用于恒流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于恒流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，包括變壓器、功率開(kāi)關(guān)、第一控制電路、第二控制電路、電流采樣電阻、電流開(kāi)關(guān)和信號(hào)反饋路徑。變壓器具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)，次級(jí)側(cè)連接有輸出負(fù)載，功率開(kāi)關(guān)與初級(jí)側(cè)串聯(lián)。第一控制電路輸入直流電壓和第二脈寬調(diào)制信號(hào)，輸出第一脈寬調(diào)制信號(hào)至功率開(kāi)關(guān)，并進(jìn)行功率因數(shù)校正。電流采樣電阻連接輸出負(fù)載并形成采樣電壓。電流開(kāi)關(guān)連接輸出負(fù)載以對(duì)其電流進(jìn)行斬波。第二控制電路輸入次級(jí)側(cè)的電壓和采樣電壓，并輸出第二脈寬調(diào)制信號(hào)至電流開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)和去工頻紋波。信號(hào)反饋路徑連接第一控制電路和第二控制電路，將第二脈寬調(diào)制信號(hào)輸入第一控制電路，通過(guò)控制從初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)的能量而限制輸出電壓的波動(dòng)范圍。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
用于恒流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要涉及開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，尤其涉及一種用于恒流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著有機(jī)發(fā)光二極管(LED)照明應(yīng)用的發(fā)展，近年來(lái)各國(guó)相繼發(fā)布了與LED照明相 關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)。最具代表性的是基于美國(guó)的能源之星計(jì)劃在2009年發(fā)布的《整體式LED燈能 源之星認(rèn)證》最終版。值得關(guān)注的是，在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)LED燈的功率因數(shù)提出了專(zhuān)門(mén)的規(guī)定。 按照該標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于功率大于5W的LED燈，功率因數(shù)(PF)要大于70%。因此，提高LED燈的功率 因數(shù)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保是普遍的趨勢(shì)。
[0003] 為了達(dá)到較高的功率因數(shù)，傳統(tǒng)的做法是在LED的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)前面增加一級(jí)無(wú)源 或有源功率因數(shù)校正(PFC)電路。無(wú)源功率因數(shù)校正(PPFC)通常使用填谷電路，而有源功率 因數(shù)校正(APFC)通常使用升壓(Boost)電路實(shí)現(xiàn)。圖1示例了已知的用于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電 源系統(tǒng)，這是一個(gè)由有源功率因數(shù)校正(APFC)電路120和反激式(flyback)開(kāi)關(guān)電源LED恒 流驅(qū)動(dòng)級(jí)130構(gòu)成的兩級(jí)LED驅(qū)動(dòng)電路。有源功率因數(shù)校正電路(APFCH20進(jìn)一步由一個(gè)升 壓功率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)功率因數(shù)控制器122構(gòu)成。
[0004] 如圖1所示，交流(AC)輸入電壓首先通過(guò)輸入整流器110,形成"M"型的輸入整流電 壓，作為APFC電路120的輸入。同時(shí)輸入整流電壓經(jīng)由電阻R1，R2分壓后，被PFC控制器122的 ACI引腳采樣。升壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)由電阻R4，R5分壓后被PFC控制器122的VFB弓| 腳采樣。由VFB引腳采樣的信號(hào)與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的內(nèi)部參考電壓相減形成誤差信號(hào)。這個(gè)誤 差信號(hào)經(jīng)PFC控制器122內(nèi)部的運(yùn)算放大器放大后形成反饋電壓控制信號(hào)。這個(gè)反饋電壓控 制信號(hào)進(jìn)一步與由ACI引腳采到的全波整流后的"M"型電壓相乘。由于這個(gè)反饋電壓控制信 號(hào)近似直流，所以這個(gè)乘積與全波整流后的輸入電壓同相位，且波形相同。以這個(gè)相乘后的 電壓作為控制PFC電感電流的閾值電壓(如圖2所示）。當(dāng)電感電流在電流采樣電阻Rsp上形 成的采樣電壓大于這個(gè)閾值，則關(guān)斷PFC的功率開(kāi)關(guān)M2。
[0005] 基于上述控制方式可以得到如圖2所示的升壓功率因數(shù)校正器的電感電流波形， 以及整流后的平均電流波形。這個(gè)波形和整流后的"M"型電壓的波形和相位相同，因此由交 流輸入端看進(jìn)去的電壓、電流相位相同且同為正弦波。所以，通過(guò)功率因數(shù)校正(PFC)電路 可以消除波形畸變和相位差，從而達(dá)到改善功率因數(shù)的目標(biāo)。
[0006] 上述兩級(jí)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以減小波形畸變、改善功率因數(shù)，而且輸出電流 沒(méi)有工頻紋波。但是上述構(gòu)架也有明顯的不足之處。首先，由于增加了一級(jí)額外的PFC校正 電路120,使整個(gè)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的元器件數(shù)量和系統(tǒng)成本大為增加，轉(zhuǎn)換效率有所下降；其 次，隨著近年來(lái)智能LED照明的增加，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源提出了可調(diào)制輸出電流的要求，這對(duì)于 兩級(jí)結(jié)構(gòu)也是比較難以實(shí)現(xiàn)的。這兩點(diǎn)缺點(diǎn)使這種兩級(jí)構(gòu)架在LED照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中受到一 定的限制。
[0007] 因此，期望提出一種改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低諧波、輸出無(wú) 工頻紋波，又能實(shí)現(xiàn)電流或電壓可調(diào)制且功率因數(shù)不受輸出功率影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于恒流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，可以在實(shí)現(xiàn) 高功率因數(shù)和負(fù)載無(wú)工頻紋波的前提下，具有簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。
[0009] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，包括變壓 器、功率開(kāi)關(guān)、第一控制電路、第二控制電路，電流采樣電阻、電流開(kāi)關(guān)以及信號(hào)反饋路徑。 變壓器具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)，該次級(jí)側(cè)連接有輸出負(fù)載。功率開(kāi)關(guān)與該初級(jí)側(cè)串聯(lián)，并控制 該初級(jí)側(cè)的導(dǎo)通及關(guān)斷以控制由該初級(jí)側(cè)傳遞到該次級(jí)側(cè)的能量。第一控制電路位于該變 壓器的初級(jí)側(cè)，該第一控制電路輸入直流電壓和第二脈寬調(diào)制信號(hào)，且根據(jù)該第二脈寬調(diào) 制信號(hào)輸出第一脈寬調(diào)制信號(hào)至該功率開(kāi)關(guān)以控制該功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中該第一 控制電路具有充電節(jié)點(diǎn)，該充電節(jié)點(diǎn)連接環(huán)路補(bǔ)償電容，其中該功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與該 環(huán)路補(bǔ)償電容的電壓呈單調(diào)遞增關(guān)系，且由該環(huán)路補(bǔ)償電容所決定的環(huán)路帶寬遠(yuǎn)小于交流 電的工頻頻率。電流采樣電阻連接該輸出負(fù)載以檢測(cè)該輸出負(fù)載的電流并形成采樣電壓。 電流開(kāi)關(guān)連接該輸出負(fù)載以對(duì)該輸出負(fù)載的電流進(jìn)行斬波。第二控制電路，位于該變壓器 的次級(jí)側(cè)，該第二控制電路輸入該次級(jí)側(cè)的電壓和該采樣電壓，并根據(jù)該采樣電壓輸出該 第二脈寬調(diào)制信號(hào)至該電流開(kāi)關(guān)以控制該電流開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中該輸出負(fù)載的電流 越大，該電流開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間越短。信號(hào)反饋路徑連接該第一控制電路和該第二控制電路， 該信號(hào)反饋路徑將該第二脈寬調(diào)制信號(hào)傳遞到該初級(jí)側(cè)并且輸入該第一控制電路，形成一 個(gè)閉合的電壓控制環(huán)路，通過(guò)控制從該初級(jí)側(cè)傳遞到該次級(jí)側(cè)負(fù)載的能量而限制輸出電壓 的波動(dòng)范圍。
[0010] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該第一控制電路包括開(kāi)關(guān)電流積分器和PWM信號(hào)發(fā)生器， 該開(kāi)關(guān)電流積分器接收該第二脈寬調(diào)制信號(hào)，并在該第二脈寬調(diào)制信號(hào)的控制下產(chǎn)生充電 積分電流或放電積分電流，該積分電流通過(guò)該充電節(jié)點(diǎn)對(duì)該環(huán)路補(bǔ)償電容充電，并在該環(huán) 路補(bǔ)償電容上形成積分電壓，該積分電壓控制該P(yáng)WM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生該第一脈寬調(diào)制信號(hào) 并輸出至該功率開(kāi)關(guān)，其中該積分電壓和該第一脈寬調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度成單調(diào)遞增關(guān) 系。
[0011] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該第一控制電路還包括PWM驅(qū)動(dòng)器，連接在該P(yáng)WM信號(hào)發(fā) 生器和該功率開(kāi)關(guān)之間。
[0012] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該第二控制電路包括鋸齒波發(fā)生器、放大器、比較器以及 參考電壓發(fā)生器，該比較器的輸出端連接該電流開(kāi)關(guān)，該電流開(kāi)關(guān)連接于該輸出負(fù)載與電 流采樣電阻之間，該電流采樣電阻的采樣節(jié)點(diǎn)連接該放大器的第一輸入端，該放大器的第 二輸入端連接由該參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生的參考電壓信號(hào)，該放大器輸出電壓信號(hào)至該比較 器的第一輸入端，該比較器的第二輸入端連接該鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)，該鋸齒 波信號(hào)和該放大器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)該比較器的比較產(chǎn)生該第二脈寬調(diào)制信號(hào)。
[0013] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)還包括濾波器，連接在該采樣節(jié)點(diǎn) 和該放大器的第一輸入端之間。
[0014] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該第二控制電路還包括PWM驅(qū)動(dòng)器，連接在該比較器和該 電流開(kāi)關(guān)之間。
[0015] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)還包括電流調(diào)制器，連接該第二控 制電路，該電流調(diào)制器輸出幅度可調(diào)的電壓信號(hào)，并在第二控制電路處與該采樣電壓相加。
[0016] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該信號(hào)反饋路徑上設(shè)有信號(hào)反饋電路。
[0017] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該信號(hào)反饋電路為高速光親器、電容器或信號(hào)變壓器。
[0018] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該變壓器為隔離式變壓器或非隔離式變壓器。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)在具有高功率因數(shù)低諧波、負(fù)載無(wú)工頻 紋波的特征的前提下，具有更簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是已知的用于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的原理圖。
[0021] 圖2是圖1所示有源功率因數(shù)校正器的電感電流波形。
[0022] 圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的用于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的電路原理圖。
[0023 ]圖4示例了本發(fā)明實(shí)施例的控制波形圖。
[0024]圖5示例了本發(fā)明實(shí)施例的第一控制電路的原理圖。
[0025] 圖6示例了本發(fā)明實(shí)施例的第一控制電路中的PWM發(fā)生器的原理圖。
[0026] 圖7示例了本發(fā)明實(shí)施例的第一控制電路的控制波形圖。
[0027]圖8示例了本發(fā)明實(shí)施例的第二控制電路的原理圖。
[0028] 圖9示例了本發(fā)明實(shí)施例的輸出電流控制的波形圖。
[0029] 圖10示例了本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)反饋電路的原理圖。
[0030]圖11是本發(fā)明另一實(shí)施例的用于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具 體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。
[0032] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以 采用其它不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限 制。
[0033] 本發(fā)明的實(shí)施例描述開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)，其具有高功率因數(shù)，負(fù)載無(wú)工頻紋波以 及負(fù)載電流或電壓可調(diào)制的特征。本發(fā)明的實(shí)施例提供了不同于傳統(tǒng)模式的電源控制電 路。僅僅作為示例，本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用于開(kāi)關(guān)模式的電源系統(tǒng)，然而需要認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明 具有更廣泛的應(yīng)用性。
[0034] 如上所述，傳統(tǒng)模式的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、負(fù)載無(wú)工頻紋波需要 采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。而且，在同一設(shè)計(jì)中很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、負(fù)載無(wú)工頻紋波、負(fù)載電流 或電壓可調(diào)制等功能，即使實(shí)現(xiàn)了輸出電流可調(diào)制也無(wú)法保證調(diào)制過(guò)程中仍然保持高功率 因數(shù)和無(wú)工頻紋波。
[0035] 圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的用于恒流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的原理圖。本實(shí)施例的開(kāi) 關(guān)電源系統(tǒng)可用于驅(qū)動(dòng)LED，然而可以理解，此開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)還可以延伸到其它恒流驅(qū)動(dòng)應(yīng) 用。參考圖3所示，本實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)主要包含整流電路310、第一控制電路320、第二 控制電路330、信號(hào)反饋電路340、電流調(diào)制器350和功率變壓器TX。開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)還包括CBB 電容C1、環(huán)路補(bǔ)償電容Cc、功率開(kāi)關(guān)M1、供電二極管D1、初級(jí)側(cè)啟動(dòng)電阻R1、初級(jí)側(cè)供電電容 C2、次級(jí)整流二極管D2、次級(jí)側(cè)啟動(dòng)電阻R6、次級(jí)側(cè)供電電容C7、輸出濾波電容C3、電流開(kāi)關(guān) M2、高頻紋波濾波電容C4、限流電阻R3、電流采樣電阻Rs、濾波電阻R4，R5以及濾波電容C6等 周邊部件?？梢岳斫?，這些周邊部件可以根據(jù)需要連接，因此對(duì)它們的增加、修改和替換在 本發(fā)明的實(shí)施范圍內(nèi)。
[0036]整流電路310可以將交流電壓整流為直流電壓。整流電路310是以二極管組成的橋 式整流器為例。
[0037] 第一控制電路320具有正電源端VCC和負(fù)電源端VSS、脈沖信號(hào)端⑶、補(bǔ)償端Comp以 及反饋端FB。正電源端VCC連接在初級(jí)側(cè)啟動(dòng)電阻R1和初級(jí)側(cè)供電電容C2之間。負(fù)電源端 VSS連接初級(jí)側(cè)的地。脈沖信號(hào)端GD連接功率開(kāi)關(guān)Ml的控制端。補(bǔ)償端Comp連接環(huán)路補(bǔ)償電 容Cc。反饋端FB連接信號(hào)反饋電路340。
[0038] 第二控制電路330具有電源端VCC2、接地端GND、脈沖信號(hào)端GD2以及電流感應(yīng)端 CS。電源端VCC2連接在次級(jí)側(cè)啟動(dòng)電阻R6和次級(jí)側(cè)供電電容C7之間。接地端GND連接次級(jí)側(cè) 的地。脈沖信號(hào)端GD2連接電流開(kāi)關(guān)M2的控制端。電流感應(yīng)端CS連接在濾波電阻R4和濾波電 容C6之間。
[0039] 如圖3所示，本實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的工作方式是：當(dāng)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)接通交流電 源后，整流電壓￥^通過(guò)電阻R1給電容C2充電，作為第一控制電路320的直流供電電壓。當(dāng)直 流供電電壓達(dá)到第一控制電路320的開(kāi)啟閾值時(shí)，第一控制電路320開(kāi)始工作。此時(shí)第一控 制電路320產(chǎn)生第一脈寬調(diào)制信號(hào)V GD1，且通過(guò)⑶端輸出第一脈寬調(diào)制信號(hào)VGD1，控制功率開(kāi) 關(guān)Ml的導(dǎo)通及關(guān)斷。同時(shí)第一控制電路320的Comp端作為充電節(jié)點(diǎn)輸出一個(gè)電流對(duì)環(huán)路補(bǔ) 償電容Cc充電。環(huán)路補(bǔ)償電容Cc上的電壓Vc和第一脈寬調(diào)制信號(hào)V GD1的導(dǎo)通時(shí)間Τ〇η(當(dāng)?shù)谝?脈寬調(diào)制信號(hào)為高，功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通)和關(guān)斷時(shí)間Toff(當(dāng)?shù)谝幻}寬調(diào)制信號(hào)為低，功率開(kāi)關(guān)關(guān) 斷)具有唯一的相關(guān)性，且是單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系，即：
[0040] T〇n = fi(Vc) (1)
[0041] T〇ff = f2(Vc) (2)
[0042] 當(dāng)系統(tǒng)剛接通交流電源時(shí)，電壓Vc為0，Toff為最長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，Tcm為最短導(dǎo)通時(shí)間； 隨著電壓Vc升高，Toff逐漸縮短，并最終達(dá)到一個(gè)固定的最短Toff時(shí)間；而導(dǎo)通時(shí)間Τ〇 η會(huì)隨著 V。的升高逐漸變長(zhǎng)。這一變化趨勢(shì)如圖7所示，單位時(shí)間內(nèi)從變壓器TX的初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí) 側(cè)的能量和功率開(kāi)關(guān)Ml的導(dǎo)通時(shí)間Tem符合單調(diào)遞增關(guān)系，而和功率開(kāi)關(guān)Ml的關(guān)斷時(shí)間Toff 符合單調(diào)遞減關(guān)系。結(jié)合以上兩點(diǎn)，由變壓器TX的初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)的功率和環(huán)路補(bǔ)償 電容Cc上的電壓Vc符合單調(diào)遞增關(guān)系。隨著電壓Vc升高，變壓器TX的次級(jí)側(cè)輸出電壓Vo隨 之升高，第二控制電路330的連接供電電容C7的電源端VCC2的電壓V CC2也隨之升高。當(dāng)電壓 Vcc2達(dá)到第二控制電路330的開(kāi)啟閾值時(shí)，第二控制電路330進(jìn)入工作模式。第二控制電路 330的功能是:根據(jù)流過(guò)LED負(fù)載(這里把LED負(fù)載和與之并聯(lián)的高頻紋波濾波電容C4統(tǒng)稱(chēng)為 輸出負(fù)載，該電容C4起的作用是濾除高頻開(kāi)關(guān)紋波，由于流過(guò)電容的平均電流為0,所以輸 出負(fù)載的平均電流等于LED負(fù)載的平均電流)的電流I LED的大小產(chǎn)生第二脈寬調(diào)制信號(hào)VCD2 控制電流開(kāi)關(guān)M2的導(dǎo)通及關(guān)斷。電流ILED越大則導(dǎo)通時(shí)間越短，電流ILED越小則導(dǎo)通時(shí)間越 長(zhǎng)。輸出電壓Vo施加在由限流電阻R3、LED負(fù)載、電流開(kāi)關(guān)M2及電流采樣電阻Rs串聯(lián)而成的 回路上，所以流過(guò)LED負(fù)載的電流I LED和Vo成單調(diào)遞增關(guān)系。當(dāng)Vo達(dá)到LED的導(dǎo)通閾值，LED導(dǎo) 通，電流Iled通過(guò)電流開(kāi)關(guān)Ml及電流采樣電阻Rs，并在電流采樣電阻Rs上形成LED電流的采 樣電壓。在電流開(kāi)關(guān)M2導(dǎo)通期間，流過(guò)LED負(fù)載電流ILED可以表示為：
[0043] Iled = Vrs/Rs (3)
[0044] 其中，VRS是電流采樣電阻Rs上的導(dǎo)通壓降。在電阻R5開(kāi)路的情況下，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng) 不具備調(diào)光功能，此時(shí)電壓Vrs經(jīng)過(guò)電阻R4和電容C6組成的RC濾波器形成電壓V CS，電壓Vcs是 Vrs的直流分量(平均電壓），所以其也代表了流過(guò)LED的平均電流。如圖8所示，當(dāng)Vcs達(dá)到了 第二控制電路330的內(nèi)部放大器830的參考電壓V ref，第二控制電路的GD2端開(kāi)始輸出脈沖斬 波信號(hào)，即第二脈寬調(diào)制信號(hào)VGD2。由第二控制電路330、電流開(kāi)關(guān)M2,電流采樣電阻Rs、RC濾 波電路(R4，C 6)共同構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋電流控制環(huán)路，且其具有較高的環(huán)路增益。該負(fù)反饋 回路的工作方式為：當(dāng)Vo電壓越高，電流開(kāi)關(guān)M2導(dǎo)通時(shí)的LED電流越大，因此V RS電壓越高，從 而使電壓Vcs越高。通過(guò)第二控制電路330的控制，進(jìn)而使GD2端輸出的脈沖斬波信號(hào)VCD2的 占空比減小，從而降低了LED的平均電流;反之亦然。最終，電壓Vcs被上述負(fù)反饋電流控制 環(huán)路限定等于參考電壓Vref，所以L(fǎng)ED的平均輸出電流被限定為：
[0045]
(4)
[0046]如圖3所示，第二控制電路的GD2端的脈沖斬波信號(hào)VGD2通過(guò)信號(hào)反饋電路340傳遞 到變壓器TX的初級(jí)側(cè)，并輸入第一控制電路320的FB端，該信號(hào)也稱(chēng)之為次級(jí)反饋信號(hào)FB。 次級(jí)反饋信號(hào)FB是一個(gè)脈沖信號(hào)，其頻率和占空比與V GD2信號(hào)相同。如圖5所示，當(dāng)信號(hào)FB信 號(hào)為高電平時(shí)，第一控制電路330中的脈沖積分器530控制上拉電流1@給環(huán)路補(bǔ)償電容Cc充 電；當(dāng)信號(hào)FB為低電平時(shí)，第一控制電路330中的脈沖積分器530控制下拉電流Id_給環(huán)路 補(bǔ)償電容Cc放電。在一個(gè)FB信號(hào)周期內(nèi)，環(huán)路補(bǔ)償電容Cc上電壓的變化量為：
[0047]
(5)
[0048]其中，AVc表示一個(gè)FB信號(hào)周期內(nèi)，環(huán)路補(bǔ)償電容Cc上電壓的變化量。1"表示開(kāi)關(guān) 電流積分器上拉電流開(kāi)關(guān)MP的導(dǎo)通時(shí)間，即次級(jí)反饋信號(hào)FB在一個(gè)周期內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí) 間，也等于第二脈寬調(diào)制信號(hào)為高電平的時(shí)間；表示開(kāi)關(guān)電流積分器下拉電流開(kāi)關(guān)MN的 導(dǎo)通時(shí)間，即次級(jí)反饋信號(hào)FB在一個(gè)周期內(nèi)低電平的持續(xù)時(shí)間，也等于第二脈寬調(diào)制信號(hào) 為低電平的時(shí)間。C表示環(huán)路濾波電容Cc的電容值，1@和Id_表示脈沖積分器530的上拉及 下拉電流。當(dāng)Ιιιρ · ?〇η>?Μ · tL，積分電流給電容Cc充電，電容電壓Vc升高;反之亦然。假設(shè) IUP = Id。?，當(dāng)次級(jí)側(cè)的輸出電壓Vo比較高時(shí)，導(dǎo)致信號(hào)FB的占空比小于50 %，即tc>n〈toff，則 會(huì)導(dǎo)致環(huán)路濾波電容Cc的電壓Vc變低，從而從初級(jí)側(cè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)的功率減小，并逐漸導(dǎo) 致電壓Vo下降且第二脈寬調(diào)制信號(hào)V GD2的占空比下降，并趨于50%;反之亦然。
[0049] 綜上所述，由第一控制電路320、變壓器TX、第二控制電路330以及信號(hào)反饋電路 340形成了一個(gè)電壓負(fù)反饋控制環(huán)路。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，第二脈寬調(diào)制信號(hào)及次級(jí)反饋信 號(hào)的占空比被限定在50%，從而使輸出電壓V。也被限定在一個(gè)穩(wěn)定的值。
[0050] 另一方面，圖3所示例的系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，所以輸入電容C1是容值很小的 CBB電容，因此經(jīng)過(guò)整流后的輸入電壓Vin波形是如圖4所示的"M"型電壓。在一個(gè)工頻周期 內(nèi)，只有初級(jí)側(cè)功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間保持恒定，才可以實(shí)現(xiàn)使輸入電流的包絡(luò)形狀符合輸 入電壓的包絡(luò)形狀，從而達(dá)到高功率因數(shù)。而如前所述，功率開(kāi)關(guān)Ml的導(dǎo)通時(shí)間和環(huán)路濾波 電容Cc的電壓Vc呈單調(diào)遞增關(guān)系，因此，希望在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，環(huán)路濾波電容Cc上的電壓 盡量保持恒定(工頻紋波盡可能?。?。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要把環(huán)路濾波電容Cc的電容值 取得足夠大，使環(huán)路帶寬遠(yuǎn)小于交流電的工頻頻率。
[0051]圖4示例了本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的控制波形。圖4(a)是整流 后的輸入電壓Vin的波形，其呈現(xiàn)"M"型；圖4(b)是流過(guò)變壓器初級(jí)側(cè)的電流Ipre的波形，以 及平均輸入電流Iavg的波形，該電流波形和輸入電壓波形具有相同的"M"型，且相位相同， 所以該電源系統(tǒng)具有高功率因數(shù)的特征；圖4(c)示例了變壓器次級(jí)側(cè)繞組的電流Isec的波 形，可見(jiàn)其包絡(luò)也是"M"型;所以如圖4(d)所示的輸出電壓也具有"M"型的工頻紋波。圖4(d) 也示出了輸出電流1〇的波形，及其平均電流Iavg2的波形，以及第二控制電路330輸出的第 二脈寬調(diào)制信號(hào)V CD2的波形。從圖中可見(jiàn)，電流Ιο是一個(gè)被電流開(kāi)關(guān)斬波的電流波形，其包 絡(luò)也包含一個(gè)"Μ"型的工頻紋波，但是其在每個(gè)周期的平均電流Iavg2是一個(gè)恒定的直流電 流。
[0052]由此，上述實(shí)施例利用PWM和PFM反饋配置實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)、負(fù)載無(wú)工頻紋波。并 且，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)只具有一級(jí)結(jié)構(gòu)。
[0053]下面詳細(xì)描述圖3所示開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的各部分的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
[0054]圖5是本發(fā)明的第一控制電路的一個(gè)實(shí)施例。參考圖5所示，第一控制電路320可包 括供電模塊510、參考電流發(fā)生器520、脈沖積分器530、PWM發(fā)生器540以及PWM驅(qū)動(dòng)器550。脈 沖積分器530可進(jìn)一步包括上拉電阻Rpu、反相器Inv、PM0S開(kāi)關(guān)MP和匪0S開(kāi)關(guān)MN、以及電流 源Iup和Idown，它們的連接關(guān)系如圖所示。當(dāng)?shù)谝豢刂齐娐?20的FB端輸入信號(hào)為高電平 時(shí)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器Inv，PM0S開(kāi)關(guān)MP的柵極被拉低，從而PM0S開(kāi)關(guān)MP被導(dǎo)通，電流源 Iup的電流Iup通過(guò)Comp端對(duì)環(huán)路補(bǔ)償電容Cc充電；當(dāng)FB端輸入信號(hào)為低電平時(shí)，匪0S開(kāi)關(guān) 被導(dǎo)通，電流源Idown的電流Idown通過(guò)Comp端對(duì)環(huán)路補(bǔ)償電容Cc放電；環(huán)路補(bǔ)償電容Cc 上的電壓Vc控制P麗發(fā)生器540，P麗發(fā)生器540輸出的P麗控制信號(hào)的脈沖寬度及頻率和Vc 具有唯一的相關(guān)性，且是單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系。此PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)器550輸出并控制 變壓器TX初級(jí)側(cè)的功率開(kāi)關(guān)Ml。
[0055] 圖6是第一控制電路中PWM發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例。參考圖6所示，PWM發(fā)生器540包括 電壓電流變換器610、第一定時(shí)器620、第二定時(shí)器630、RS觸發(fā)器640以及反相器650。電壓Vc 輸入電壓電流變換器610,產(chǎn)生兩個(gè)電流II，12。這兩個(gè)電流II，12與電壓Vc呈單調(diào)遞增關(guān) 系，即電壓越高，電流II，12越大。電流II輸入第一定時(shí)器620用來(lái)產(chǎn)生RS觸發(fā)器630的重置 (reset)信號(hào)；電流12輸入第二定時(shí)器并產(chǎn)生RS觸發(fā)器640的設(shè)置（set)信號(hào)。第一定時(shí)器 620控制PWM信號(hào)的脈沖寬度，第二定時(shí)器630控制PWM信號(hào)的頻率。
[0056] 圖7示例了第一控制電路320的工作波形，由圖中可見(jiàn)，隨著電壓Vc的升高，PWM信 號(hào)的頻率逐漸升高，脈沖寬度也逐漸增大。
[0057]圖8示例了第二控制電路的一個(gè)實(shí)施例。參考圖8所示，第二控制電路330包括電源 發(fā)生器810、參考電壓發(fā)生器820、放大器830、比較器840、鋸齒波發(fā)生器850以及PWM驅(qū)動(dòng)器 860。當(dāng)次級(jí)側(cè)輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻Rs采樣，并經(jīng)過(guò)RC濾波后經(jīng)CS端輸入第二控制電路 330的放大器830的一個(gè)輸入端(+端）。放大器830的另一個(gè)輸入端(_端)接參考電壓發(fā)生器 820產(chǎn)生的參考電壓Vref，放大器830的輸出信號(hào)Vea被輸入比較器840的一個(gè)輸入端(_端），比 較器840的另一個(gè)輸入端(+端)接受來(lái)自鋸齒波發(fā)生器850產(chǎn)生的信號(hào)Vsaw。比較器840產(chǎn)生 一個(gè)脈沖信號(hào)PWM2，該信號(hào)PWM2經(jīng)過(guò)P麗驅(qū)動(dòng)器860放大后，由GD2端輸出，并控制電流開(kāi)關(guān) M2。當(dāng)CS端輸入的信號(hào)大于參考電壓Vref時(shí)，放大器830的輸出電壓VEA升高，PWM信號(hào)的脈沖 寬度減小;反之亦然。因此，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后，電流采樣電阻Rs上的電流采樣信號(hào)VRS經(jīng)過(guò) 濾波器濾波后的電壓值V CS被限定在參考電壓Vrrf，即每個(gè)電流斬波周期的平均采樣電壓1^ 等于Vref。％和輸出電流的平均值(等于LED電流的平均值成正比。這樣，第二控制電 路330和電流開(kāi)關(guān)M2、RC濾波器(R4，C6)以及電流采樣電阻Rs構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋電流控制回 路，起到了對(duì)輸出電流進(jìn)行恒流控制并消除了次級(jí)側(cè)輸出電流的工頻紋波的作用。
[0058]圖9示例了第二控制電路的波形圖。由圖中可見(jiàn)，由于開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)具有高功率因 數(shù)，所以開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的輸出電壓Vo包含工頻紋波，輸出電流Ιο的包絡(luò)也包含工頻紋波。當(dāng) 輸出電壓Vo較低時(shí)，第二脈寬調(diào)制信號(hào)V CD2的脈寬長(zhǎng)；當(dāng)輸出電壓Vo較高時(shí)，第二脈寬調(diào)制 信號(hào)VCD2的脈寬更短。因此由第二脈寬調(diào)制信號(hào)V CD2所控制的輸出電流也呈現(xiàn)出相同的特 性，即電流低時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)；電流高時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間短。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的 平均輸出電流I avg 2維持恒定，從而消除了工頻紋波。
[0059]圖10示例了信號(hào)反饋電路的實(shí)施例。其中，圖10(a)采用電容進(jìn)行信號(hào)反饋；圖10 (b)采用變壓器進(jìn)行信號(hào)反饋；圖10(d)采用光耦進(jìn)行信號(hào)反饋。圖10(d)，圖10(e)和圖10 (f)分別示出它們對(duì)應(yīng)的波形。這些實(shí)例共同的特點(diǎn)是:輸出信號(hào)FB的占空比和頻率與輸入 信號(hào)V GD2的占空比和頻率完全相同。
[0060] 回到圖3所示，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)還可包括電流調(diào)制器350，它可以輸出幅度可控的一 個(gè)直流電壓信號(hào)或脈沖信號(hào)Vdim。該信號(hào)VDffl和電流米樣電阻RS上的電壓信號(hào)Vrs的濾波結(jié)果 相加后輸入第二控制電路330的CS端。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于V CS被限定在第二控 制電路330的內(nèi)部參考電壓Vrrf，所以VDIm的直流分量越高，Vrs的直流分量就越低，LED的電流 也越低，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。
[0061] 公式(6)示意了脈沖調(diào)光模式下的平均輸出電流：
[0062]
[0063] 上式中，Iavg2表示平均輸出電流，Vref表示次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部參考電壓，D表示 脈沖調(diào)制信號(hào)的占空比，VDIM表示脈沖調(diào)制信號(hào)的高電平的電位，Rs是電流采樣電阻，R4是 電流采樣電阻和第二控制電路330的CS端之間的電阻，R5是電流調(diào)制器350輸出端和第二控 制電路330的CS端之間的電阻。由上式可見(jiàn)，當(dāng)D或V DIm越大，輸出電流越小。
[0064]圖11示例了變壓器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)共地的實(shí)施例。由于初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)共地，不 再需要通過(guò)信號(hào)反饋電路340把次級(jí)側(cè)的信號(hào)VCD2傳遞到初級(jí)側(cè)，而是可以直接把次級(jí)側(cè)的 信號(hào)V CD2連接到第一控制電路的FB輸入端。整個(gè)系統(tǒng)的工作方式與圖3所示的實(shí)施例完全相 同。
[0065]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第一控制電路320、第二控制電路330和信號(hào)反饋 電路340可分別為一芯片。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述的第一控制電路320、第二控制電 路330和信號(hào)反饋電路340可集成到同一芯片中。
[0066]本發(fā)明上述實(shí)施例所描述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)低諧波，負(fù)載無(wú)工 頻紋波，負(fù)載電壓電流可調(diào)制，調(diào)制過(guò)程中仍然保持高功率因數(shù)等特征簡(jiǎn)化在一個(gè)系統(tǒng)中， 為推動(dòng)高性?xún)r(jià)比的智能電源提供了好的解決方案。
[0067]雖然本發(fā)明已參照當(dāng)前的具體實(shí)施例來(lái)描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，在沒(méi)有脫離本發(fā)明精神的情況下還可作 出各種等效的變化或替換，因此，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)對(duì)上述實(shí)施例的變化、變 型都將落在本申請(qǐng)的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，包括： 變壓器，具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)，該次級(jí)側(cè)連接有輸出負(fù)載； 功率開(kāi)關(guān)，與該初級(jí)側(cè)串聯(lián)，并控制該初級(jí)側(cè)的導(dǎo)通及關(guān)斷以控制由該初級(jí)側(cè)傳遞到 該次級(jí)側(cè)的能量； 第一控制電路，位于該變壓器的初級(jí)側(cè)，該第一控制電路輸入直流電壓和第二脈寬調(diào) 制信號(hào)，且根據(jù)該第二脈寬調(diào)制信號(hào)輸出第一脈寬調(diào)制信號(hào)至該功率開(kāi)關(guān)以控制該功率開(kāi) 關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中該第一控制電路具有充電節(jié)點(diǎn)，該充電節(jié)點(diǎn)連接環(huán)路補(bǔ)償電容，其中 該功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與該環(huán)路補(bǔ)償電容的電壓呈單調(diào)遞增關(guān)系，且由該環(huán)路補(bǔ)償電容所 決定的環(huán)路帶寬遠(yuǎn)小于交流電的工頻頻率； 電流采樣電阻，連接該輸出負(fù)載以檢測(cè)該輸出負(fù)載的電流并形成采樣電壓； 電流開(kāi)關(guān)，連接該輸出負(fù)載以對(duì)該輸出負(fù)載的電流進(jìn)行斬波； 第二控制電路，位于該變壓器的次級(jí)側(cè)，該第二控制電路輸入該次級(jí)側(cè)的電壓和該采 樣電壓，并根據(jù)該該采樣電壓輸出該第二脈寬調(diào)制信號(hào)至該電流開(kāi)關(guān)以控制該電流開(kāi)關(guān)的 導(dǎo)通和關(guān)斷，其中該輸出負(fù)載的電流越大，該電流開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間越短； 信號(hào)反饋路徑，連接該第一控制電路和該第二控制電路，該信號(hào)反饋路徑將該第二脈 寬調(diào)制信號(hào)傳遞到該初級(jí)側(cè)并且輸入該第一控制電路，形成一個(gè)閉合的電壓控制環(huán)路，通 過(guò)控制從該初級(jí)側(cè)傳遞到該次級(jí)側(cè)負(fù)載的能量而限制輸出電壓的波動(dòng)范圍。2. 如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該第一控制電路包括開(kāi)關(guān)電流積分 器和PWM信號(hào)發(fā)生器，該開(kāi)關(guān)電流積分器接收該第二脈寬調(diào)制信號(hào)，并在該第二脈寬調(diào)制信 號(hào)的控制下產(chǎn)生充電積分電流或放電積分電流，該積分電流通過(guò)該充電節(jié)點(diǎn)對(duì)該環(huán)路補(bǔ)償 電容充電，并在該環(huán)路補(bǔ)償電容上形成積分電壓，該積分電壓控制該P(yáng)WM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生該 第一脈寬調(diào)制信號(hào)并輸出至該功率開(kāi)關(guān)，其中該積分電壓和該第一脈寬調(diào)制信號(hào)的脈沖寬 度成單調(diào)遞增關(guān)系。3. 如權(quán)利要求2所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該第一控制電路還包括PWM驅(qū)動(dòng)器， 連接在該P(yáng)WM信號(hào)發(fā)生器和該功率開(kāi)關(guān)之間。4. 如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該第二控制電路包括鋸齒波發(fā)生 器、放大器、比較器以及參考電壓發(fā)生器，該比較器的輸出端連接該電流開(kāi)關(guān)，該電流開(kāi)關(guān) 連接于該輸出負(fù)載與電流采樣電阻之間，該電流采樣電阻的采樣節(jié)點(diǎn)連接該放大器的第一 輸入端，該放大器的第二輸入端連接由該參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生的參考電壓信號(hào)，該放大器 輸出電壓信號(hào)至該比較器的第一輸入端，該比較器的第二輸入端連接該鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生 的鋸齒波信號(hào)，該鋸齒波信號(hào)和該放大器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)該比較器的比較產(chǎn)生該第二 脈寬調(diào)制信號(hào)。5. 如權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，還包括濾波器，連接在該采樣節(jié)點(diǎn) 和該放大器的第一輸入端之間。6. 如權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該第二控制電路還包括PWM驅(qū)動(dòng)器， 連接在該比較器和該電流開(kāi)關(guān)之間。7. 如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，還包括電流調(diào)制器，連接該第二控 制電路，該電流調(diào)制器輸出幅度可調(diào)的電壓信號(hào)并在第二控制電路處與該采樣電壓相加。8. 如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)反饋路徑上設(shè)有信號(hào)反饋電 路。9. 如權(quán)利要求8所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)反饋電路為高速光耦器、電 容器或信號(hào)變壓器。10. 如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，其特征在于，該變壓器為隔離式變壓器或非隔 離式變壓器。
【文檔編號(hào)】H02M1/42GK105991053SQ201610334242
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日
【發(fā)明人】朱臻, 朱良飛, 李振華
【申請(qǐng)人】上海萊獅半導(dǎo)體科技有限公司