一种满足欧盟标准的LED驱动电源的制作方法

一种满足欧盟标准的led驱动电源
技术领域
1.本发明涉及led驱动电源技术领域，具体为一种满足欧盟标准的led驱动电源。


背景技术：

2.欧盟新的能效erp法规(eu)2019/2020(以下称：erp 2.0)即将于2020年9月1日强制执行。另外，欧盟en61000
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2:2019/iec 61000
‑3‑
2:2018也即将于2021年3月1日强制执行。
3.在上述两个欧盟新的法规强制执行前，对于额定输入功率≥5w、≤25w的led驱动电源(以下称：5～25w的led驱动电源)，欧盟旧版本的能效erp法规(eu)1194/2012(erp1.0)要求功率因数＞0.5即可；另外，en61000
‑3‑
2:2019之前的版本en61000
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2:2014/2009并未对5～25w的led驱动电源有谐波电流的限值要求。在以往的设计中，led驱动电源厂家只需要使用传统的低pf单级反激隔离变换器(以下称：低pf反激变换器)，适当调小整流滤波电容的容量及加大保险电阻阻值，将功率因数调大至0.5～0.6即可满足erp1.0的相关要求。参考图1，适当调小c1和c2的容量值，适当增加保险电阻的阻值，将功率因数调整到0.5～0.6。
4.目前的问题是，以往的设计方案不能同时满足erp2.0标准中频闪和频闪效应的限值要求以及en61000
‑3‑
2:2019标准中对5～25w的led驱动电源的谐波电流限值要求。对于频闪，要求满载时pstlm≤1.0；对于频闪效应，要求满载时svm≤0.4。一般来说，满足这两项erp2.0限值要求，led驱动电源的满载输出纹波电流须控制在输出电流的5％左右，使用传统的低pf反激变换器可以有效的抑制输出工频纹波电压和电流，满足这两项erp2.0限值要求，但无法满足en61000
‑3‑
2:2019标准中对5～25w的led驱动电源的谐波电流限值要求。
5.根据en61000
‑3‑
2:2019标准，额定输入功率≥5w、≤25w的照明设备应满足以下三种要求之一：
6.第1种：谐波电流不得超过图1中列第2列的功率相关限制。
7.第2种：以基波电流的百分比表示，3次谐波电流≤86％，5次谐波电流≤61％，另外输入电流的波形，应使其在60
°
之前或60
°
处达到5％电流阈值(开通)，在65
°
之前或65
°
处达到峰值，并在90
°
之前不低于5％电流阈值(截止)，参照基本电源电压的任意过零点。电流阈值为测量窗口中出现的最高绝对峰值的5％，相位角的测量是在包含此绝对峰值的周期内进行的(见图2)。频率在9khz以上的电流分量不影响此评估(类似于iec 61000
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7：2002和iec 61000
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7：2002/amd 1：2008可能使用的5.3中描述的滤波器)。
8.第3种：总谐波失真(thd)≤70％，3次谐波电流占基波电流的百分比≤35％，5次谐波电流≤25％，7次谐波电流≤30％。9、11次谐波电流≤20％，2次谐波电流≤5％。
9.现有技术方案分析及对比：
10.技术方案1：传统的低pf反激变换器方案可以有效的抑制工频纹波电压和电流，满足erp2.0关于频闪和频闪效应的限值要求，但却很难满足en61000
‑3‑
2:2019标准的上述3个要求中的任意一个，即使牺牲成本和pcb布局空间，增加单级填谷pfc电路并减小电解电
容容量却又会引出电解电容温升过高的问题。
11.技术方案2：使用主动pfc加低pf反激变换器的两级方案虽然能同时满足erp2.0和en61000
‑3‑
2:2019(以下称：上述两个标准)标准的要求，但整体方案的bom成本高、emi问题难解决(pfc和反激变换器都存在emi问题)，最主要问题是额定输入功率为5～25w的led驱动电源的外壳本来就设计得比较小，双级方案的元器件过多，基本无法在这些外壳对应的pcb板上布局和走线。
12.技术方案3：使用单端反激pfc变换器(以下称：单端反激pfc)可以满足en61000
‑3‑
2:2019的标准要求，但满足不了erp2.0关于频闪和频闪效应的限值要求。原因是单端反激pfc方案虽然具备功率因数校正和隔离输出的功能，但由于输出电压和输出电流的工频纹波成分大，频闪和频闪效应值容易超标。如果需要同时满足上述两个标准的要求，需要在单端反激pfc的输出再加一级dc
‑
dc恒压或恒流模块以消除工频纹波，降低频闪和频闪效应值。但这种两级方案同样存在技术方案2的问题。
13.距离erp2.0和en61000
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2:2019强制执行的时间已经越来越近，但目前市场上还没有基于反激变换器pwm芯片设计的、同时满足erp2.0和en61000
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2:2019标准的5～25w小功率led驱动电源，本发明正是在这个严峻的窗口期应运而生。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于提供一种满足欧盟标准的led驱动电源，具备3次谐波电流≤86％，5次谐波电流≤61％；另外输入电流的波形，在60
°
之前或60
°
处开通，在65
°
之前或65
°
处达到峰值，并在90
°
或90
°
之后截止的优点，解决了距离erp2.0和en61000
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2:2019强制执行的时间已经越来越近，但目前市场上还没有基于反激变换器pwm芯片设计的、同时满足erp2.0和en61000
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2:2019标准的5～25w小功率led驱动电源，本发明正是在这个严峻的窗口期应运而生的问题。
15.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种满足欧盟标准的led驱动电源，包括电源本体、输入模块、pcb板、充电泵模块、储能滤波模块、输出模块、变压器模块、整流桥堆模块和emi滤波模块，所述电源本体内设有pcb板，所述pcb板的上表面设有输入模块，所述pcb板背离输入模块的一端设有输出模块，所述pcb板的两侧分别设有充电泵模块、储能滤波模块和变压器模块、整流桥堆模块、emi滤波模块。
16.优选的，所述输入模块和输出模块在pcb板的两端对称分布。
17.优选的，所述充电泵模块、储能滤波模块、变压器模块、整流桥堆模块和emi滤波模块在pcb板上交错分布。
18.优选的，所述充电泵模块由电解电容c1、c2，桥堆bd2，电阻r1，恒压源vdd组成。
19.优选的，所述储能滤波模块由电解电容c4，电感l1，电阻r2，电解电容c5组成。
20.优选的，所述输入模块与vdd模块通过导线连通，且vdd模块由整流二极管d1，电阻r3，电容c8、辅助绕组t1b组成。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.1、emi滤波模块可以是x电容，共模电感，差模电感或者三者的组合，在5～25w小功率led驱动的场合，可以根据实际应用情况省去x电容/共模滤波器/差模电感；
23.2、vdd模块由整流二极管d1，电阻r3，电容c8、辅助绕组t1b组成，t1b是反激变换
dc
‑
dc的主变压器t1的辅助绕组，恒压源vdd正是通过变压器t1辅助绕组整流滤波而成，vdd电压一般设定在15～20v之间，保证在特殊情况下不超过电容c8的耐压，在本发明中，我们巧妙地利用反激变换器主变压器上的辅助绕组整流滤波得到恒压源vdd而无需进行繁琐的外部设计；
24.3、充电泵模块由电解电容c1、c2，桥堆bd2，电阻r1，恒压源vdd组成，桥堆bd2分开为两个部分，bd2_1和bd2_2对应上桥臂；bd2_3和bd2_4对应下桥臂，vin 为整流滤波电容电压，vl和vn为交流半波正向电压(参考图4，vl和vn以储能滤波电容的地为参考点，两者相位相差180
°
)，为方便分析，忽略bd2_1和bd2_2的管压降，开始状态下vl为0，bd2_1正偏导通，c1正极电压为vdd，随着vl以正弦半波上升，bd2_1反偏截止，根据电容两端电压不能突变的原理，c1正极电压为vl vdd，当vl vdd电压超过vin 时，bd2_2正偏导通，c1对整流滤波电容c4放电，当c1放电至电压小于vin 则bd2_2反偏截止，同理，bd2_3、bd2_4、c2和vn对应的下桥组合的充放电过程与bd2_1、bd2_2、c1和vl对应的上桥组合的充放电过程相同。在充放电周期内，充电泵模块将电压源vdd的电压与vl/vn的电压叠加，使整流桥堆的开通角度提前，提前的角度为vdd对应在正弦波相应位置在时间(角度)轴上的投影，vdd电压越高，向储能滤波电容充电的电荷越多即输入电流峰值越高且提前的角度越大；c1/c2的容量越大，向储能滤波电容充电的电荷越多即输入电流峰值越高且峰值对应的角度越靠前，参考图7与图8，两条垂直方向的虚线对应角度60
°
和65
°
，可以看出c1/c2容量大，输入电流峰值角度越靠前，充电泵模块中的r1可以减缓充放电过程的变化，从图7与图10的区别可以看出，合理的r1阻值可以修正输入电流波形的缺陷处；结合谐波测试仪的测试结果，可以降低第3,5次之外的谐波电流；
25.4、储能滤波模块由电解电容c4，电感l1，电阻r2，电解电容c5组成，我们需要大幅度减少储能滤波电容的容量以提升功率因数，将输入电流的导通角提前至60
°
之前，将峰值电流的角度提前至65
°
之前，对比图7与图11可以看出，储能滤波电容的容量大，输入电流的开通、截止、峰值角度后移；相反，储能滤波电容的容量小，输入电流的开通、截止、峰值角度前移，大幅度减少储能滤波电容容量的做法会导致整流滤波电压的下降，输入电流有效值升高，储能滤波电容的纹波电流增加、温升升高、寿命减短，为解决上述问题，我们引入减少单个电解电容容量、多个电解电容并联的方法减小esr并增加散热面积，考虑到纹波电流损耗p＝i2 r(i对应纹波电流有效值，r对应esr)，通过减少esr可有效减少电解电容的损耗。
26.5、在本发明中，我们巧妙地利用变压器模块的主变压器的辅助绕组整流滤波得到恒压源而无需进行繁琐的外部设计，节省成本，减小体积；在大幅度减少储能滤波电容容量的基础上增加充电泵电路，修正输入电流波形，将输入电流波形中的峰值角度往前推移并进一步将开通角度提前；阻抗与储能滤波电容，构成rc滤波电路，抑制输入电流下降，将输入电流的截止角度拉大至90
°
以上；同时抑制输入电流的峰值，减小开通和截止对应的电流阈值(峰值电流*5％)，有利于满足标准的要求；上述的几项电路实现方法是紧密配合、不可分割的，单独的一个电路实现方法和参数调优并不能满足标准的要求；以传统的低pf反激变换器为基本构架，合理调优和组合充电泵电路、电压源电路，线路阻抗和储能滤波电容的参数，同时满足欧盟erp法规(eu)2019/2020及en61000
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2:2019/iec 61000
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2:2018的标准要求。
附图说明
27.图1为d类设备谐波电流范围示意图；
28.图2为相对相位角和电流参数关系示意图；
29.图3为传统低pf反激变换器，储能滤波电容的容量较大的情况下，输入电压与电流波形图；
30.图4为本发明的230vac/50hz环境下vl和vn电压波形图；
31.图5为本发明的输入13w；储能滤波电容容量＝4.4u；f1＝20r；r1＝66r；c1＝c2＝22u状况下波形图；
32.图6为无充电泵模块；输入13w；储能滤波电容容量＝4.4u；f1＝20r；r1＝66r；c1＝c2＝22u状况下波形图；
33.图7为本发明的输入功率18.5w；储能滤波电容容量＝4.4u；f1＝20r；r1＝66r；c1＝c2＝22u状况下波形图；
34.图8为本发明的输入功率18.5w；储能滤波电容容量＝4.4u；f1＝20r；r1＝66r；c1＝c2＝10u状况下波形图；
35.图9为本发明的输入功率18.5w；储能滤波电容容量＝4.4u；f1＝42r；r1＝66r；c1＝c2＝22u状况下波形图；
36.图10为本发明的输入功率18.5w；储能滤波电容容量＝4.4u；f1＝20r；r1＝0r；c1＝c2＝22u状况下波形图；
37.图11为本发明的输入功率18.5w；c＝9.1u；f＝20r；r＝66r；c1＝c2＝22u状况下波形图；
38.图12为本发明的结构示意图
39.图13为本发明的模块示意图；
40.图14为本发明的电压源模块示意图；
41.图15为本发明的充电泵模块示意图；
42.图16为本发明的储能滤波模块示意图。
43.图中：1、电源本体；2、输入模块；3、pcb板；4、充电泵模块；5、储能滤波模块；6、输出模块；7、变压器模块；8、整流桥堆模块；9、emi滤波模块。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设
置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.本发明提供的一种满足欧盟标准的led驱动电源的技术方案
48.一种满足欧盟标准的led驱动电源，包括电源本体1、输入模块2、pcb板3、充电泵模块4、储能滤波模块5、输出模块6、变压器模块7、整流桥堆模块8和emi滤波模块9，利用变压器模块7的主变压器的辅助绕组整流滤波得到恒压源而无需进行繁琐的外部设计，节省成本，减小体积；在大幅度减少储能滤波电容容量的基础上增加充电泵电路，修正输入电流波形，将输入电流波形中的峰值角度往前推移并进一步将开通角度提前；阻抗与储能滤波电容，构成rc滤波电路，抑制输入电流下降，将输入电流的截止角度拉大至90
°
以上；同时抑制输入电流的峰值，减小开通和截止对应的电流阈值(峰值电流*5％)，有利于满足标准的要求；参考图13和图16，线路阻抗由保险电阻f1提供，合适的f1阻值可以与储能滤波电容，构成rc滤波电路，抑制输入电流下降，将输入电流的截止角度拉大至90
°
以上；另外，合适的f1阻值抑制输入电流的峰值，如果峰值太大，则开通和截止对应的电流阈值(峰值电流*5％)也会变大，不利于我们满足标准的要求。对比图7与图9可以看出，保险电阻取值越大，输入电流峰值被压制得越低，截止角度越远离90
°
,上述的几项电路实现方法是紧密配合、不可分割的，单独的一个电路实现方法和参数调优并不能满足标准的要求；以传统的低pf反激变换器为基本构架，合理调优和组合充电泵电路、电压源电路，线路阻抗和储能滤波电容的参数，线路阻抗由f1提供，但不限于单个保险电阻，可以是多个电阻串联，可以是保险管串联普通电阻的结构，可以选择在储能滤波模块前的线路上串联电阻(可以把部分电阻放在n线上)，同时满足欧盟erp法规(eu)2019/2020及en61000
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2：2019/iec 61000
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2：2018的标准要求，电源本体1内设有pcb板3，pcb板3的上表面设有输入模块2，输入模块2与vdd模块通过导线连通，且vdd模块由整流二极管d1，电阻r3，电容c8、辅助绕组t1b组成，t1b是反激变换dc
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dc的主变压器t1的辅助绕组，恒压源vdd正是通过变压器t1辅助绕组整流滤波而成，vdd电压一般设定在15～20v之间，保证在特殊情况下不超过电容c8的耐压，在本发明中，我们巧妙地利用反激变换器主变压器上的辅助绕组整流滤波得到恒压源vdd而无需进行繁琐的外部设计。
49.输入模块2和输出模块6在pcb板3的两端对称分布，pcb板3背离输入模块2的一端设有输出模块6，pcb板3的两侧分别设有充电泵模块4、储能滤波模块5和变压器模块7、整流桥堆模块8、emi滤波模块9，储能滤波模块不限于图16所示的结构，可以是1个或者多个电容并联在前端的电容c4上(如图16的c3)，也可以是1个或者多个电容并联在后端的电容c5上(如图16的c6,c7)；除图16展示的c,l,c构成的π型滤波结构外，储能滤波电路可以是由电容c，电感l构成的其他类型的滤波器结构，emi滤波模块9可以是x电容，共模电感，差模电感或者三者的组合，在5～25w小功率led驱动的场合，可以根据实际应用情况省去x电容/共模滤波器/差模电感，储能滤波模块5由电解电容c4，电感l1，电阻r2，电解电容c5组成，我们需要大幅度减少储能滤波电容的容量以提升功率因数，将输入电流的导通角提前至60
°
之前，将峰值电流的角度提前至65
°
之前，对比图7与图11可以看出，储能滤波电容的容量大，输入电流的开通、截止、峰值角度后移；相反，储能滤波电容的容量小，输入电流的开通、截止、峰值
角度前移，大幅度减少储能滤波电容容量的做法会导致整流滤波电压的下降，输入电流有效值升高，储能滤波电容的纹波电流增加、温升升高、寿命减短，为解决上述问题，我们引入减少单个电解电容容量、多个电解电容并联的方法减小esr并增加散热面积，考虑到纹波电流损耗p＝i2 r(i对应纹波电流有效值，r对应esr)，通过减少esr可有效减少电解电容的损耗。
50.充电泵模块4由电解电容c1、c2，桥堆bd2，电阻r1，恒压源vdd组成，整流桥堆模块和整流桥堆bd2不限于独立的单个封装，也可以是4个二极管单独组成的结构，桥堆bd2分开为两个部分，bd2_1和bd2_2对应上桥臂；bd2_3和bd2_4对应下桥臂，vin 为整流滤波电容电压，vl和vn为交流半波正向电压(参考图4，vl和vn以储能滤波电容的地为参考点，两者相位相差180
°
)，为方便分析，忽略bd2_1和bd2_2的管压降，开始状态下vl为0，bd2_1正偏导通，c1正极电压为vdd，随着vl以正弦半波上升，bd2_1反偏截止，根据电容两端电压不能突变的原理，c1正极电压为vl vdd，当vl vdd电压超过vin 时，bd2_2正偏导通，c1对整流滤波电容c4放电，当c1放电至电压小于vin 则bd2_2反偏截止，同理，bd2_3、bd2_4、c2和vn对应的下桥组合的充放电过程与bd2_1、bd2_2、c1和vl对应的上桥组合的充放电过程相同，在充放电周期内，充电泵模块4将电压源vdd的电压与vl/vn的电压叠加，使整流桥堆的开通角度提前，提前的角度为vdd对应在正弦波相应位置在时间(角度)轴上的投影，vdd电压越高，向储能滤波电容充电的电荷越多即输入电流峰值越高且提前的角度越大；c1/c2的容量越大，向储能滤波电容充电的电荷越多即输入电流峰值越高且峰值对应的角度越靠前，参考图7与图8，两条垂直方向的虚线对应角度60
°
和65
°
，可以看出c1/c2容量大，输入电流峰值角度越靠前，充电泵模块4中的r1可以减缓充放电过程的变化，从图7与图10的区别可以看出，合理的r1阻值可以修正输入电流波形的缺陷处,在实际应用可以将电阻r1短路，或者r1由多个电阻串联或并联；结合谐波测试仪的测试结果，可以降低第3，5次之外的谐波电流，充电泵模块4、储能滤波模块5、变压器模块7、整流桥堆模块8和emi滤波模块9在pcb板3上交错分布。
51.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。