)對流過LED電流的控制。為了實現(xiàn)PFC功能，一個零點檢測(ZCD)電路用來檢測半正弦波的零點，獲得的零點信息被送給一個正弦產(chǎn)生模塊(Sine Generator)來產(chǎn)生正弦數(shù)字信號，所生成的正弦數(shù)字信號經(jīng)數(shù)-模變換(DAC)后產(chǎn)生半正弦基準(zhǔn)電壓，然后將半正弦基準(zhǔn)電壓與電流檢測電阻的電壓進(jìn)行比較，并通過SR型觸發(fā)器與振蕩器所輸出的同步信號進(jìn)行擬合，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)式的超高壓MOSFET的柵極控制信號。文獻(xiàn)I公開的PFC功能實現(xiàn)方法存在如下缺點1) PFC實現(xiàn)電路復(fù)雜。為了實現(xiàn)PFC,需要零點檢測電路、正弦信號產(chǎn)生模塊(內(nèi)嵌一個數(shù)字DSP算法)、數(shù)-模變換電路等。由于PFC實現(xiàn)電路完成了“模擬-數(shù)字信號處理-模擬”的轉(zhuǎn)換，需要大量高精度的電路實現(xiàn)，這使得系統(tǒng)的成本增加。而且LED電源長時間工作在高溫環(huán)境中，高精度電路受溫度影響較大，容易較早失效，影響LED燈具的使用壽命。2)由于PFC實現(xiàn)電路經(jīng)過的處理電路較多，系統(tǒng)的響應(yīng)延時會比較大，很難對外部電網(wǎng)的瞬間波動作出快速實時響應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，如當(dāng)電網(wǎng)頻率從IOOHz突變到45Hz時，大約需要6個半正弦周期才能實現(xiàn)穩(wěn)定的PFC功能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源對電網(wǎng)的瞬間波動響 應(yīng)慢的不足，本發(fā)明提供一種帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源。該電源采用兩個串聯(lián)分壓電阻產(chǎn)生半正弦基準(zhǔn)電壓，結(jié)構(gòu)簡單，可以提高電路的可靠性，特別適合于高溫環(huán)境下的LED電源使用；在實現(xiàn)按正弦方式變化的PWM控制時，中間控制電路僅由電壓比較器、與門和驅(qū)動電路組成，電路對于電網(wǎng)電壓的瞬間變化響應(yīng)速度快，驅(qū)動電流波形實時跟隨電網(wǎng)電壓波形。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源，包括橋式整流器I、電感10、LED燈珠9、續(xù)流二極管11、超高壓M0SFET8、電流檢測電阻7和控制電路，所述電感10與LED燈珠9串聯(lián)后與續(xù)流二極管11并聯(lián)，橋式整流器I將市電的正弦輸入進(jìn)行整流后輸出給所述電感10、LED燈珠9與續(xù)流二極管11組成的電路；超高壓M0SFET8與電流檢測電阻7串聯(lián)，并與電感10、LED燈珠9與續(xù)流二極管11組成的電路相連，其特點是所述控制電路由串聯(lián)分壓電阻2、電壓比較器3、SR觸發(fā)器4、振蕩電路5、與門6、采樣開關(guān)12和驅(qū)動電路13組成；橋式整流器I輸出端串聯(lián)分壓電阻2，用比例分壓方式產(chǎn)生一個半正弦的基準(zhǔn)電壓送電壓比較器3，采樣開關(guān)12通過電流檢測電阻7將與驅(qū)動電流線性相關(guān)的反饋電壓送電壓比較器3 ;反饋電壓與半正弦的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸出到SR型觸發(fā)器4的復(fù)位端，SR型觸發(fā)器4的置位端由振蕩電路5生成的周期性脈沖信號控制；SR型觸發(fā)器4輸出和振蕩電路5輸出的周期信號通過與門6輸出給驅(qū)動電路13，用來驅(qū)動超高壓M0SFET8的開關(guān)。在每個周期開始，由振蕩電路5輸出的周期性脈沖信號置位SR型觸發(fā)器4，閉合超高壓M0SFET8，此時電流流過電流檢測電阻7，被轉(zhuǎn)化成電壓，并與此時采樣到的半正弦基準(zhǔn)電壓比較，大于半正弦基準(zhǔn)電壓時，電壓比較器3輸出復(fù)位SR型觸發(fā)器4，關(guān)閉超高壓M0SFET8。本發(fā)明的有益效果是由于僅用兩個串聯(lián)分壓電阻就能產(chǎn)生半正弦基準(zhǔn)電壓，結(jié)構(gòu)簡單，提高了電路的可靠性，特別適合于高溫環(huán)境下的LED電源使用；在實現(xiàn)按正弦方式變化的PWM控制時，中間控制電路僅由電壓比較器、與門和驅(qū)動電路組成，電路對于電網(wǎng)電壓的瞬間變化響應(yīng)速度快，驅(qū)動電流波形實時跟隨電網(wǎng)電壓波形。當(dāng)電網(wǎng)頻率從IOOHz突變到45Hz時，背景技術(shù)需要6個半正弦周期才能響應(yīng)該變化，而本發(fā)明實現(xiàn)了實時跟蹤，SP實現(xiàn)零響應(yīng)時間的調(diào)整。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖I是本發(fā)明帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源電路圖。圖2是圖I電路各節(jié)點信號的波形圖。圖3是背景技術(shù)帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源電路圖。I-橋式整流器，2-串聯(lián)分壓電阻，3-電壓比較器，4-SR型觸發(fā)器，5_振蕩電路，6-與門，7-電流檢測電阻，8-超高壓MOSFET，9-LED燈珠，10-電感，11-續(xù)流二極管，12-采樣開關(guān)，13-驅(qū)動電路。
具體實施方式

參照圖I、圖2，本發(fā)明帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源，包括橋式整流器
I、電感10、LED燈珠9、續(xù)流二極管11、超高壓M0SFET8、電流檢測電阻7和控制電路，所述電感10與LED燈珠9串聯(lián)后與續(xù)流二極管11并聯(lián)，橋式整流器I將市電的正弦輸入進(jìn)行整流后輸出給所述電感10、LED燈珠9與續(xù)流二極管11組成的電路；超高壓M0SFET8與電流檢測電阻7串聯(lián)，并與電感10、LED燈珠9與續(xù)流二極管11組成的電路相連，所述控制電路由串聯(lián)分壓電阻2、電壓比較器3、SR型觸發(fā)器4、振蕩電路5、與門6、采樣開關(guān)12和驅(qū)動電路13組成?？刂齐娐吩跇蚴秸髌鱅輸出端通過串聯(lián)分壓電阻2用比例分壓方式產(chǎn)生一個半正弦的基準(zhǔn)電壓送電壓比較器3，同時通過采樣開關(guān)12從電流檢測電阻7引入與驅(qū)動電流線性相關(guān)的反饋電壓到電壓比較器3 ;反饋電壓與半正弦的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸出給SR型觸發(fā)器4的復(fù)位端，SR型觸發(fā)器4的置位端由一個振蕩電路5生成的周期性脈沖信號控制；SR型觸發(fā)器4輸出和振蕩電路5輸出的周期信號通過與門6輸出給驅(qū)動電路13，用來驅(qū)動超高壓M0SFET8的開關(guān)。在每個周期開始，由振蕩電路5輸出的周期性脈沖信號置位SR型觸發(fā)器4，閉合超高壓M0SFET8，此時電流流過電流檢測電阻7，被轉(zhuǎn)化成電壓，并與此時采樣到的半正弦基準(zhǔn)電壓比較，大于半正弦基準(zhǔn)電壓時，電壓比較器3輸出復(fù)位SR型觸發(fā)器4，關(guān)閉超高壓M0SFET8。220V交流市電經(jīng)橋式整流器I被整形成半正弦波形，利用串聯(lián)分壓電阻2，將橋式整流器I輸出的高壓半正弦波形按照線性比例縮小成具有同樣波形特征的低壓半正弦波形，該低壓半正弦波形是生成正弦式PWM的基準(zhǔn)電壓。流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續(xù)流二極管11的電流，通過電流檢測電阻7被轉(zhuǎn)化成電壓并進(jìn)行采樣，由于電流檢測電阻 的線性特性，采樣電壓與流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續(xù)流二極管11的電流是線性相關(guān)的。與驅(qū)動電流線性相關(guān)的采樣電壓和低壓半正弦基準(zhǔn)電壓通過電壓比較器3進(jìn)行比較，若采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓，說明流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續(xù)流二極管11的驅(qū)動電流大于當(dāng)前周期正弦采樣點的電壓，此時將PWM脈沖復(fù)位到“0”，并關(guān)斷超高壓MOSFET 8 ;相反，若采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓，說明流過超高壓M0SFET8、電感10、LED燈珠9和續(xù)流二極管11的驅(qū)動電流小于當(dāng)前周期正弦采樣點的電壓，此時PWM脈沖變?yōu)椤?”，并閉合超高壓MOSFET 8。由于電感10對電流的抑制作用會隨時間的延長而逐步衰減，回路電流隨超高壓MOSFET 8閉合的時間延長而增大，與電流正相關(guān)的采樣電壓在有限時間內(nèi)會最終超過當(dāng)前周期正弦基準(zhǔn)電壓，使電壓比較器3復(fù)位PWM脈沖，并打開超高壓MOSFET 8。電壓比較器3的輸出用來復(fù)位PWM脈沖，振蕩電路5的輸出脈沖信號共有三個CLK是占空比為I :1的信號，該信號的狀態(tài)為“O”時PWM信號將強制與門6復(fù)位，狀態(tài)為“I”時對PWM信號不產(chǎn)生影響；Spuse是周期性脈沖信號，它在每個周期的開始設(shè)置PWM脈沖為“ I”，當(dāng)CLK信號為狀態(tài)“ I”時，由電壓比較器3復(fù)位PWM脈沖，否則PWM脈沖由CLK信號強制復(fù)位。Sclk信號是反饋電壓采樣信號，由于在每次超高壓M0SFET8閉合時，會產(chǎn)生一個較大的尖峰電流，該尖峰電流經(jīng)電流檢測電阻7轉(zhuǎn)化成電壓后會引發(fā)電壓比較器3的誤動作，進(jìn)而影響到PWM波形的產(chǎn)生，故采用Sclk信號控制采樣開關(guān)12來推后采樣時間，避免采樣開關(guān)12毛刺的影響。由圖2 (A)可以看出，串聯(lián)分壓電阻2所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓是電網(wǎng)輸出電壓波形的按比例縮小，是半正弦式的，電壓比較器3強制使得電流檢測電阻上的電壓不超過該基準(zhǔn)電壓，圖2 (B)和2 (C)分別為時鐘信號和PWM脈沖信號，流過電流檢測電阻的電流具有圖 2(D)所示的形狀。在超高壓MOSFET 8打開時，回路被切斷，此時續(xù)流二極管11、電感10和LED燈珠9三個器件形成一個續(xù)流回路，消耗電感10上所存儲的能量，最終使整個LED驅(qū)動電路的電流波形如圖2 (E)所示，該電流波形具有與輸入電網(wǎng)電壓相似的波形特征，從而最終實現(xiàn)PFC功能。
權(quán)利要求
1.一種帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源，包括橋式整流器(I)、電感(10)、LED燈珠(9 )、續(xù)流二極管(11 )、超高壓MOSFET (8 )、電流檢測電阻(7 )和控制電路，所述電感(10 )與LED燈珠(9 )串聯(lián)后與續(xù)流二極管(11)并聯(lián)，橋式整流器(I)將正弦輸入進(jìn)行整流后輸出給所述電感(10)、LED燈珠(9)與續(xù)流二極管(11)組成的電路；超高壓MOSFET (8)與電流檢測電阻(7)串聯(lián)，并與電感(10)、LED燈珠(9)與續(xù)流二極管(11)組成的電路相連，其特征在于所述控制電路由串聯(lián)分壓電阻(2)、電壓比較器(3)、SR觸發(fā)器(4)、振蕩電路(5)、與門(6)、采樣開關(guān)(12)和驅(qū)動電路(13)組成；橋式整流器(I)輸出端串聯(lián)分壓電阻(2)，用比例分壓方式產(chǎn)生一個半正弦的基準(zhǔn)電壓送電壓比較器(3)，采樣開關(guān)(12)通過電流檢測電阻(7)將與驅(qū)動電流線性相 關(guān)的反饋電壓送電壓比較器(3);反饋電壓與半正弦的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸出到SR型觸發(fā)器(4)的復(fù)位端，SR型觸發(fā)器(4)的置位端由振蕩電路(5 )生成的周期性脈沖信號控制；SR型觸發(fā)器(4 )輸出和振蕩電路(5 )輸出的周期信號通過與門(6)輸出給驅(qū)動電路(13)，用來驅(qū)動超高壓MOSFET (8)的開關(guān)；在每個周期開始，由振蕩電路(5)輸出的周期性脈沖信號置位SR型觸發(fā)器(4)，閉合超高壓MOSFET(8)，此時電流流過電流檢測電阻(7)，被轉(zhuǎn)化成電壓，并與此時采樣到的半正弦基準(zhǔn)電壓比較，大于半正弦基準(zhǔn)電壓時，電壓比較器(3)輸出復(fù)位SR型觸發(fā)器(4)，關(guān)閉超高壓MOSFET(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源，用于解決現(xiàn)有的帶功率因數(shù)校正功能的非隔離式LED電源對電網(wǎng)的瞬間波動響應(yīng)慢的技術(shù)問題。技術(shù)方案是電源的控制電路由串聯(lián)分壓電阻(2)、電壓比較器(3)、SR觸發(fā)器(4)、振蕩電路(5)、與門(6)、采樣開關(guān)(12)和驅(qū)動電路(13)組成。由于僅用兩個串聯(lián)分壓電阻產(chǎn)生半正弦基準(zhǔn)電壓，結(jié)構(gòu)簡單；在實現(xiàn)按正弦方式變化的PWM控制時，中間控制電路僅由電壓比較器、與門和驅(qū)動電路組成，電路對于電網(wǎng)電壓的瞬間變化響應(yīng)速度快，驅(qū)動電流波形實時跟隨電網(wǎng)電壓波形。當(dāng)電網(wǎng)頻率從100Hz突變到45Hz時，背景技術(shù)需要6個半正弦周期才能響應(yīng)該變化，而本發(fā)明實現(xiàn)了實時跟蹤，即實現(xiàn)零響應(yīng)時間的調(diào)整。
文檔編號H02M7/217GK102740568SQ201210240979
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者李博, 陳奇萌, 魏廷存, 魏曉敏 申請人:西北工業(yè)大學(xué)