CN103152896A

CN103152896A - 具有创新架构的大功率led智能电源驱动器

Info

Publication number: CN103152896A
Application number: CN2011103985444A
Authority: CN
Inventors: 许祝
Original assignee: CHONGQING RUISHENG KANGBO ELECTRICAL Co Ltd
Current assignee: CHONGQING RUISHENG KANGBO ELECTRICAL Co Ltd
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明涉及一种采用具有创新架构的LLC串联谐振变换器芯片的大功率LED驱动电源。采用功率因素校正电路和LLC谐振变换电路为电路主体拓扑结构，结合单片机控制以实现对LED的数字调光控制。包括EMI滤波、整流、功率因素校正、LLC谐振变换控制、整流滤波电路、电流采样反馈、过压欠压保护、LED模组及单片机PWM调光控制电路。该架构中省掉了昂贵的多串高压DC/DC降压器，改为多个变压器串联的LLC谐振电路，直接实现恒流，效率大幅提升至95%，比传统架构提升10%左右；PFC值则可达到0.95~1.0之间；元器件数量也大幅减小，可靠性提升；EMI设计更简单，特别适合于大功率LED驱动照明电源。

Description

具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器

技术领域

本发明涉及一种大功率LED驱动电源，尤其涉及采用具有创新架构的LLC串联谐振变换器芯片的大功率LED驱动电源。

背景技术

随着能源危机和气候变暖问题越来越严重，节能己经成为全球普遍关注的话题。照明是人类消耗能源的重要方面，约占世界总耗能的20%，因此LED节能照明的研究越来越受到重视,LED照明己成为了照明领域关注的焦点。LED驱动电源在LED照明系统中起至关重要的作用，是LED照明系统的心脏。据不完全统计，LED照明系统的损坏有90%是LED驱动电源失效和或者由LED驱动电源导致，驱动电源的品质直接影响整个LED照明系统的寿命和可靠性。是LED照明的普及和推广的一个关键问题。

对大功率LED照明驱动电源而言主要是效率和可靠性的问题。首先，驱动电源工作环境温度很高(一般温度在70℃左右)，这样一来，就希望驱动电源的效率(包括恒压加上恒流)的效率要高(比如>90%)，只有提高效率才能降低驱动电源的温度，提高可靠性。其次，传统的驱动拓扑结构较为复杂，从图1可以看出传统的驱动拓扑结构，包括功率因数校正(PFC)+恒压(CV)+恒流(CC)的三段式架构，多串Buck（降压斩波电路）+PFC+LLC，导致芯片数量及元器件众多成本过高，可靠性低，特别是电解电容和光耦等敏感器件，总效率仅能达到88%左右。要解决大功率LED照明电路可靠性问题，必须从驱动拓扑结构进行改进，提高效率，减少元器件数量，另外也可进一步减少成本。

在图1传统的大功率LED照明架构图上可以看到，它有两个Block，第一个Block叫恒压模块，DC/DC出来以后得到一个恒压的输出，第二个是恒流模块，恒流模块是每串LED都会需要DC/DC升压或降压的电路，对每一串LED进行恒流。这是传统的典型的大功率LED驱动的拓扑架构。这种拓扑架构的效率分布为：临界模式PFC的最大值在97%左右，LLC谐振半桥效率目前在业界我们认定是比较高的，它的效率大概是96%，每一串恒流降压后的效率在95%左右，三个相乘的总效率(典型值)应该在86%以内。传统拓扑架构的缺点，首先它的成本非常高，因为它带有PFC、LLC电路，还有多串高压Buck降压斩波DC/DC电路，高压Buck降压斩波DC/DC电路成本是非常高的，每一串都需要一个。以LED路灯为例，现在的LED路灯光源实际上是由4—12串LED灯组成，也就是说你需要4—12串的高压Buck降压斩波DC/DC电路，这就需要有非常多的器件。第二是效率非常低，第三是可靠性非常差，最后一个，也是很重要的一个，就是这种传统架构的EMI问题也非常严重。因为每一串高压Buck降压斩波DC/DC电路开关频率没有进行同步，串与串之间有相互的干扰。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双级多串变压器架构的大功率LED照明驱动电源，具有结构简单、效率高，成本低的优点。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为: 一种双级多串变压器架构的大功率LED照明驱动电源如附图所示，包括EMI滤波电路（1），整流电路（2），功率因素校正(PFC)电路（3），LLC谐振变换控制电路（4），整流滤波电路（5）电流采样反馈电路（7），过压欠压检测电路（8）LED模组（9）以及PWM调光控制电路（6）。交流市电经EMI滤波电路、整流电路（2）后输入功率因素校正电路（3），功率因素校正电路（3）输出信号经LLC谐振变换控制电路（4），再经过桥式整流（5）后连接到LED模组（9），电流采样电路（7）对输出采样后反馈至中LLC谐振变换控制电路（4），过压欠压检测电路（8）检测送入LED模组（9）的电压信号并送入LLC谐振变换控制电路（4），PWM调光电路（6）输出PWM信号到LLC谐振变换控制电路（4）的9脚（PWM输入端），控制灯光亮度。

所述EMI滤波电路的作用，主要体现在以下两个方面：抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响;抑制设备（尤其是高频开关电源）对交流电网的干扰。

所述功率因素校正电路实现整个电路功率因素校正功能。

所述LLC谐振变换控制电路实现谐振变换功能。

所述EMI滤波、功率因素校正(PFC)电路如图3所示: F1输入保险，L1、L2、C1、C2组成输入EMI滤波器，L3、IC1、Q1等组成了PFC功率因子校正电路，R1和R2分压后的电压值送入IC1的3脚， IC1的4脚用于基础MOSFET管的瞬时电流大小；L3的一端接到IC1的5脚，将感应到的变压器零能量（TZE）送入， IC1的7脚输出控制MOSFET管的栅极，控制其导通与关断。IC1通过引脚3对AC 输入电压的检测， R5、R6分压后的值送到IC1的1脚，用于过压保护。IC1的2脚是跨导误差放大器的输出，环路补偿电容C4与此引脚和地之间连接。IC1的4脚检测外部开关的瞬时开关电流。

所述LLC谐振变换控制电路包括驱动电路、半桥电路和谐振电容，还包括两个以上的变压器，所述变压器的初级绕组采用串联方式，次级绕组则分别连接整流滤波电路，经整流滤波后分别向负载提供电源。

所述的半桥电路包括高压MOS管(QA)和高压MOS管(QB )，所述串联变压器组中T1初级绕组串联至高压MOS管(Q1)和高压MOS管(Q2)构成的半桥电路的中点，Tn经所述谐振电容接地。

所述的LLC电路包括变压器(T1)、变压器(T2)、变压器（Tn），电容CF、CG；所述变压器(T1)、变压器(T2)、变压器（Tn）次级绕组分别连接有整流桥堆Z1、Z2、Zn及滤波电容(CA)、(CB)、(Cn)；它们分别向负载提供电源；负载为LED灯模组。

本发明具有以下特点:

采用功率因素校正电路和LLC谐振变换电路为电路主体拓扑结构，结合单片机控制以实现对LED的数字调光控制。

所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器，PFC控制电路采用 (TI)芯片UCC28810予以实现，LLC谐振控制电路采用(TI)芯片UCC25710予以实现，单片机则采用PIC16F22。

所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器，由按键和电位器组成的人机对话电路通过单片机改变输出PWMI信号占空比，利用单片机12脚输出PWM信号到IC2芯片的9脚，实现LED的调光。

具有创新架构的大功率LED智能驱动电源还具有过压、过流、过载、短路及过温保护；可编程调光；可编程软启动，开关频率自由设定（精准度是3%┉6%），宽输入电压范围:90V┉305V，宽使用环境温度:-35℃┉+70℃等诸多优点。高效率: 整机系统设计效率（EFF）在90%┉92%之间；高功率因数：PFC功率因数: PFC值则可达到0.95┉1.0之间；宽范围调光：能够支持 1%┉100%的调光范围。与市场现有LED驱动电路相比，本发明具有高功率因素、高效率、高可靠性、自动调光等优点，适合批量生产。

附图说明

图1是传统大功率LED驱动电源架构框图

图2是具有创新架构的LLC串联谐振变换器大功率LED驱动电源架构框图

图3是具有创新架构的LLC串联谐振变换器大功率LED驱动电源EMI和PFC电路简图

图4是PWM输出电路简图

图5是欠压、过压、限流保护电路简图

图6是具有创新架构的LLC串联谐振变换器电路简图

图7是微处理器PWM输出电路简图

图8是微处理器PWM输出软件流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

所述EMI滤波、功率因素校正(PFC)电路如图3所示: F1输入保险，L1、L2、C1、C2组成输入EMI滤波器，L3、IC1、Q1等组成了PFC功率因子校正电路，R1和R2分压后的电压值送入IC1的3脚，作为电流参考的输入，IC1的4脚用于基础MOSFET管的瞬时电流大小；L3的一端接到IC1的5脚，将感应到的变压器零能量（TZE）送入，使得其电路具有零电压开关的功能。IC1的7脚输出控制MOSFET管的栅极，控制其导通与关断。IC1通过引脚3对AC 输入电压的检测，可以强制峰值开关电流跟踪输入电压的变化，从而提高系统功率因数。R5、R6分压后的值送到IC1的1脚，用于过压保护。IC1的2脚是跨导误差放大器的输出。当它低于2.3 V，零能耗检测比较器被激活，从而防止开关的栅极驱动输出。环路补偿电容C4与此引脚和地之间连接。IC1的4脚检测外部开关的瞬时开关电流，如果V_iSENSE超过1.7 V终止开关输出。瞬时开关电流阈值电压约等于

V_ISENSE =0.67 x （V_EAOUT一2.5 V)x (V_VINS+75 m V)，集成电路芯片IC1为UCC28810。

图4是PWM输出电路简图，图中的集成电路芯片IC2为UCC25710。它的6脚输出PWM控制信号，Q1和Q2组成复合推动级用于推动Q₃MOS管，RE一端接在Q₃MOS管的漏极上，另一端接在IC2的16脚，用于检测监视输入到LED灯模组的电流。Q₃MOS管的源极与LED灯模组相连，通过PWM改变Q₃MOS管控制极达到改变LED灯模组的电流大小从而实现调光。

图5是欠压、过压、限流保护电路简图，图中IC2为UCC25710。它的2脚（GD1）和3脚（GD2）是栅极驱动输出信号：

Lgd=VCC/2* Fsw*87mA

式中：Lgd驱动栅极变压器电流

Fsw标称开关频率

VCC电源电压

它的6脚输出PWM控制信号，它的9脚接收来自单片机输出的PWM控制信号，它的5脚是参考电压，通过R1、R2分压取出CREF电压送入15脚，作为检测监视输入到LED灯模组的电流时的电流参考值。11脚（UV）是用来监视负载低电压，低于VUVTH(欠压门槛)引脚电平时，将禁用栅极驱动器输出以及LEDSW输出。低电压检测输入端子将检测电压送入由R3、R4组成的分压电路，经分压后送入11脚，

R₃=R₆-R₄

R4=R6/5

R11=（R3+R4）*2.4V/Vovlo-2.4V-Vd

式中：Vovlo：过压门限

Vd：总LED压降

12脚（OV）这个引脚是用来监视LED灯模组过电压。高于VOVTH (过压门槛)引脚电平时，将禁用栅极驱动器输出以及LEDSW输出。过电压检测输入端子将检测电压送入由R5、R6组成的分压电路，经分压后送入12脚；

R5=（2*Vout*1.5）/Iout*Dmin*Imatch

式中：Vout：LED串联电压

Iout：LED电流

Dmin：最下调光占空比

Imatch：LED电流

R6=(R5*2.6V)/(Vovlo-2.6v-Vd)

式中：Vovlo：过压门限

Vd：总LED压降

13脚（CL）用于检测LLC转换器的输入电流连接在主电流感应变压器的整流和滤波输出见图6。超过1.9 V的阈值，栅极驱动器被禁用和LEDSW变低，这种情况被锁存，直到VCC低于阈值才会解锁。18脚（SS）是软启动控制脚，连接到地的电容C10决定软启动时间。

图6是具有创新架构的LLC串联谐振变换器电路简图，在图6中可以看到由QA、QB、CF、CQ、T1、T2┉TN构成LLC串联谐振变换器，QA、QBMOSFET管的驱动信号从GD1、GD1经驱动变压器LA输入到QA、QB两个MOSFET管的控制极，VIN+和VIN-是直流工作电压的正负输入端，变压器(T1)、变压器(T2)、变压器（Tn）次级绕组分别连接有整流桥堆Z1、Z2、Zn及滤波电容(CA)、(CB)、(Cn)；它们的输出分别向负载提供电源；负载为LED灯模组。二极管D1、D2、D3、D4、Dn、Dn＇连接在电源输出端用于检测电源的欠压和过压信号,UV(欠压信号输出端)和OU（过压信号输出端)送到图5中的UV(欠压信号输入端)和OU（过压信号输入端)，IC2芯片根据送入信号做出相应判断处理。图6中（CL）用于检测LLC转换器的输入电流连接在主电流感应变压器的整流和滤波输出，此信号送入IC1芯片的13脚如图5所示，如果此数值超过1.9 V的阈值，栅极驱动器将被禁用并使LEDSW变低，这种情况一直被锁存，直到VCC低于阈值才会解锁，对电路进行了有限的保护。

图7是微处理器PWM输出电路简图, 微处理器外接有按键S1、S2、S3、S4和电位器W1，按键S1、S2、S3、S4分别接入微处理器的RB0、RB3、RB4、RB5口，电位器接入微处理器的RA0口，图7可以看出6V直流电源经IC4 SPX1117M3-3.3稳压IC单元稳压后供电到单片机 PIC16F722，由PIC16F722产生500HZ的占空比可变的PWM脉冲，PWM数字信号输出到IC2的9脚，图7按键输入连接到MCU的RB5、RB4、RB3、RB0I/O口，RA0口采样0┉3.3V的电压，调制RC1脚输出的PWM脉冲占空比，图7中Key1┉调光开关； Key2┉增亮；Key3┉减暗；Key4┉电位器/触摸调节按键调节选择开关。

图8是单片机PWM软件流程图，软件采用C语言编写。

Claims

1.一种具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器包括EMI滤波电路（1），整流电路（2），功率因素校正(PFC)电路（3），LLC谐振变换控制电路（4），整流滤波电路（5）电流采样反馈电路（7），过压欠压检测电路（8）LED模组（9）以及PWM调光控制电路（6）。

2.交流市电经EMI滤波电路（1）、整流电路（2）后输入功率因素校正电路（3），功率因素校正电路（3）输出信号经LLC谐振变换控制电路（4），再经过桥式整流（5）后连接到LED模组（9），电流采样电路（7）对输出采样后反馈至中LLC谐振变换控制电路（4），过压欠压检测电路（8）检测送入LED模组（9）的电压信号并送入LLC谐振变换控制电路（4），PWM调光电路（6）输出PWM信号到LLC谐振变换控制电路（4），控制灯光亮度。

3.根据权利要求1所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器包括两个以上的输出变压器，T1初级绕组串联至高压MOS管(Q1)和高压MOS管(Q2)构成的半桥电路的中点，Tn经所述谐振电容接地。

4.所述变压器的初级绕组采用串联方式端头尾相连，次级绕组则分别连接整流滤波电路，经整流滤波后分别向负载提供电源。

5.根据权利要求1所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器，是采用了有功率因素校正电路和LLC谐振变换电路为电路主体的拓扑结构，结合单片机控制以实现对LED的数字调光控制。

6.功率因素校正电路采用了UCC28810芯片；LLC谐振变换电路采用了芯片UCC25710；单片机则采用PIC16F22。

7.根据权利要求1所述的具有创新架构的大功率LED智能电源驱动器数字调光电路采用了PIC16F22单片机，SPX1117M3-3.3稳压IC单元输出3.3V直流电压为单片机PIC16F22提供稳定的直流工作电压，PIC16F722产生500HZ的占空比可变的PWM脉冲，PWM脉冲信号输出到功率放大器，完成由信号电压到功率电流的转换。

8.RA0口采样0-3.3V的电压，调制RC1脚输出的PWM脉冲占空比，此PWM信号送入IC2芯片的9脚（DIM）。