一种低输出纹波无电解电容LED驱动电源及切换方法

一种低输出纹波无电解电容led驱动电源及切换方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种低输出纹波无电解电容led驱动电源及切换方法，适用于开关电源，属于交流/直流(ac/dc)、直流/直流(dc/dc)变换器领域。


背景技术：

2.发光二极管(light emitting diode，led)是新一代照明光源，具有光效高、寿命长、可靠性高、体积小、不含汞等优点，其应用正迅速增加。led被用作照明应用的光源，包括街道照明、交通照明、汽车照明、装饰照明和许多其他应用。led的整体性能在很大程度上依赖于高可靠性、高功率因数、长寿命、低成本的驱动电源。
3.在交流供电的情况下，需要通过功率因数校正以获得较高的功率因数。当输入电压和输入电流是理想正弦波即率因数等于1时，瞬时输入功率和输出功率之间存在一个大小为pocos2ωt的脉动功率。为了平衡瞬时输入功率和输出功率，传统驱动电源中常采用通常会使用储能电容来平衡该功率脉动，一般为电解电容。但由于电解电容寿命仅有led寿命的十分之一左右，是制约led驱动电源寿命的关键元件。因此，要提高led驱动电源的使用寿命，必须去除电解电容。


技术实现要素：

4.本发明针对sepic-flyback led驱动电源中存在的寿命短、变压器磁芯利用率低以及输出纹波大等问题，提出了一种低输出纹波无电解电容led驱动电源。该驱动电源电路通过将反激回路改进成正反激回路，使得dc-dc变换器工作在正反激模式，可以提高磁芯利用率，降低输出纹波，并用薄膜电容代替电解电容，从而延长led驱动电源的使用寿命。
5.本发明电路的技术方案为：一种低输出纹波无电解电容led驱动电源，包括依次连接的交流电源、输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、桥式整流电路、一个sepic电路和一个改进的dc-dc变换电路；所述改进dc-dc变换电路由第一开关管q1，第二二极管d2，变压器t，辅助电容c1，续流二极管d3、d4、d5、d6，输出滤波电感l0，输出滤波电容c0及led负载组成；变压器t初级绕组一端连接二极管d2的阴极，变压器t初级绕组另一端连接功率因数校正单元(pfc)的输出储能电容cb的负极和第一二极管d1的正极，变压器t次级绕组一端连接续流二极管d4的阴极和续流二级管d5的阳极，变压器t次级绕组另一端连接辅助电容c1的正极，辅助电容c1的负极连接续流二极管d3的阴极和续流二极管d6的阳极，输出滤波电感l0一端连接续流二级管d3的阳极，输出滤波电感l0另一端连接续流二级管d4的阳极和输出滤波电容c0的负极。
6.进一步，所述输入滤波电感lf一端连接交流电源正极，输入滤波电感lf另一端连接输入滤波电容cf正极，所述滤波电容cf负极连接交流电源负极。
7.进一步，所述桥式整流电路由第一二极管dr1、第二二极管dr2、第三二极管dr3和第四二极管dr4组成；所述第一二极管dr1的阳极连接所述第四二极管dr4的阴极，所述第三二极管dr3的阳极连接所述第二二极管dr2的阴极，所述第一二极管dr1与所述第三二极管
dr3的阴极对接并与第一电感l1一端连接，所述第二二极管dr2与所述第四二极管dr4的阳极对接并与第一开关管q1的源极和中间储能电容c的负极连接。
8.进一步，所述sepic电路由第一开关管q1，第一电感l1，输出储能电容cb，第二电感l2，第一二极管d1、中间储能电容c组成；第一电感l1一端连接第一二极管dr1的阴极，第一电感l1另一端连接输出储能电容cb、第二电感l2和第一开关管q1的漏极，第一开关管q1的漏极连接第二二极管d2的阳极，第一开关管q1的源极连接中间储能电容c的负极和第二二极管的阳极，中间储能电容c的阳极连接第二电感和第一二极管d1的阴极。
9.进一步，第一电感l1工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正功能。
10.进一步，所述变压器t初级绕组和次级绕组在第一开关管q1导通和关断期间均有电流流过。
11.进一步，所述中间储能电容c和输出储能电容cb的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用较小容值的非电解电容代替电解电容。
12.一种低输出纹波无电解电容led驱动电源的切换方法，包括以下阶段：
13.工作模态1[t
0-t1]：在t0时刻，第一开关管q1开通，交流电源给第一电感l1充电，中间储能电容c给第二电感l2充电，输出储能电容cb一部分能量给励磁电感lm充电，另一部分能量通过变压器t和辅助电容c1一起给输出滤波电感l0，输出滤波电容c0及led负载供电；
[0014]
工作模态2[t
1-t2]：在t1时刻，第一开关管q1关断，交流电源和第一电感l1一起给中间储能电容c充电，第二电感l2给输出储能电容cb充电，励磁电感lm通过变压器t给辅助电容c1充电，同时输出滤波电感l0，输出滤波电容c0，续流二极管d6、d4及led负载组成续流回路，输出滤波电感l0向输出滤波电容c0及led负载供电；
[0015]
工作模态3[t
2-t3]：在t2时刻，第一电感l1放电结束，电感l2的电流继续减小，励磁电感lm继续给辅助电容c1充电，同时输出滤波电感l0继续通过续流二极管d3、d6向输出滤波电容c0及led负载供电；
[0016]
工作模态4[t
3-t4]：在t3时刻，第二电感l2放电结束，励磁电感lm继续给辅助电容c1充电，输出滤波电感l0继续通过续流二极管d3、d6向输出滤波电容c0及led负载供电；
[0017]
工作模态5[t
4-t5]：在t4时刻，滤波电感l0放电结束，励磁电感lm继续给辅助电容c1充电，并且通过反激回路向输出滤波电容c0及led负载供电。
[0018]
工作模态6[t
5-t6]：在t5时刻，励磁电感lm放电结束，只有输出滤波电容c0向led负载供电。
[0019]
进一步，所述输出储能电容cb和中间储能电容c的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用较小容值的非电解电容代替电解电容。
[0020]
进一步，所述变压器t初级绕组和次级绕组在第一开关管q1导通和关断期间均有电流流过。
[0021]
本发明的有益效果为：(1)一种低输出纹波无电解电容led驱动电源，储能电容电压设计为较大脉动纹波电压形式，可以使用较小容值的非电解电容如薄膜电容代替电解电容，延长了led驱动电源使用寿命；(2)改进后的正反激变换器，相比于传统反激变压器，在开关管开通期间变压器中有正向电流流过，在开关管关断期间变压器中有反向电流流过，实现了双向励磁，提高了磁芯利用率，提高了led驱动电源的效率；(3)在正反激模式下，输出电压电流纹波小，功率因数高；(4)sepic电路和dc-dc变换电路共用一个开关管，控制简
单，大大减少了开关损耗。
附图说明
[0022]
图1一种低输出纹波无电解电容led驱动电源拓扑结构示意图；
[0023]
图2一种低输出纹波无电解电容led驱动电源电路在一个开关周期内主要工作波形示意图；
[0024]
图3一种低输出纹波无电解电容led驱动电源电路在一个开关周期内各开关模态等效电路示意图。(a)为模态1等效电路；(b)为模态2等效电路；(c)为模态3等效电路；(d)为模态4等效电路；(e)为模态5等效电路；(f)为模态6等效电路。
具体实施方式
[0025]
下面将结合附图与本发明的实施例对本发明进行进一步说明。
[0026]
如图1所示，本发明提供的一种低输出纹波无电解电容led驱动电源，包括交流电源，输入滤波电感lf，输入滤波电容cf，桥式整流电路，第一开关管q1，第一电感l1，第二电感l2，输出储能电容cb，中间储能电容c，第一二极管d1、第二二极管d2，变压器t，辅助电容c1，续流二极管d3、d4、d5、d6，输出滤波电感l0，输出滤波电容c0及led负载。
[0027]
所述桥式整流电路由第一二极管dr1、第二二极管dr2、第三二极管dr3和第四二极管dr4组成；所述第一二极管dr1的阳极连接所述第四二极管dr4的阴极，所述第三二极管dr3的阳极连接所述第二二极管dr2的阴极，所述第一二极管dr1与所述第三二极管dr3的阴极对接并与第一电感l1一端连接，所述第二二极管dr2与所述第四二极管dr4的阳极对接并与第一开关管q1的源极和中间储能电容c的负极连接。
[0028]
所述第一电感l1一端连接第一二极管dr1的阴极，第一电感l1另一端连接输出储能电容cb、第二电感l2和第一开关管q1的漏极，第一开关管q1的漏极连接第二二极管d2的阳极，第一开关管q1的源极连接中间储能电容c的负极和第二二极管的阳极，中间储能电容c的阳极连接第二电感和第一二极管d1的阴极。
[0029]
所述变压器t初级绕组一端连接二极管d2的阴极，变压器t初级绕组另一端连接pfc输出电容cb的负极，变压器t次级绕组一端连接续流二极管d4的阴极和续流二级管d5的阳极，变压器t次级绕组另一端连接辅助电容c1的正极，辅助电容c1的负极连接续流二极管d3的阴极和续流二极管d6的阳极，输出滤波电感l0一端连接续流二级管d3的阳极，输出滤波电感l0另一端连接续流二级管d4的阳极和输出滤波电容c0的负极。
[0030]
本发明驱动电源电路实施例选用的高频开关频率为120khz。
[0031]
参见图3给出的本发明所述驱动电源电路的六种工作模态的等效电路，具体为：
[0032]
工作模态1[t
0-t1]：在t0时刻，第一开关管q1开通，交流电源给第一电感l1充电，中间储能电容c给第二电感l2充电，输出储能电容cb一部分能量给励磁电感lm充电，另一部分能量通过变压器t和辅助电容c1一起给输出滤波电感l0，输出滤波电容c0及led负载供电；
[0033]
工作模态2[t
1-t2]：在t1时刻，第一开关管q1关断，交流电源和第一电感l1一起给中间储能电容c充电，第二电感l2给输出储能电容cb充电，励磁电感lm通过变压器t给辅助电容c1充电，同时输出滤波电感l0，输出滤波电容c0，续流二极管d6、d4及led负载组成续流回路，输出滤波电感l0向输出滤波电容c0及led负载供电；
[0034]
工作模态3[t
2-t3]：在t2时刻，第一电感l1放电结束，电感l2的电流继续减小，励磁电感lm继续给辅助电容c1充电，同时输出滤波电感l0继续通过续流二极管d3、d6向输出滤波电容c0及led负载供电；
[0035]
工作模态4[t
3-t4]：在t3时刻，第二电感l2放电结束，励磁电感lm继续给辅助电容c1充电，输出滤波电感l0继续通过续流二极管d3、d6向输出滤波电容c0及led负载供电；
[0036]
工作模态5[t
4-t5]：在t4时刻，滤波电感l0放电结束，励磁电感lm继续给辅助电容c1充电，并且通过反激回路向输出滤波电容c0及led负载供电。
[0037]
工作模态6[t
5-t6]：在t5时刻，励磁电感lm放电结束，只有输出滤波电容c0向led负载供电。
[0038]
根据上述具体实施方案，仿真出本发明驱动电源电路拓扑主要输出波形。
[0039]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的精神和范围的前提下，还可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。