CN103068131A

CN103068131A - 一种图腾柱led驱动电源

Info

Publication number: CN103068131A
Application number: CN2013100209347A
Authority: CN
Inventors: 熊本刚
Original assignee: ZHUHAI HUASAI ELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHUHAI HUASAI ELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种图腾柱LED驱动电源，包括整流滤波电路、PFM脉冲频率调制电路、MOSFET管、DC/DC变换电路，还包括图腾柱电路，所述整流滤波电路、PFM脉冲频率调制电路、图腾柱电路、MOSFET管、DC/DC变换电路依次连接。该大功率LED驱动的电源电路简单、成本极低、性能稳定，采用PFM脉冲频率调制，确保在去掉光耦和TL431的前提下同样能够实现高精度控制，减小空载功耗，并在断续工作模式下添加图腾柱电路，提升驱动电源的驱动功率，使其适用于大功率的LED照明设备中。

Description

一种图腾柱LED驱动电源

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电源，特别是涉及一种图腾柱LED驱动电源。

背景技术

近年来，LED因其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点得到了广泛应用,尤其随着新材料的发展和制造工艺的改进,高亮度大功率照明LED发展迅速,大有取代白炽灯、荧光灯等成为通用照明领域新光源之势。因此,开发与之相适应的大功率LED驱动电源具有十分广阔的市场前景。然而，随着LED技术的发展，对LED驱动电源的设计要求也越来越高，既要求其高效率、高可靠性，同时又要求驱动电源体积小、电路简单、成本低。因此，在开发大功率驱动电源时也需充分考虑这些因素。

目前PWM电源管理方案通常采用光耦和TL431检测技术，成本高，电路复杂。而现有一种PFM脉冲频率调制电源管理IC，内部集成了高精度恒流检测控制器，无需光耦和TL431即可实现5%的输出精度控制，其特点是成本低，电路简单，系统稳定故障率小，其主要应用在小功率10-25W的电器设备中。若能在此IC基础上通过简单改良驱动电源电路，提高电源电路的输出功率，将可大大降低大功率驱动电源的开发成本和生产成本，且故障率小并节约资源。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种性能稳定、电路简单、驱动能力强的LED驱动电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种图腾柱LED驱动电源，包括整流滤波电路、PFM脉冲频率调制电路、MOSFET管、DC/DC变换电路，还包括图腾柱电路，所述整流滤波电路、PFM脉冲频率调制电路、图腾柱电路、MOSFET管、DC/DC变换电路依次连接。所述整流滤波电路接AC供电电源，先通过滤波电路消除共模干扰，然后通过整流电路将交流电转换为直流电，消除干扰后的直流电源为PFM脉冲频率调制电路、MOSFET管、DC/DC变换电路提供工作电压；PFM脉冲频率调制电路工作在DCM电流断续模式下，当功率恒定时，根据LED负载电压变化进行自我频率调节，实现在恒定功率下的恒流输出。频率调节后的PFM信号输出至图腾柱电路，图腾柱电路再将PFM信号进行电流放大，将原先的驱动电流提升数倍以上，从而放大输出功率，实现驱动能力的提升；然后通过MOSFET管与变压器的谐振原理实现DC/DC变换，DC/DC变换电路将输出直流电压分成两路，一路给系统电路直流供电，另一路则恒流输出给大功率LED负载。

进一步，所述图腾柱电路包括第二三极管和第三三极管，第二三极管的基极与第三三极管的基极相连作为图腾柱电路的输入端，该输入端连接至PFM脉冲频率调制电路的输出端；第二三极管的发射极与第三三极管的发射极相连作为图腾柱电路的输出端，该输出端连接至MOSFET管的栅极。PFM脉冲频率调制电路输出的PFM信号高、低电平两个半周分别由推挽输出级第二三极管、第三三极管的两“臂”轮流运算放大，每一“臂”的导电时间为脉冲的半个周期，从而保证放大信号的输入与输出同步，增大了LED驱动电源的驱动能力。本图腾柱电路作为逻辑放大器完全工作在电流放大状态，其特点是效率高，双管稳定，驱动电流大，从而大大提高了LED电源的驱动功率。

进一步，第二三极管是NPN型三极管，第三三极管是PNP型三极管。电路工作的逻辑过程是，高电平输入，第二三极管导通，第三三极管截止，输出高电平；低电平输入，第三三极管导通，第二三极管截止，输出低电平；当电路逻辑的上下两管均截止时，则输出为高阻态。

进一步，所述PFM脉冲频率调制电路包括集成控制IC及其外围电路。

进一步，所述集成控制IC包括检测电流输入端口、采样电压输入端口、线性补偿端口、栅极驱动输出端口、电源输入端口、接地端口，其中所述检测电流输入端口与MOSFET管的源极相连；所述采样电压输入端口连接至DC/DC变换电路的电压输出端；所述线性补偿端口通过第三电容接地；所述栅极驱动输出端口连接至图腾柱电路的输入端；所述电源输入端口通过依次串联连接的第二电阻、第一电阻连接至整流滤波电路的直流输出端；所述接地端口接地。所述集成控制IC具有软启动功能，工作原理是：开机瞬间整流滤波电路输出的直流电压通过第一电阻、第二电阻向电源输入端口瞬间供电，当供电电压高于集成控制IC的欠压锁定电压时，电路瞬间启动；当供电电压低于欠压锁定电压时，MOSFET管被强制关断，同时进入重启状态，等待下次开启。

进一步，为了降低电路设备损耗，故第一电阻和第二电阻选用兆欧级电阻。

进一步，所述集成控制IC为工作在PFM模式下的RM3260T芯片。

进一步，所述DC/DC变换电路包括反激变压器，所述反激变压器包括原边绕组、副边绕组，原边绕组连接至MOSFET管的漏极输出端；副边绕组连接有电源输出整流滤波电路；在反激变压器的原边还设有用于为PFM脉冲频率调制电路和图腾柱电路供电的辅助绕组，辅助绕组连接至集成控制IC的电源输入端口以及连接至第二三极管的集电极。当MOSFET管导通时，负载电流由输出滤波电容C1和C2提供，反激变压器的原边电流呈斜坡上升，储存能量；当MOSFET管关断时，反激变压器释放能量，储存在反激变压器磁芯的电能由原边绕组传递到副边绕组，使电能的传递过程完全是由反激变压器与MOSFET管按照一定的谐振频率进行，反激变压器输出的交流电压再经过电源输出整流滤波电路输出稳定的直流低压至LED负载。

进一步，所述整流滤波电路包括依次连接的浪涌保护电路、滤波电路和整流电路。所述浪涌保护电路包括串联的保险丝、压敏电阻、热敏电阻。保险丝用于过流保护，压敏电阻用于吸收高压输入的放电火花，热敏电阻用于抑制并吸收开机冲击电流，以防止开机瞬间对桥堆、MOSFET管和集成控制IC等关键元器件的冲击。所述滤波电路负责滤除EMI干扰，整流电路负责交流到直流的转换，为功率电路提供足够的工作电流和电压。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种电路简单、成本极低、性能稳定的大功率LED驱动电源，采用PFM脉冲频率调制，确保在去掉光耦和TL431的前提下同样能够实现高精度控制，减小空载功耗，并在断续工作模式下添加图腾柱电路，提升驱动电源的驱动功率，使其适用于大功率的电源设备中。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明的电路框图；

图3是图腾柱电路的等效电路图。

具体实施方式

参照图1至图2，本发明的一种图腾柱LED驱动电源，包括整流滤波电路1、PFM脉冲频率调制电路2、MOSFET管Q1、DC/DC变换电路4，还包括图腾柱电路3，所述整流滤波电路1、PFM脉冲频率调制电路2、图腾柱电路3、MOSFET管Q1、DC/DC变换电路4依次连接。所述整流滤波电路1接AC供电电源，整流滤波电路1将不稳定的交流电转换为稳定的直流电，整流滤波后的直流电为PFM脉冲频率调制电路2、MOSFET管Q1、DC/DC变换电路4提供工作电压；PFM脉冲频率调制电路2工作在DCM电流断续模式下，当功率恒定时，根据LED负载电压变化进行自我频率调节，实现在恒定功率下的恒流输出。频率调节后的PFM信号输出至图腾柱电路3，图腾柱电路3再将PFM信号进行电流放大，将原先的驱动电流提升数倍以上，从而放大输出功率，实现驱动能力的提升；然后通过MOSFET管Q1与变压器的谐振原理实现DC/DC变换，DC/DC变换电路4将输出直流电压分成两路，一路给系统电路直流供电，另一路则恒流输出给大功率LED负载。

所述整流滤波电路1包括依次连接的浪涌保护电路11、滤波电路12和整流电路13。所述浪涌保护电路11包括串联的保险丝FUSE、压敏电阻VR、热敏电阻RZ。保险丝FUSE用于过流保护，压敏电阻VR用于吸收高压输入的放电火花，热敏电阻RZ用于抑制并吸收开机冲击电流，以防止开机瞬间冲击电流对整流桥堆、场效应管和芯片等关键元器件的冲击；所述滤波电路12为π型滤波器，用于滤除EMI干扰；整流电路13是桥式整流电路，用于将交流电转换成直流电，为功率电路提供足够的工作电流和电压。

所述DC/DC变换电路4包括反激变压器T2，所述反激变压器T2包括原边绕组N1、副边绕组N3，原边绕组N1连接至MOSFET管Q1的漏极输出端；副边绕组N3连接有电源输出整流滤波电路41；在反激变压器T2的原边还设有用于为PFM脉冲频率调制电路2和图腾柱电路3供电的辅助绕组N2，辅助绕组N2通过第六二极管D6、第三电阻R3连接至集成控制IC21的电源输入端口VCC以及通过第七电阻R7连接至第二三极管Q2的集电极。DC/DC变换电路4具体工作过程是：当MOSFET管Q1导通时，负载电流由输出滤波电容C1和C2提供，反激变压器T2原边电流呈斜坡上升，反激变压器T2充当电感，电能转化为磁能，储存能量；当MOSFET管Q1关断时，反激变压器T2释放能量，磁能转化为电能，储存在反激变压器T2的磁芯的电能由原边绕组N1传递到副边绕组N3，通过反激变压器T2与MOSFET管Q1的谐振原理在反激变压器T2的副边绕组N3输出谐振交流电压，该交流电压通过电源输出整流滤波电路41转换成稳定的直流低压输出至LED负载。而辅助绕组N2及其外围电路则构成为PFM脉冲频率调制电路2和图腾柱电路3供电的的辅助电源电路。

所述PFM脉冲频率调制电路2包括集成控制IC21及其外围电路。

所述集成控制IC21为RM3260T芯片，包括检测电流输入端口CS、采样电压输入端口INV、线性补偿端口COMP、栅极驱动输出端口GATE、电源输入端口VCC、接地端口GND，其中所述检测电流输入端口CS通过第九电阻R9与MOSFET管Q1的源极相连；所述采样电压输入端口INV连接在串联连接的第五电阻R5和第十电阻R10之间，所述第五电阻R5和第十电阻R10串联连接至DC/DC变换电路4的输入端；所述线性补偿端口COMP通过第三电容C3接地；所述栅极驱动输出端口GATE通过第八电阻R8连接至图腾柱电路3的输入端；所述电源输入端口VCC通过依次串联连接的第二电阻R2、第一电阻R1连接至整流滤波电路1的直流输出端，还通过依次串联连接的第三电阻R3、第六二极管D6连接至反激变压器T2的辅助绕组N2；所述接地端口GND接地。

所述集成控制IC21具有软启动功能，工作原理是开机瞬间整流滤波电路1输出的DC电压通过第一电阻R1、第二电阻R2向电源输入端口VCC瞬间供电，当供电电压高于集成控制IC21的欠压锁定电压时，MOSFET管Q1瞬间启动；当供电电压低于欠压锁定电压时，MOSFET管Q1被强制关断，同时进入重启状态，等待下次开启。同时为了降低电路设备损耗，故第一电阻R1和第二电阻R2选用兆欧级电阻。

欠压锁定工作原理是，集成控制IC21靠反激变压器T2的辅助绕组N2供电，供电电阻为第三电阻R3，当集成控制IC21的供电电压VCC低于MOSFET管Q1的开启电压时被强制关断，同时进入重启状态，等待下次开启，每次开启都具有软启动特性。

软启动功能是每次启动时前面的热敏电阻RZ抑制并吸收了开机冲击电流，以防止开机瞬间对整流桥堆、MOSFET管Q1和集成控制IC21等关键元器件的冲击。另外，在开机瞬间一旦工作电压VCC达到开启电压（欠压锁定电压）时，集成控制IC21的内部控制器控制峰值电流流过限流电阻所产生的电压由0V逐渐上升到阈值电压0.8V时，电源开始启动，这一过程称为软启动。

本实施方案采用PFM脉冲频率调制代替较常用的PWM脉冲宽度调制，目的是为了提高恒流精度，提升轻载效率和减小空载功耗，同时使反激电路一直工作在DCM电流断续模式下，DCM电流断续模式相比CCM电流连续模式转换效率更高，使电源能量达到完全转换的效果。本实施方案采用原边反馈控制PSR技术实现恒流的精确控制，无需光耦，由次级反馈电路和线性补偿电路即可实现电路稳定、并可靠地工作。PFM的工作原理是，芯片的工作频率通过负载和工作模式来进行自我调节，在断续反激工作模式下其最大输出功率通过下式计算：

P_{o} = \frac{1}{2} \times L_{P} \times F \times {I_{P}}^{2},

式中Lp为反激变压器T2原边电感量，Po为输出功率，F为工作频率，Ip为原边峰值电流。

从上式可以看出，若改变反激变压器T2原边电感量可以改变最大输出功率，但是为了考虑安全性和工作模式的需要，开关频率必须锁定，锁定后的工作频率F从由下式来体现：

F = \frac{1}{2 \times T_{DEMAG}},

式中T_DEMAG为反激变压器T2恢复时间（即恢复半周期），而该时间与电感量Lp成反比。因此电感量和工作频率的乘积为定值，以此来限制最大输出功率。由此看出，电路始终工作在DCM电流断续模式状态，MOSFET管Q1具有固定的初级峰值电流，以及通过调节开关频率来适应不同的负载，从而使电路由满载到轻载，并呈现线性降频特性，这就是PFM脉冲频率调制原理和优势。

采样电压是通过两个电阻——第五电阻R5和第十电阻R10的分压来提供，分压后的电压通过集成控制IC21的INV脚采样，当采样电压低于2V时，电源工作在恒流状态。

电流检测是采用逐周期电流检测后的脉冲频率控制PFM方式实现的，是通过集成控制IC21的CS脚外接第九电阻R9的电压来实现。同时芯片内部集成了前沿消隐电路，滤掉了MOSFET管Q1的峰值干扰，因此外部电阻第十一电阻R11至第十三电阻R13上不再需要RC滤波器。

本发明通过引入图腾柱电路3，提高驱动电源的驱动功率，所述图腾柱电路3包括第二三极管Q2和第三三极管Q3，其中第二三极管Q2是NPN型三极管，第三三极管Q3是PNP型三极管；第二三极管Q2的基极与第三三极管Q3的基极相连作为图腾柱电路的输入端，该输入端连接至PFM脉冲频率调制电路2的输出端；第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的发射极相连作为图腾柱电路3的输出端，该输出端通过第四电阻R4连接至MOSFET管Q1的栅极。

图腾柱电路3工作的逻辑过程是，高电平输入，第二三极管Q2导通，第三三极管Q3截止，输出高电平；低电平输入，第三三极管Q3导通，第二三极管Q2截止，输出低电平；当电路逻辑的上下两管均截止时，则输出为高阻态。PFM脉冲频率调制电路2输出的PFM信号高、低电平两个半周分别由推挽输出级第二三极管Q2、第三三极管Q3的两“臂”轮流运算放大，每一“臂”的导电时间为脉冲的半个周期，从而保证放大信号的输入与输出同步。

在具体的工作过程中，反激变压器T2的辅助绕组N2输出谐振交流电压经过第六二极管D6整流和第四电容C4滤波后输出电压为图腾柱电路3与集成控制IC21供电，集成控制IC21栅极驱动输出端口GATE输出频率为25-50KHz的方波信号，第八电阻R8为图腾柱电路3的输入电阻，R8取值为100Ω；电路的输出电阻为第四电阻R4，取值为10Ω，该电路工作在电流放大状态，放大后的电流经第四电阻R4驱动MOSFET管Q1，为MOSFET管Q1提供足够的驱动电流，再由MOSFET管Q1与反激变压器T2的谐振原理，使反激变压器T2的驱动功率提升数倍，以此方案来驱动大功率LED灯具。

MOSFET管Q1之所以需要足够的驱动电流是因为MOSFET管Q1结构中的GS与GD之间存在寄生电容，而MOSFET管Q1的驱动实际上就是对电容的充放电，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，短路瞬间电流会比较大，所以只有通过图腾柱电路3电流放大后的脉冲方波信号驱动MOSFET管Q1，才能完全满足提升功率的要求。

图腾柱电路3利用两个晶体管进行推挽，其与MOSFET管Q1工作时的等效电路可参照图3，输出的驱动电流Io为：

I_o＝C_gs×(V_gs÷D_t)＝(V_cc-V_gs)÷R；

由此推出如下关系式：

V_cc＝V_gs*(1+R*C_gs/D_t)，

∵τ＝R*C_gs＜＜D_t，

∴V_cc≈V_gs。

由此看出，从直流电压的角度来考虑，只要Vcc电压正常，并大于MOSFET管Q1的门电压，足以使MOSFET管Q1永远工作在开/关状态，在本实施例中VCC的电压设计值为20V。

而实际上，经过实验所得，图腾柱电路3的输出峰值电流是输入峰值电流的32倍，而图腾柱电路3输入电压和输出电压是相等的，集成控制IC21输出的25W驱动功率经过图腾柱电路3逻辑运算并电流放大后，输出功率可以提升到55W甚至更高。

由此可知，添加图腾柱电路3的作用是逻辑运算和电流放大，以满足MOSFET管Q1的输入-输出逻辑同步和输出大电流低电压的特性。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段在LED电源方案中达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种图腾柱LED驱动电源，包括整流滤波电路（1）、PFM脉冲频率调制电路（2）、MOSFET管（Q1）、DC/DC变换电路（4），其特征在于：还包括图腾柱电路（3），所述整流滤波电路（1）、PFM脉冲频率调制电路（2）、图腾柱电路（3）、MOSFET管（Q1）、DC/DC变换电路（4）依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述图腾柱电路（3）包括第二三极管（Q2）和第三三极管（Q3），第二三极管（Q2）的基极与第三三极管（Q3）的基极相连作为图腾柱电路（3）的输入端，该输入端连接至PFM脉冲频率调制电路（2）的输出端；第二三极管（Q2）的发射极与第三三极管（Q3）的发射极相连作为图腾柱电路（3）的输出端，该输出端连接至MOSFET管（Q1）的栅极。

3.根据权利要求2所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：第二三极管（Q2）是NPN型三极管，第三三极管（Q3）是PNP型三极管。

4.根据权利要求1—3任一权利要求所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述PFM脉冲频率调制电路（2）包括集成控制IC（21）及其外围电路。

5.根据权利要求4所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述集成控制IC（21）包括检测电流输入端口（CS）、采样电压输入端口（INV）、线性补偿端口（COMP）、栅极驱动输出端口（GATE）、电源输入端口（VCC）、接地端口（GND），其中所述检测电流输入端口（CS）与MOSFET管（Q1）的源极相连；所述采样电压输入端口（INV）连接至DC/DC变换电路（4）的电压输出端；所述线性补偿端口（COMP）通过第三电容（C3）接地；所述栅极驱动输出端口（GATE）连接至图腾柱电路（3）的输入端；所述电源输入端口（VCC）通过依次串联连接的第二电阻（R2）、第一电阻(R1)连接至整流滤波电路(1)的直流输出端；所述接地端口（GND）接地。

6.根据权利要求4所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述集成控制IC（21）为工作在PFM模式下的RM3260T芯片。

7.根据权利要求4所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述第一电阻（R1）和第二电阻（R2）为兆欧级电阻。

8.根据利要求1所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述DC/DC变换电路（4）包括反激变压器（T2），所述反激变压器（T2）包括原边绕组（N1）、副边绕组（N3），原边绕组（N1）连接至MOSFET管（Q1）的漏极输出端；副边绕组（N3）连接有电源输出整流滤波电路（41）；在反激变压器（T2）的原边还设有用于为PFM脉冲频率调制电路（2）和图腾柱电路（3）供电的辅助绕组（N2），辅助绕组（N2）分别连接至集成控制IC（21）的电源输入端口（VCC）以及第二三极管（Q2）的集电极。

9.根据利要求1所述的一种图腾柱LED驱动电源，其特征在于：所述整流滤波电路（1）包括依次连接的浪涌保护电路（11）、滤波电路（12）和整流电路（13）。