專利名稱：一種高功率因數的ac-dc led驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高功率因數的AC-DC LED驅動器。更具體地說，本發明涉 及-一種適用于LED應用的AC-DC高功率因數電路(例如升壓變換器(Boost)) 的快速電流控制技術。
背景技術：
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，傳統的單 級功率因數校正電路可直接作為LED的驅動電源。
傳統的Boost功率因數校正電路，在獲得高功率因數的同時，犧牲了環路響 應速度，在應用于LED驅動電源時，造成電源輸出有較大的紋波電流以及在電網 和負載動態時對負載電流的響應速度太慢。紋波電流較大對LED燈來說是可以接 受的，但環路響應速度慢易造成LED因過流而損壞。
對于功率因數校正電路最常用的升壓(Boost)電路來說，還存在難以實現 短路保護以及輸入電壓峰值高于輸出LED電壓時難以實現過壓保護等問題。

發明內容
為解決上述問題，本發明提出一種適用于LED應用的AC-DC功率因數校正 電路的雙電流環控制技術，可以實現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方案是一種高功率因數的AC-DC LED驅動電路， 包括整流電路K1、開關變換電路M1、電流取樣電阻R1、輸出調整管S1、輸出 電容C2、功率因數校正控制器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，輸出端接開關變換電路M1 的輸入端；所述的開關變換電路Ml的輸出正端接LED負載正端，開關變換電路Ml 的輸出負端接電流取樣電阻R1的一端，電流取樣電阻R1的另一端接輸出調整 管S2的第一極，輸出調整管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變換電路M1的輸入端，用來控制開關變換電路M1的開關 管，實現電路正常工作狀態下的功率因數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 出連接到輸出調整管S2的控制端；在電路動態異常時快速響應，控制輸出調整 管S2工作在線性導通模式，實現對LED負載的快速限流控制。
本發明的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，交流輸入電壓經過整流后， 連接到丌關變換電路M1。功率因數校正控制器Cpl輸出用來控制開關變換電路 Ml的開關管，實現功率因數校正控制。當輸入及負載LED穩定及正常狀態下， 輸出調整管S2工作在飽和導通狀態；通過采樣電阻R1的負載電流取樣信號，經 過電流控制電路Ccl調節對功率因數校正控制器Ml進行控制，可以實現對輸出負 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 的要求，電流控制電路l的環路速度較慢。當負載動態(過流、短路、跳變等) 或輸入動態及異常(起機、過壓、跳變等)，電流控制電路Ccl不能快速調節電流 時，通過采樣電阻R1的負載電流取樣信號，經過快速電流控制電路Cc2調節后控 制輸出調整管S2工作在線性狀態，可以實現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可以連接在輸出調整管的輸出 端，在電源啟動時，可實現輸入軟啟動，有效抑制輸入沖擊電流。 與傳統功率因數校正電路技術相比，本發明的有益效果是
1. 在實現高功率因數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. 方便實現驅動器的軟啟動，抑制輸入沖擊電流。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 圖l本發明的電路實現框圖一。 圖2本發明的電路實現框圖二。
圖3本發明應用升壓電路(Boost)作為開關變換電路以及具體控制電路的 第一種實施方式。
圖4本發明應用升壓電路(Boost)作為開關變換電路以及具體控制電路的 第二種實施方式。
圖5本發明應用升壓電路(Boost)作為開關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本發明的電路實現框圖一。主電路由交流輸入電壓Vac，整流橋Kl,開 關變換電路M1，電容C1，輸出調整管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)組成。交流輸入電壓(Vac)經過Kl整 流后，連接到開關變換電路Ml,電容C1并聯到開關變換電路M1輸出端，電 流取樣電路和輸出調整管S2串聯在電容Cl和儲能電容C2之間，LED負載并聯 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。開關變換電路M1由功率因數控制器Cpl控制，通過功率因數控 制器Cpl控制，開關變換電路Ml可以實現高功率因數。
當輸入電壓正常或負載處于穩態時，輸出調整管S2 —直處于飽和導通狀 態。電流取樣信號和電流控制電路Ccl設定的參考信號比較，經過電流控制電路 Ccl調節后，連接到功率因數控制器Cpl，從而控制開關變換電路，實現接近恒 定的輸出負載電流控制。為了實現功率因數校正電路的高功率因數，電流控制電 路Ccl的控制速度設定的較慢，帶寬很低(低于電網頻率)。電流控制電路Cc2 開路不起作用。
當輸入動態及異常(起機、突變、過壓等)或者負載動態(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設定的參考信號 比較，經過電流控制電路Cc2快速調節之后，用來控制輸出調整管S2的導通狀態，輸出調整管S2從飽和導通進入到線性調整模式，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或負載動態做出快速反應， 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穩態正常工作的電流，而 控制環Cc2只在動態時工作，因此控制環Cc2的限流點大于控制環Ccl的限流 點。
如圖所示的丌關變換電路M1的輸出端并聯一小容量的電容C1，而大容量 的儲能電容C2連接到輸出調整管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，可控制輸出調整管S2工作在線性導通模式，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，實現軟啟動功能。
圖2是本發明的實現框圖之二。主電路由交流輸入電壓Vac，整流橋Kl,開 關變換電路Ml,輸出儲能電容C2 (該儲能電容為電解電容)，電流取樣電路， 輸出調整管S2，以及負載LED (可以多個LED燈串并聯)組成。交流輸入電壓 (Vac)經過K1整流后，連接到開關變換電路M1，儲能電容C1并聯到開關變 換電路Ml輸出端，電流取樣電路和輸出調整管S2串聯在儲能電容Cl和負載 LED之間。其中，輸出儲能電容C2是大容量電解電容。開關變換電路M1由功 率因數控制器Cpl控制，通過功率因數控制器Cpl控制，開關變換電路Ml可 以實現高功率因數。
當輸入電壓正常或負載處于穩態時，輸出調整管S2 —直處于飽和導通狀 態。電流取樣信號和電流控制電路Ccl設定的參考信號比較，經過電流控制電路 Ccl調節后，連接到功率因數控制器Cpl，從而控制開關變換電路，實現接近恒 定的輸出負載電流控制。為了實現功率因數校正電路的高功率因數，電流控制電 路Ccl的控制速度設定的較慢，帶寬很低(低于電網頻率)。電流控制電路Cc2 開路不起作用。
當輸入動態及異常(起機、突變、過壓等)或者負載動態(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設定的參考信號 比較，經過電流控制電路Cc2快速調節之后，用來控制輸出調整管S2的導通狀 態，輸出調整管S2從飽和導通進入到線性調整模式，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或負載動態做出快速反應，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穩態正常工作的電流，而 控制環Cc2只在動態時工作，因此控制環Cc2的限流點大于控制環Ccl的限流 點。
該電路由于輸出儲能電容C2并聯在開關變換電路的輸出，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)功率因數校正電路作為開關變換電路M1為例的 具體電路第一種實施方式。交流輸入電壓(Vac)經過整流橋Kl整流后，連接 到由電感Ll，開關管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管S1和二極管D1的陽極，二 極管的陰極輸出與電容C1串聯后，并聯在開關管S1輸出端。電流取樣電阻R1 和輸出調整管S2串聯在電容Cl和輸出儲能電容C2之間。負載LED并聯在輸 出儲能電容C2兩端。
所述的升壓Boost電路與功率因數校正控制器Cpl的控制端連接，通過控 制開關管Sl的開關狀態實現高功率因數校正功能。電流控制電路Ccl由運放1 和補償網絡1等元件構成。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整管 S2的門極。
當輸入電壓正常或負載處于穩態時，輸出調整管S2處于飽和導通狀態，因 此，采樣電阻Rl兩端感應的電壓(Vr)是輸出負載電流(Io)在采樣電阻Rl 上產生的電壓，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，通過補償網絡1的閉環調節， 電流控制電路Ccl產生的輸出信號連接到功率因數控制器Cpl,從而實現對輸出電流的恒流控制。為實現高功率因數，該電流環控制速度較慢，帶寬較窄(低于 電網頻率)。
在輸入動態及異常(如起機、跳變等)及負載動態(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不能快速調節電流；在輸入過
壓及負載短路時，Boost電路本身難以實現對輸出電流的控制。當負載電流突然 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，導通壓降下降，導致輸出調整管S2的門極電壓降 低，輸出調整管S2的導通壓降升高，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。在輸入過壓及負載短路時，可以控制輸出調整管快速關斷，以實現快速保護， 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，可控制輸出調整管S2工作在線性導通模式，抑制啟 動時對儲能電容C2的充電電流，從而減小輸入電流，實現軟啟動功能。
圖4以升壓電路(Boost)功率因數校正電路作為開關變換電路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,開關變換電路 M1及電容C1，輸出調整管S2，取樣電阻Rl,儲能電容C2，負載LED，功率因 數校正電路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和補償網絡2等元件構成。
當輸入電壓正常或負載處于穩態時，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，實現恒流控制。
在輸入動態及異常(如起機、跳變等)及負載動態(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整管S2的門極，通過電流控制電路 Cc2閉環快速調節，可控制輸出調整管S2的工作狀態，實現快速限流。同樣， 在電源啟動時，由于電流控制電路Cc2的快速控制，可控制輸出調整管S2工作 在線性導通模式，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，實現軟啟動功能。
圖5以升壓電路(Boost)功率因數校正電路作為開關變換電路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,開關變換電路 M1及電容C1，輸出調整管S2，取樣電阻Rl,儲能電容C2，負載LED，功率因 數校正電路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 一端連接到輸出調整管S2的門極。
當輸入電壓JE常或負載處于穩態時，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，實現恒流控制。
在輸入動態及異常(如起機、跳變等)及負載動態(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，輸出調整管 S2的門極電壓降低，輸出調整管S2的導通壓降升高，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，可控制輸出調整管S2工作在線性導通 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，實現軟 啟動功能。
本發明詳細說明以升壓(Boost)電路作為功率因數校正主電路為例的實施 例。但所述的開關變換電路還可以是反激電路、降壓(Biick)、降壓-升壓電路 (Buck-boost),等單級功率因數校正電路。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。顯然，本發 明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公 開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是發明的保護范圍。
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權利要求
1、一種高功率因數的AC-DC LED驅動電路，包括整流電路K1、開關變換電路M1、電流取樣電阻R1、輸出調整管S1、輸出電容C2、功率因數校正控制器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，輸出端接開關變換電路M1的輸入端；所述的開關變換電路M1的輸出正端接LED負載正端，開關變換電路M1的輸出負端接電流取樣電阻R1的一端，電流取樣電阻R1的另一端接輸出調整管S2的第一極，輸出調整管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變換電路M1的輸入端，用來控制開關變換電路M1的開關管，實現電路正常工作狀態下的功率因數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整管S2的控制端；在電路動態異常時快速響應，控制輸出調整管S2工作在線性導通模式，實現對LED負載的快速限流控制。
2、 如權利要求1所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，其特征在于 所述的輸出電容C2并聯在LED負載兩端，在所述的開關變換電路M1輸出端還 并聯一個小容量電容C1。
3、 如權利要求2所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，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、 如權利要求1所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，其特征在于 所述的輸出電容C2并聯在所述的開關變換電路M1輸出端。
5、 如權利要求1-4任何一項所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路， 其特征在于所述的開關變換器電路是單級功率因數校正電路。
6、 如權利要求5所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，其特征在于 所述的開關變換器電路是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、 如權利要求1所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，其特征在于所述的電路動態異常包括起機及輸入突變、LED負載輸出過流或輸出突變。
8、 如權利要求1所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，其特征在于 所述的電流控制電路Ccl的控制環路帶寬低于電網頻率；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、 如權利要求1所述的高功率因數的AC-DC LED驅動電路，其特征在于 所述的輸出調整管S2在電路正常工作狀態下工作在飽和導通模式，而在電路動 態異常時工作在線性模式。
10、 如權利要求1所述的高功率因數的AC-DCLED驅動電路，其特征在于 所述的輸出調整管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、并聯組合連接。
全文摘要
本發明公開了一種高功率因數的AC-DC LED驅動電路。包括交流輸入電壓；整流電路；開關變換電路；電流取樣電阻；輸出調整開關管；功率因數校正控制器；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控制，使AC-DC高功率因數校正電路能夠提供LED穩態正常工作所需的恒定電流以及動態狀態(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。并且可以實現輸入軟啟動，減小輸入沖擊電流。本發明的有益效果是1.在實現高功率因數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.方便實現驅動器軟啟動，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 優先權日2009年8月24日
發明者華桂潮, 吳新科, 姚曉莉, 葛良安 申請人:英飛特電子(杭州)有限公司