无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑.pdf

本发明公开了无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑，采用两片单片机为弱电控制核心，包括单片机MCU1启动供电回路、单片机MCU2启动供电回路、交流电源供电回路、单片机MCU1的自供电电路、单片机MCU2的自供电电路、反向串联BUCK电路和输出电路；本发明的BUCK倍电流拓扑取消桥式整流和高压电解电容以实现全固态电路、智能控制、高功率因数、恒流精度高、可靠性高、电路简洁、成本低，无直流偏磁。

权利要求书1.  无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑，其特征在于，包括单片机MCU1启动供电回路、单片机MCU2启动供电回路、交流电源供电回路、单片机MCU1的自供电电路、单片机MCU2的自供电电路、反向串联BUCK电路和输出电路；单片机MCU1启动供电回路：单片机MCU1未启动前的交流电源正半波，电流从交流电源的电源端～L流出，依次流经熔断保险丝F、启动电阻Rj 1、稳压二极管DZ1的负极和正极、电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端和异名端、电力电子变压器TR的初级绕组N12的同名端和异名端、二极管D2，回到交流电源的电源端～N；单片机MCU1的电源端VCC1经降压电阻RV1连接在该回路的启动电阻Rj 1和稳压二极管DZ1的负极之间以获取单片机MCU1的工作电压；稳压二极管DZ1的负极连接高电压小电流电力电子开关S11的栅极，正极连接单片机MCU1的接地端GND1，稳定电压为15伏，使高电压小电流电力电子开关S11的栅极对单片机MCU1的接地端GND1箝位15伏稳压；单片机MCU2启动供电回路：单片机MCU2未启动前的交流电源正半波，电流从交流电源的电源端～N流出，依次流经启动电阻Rj2、稳压二极管DZ2的负极和正极、电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端和同名端、电力电子变压器TR的初级绕组N11的异名端和同名端、二极管D1、熔断保险丝F，回到交流电源的电源端～L；单片机MCU2的电源端VCC2经降压电阻RV2连接在该回路的启动电阻Rj2和稳压二极管DZ2的负极之间以获取工作电压；稳压二极管DZ2的负极连接高电压小电流电力电子开关S22的栅极，正极连接单片机MCU2的接地端GND2，稳定电压为15伏，使高电压小电流电力电子开关S22的栅极对单片机MCU2的接地端GND2箝位15伏稳压；交流电源供电回路：包括正半波闭合回路和负半波闭合回路；正半波闭合回路受控于单片机MCU1在交流电源正半波时导通，电流从交流电源的电源端～L流出，依次流经熔断保险丝F、高电压小电流电力电子开关S11、低电压大电流电力电子开关S1、取样电阻rs1、电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端和异名端、电力电子变压器TR的初级绕组N12的同名端和异名端、二极管D2，回到交流电源的电源端～N；单片机MCU1的电流取样端CS1对取样电阻rs1进行电流取样，输出端OUT1连接低电压大电流电力电子开关S1的栅极，单片机MCU1根据电流取样值以正弦波脉宽调制程序控制输出端OUT1的输出以驱动低电压大电流电力电子开关S1的通断，高电压小电流电力电子开关S11的源极驱动受控于低电压大电流电力电子开关S1；负半波闭合回路受控于单片机MCU2在交流电源负半波时导通，电流从交流电源的电源端～N流出，依次流经高电压小电流电力电子开关S22、低电压大电流电力电子开关S2、取 样电阻rs2、电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端和同名端、电力电子变压器TR的初级绕组N11的异名端和同名端、二极管D1、熔断保险丝F，回到交流电源的电源端～L；单片机MCU2的电流取样端CS2对取样电阻rs2进行电流取样，输出端OUT2连接低电压大电流电力电子开关S2的栅极，单片机MCU2根据电流取样值以正弦波脉宽调制程序控制输出端OUT2的输出以驱动低电压大电流电力电子开关S2的通断，高电压小电流电力电子开关S22的源极驱动受控于低电压大电流电力电子开关S2；单片机MCU1的自供电电路：电力电子变压器TR的次级绕组NV1的同名端同时连接二极管DV1的正极和单片机MCU1的接地端GND1，异名端经电容CVi 1同时连接二极管DV1的负极和二极管DVi 1的正极；二极管DVi 1的负极和单片机MCU1的接地端GND1之间并联电容CV1和稳压二极管DZ1；单片机MCU1的电源端VCC1和接地端GND1之间并联电容CV01和稳压二极管DZ01；单片机MCU1的电源端VCC1还经降压电阻RV1连接二极管DVi 1的负极；单片机MCU2的自供电电路：电力电子变压器TR的次级绕组NV2的异名端同时连接二极管DV2的正极和单片机MCU2的接地端GND2，同名端经电容CVi2同时连接二极管DV2的负极和二极管DVi2的正极；二极管DVi2的负极和单片机MCU2的接地端GND2之间并联电容CV2和稳压二极管DZ2；单片机MCU2的电源端VCC2和接地端GND2之间并联电容CV02和稳压二极管DZ02；单片机MCU2的电源端VCC2还经降压电阻RV2连接二极管DVi2的负极；反向串联BUCK电路：二极管DK1的负极连接电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端，正极连接二极管DK2的正极，二极管DK2的负极连接电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端；输出电路：该BUCK倍电流拓扑的输出端的正极由电力电子变压器TR的初级绕组N11和初级绕组N12的公共端引出，负极由二极管DK2的正极引出，输出端经滤波电路为LED灯供电。2.  根据权利要求1所述的无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑，其特征在于，所述低电压大电流电力电子开关S1和低电压大电流电力电子开关S2均采用20A、20V、20毫欧姆的MOSFET管，高电压小电流电力电子开关S11和高电压小电流电力电子开关S22均采用10A、400V的MOSFET管。3.  根据权利要求1所述的无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑，其特征在于，所述交流电源的电源端～L，经熔断保险丝F、安规电容Cx连接交流电源的电源端～N，安规电容Cx并联压敏电阻RV。

说明书无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑
技术领域
本发明属于LED灯恒流电源技术领域，具体涉及无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑。
技术背景
传统BUCK拓扑，是DC/DC变换常用方法之一，适用于输入直流高压小电流电源，转换为低压大电流电源输出。由于传统采用桥式整流和高压电解电容，功率因数PF较低，可靠性较低；存在贮能电感直流偏磁的问题；不容易实现大功率产品往轻、薄、短、小发展以符合市场经济提升性价比要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种取消桥式整流和高压电解电容，以实现全固态电路、智能控制、高功率因数、恒流精度高、可靠性高、电路简洁、成本低的无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑。
本发明采用如下技术解决上述技术问题：
无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑，包括单片机MCU1启动供电回路、单片机MCU2启动供电回路、交流电源供电回路、单片机MCU1的自供电电路、单片机MCU2的自供电电路、反向串联BUCK电路和输出电路；
单片机MCU1启动供电回路：单片机MCU1未启动前的交流电源正半波，电流从交流电源的电源端～L流出，依次流经熔断保险丝F、启动电阻Rj1、稳压二极管DZ1的负极和正极、电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端和异名端、电力电子变压器TR的初级绕组N12的同名端和异名端、二极管D2，回到交流电源的电源端～N；单片机MCU1的电源端VCC1经降压电阻RV1连接在该回路的启动电阻Rj1和稳压二极管DZ1的负极之间以获取单片机MCU1的工作电压；稳压二极管DZ1的负极连接高电压小电流电力电子开关S11的栅极，正极连接单片机MCU1的接地端GND1，稳定电压为15伏，使高电压小电流电力电子开关S11的栅极对单片机MCU1的接地端GND1箝位15伏稳压；
单片机MCU2启动供电回路：单片机MCU2未启动前的交流电源正半波，电流从交流电源的电源端～N流出，依次流经启动电阻Rj2、稳压二极管DZ2的负极和正极、电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端和同名端、电力电子变压器TR的初级绕组N11的异名端和同名端、二极管D1、熔断保险丝F，回到交流电源的电源端～L；单片机MCU2的电源端VCC2经降 压电阻RV2连接在该回路的启动电阻Rj2和稳压二极管DZ2的负极之间以获取工作电压；稳压二极管DZ2的负极连接高电压小电流电力电子开关S22的栅极，正极连接单片机MCU2的接地端GND2，稳定电压为15伏，使高电压小电流电力电子开关S22的栅极对单片机MCU2的接地端GND2箝位15伏稳压；
交流电源供电回路：包括正半波闭合回路和负半波闭合回路；
正半波闭合回路受控于单片机MCU1在交流电源正半波时导通，电流从交流电源的电源端～L流出，依次流经熔断保险丝F、高电压小电流电力电子开关S11、低电压大电流电力电子开关S1、取样电阻rs1、电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端和异名端、电力电子变压器TR的初级绕组N12的同名端和异名端、二极管D2，回到交流电源的电源端～N；单片机MCU1的电流取样端CS1对取样电阻rs1进行电流取样，输出端OUT1连接低电压大电流电力电子开关S1的栅极，单片机MCU1根据电流取样值以正弦波脉宽调制程序控制输出端OUT1的输出以驱动低电压大电流电力电子开关S1的通断，高电压小电流电力电子开关S11的源极驱动受控于低电压大电流电力电子开关S1；
负半波闭合回路受控于单片机MCU2在交流电源负半波时导通，电流从交流电源的电源端～N流出，依次流经高电压小电流电力电子开关S22、低电压大电流电力电子开关S2、取样电阻rs2、电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端和同名端、电力电子变压器TR的初级绕组N11的异名端和同名端、二极管D1、熔断保险丝F，回到交流电源的电源端～L；单片机MCU2的电流取样端CS2对取样电阻rs2进行电流取样，输出端OUT2连接低电压大电流电力电子开关S2的栅极，单片机MCU2根据电流取样值以正弦波脉宽调制程序控制输出端OUT2的输出以驱动低电压大电流电力电子开关S2的通断，高电压小电流电力电子开关S22的源极驱动受控于低电压大电流电力电子开关S2；
单片机MCU1的自供电电路：电力电子变压器TR的次级绕组NV1的同名端同时连接二极管DV1的正极和单片机MCU1的接地端GND1，异名端经电容CVi1同时连接二极管DV1的负极和二极管DVi1的正极；二极管DVi1的负极和单片机MCU1的接地端GND1之间并联电容CV1和稳压二极管DZ1；单片机MCU1的电源端VCC1和接地端GND1之间并联电容CV01和稳压二极管DZ01；单片机MCU1的电源端VCC1还经降压电阻RV1连接二极管DVi1的负极；
单片机MCU2的自供电电路：电力电子变压器TR的次级绕组NV2的异名端同时连接二极管DV2的正极和单片机MCU2的接地端GND2，同名端经电容CVi2同时连接二极管DV2的负极和二极管DVi2的正极；二极管DVi2的负极和单片机MCU2的接地端GND2之间并联电容CV2和稳压二极管DZ2；单片机MCU2的电源端VCC2和接地端GND2之间并联电容CV02和稳压二 极管DZ02；单片机MCU2的电源端VCC2还经降压电阻RV2连接二极管DVi2的负极；
反向串联BUCK电路：二极管DK1的负极连接电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端，正极连接二极管DK2的正极，二极管DK2的负极连接电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端；
输出电路：该BUCK倍电流拓扑的输出端的正极由电力电子变压器TR的初级绕组N11和初级绕组N12的公共端引出，负极由二极管DK2的正极引出，输出端经滤波电路为LED灯供电。
所述低电压大电流电力电子开关S1和低电压大电流电力电子开关S2均采用20A、20V、20毫欧姆的MOSFET管，高电压小电流电力电子开关S11和高电压小电流电力电子开关S22均采用10A、400V的MOSFET管。
所述交流电源的电源端～L，经熔断保险丝F、安规电容Cx连接交流电源的电源端～N，安规电容Cx并联压敏电阻RV。
本发明的优点在于：
1、采用单片机作为弱电控制核心，实现了智能控制，实现高频BUCK的PMW逐个脉冲精准恒电流的PWM控制，恒流精度高，功率因数PF高。
2、本发明的BUCK倍电流拓扑取消桥式整流和高压电解电容，实现了全固态电路，功率因数高，接近1；可靠性高，可靠性5万小时寿命的电源适配长寿命LED灯；电路简洁，成本低，更容易实现大功率产品轻、薄、短、小，符合市场经济提升性价比要求。
3、采用两路BUCK反向串联的办法，使BUCK贮能电感直流偏磁互相抵销，解决了传统BUCK拓扑贮能电感直流偏磁的老问题。
4、实现倍电流向负载LED供电。
附图说明
图1是本发明无桥式整流无直流偏磁BUCK倍电流拓扑的电路原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细说明，但不构成对本发明保护范围的限制。
如图1所示，交流电源电源端～L，经熔断保险丝F，到安规电容CX，回到交流电源～N，安规电容CX并联压敏电阻RV，这是常规电路。
单片机MCU1和单片机MCU2为弱电控制核心，采用单面PCB电路版，两片PCB电路版组 合为完整电路板，比双面PCB电路版成本低，并有利于插拔式快速检修。
单片机MCU1启动供电回路：单片机MCU1未启动前的交流电源正半波10毫秒，电流从交流电源的电源端～L流出，依次流经熔断保险丝F、启动电阻Rj1、15伏稳压二极管DZ1的负极和正极、电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端和异名端、电力电子变压器TR的初级绕组N12的同名端和异名端、二极管D2，回到交流电源的电源端～N；高电压小电流电力电子开关S11的栅极取得正偏电压+15V；单片机MCU1的电源端VCC1经降压电阻RV1连接在该回路的启动电阻Rj1和稳压二极管DZ1的负极之间以获取单片机MCU1的工作电压；启动电阻Rj1电阻为1MΩ，稳压二极管DZ1的负极连接高电压小电流电力电子开关S11的栅极，正极连接单片机MCU1的接地端GND1，使高电压小电流电力电子开关S11的栅极对单片机MCU1的接地端GND1箝位15伏稳压；
单片机MCU2启动供电回路：单片机MCU2未启动前的交流电源正半波，电流从交流电源的电源端～N流出，依次流经1MΩ的启动电阻Rj2、15伏稳压二极管DZ2的负极和正极、电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端和同名端、电力电子变压器TR的初级绕组N11的异名端和同名端、二极管D1、熔断保险丝F，回到交流电源的电源端～L；高电压小电流电力电子开关S22的栅极取得正偏电压+15V；单片机MCU2的电源端VCC2经降压电阻RV2连接在该回路的启动电阻Rj2和稳压二极管DZ2的负极之间以获取单片机MCU2的工作电压；稳压二极管DZ2的负极连接高电压小电流电力电子开关S22的栅极，正极连接单片机MCU2的接地端GND2，使高电压小电流电力电子开关S22的栅极对单片机MCU2的接地端GND2箝位15伏稳压；
交流电源供电回路：包括正半波闭合回路和负半波闭合回路；
正半波闭合回路受控于单片机MCU1在交流电源正半波时导通，电流从交流电源的电源端～L流出，依次流经熔断保险丝F、高电压小电流电力电子开关S11、低电压大电流电力电子开关S1、取样电阻rs1、电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端和异名端、电力电子变压器TR的初级绕组N12的同名端和异名端、二极管D2，回到交流电源的电源端～N；在交流电源正半波10毫秒时间段，单片机MCU1的电流取样端CS1对取样电阻rs1进行电流取样，输出端OUT1连接低电压大电流电力电子开关S1的栅极，单片机MCU1根据电流取样值以正弦波脉宽调制程序控制输出端OUT1的输出以驱动低电压大电流电力电子开关S1的通断，实施单周期恒流控制，精确调控BUCK每一个脉冲占空比实现恒流，并在受指令每个脉冲电流截止，到初级绕组N11电感经二极管DK1续流电流过零，才发出下一个脉冲导通占空比指令，实现电力电子开关运行在“真正的谷底开关”工作状况，降低开关损耗，亦降低温升。由于稳压二极管DZ1箝位稳定电压，高电压小电流电力电子开关S11的栅极对单片机MCU1的接地 端GND1箝位稳压在15伏，使高电压小电流电力电子开关S11的源极驱动受控于低电压大电流电力电子开关S1，当单片机MCU1指令由输出端OUT1驱动低电压大电流电力电子开关S1导通或截止，就同步控制高电压小电流电力电子开关S11的通断。由于二极管D2导通，使低电压大电流电力电子开关S2及高电压小电流电力电子开关S22均失去开关功能处于10毫秒休息状态。
负半波闭合回路受控于单片机MCU2在交流电源负半波时导通，电流从交流电源的电源端～N流出，依次流经高电压小电流电力电子开关S22、低电压大电流电力电子开关S2、取样电阻rs2、电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端和同名端、电力电子变压器TR的初级绕组N11的异名端和同名端、二极管D1、熔断保险丝F，回到交流电源的电源端～L；单片机MCU2的电流取样端CS2对取样电阻rs2进行电流取样，输出端OUT2连接低电压大电流电力电子开关S2的栅极，单片机MCU2根据电流取样值以正弦波脉宽调制程序控制输出端OUT2的输出以驱动低电压大电流电力电子开关S2的通断，高电压小电流电力电子开关S22的源极驱动受控于低电压大电流电力电子开关S2；单片机MCU2控制负半波闭合回路的导通同理上述正半波闭合回路。
单片机MCU1的自供电电路：电力电子变压器TR的次级绕组NV1的同名端同时连接二极管DV1的正极和单片机MCU1的接地端GND1，异名端经电容CVi1同时连接二极管DV1的负极和二极管DVi1的正极；二极管DVi1的负极和单片机MCU1的接地端GND1之间并联电容CV1和稳压二极管DZ1；单片机MCU1的电源端VCC1和接地端GND1之间并联电容CV01和稳压二极管DZ01；单片机MCU1的电源端VCC1还经降压电阻RV1连接二极管DVi1的负极；单片机MCU1工作之后，有脉冲电流流过初级绕组N11和初级绕组N12，于是次级绕组NV1感应电动势，经二极管DV1、电容CVi1、二极管DVi1，向电容CV1充电，由稳压二极管DZ1箝位稳压15伏。由于次级绕组NV1实现自供电取代了启动电阻Rj1的功能，使启动电阻Rj1能采用1MΩ的阻值，提升电功率Eff。
单片机MCU2的自供电电路：电力电子变压器TR的次级绕组NV2的异名端同时连接二极管DV2的正极和单片机MCU2的接地端GND2，同名端经电容CVi2同时连接二极管DV2的负极和二极管DVi2的正极；二极管DVi2的负极和单片机MCU2的接地端GND2之间并联电容CV2和稳压二极管DZ2；单片机MCU2的电源端VCC2和接地端GND2之间并联电容CV02和稳压二极管DZ02；单片机MCU2的电源端VCC2还经降压电阻RV2连接二极管DVi2的负极；单片机MCU2的自供电原理同理单片机MCU1的自供电。
二极管DK1的负极连接电力电子变压器TR的初级绕组N11的同名端，正极连接二极管 DK2的正极，二极管DK2的负极连接电力电子变压器TR的初级绕组N12的异名端；该BUCK倍电流拓扑的输出端的正极由电力电子变压器TR的初级绕组N11和初级绕组N12的公共端引出，输出端的负极由二极管DK2的正极引出，输出端经滤波电路为LED灯供电。
所述低电压大电流电力电子开关S1和低电压大电流电力电子开关S2均采用20A、20V、20毫欧姆的MOSFET管，高电压小电流电力电子开关S11和高电压小电流电力电子开关S22均采用10A、400V的MOSFET管。
每当高电压小电流电力电子开关S11和低电压大电流电力电子开关S1导通，电流流过初级绕组N11向滤波电路的电容C0充电同时向负载LED灯供电，二极管DK2导通，这时电力电子变压器TR的初级绕组N11和初级绕组N12相当于2比1降压变压器，以倍电流向LED灯供电。
而当高电压小电流电力电子开关S11和低电压大电流电力电子开关S1由导通转化为截止，由于电感电流方向不能突然转变，所以初级绕组N11续流同时感应到初级绕组N12，仍然是以倍电流向LED灯供电。
初级绕组N11和初级绕组N12，把两个BUCK拓扑反向串联在一起，抵销了单一BUCK贮能电感的直流偏磁问题，充分发挥磁性材料磁化特性本质功能，利于在同等输出电流时可以用体积较小的磁芯，节约成本，缩小体积。