專利名稱：一種高功率因數(shù)的ac-dc led驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動器。更具體地說，本發(fā)明涉 及-一種適用于LED應(yīng)用的AC-DC高功率因數(shù)電路(例如升壓變換器(Boost)) 的快速電流控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于LED允許流過較大的紋波電流，因此為提高效率和簡化電路，傳統(tǒng)的單 級功率因數(shù)校正電路可直接作為LED的驅(qū)動電源。
傳統(tǒng)的Boost功率因數(shù)校正電路，在獲得高功率因數(shù)的同時，犧牲了環(huán)路響 應(yīng)速度，在應(yīng)用于LED驅(qū)動電源時，造成電源輸出有較大的紋波電流以及在電網(wǎng) 和負載動態(tài)時對負載電流的響應(yīng)速度太慢。紋波電流較大對LED燈來說是可以接 受的，但環(huán)路響應(yīng)速度慢易造成LED因過流而損壞。
對于功率因數(shù)校正電路最常用的升壓(Boost)電路來說，還存在難以實現(xiàn) 短路保護以及輸入電壓峰值高于輸出LED電壓時難以實現(xiàn)過壓保護等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出一種適用于LED應(yīng)用的AC-DC功率因數(shù)校正 電路的雙電流環(huán)控制技術(shù)，可以實現(xiàn)輸出電流的快速控制，同時解決升壓(Boost) 電路的短路保護及過壓保護問題。
解決上述問題采用的技術(shù)方案是一種高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路， 包括整流電路K1、開關(guān)變換電路M1、電流取樣電阻R1、輸出調(diào)整管S1、輸出 電容C2、功率因數(shù)校正控制器Cpl、電流控制電路Ccl、電流控制電路Cc2和 LED負載，其特征在于
所述的整流電路K1的輸入端接交流輸入電壓，輸出端接開關(guān)變換電路M1 的輸入端；所述的開關(guān)變換電路Ml的輸出正端接LED負載正端，開關(guān)變換電路Ml 的輸出負端接電流取樣電阻R1的一端，電流取樣電阻R1的另一端接輸出調(diào)整 管S2的第一極，輸出調(diào)整管S2的第二極接LED負載負端；
所述的功率校正控制器Cpl的輸入端連接到電流控制電路Ccl的輸出端， 其輸出端連接到開關(guān)變換電路M1的輸入端，用來控制開關(guān)變換電路M1的開關(guān) 管，實現(xiàn)電路正常工作狀態(tài)下的功率因數(shù)校正控制和對輸出負載電流的恒定控 制；
所述的電流控制電路Ccl的輸入端連接到電流取樣電阻R1的另一端； 所述的電流控制電路Cc2的輸入端連接到電流取樣電阻Rl的另一端，其輸 出連接到輸出調(diào)整管S2的控制端；在電路動態(tài)異常時快速響應(yīng)，控制輸出調(diào)整 管S2工作在線性導(dǎo)通模式，實現(xiàn)對LED負載的快速限流控制。
本發(fā)明的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，交流輸入電壓經(jīng)過整流后， 連接到丌關(guān)變換電路M1。功率因數(shù)校正控制器Cpl輸出用來控制開關(guān)變換電路 Ml的開關(guān)管，實現(xiàn)功率因數(shù)校正控制。當(dāng)輸入及負載LED穩(wěn)定及正常狀態(tài)下， 輸出調(diào)整管S2工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)；通過采樣電阻R1的負載電流取樣信號，經(jīng) 過電流控制電路Ccl調(diào)節(jié)對功率因數(shù)校正控制器Ml進行控制，可以實現(xiàn)對輸出負 載LED電流的恒定控制,此時電流控制電路Cc2開路不起作用。為滿足高功率因數(shù) 的要求，電流控制電路l的環(huán)路速度較慢。當(dāng)負載動態(tài)(過流、短路、跳變等) 或輸入動態(tài)及異常(起機、過壓、跳變等)，電流控制電路Ccl不能快速調(diào)節(jié)電流 時，通過采樣電阻R1的負載電流取樣信號，經(jīng)過快速電流控制電路Cc2調(diào)節(jié)后控 制輸出調(diào)整管S2工作在線性狀態(tài)，可以實現(xiàn)快速的輸出負載限流控制，防止LED 負載或電源損壞。電流控制電路Cc2的控制速度設(shè)計成遠大于電流控制電路Ccl; 其限流點高于電流控制電路l。由于輸出電容C2可以連接在輸出調(diào)整管的輸出 端，在電源啟動時，可實現(xiàn)輸入軟啟動，有效抑制輸入沖擊電流。 與傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1. 在實現(xiàn)高功率因數(shù)控制的同時解決了對輸出負載電流的快速控制。
2. 可以解決升壓電路(Boost)電路的過壓及短路保護。
3. 方便實現(xiàn)驅(qū)動器的軟啟動，抑制輸入沖擊電流。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 圖l本發(fā)明的電路實現(xiàn)框圖一。 圖2本發(fā)明的電路實現(xiàn)框圖二。
圖3本發(fā)明應(yīng)用升壓電路(Boost)作為開關(guān)變換電路以及具體控制電路的 第一種實施方式。
圖4本發(fā)明應(yīng)用升壓電路(Boost)作為開關(guān)變換電路以及具體控制電路的 第二種實施方式。
圖5本發(fā)明應(yīng)用升壓電路(Boost)作為開關(guān)變換電路以及具體控制電路 的第三種實施方式。
具體實施例
圖l本發(fā)明的電路實現(xiàn)框圖一。主電路由交流輸入電壓Vac，整流橋Kl,開 關(guān)變換電路M1，電容C1，輸出調(diào)整管S2，輸出儲能電容C2，電流取樣電路以 及負載LED (可以多個LED燈串并聯(lián))組成。交流輸入電壓(Vac)經(jīng)過Kl整 流后，連接到開關(guān)變換電路Ml,電容C1并聯(lián)到開關(guān)變換電路M1輸出端，電 流取樣電路和輸出調(diào)整管S2串聯(lián)在電容Cl和儲能電容C2之間，LED負載并聯(lián) 連接到儲能電容C2兩端。其中，電容C1是小容量電容，其容量遠小于儲能電 容C2的容量。開關(guān)變換電路M1由功率因數(shù)控制器Cpl控制，通過功率因數(shù)控 制器Cpl控制，開關(guān)變換電路Ml可以實現(xiàn)高功率因數(shù)。
當(dāng)輸入電壓正?；蜇撦d處于穩(wěn)態(tài)時，輸出調(diào)整管S2 —直處于飽和導(dǎo)通狀 態(tài)。電流取樣信號和電流控制電路Ccl設(shè)定的參考信號比較，經(jīng)過電流控制電路 Ccl調(diào)節(jié)后，連接到功率因數(shù)控制器Cpl，從而控制開關(guān)變換電路，實現(xiàn)接近恒 定的輸出負載電流控制。為了實現(xiàn)功率因數(shù)校正電路的高功率因數(shù)，電流控制電 路Ccl的控制速度設(shè)定的較慢，帶寬很低(低于電網(wǎng)頻率)。電流控制電路Cc2 開路不起作用。
當(dāng)輸入動態(tài)及異常(起機、突變、過壓等)或者負載動態(tài)(輸出短路，過 流，突變等)時，電流取樣信號突然增加，和電流控制電路Cc2設(shè)定的參考信號 比較，經(jīng)過電流控制電路Cc2快速調(diào)節(jié)之后，用來控制輸出調(diào)整管S2的導(dǎo)通狀態(tài)，輸出調(diào)整管S2從飽和導(dǎo)通進入到線性調(diào)整模式，兩端電壓升高，負載電壓 (Vo)減小，因此負載電流減小。由于需要對輸入動態(tài)或負載動態(tài)做出快速反應(yīng)， 要求電流控制電路Cc2的控制速度很快，其帶寬遠遠高于電流控制電路Ccl的 帶寬。由于電流控制電路Ccl控制輸出電流提供LED穩(wěn)態(tài)正常工作的電流，而 控制環(huán)Cc2只在動態(tài)時工作，因此控制環(huán)Cc2的限流點大于控制環(huán)Ccl的限流 點。
如圖所示的丌關(guān)變換電路M1的輸出端并聯(lián)一小容量的電容C1，而大容量 的儲能電容C2連接到輸出調(diào)整管S2的輸出端。在電源啟動時，由于電流控制 電路Cc2的快速控制，可控制輸出調(diào)整管S2工作在線性導(dǎo)通模式，抑制啟動時 對儲能電容C2的充電電流，從而減小輸入沖擊電流，實現(xiàn)軟啟動功能。
圖2是本發(fā)明的實現(xiàn)框圖之二。主電路由交流輸入電壓Vac，整流橋Kl,開 關(guān)變換電路Ml,輸出儲能電容C2 (該儲能電容為電解電容)，電流取樣電路， 輸出調(diào)整管S2，以及負載LED (可以多個LED燈串并聯(lián))組成。交流輸入電壓 (Vac)經(jīng)過K1整流后，連接到開關(guān)變換電路M1，儲能電容C1并聯(lián)到開關(guān)變 換電路Ml輸出端，電流取樣電路和輸出調(diào)整管S2串聯(lián)在儲能電容Cl和負載 LED之間。其中，輸出儲能電容C2是大容量電解電容。開關(guān)變換電路M1由功 率因數(shù)控制器Cpl控制，通過功率因數(shù)控制器Cpl控制，開關(guān)變換電路Ml可 以實現(xiàn)高功率因數(shù)。
當(dāng)輸入電壓正常或負載處于穩(wěn)態(tài)時，輸出調(diào)整管S2 —直處于飽和導(dǎo)通狀 態(tài)。電流取樣信號和電流控制電路Ccl設(shè)定的參考信號比較，經(jīng)過電流控制電路 Ccl調(diào)節(jié)后，連接到功率因數(shù)控制器Cpl，從而控制開關(guān)變換電路，實現(xiàn)接近恒 定的輸出負載電流控制。為了實現(xiàn)功率因數(shù)校正電路的高功率因數(shù)，電流控制電 路Ccl的控制速度設(shè)定的較慢，帶寬很低(低于電網(wǎng)頻率)。電流控制電路Cc2 開路不起作用。
當(dāng)輸入動態(tài)及異常(起機、突變、過壓等)或者負載動態(tài)(輸出短路，過 流，突變等)時，電流取樣信號突然增加，和電流控制電路Cc2設(shè)定的參考信號 比較，經(jīng)過電流控制電路Cc2快速調(diào)節(jié)之后，用來控制輸出調(diào)整管S2的導(dǎo)通狀 態(tài)，輸出調(diào)整管S2從飽和導(dǎo)通進入到線性調(diào)整模式，兩端電壓升高，負載電壓 (Vo)減小，因此負載電流減小。由于需要對輸入動態(tài)或負載動態(tài)做出快速反應(yīng)，要求電流控制電路Cc2的控制速度很快，其帶寬遠遠高于電流控制電路Ccl的 帶寬。由于電流控制電路Ccl控制輸出電流提供LED穩(wěn)態(tài)正常工作的電流，而 控制環(huán)Cc2只在動態(tài)時工作，因此控制環(huán)Cc2的限流點大于控制環(huán)Ccl的限流 點。
該電路由于輸出儲能電容C2并聯(lián)在開關(guān)變換電路的輸出，因此通過采樣電 阻R1上的電流，基本上是負載電流，低頻分量很小。因此電流控制電路Ccl和 電流控制電路Cc2對負載電流的控制精度較高，電流控制電路Cc2的限流點略 高于電流控制電路Ccl即可。同時由于電源輸出沒有大容量儲能電容，因此在負 載短路時，沖擊電流很小。
圖3以升壓電路(Boost)功率因數(shù)校正電路作為開關(guān)變換電路M1為例的 具體電路第一種實施方式。交流輸入電壓(Vac)經(jīng)過整流橋Kl整流后，連接 到由電感Ll，開關(guān)管Sl,二極管Dl以及電容Cl組成的升壓Boost電路。電感 Ll的一端連接整流器輸出，另外一端連接到開關(guān)管S1和二極管D1的陽極，二 極管的陰極輸出與電容C1串聯(lián)后，并聯(lián)在開關(guān)管S1輸出端。電流取樣電阻R1 和輸出調(diào)整管S2串聯(lián)在電容Cl和輸出儲能電容C2之間。負載LED并聯(lián)在輸 出儲能電容C2兩端。
所述的升壓Boost電路與功率因數(shù)校正控制器Cpl的控制端連接，通過控 制開關(guān)管Sl的開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)高功率因數(shù)校正功能。電流控制電路Ccl由運放1 和補償網(wǎng)絡(luò)1等元件構(gòu)成。電流控制電路Cc2由電阻R2，電阻R3，三極管Ql 組成。取樣電阻R1的取樣信號(Vr)連接到電阻R2的一端，電阻R1另外一端 連接到開關(guān)變換電路Ml的輸出接地端，電阻R2的另外一端連接到R3的一端 和三極管Ql的基極，三極管Ql的發(fā)射極連接到電阻R3的另外一端,然后連接 到取樣電阻Rl的另外一端(接地端)，三極管Ql的集電極連接到輸出調(diào)整管 S2的門極。
當(dāng)輸入電壓正?；蜇撦d處于穩(wěn)態(tài)時，輸出調(diào)整管S2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，因 此，采樣電阻Rl兩端感應(yīng)的電壓(Vr)是輸出負載電流(Io)在采樣電阻Rl 上產(chǎn)生的電壓，該電壓(Vr)輸入到電流控制電路Ccl的反向輸入端，與電流控 制電路Ccl正向輸入端參考電壓(Vrefl)比較，通過補償網(wǎng)絡(luò)1的閉環(huán)調(diào)節(jié)， 電流控制電路Ccl產(chǎn)生的輸出信號連接到功率因數(shù)控制器Cpl,從而實現(xiàn)對輸出電流的恒流控制。為實現(xiàn)高功率因數(shù)，該電流環(huán)控制速度較慢，帶寬較窄(低于 電網(wǎng)頻率)。
在輸入動態(tài)及異常(如起機、跳變等)及負載動態(tài)(負載過流、突變等) 時，負載電流有可能突然增加，電流控制電路CC1不能快速調(diào)節(jié)電流；在輸入過
壓及負載短路時，Boost電路本身難以實現(xiàn)對輸出電流的控制。當(dāng)負載電流突然 增加時，釆樣電阻取樣信號(Vr)幅值增加，三極管Q1的基極電壓升高，從而 三極管Ql集電極電流增加，導(dǎo)通壓降下降，導(dǎo)致輸出調(diào)整管S2的門極電壓降 低，輸出調(diào)整管S2的導(dǎo)通壓降升高，輸出電流減小。電流控制電路Cc2的控制 速度遠遠高于電流控制電路Ccl，因此可以對輸出負載電流的變化做出快速響 應(yīng)。在輸入過壓及負載短路時，可以控制輸出調(diào)整管快速關(guān)斷，以實現(xiàn)快速保護， 防止損壞LED負載或電源。
如圖所示的升壓(Boost)電路M1的輸出電容是一小容量的電容C1，而大 容量的儲能電容C2連接到輸出調(diào)整管S2的輸出端。在電源啟動時，由于電流 控制電路Cc2的快速控制，可控制輸出調(diào)整管S2工作在線性導(dǎo)通模式，抑制啟 動時對儲能電容C2的充電電流，從而減小輸入電流，實現(xiàn)軟啟動功能。
圖4以升壓電路(Boost)功率因數(shù)校正電路作為開關(guān)變換電路M1為例的 具體電路第二種實施方式。其中交流輸入電壓Vac，整流橋Kl,開關(guān)變換電路 M1及電容C1，輸出調(diào)整管S2，取樣電阻Rl,儲能電容C2，負載LED，功率因 數(shù)校正電路Cpl，電流控制電路Ccl與圖3所示的電路相同。不同之處在于電流 控制電路Cc2由運放2和補償網(wǎng)絡(luò)2等元件構(gòu)成。
當(dāng)輸入電壓正常或負載處于穩(wěn)態(tài)時，該電路工作模式和圖3所示的相同。 通過電流控制電路Ccl控制負載電流，實現(xiàn)恒流控制。
在輸入動態(tài)及異常(如起機、跳變等)及負載動態(tài)(負載過流、突變等) 時，負載電流有可能突然增加，采樣電阻R1兩端感應(yīng)的電壓(Vr)連接到電流 控制電路Cc2的反向輸入端，與電流控制電路Cc2正向端參考電壓(Vref2)比 較，電流控制電路Cc2的輸出連接到輸出調(diào)整管S2的門極，通過電流控制電路 Cc2閉環(huán)快速調(diào)節(jié)，可控制輸出調(diào)整管S2的工作狀態(tài)，實現(xiàn)快速限流。同樣， 在電源啟動時，由于電流控制電路Cc2的快速控制，可控制輸出調(diào)整管S2工作 在線性導(dǎo)通模式，抑制啟動時對儲能電容C2的充電電流，從而減小輸入沖擊電流，實現(xiàn)軟啟動功能。
圖5以升壓電路(Boost)功率因數(shù)校正電路作為開關(guān)變換電路M1為例的 具體電路第三種實施方式。其中交流輸入電壓Vac，整流橋Kl,開關(guān)變換電路 M1及電容C1，輸出調(diào)整管S2，取樣電阻Rl,儲能電容C2，負載LED，功率因 數(shù)校正電路Cpl，電流控制電路Ccl與圖3所示的電路相同。不同之處在于電流 控制電路Cc2由電阻R4,直流電源Vcc組成。電阻R4的一端連接到Vcc，另外 一端連接到輸出調(diào)整管S2的門極。
當(dāng)輸入電壓JE?；蜇撦d處于穩(wěn)態(tài)時，該電路工作模式和圖3所示的相同。 通過電流控制電路Ccl控制負載電流，實現(xiàn)恒流控制。
在輸入動態(tài)及異常(如起機、跳變等)及負載動態(tài)(負載過流、突變等) 時，有可能造成負載電流突然增加時，電阻取樣信號(Vr)增加，輸出調(diào)整管 S2的門極電壓降低，輸出調(diào)整管S2的導(dǎo)通壓降升高，輸出電流減小。電流控制 電路Cc2的控制速度很快，可以實現(xiàn)對輸出電流的快速控制。同樣，在電源啟動 時，由于電流控制電路Cc2的快速控制，可控制輸出調(diào)整管S2工作在線性導(dǎo)通 模式，抑制啟動時對儲能電容C2的充電電流，從而減小輸入沖擊電流，實現(xiàn)軟 啟動功能。
本發(fā)明詳細說明以升壓(Boost)電路作為功率因數(shù)校正主電路為例的實施 例。但所述的開關(guān)變換電路還可以是反激電路、降壓(Biick)、降壓-升壓電路 (Buck-boost),等單級功率因數(shù)校正電路。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā) 明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公 開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是發(fā)明的保護范圍。
10
權(quán)利要求
1、一種高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，包括整流電路K1、開關(guān)變換電路M1、電流取樣電阻R1、輸出調(diào)整管S1、輸出電容C2、功率因數(shù)校正控制器Cp1、電流控制電路Cc1、電流控制電路Cc2和LED負載，其特征在于所述的整流電路K1的輸入端接交流輸入電壓，輸出端接開關(guān)變換電路M1的輸入端；所述的開關(guān)變換電路M1的輸出正端接LED負載正端，開關(guān)變換電路M1的輸出負端接電流取樣電阻R1的一端，電流取樣電阻R1的另一端接輸出調(diào)整管S2的第一極，輸出調(diào)整管S2的第二極接LED負載負端；所述的功率校正控制器Cp1的輸入端連接到電流控制電路Cc1的輸出端，其輸出端連接到開關(guān)變換電路M1的輸入端，用來控制開關(guān)變換電路M1的開關(guān)管，實現(xiàn)電路正常工作狀態(tài)下的功率因數(shù)校正控制和對輸出負載電流的恒定控制；所述的電流控制電路Cc1的輸入端連接到電流取樣電阻R1的另一端；所述的電流控制電路Cc2的輸入端連接到電流取樣電阻R1的另一端，其輸出連接到輸出調(diào)整管S2的控制端；在電路動態(tài)異常時快速響應(yīng)，控制輸出調(diào)整管S2工作在線性導(dǎo)通模式，實現(xiàn)對LED負載的快速限流控制。
2、 如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的輸出電容C2并聯(lián)在LED負載兩端，在所述的開關(guān)變換電路M1輸出端還 并聯(lián)一個小容量電容C1。
3、 如權(quán)利要求2所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的小容量電容C1的電容量遠小于輸出電容C2的電容量。
4、 如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的輸出電容C2并聯(lián)在所述的開關(guān)變換電路M1輸出端。
5、 如權(quán)利要求1-4任何一項所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路， 其特征在于所述的開關(guān)變換器電路是單級功率因數(shù)校正電路。
6、 如權(quán)利要求5所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的開關(guān)變換器電路是Boost升壓電路、反激電路、Buck降壓電路或 Buck-boost降壓-升壓電路其中的任何一種形式。
7、 如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于所述的電路動態(tài)異常包括起機及輸入突變、LED負載輸出過流或輸出突變。
8、 如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的電流控制電路Ccl的控制環(huán)路帶寬低于電網(wǎng)頻率；所述的電流控制電路 Cc2的限流點高于電流控制電路Ccl的限流點。
9、 如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的輸出調(diào)整管S2在電路正常工作狀態(tài)下工作在飽和導(dǎo)通模式，而在電路動 態(tài)異常時工作在線性模式。
10、 如權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)的AC-DCLED驅(qū)動電路，其特征在于 所述的輸出調(diào)整管S2是MOSFET、雙極型晶體管或IGBT，所述的LED負載是 單個或多個LED燈串、并聯(lián)組合連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率因數(shù)的AC-DC LED驅(qū)動電路。包括交流輸入電壓；整流電路；開關(guān)變換電路；電流取樣電阻；輸出調(diào)整開關(guān)管；功率因數(shù)校正控制器；電流控制電路1；電流控制電路2等電路。其特征在于通過雙電流環(huán)控制，使AC-DC高功率因數(shù)校正電路能夠提供LED穩(wěn)態(tài)正常工作所需的恒定電流以及動態(tài)狀態(tài)(起機、輸入過壓、輸入突變，LED負載輸出過流及短路、負載突變等)的快速限流保護。并且可以實現(xiàn)輸入軟啟動，減小輸入沖擊電流。本發(fā)明的有益效果是1.在實現(xiàn)高功率因數(shù)控制的同時解決了對輸出負載電流的快速控制。2.可以解決升壓電路的過壓及短路保護。3.方便實現(xiàn)驅(qū)動器軟啟動，抑制輸入沖擊電流。
文檔編號H05B37/02GK101631410SQ20091010190
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月24日
發(fā)明者華桂潮, 吳新科, 姚曉莉, 葛良安 申請人:英飛特電子(杭州)有限公司