一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源.pdf

本发明设计了一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源，其特点为：（1）电流控制环采用基于条件作用技术积分限制饱和（Anti-windup）算法实现恒流控制,电压控制环采用单周期控制技术实现稳压控制。（2）两个控制环路通过“与”逻辑单元输出可调占空比的PWM信号来控制变压器一次侧开关管的导通与关断。通过“与”逻辑模块，电流控制环路与电压控制环路存在一种“互锁”的关系。通过电流控制环实现了恒流输出，通过电压控制环的作用实现稳压功能，并且当输出电流过高时，通过这种“互锁”关系，电压控制环会将电压限定在一个稳定的最高电压值，进而限定输出电流的增幅，保护了LED负载。（3）在“与”逻辑模块的输入端再加入PWM调光环节，实现PWM调光。

1.  一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源，其特征包括，交流输入整流滤波单元、反激电源变换单元、输出整流滤波单元、电压/电流采样单元、基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块，“与”逻辑模块；所述交流输入整流滤波单元、反激电源变换单元、输出整流滤波单元、电压/电流反馈采样单元组成本LED驱动电源的主电路部分；所述基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块，“与”逻辑模块组成本LED驱动电源的外围控制电路；交流输入整流滤波单元将交流市电转换为直流脉冲电压输入到反激电源变换单元；所述反激电源变换单元包括RCD缓冲电路、高频变压器、功率开关管，当功率开关管关断时高频变压器一次侧将电能储存起来，开关管导通时高频变压器将电能传递到二次侧即输出端；所述电压/电流采样单元负责采样输出端的电压和电流信号并分别将电压采样信号和电流采样信号发送到基于单周期控制技术的稳压控制器和基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器的输入端，其中电压采样单元采用分压网络实现，电流采样单元采用霍尔电流传感器实现；所述基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器，采用条件作用技术Anti-windup算法对采样到的输出电流信号实现反馈控制并达到恒流的目的；所述基于单周期控制技术的稳压控制器采用单周期控制技术对采样到的输出电压信号进行反馈控制达到稳压目的；所述PWM调光模块能够调节输出端输出电流的PWM占空比，实现一种脉冲电流PWM调光；所述“与”逻辑模块，将基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块输出的PWM信号作为其输入信号，并输出一个经过逻辑“与”运算后的PWM信号，并将这个PWM信号输送到功率开关管，控制功率开关管的导通与关断，实现反激电源变换单元中能量从一次侧到二次侧的转换。

2.  如权利要求1，所述一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源，其特征在于：所述基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器采用条件作用技术Anti-windup算法对采样到的输出电流信号实现反馈控制并达到恒流的目的。

3.  如权利要求1，所述一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源，其特征在于：所述基于单周期控制技术的稳压控制器采用单周期控制技术对采样到的输出电压信号进行反馈控制达到稳压目的。

4.  如权利要求1，所述一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源，其特征在于：
所述PWM调光模块能够调节输出端输出电流的PWM占空比，实现一种脉冲电流PWM调光。

5.  如权利要求1，所述一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源，其特征在于：
所述“与”逻辑模块，将基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块输出的PWM信号作为其输入信号，并输出一个经过逻辑“与”运算后的PWM信号，并将这个PWM信号输送到功率开关管，控制功率开关管的导通与关断，实现反激电源变换单元中能量从一次侧到二次侧的转换。

一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源
技术领域
本发明涉及了一种LED驱动电源，属于电子技术领域尤其是高频开关电源领域。
 
背景技术
LED光源具有高效、寿命长、安全、环保节能以及色域宽等优点，广泛应用于家居照明、道路照明以及车载照明等照明领域，逐步成为取代传统光源的下一代照明光源。由于LED光源是一种非线性负载而且其对工作环境温度比较敏感，一般采用恒流驱动的方式。恒流驱动可以消除系统温度和工艺灯因素引起的正向电压变化导致的电流变化，保证LED光源的亮度和色度的一致性，并能够很好地延长LED光源的使用寿命，因此LED驱动电源一般要求较高的恒流精度。
传统的LED驱动电源一般采用基于电压电流负反馈的PI控制，这种电路简单易于实现，但是动态响应慢、稳态精度低、抗扰动能力弱。
发明内容
本发明主要针对传统的LED驱动电源一般采用基于电压电流负反馈的PI控制，这种电路简单易于实现，但是动态响应慢、稳态精度低、抗扰动能力弱，设计一种新型恒流稳压反激式LED驱动电源。
基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器，采用条件作用技术Anti-windup算法对采样到的输出电流信号实现反馈控制并达到恒流的目的。
基于单周期控制技术的稳压控制器采用单周期控制技术对采样到的输出电压信号进行反馈控制达到稳压目的。
加入PWM调光模块能够调节输出端输出电流的PWM占空比，实现一种脉冲电流PWM调光。
加入“与”逻辑模块，将基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块输出的PWM信号作为其输入信号，并输出一个经过逻辑“与”运算后的PWM信号，并将这个PWM信号输送到功率开关管，控制功率开关管的导通与关断，实现反激电源变换单元中能量从一次侧到二次侧的转换。
本发明的有益效果是：
（1）电流控制环采用基于条件作用技术积分限制饱和（Anti-windup）算法实现恒流控制, 电压控制环采用单周期控制技术实现稳压控制。
（2）两个控制环路通过“与”逻辑单元输出可调占空比的PWM信号来控制变压器一次侧开关管的导通与关断。通过“与”逻辑模块，电流控制环路与电压控制环路存在一种“互锁”的关系。通过电流控制环实现了恒流输出，通过电压控制环的作用实现稳压功能，并且当输出电流过高时，通过这种“互锁”关系，电压控制环会将电压限定在一个稳定的最高电压值，进而限定输出电流的增幅，保护了LED负载。
（3）在“与”逻辑模块的输入端再加入PWM调光环节，实现PWM调光。
附图说明
图1为LED驱动电源整体结构框图。
图2为LED主电路图。
图3为基于单周期控制技术的稳压控制器原理图。
图4为基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所述电路包括：交流输入整流滤波单元、反激电源变换单元、输出整流滤波单元、电压/电流采样单元、基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块，“与”逻辑模块；所述交流输入整流滤波单元、反激电源变换单元、输出整流滤波单元、电压/电流反馈采样单元组成本LED驱动电源的主电路部分；所述基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块，“与”逻辑模块组成本LED驱动电源的外围控制电路；交流输入整流滤波单元将交流市电转换为直流脉冲电压输入到反激电源变换单元；所述反激电源变换单元包括RCD缓冲电路、高频变压器、功率开关管，当功率开关管关断时高频变压器一次侧将电能储存起来，开关管导通时高频变压器将电能传递到二次侧即输出端；所述电压/电流采样单元负责采样输出端的电压和电流信号并分别将电压采样信号和电流采样信号发送到基于单周期控制技术的稳压控制器和基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器的输入端，其中电压采样单元采用分压网络实现，电流采样单元采用霍尔电流传感器实现；所述基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器，采用条件作用技术Anti-windup算法对采样到的输出电流信号实现反馈控制并达到恒流的目的；所述基于单周期控制技术的稳压控制器采用单周期控制技术对采样到的输出电压信号进行反馈控制达到稳压目的；所述PWM调光模块能够调节输出端输出电流的PWM占空比，实现一种脉冲电流PWM调光；所述“与”逻辑模块，将基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器、基于单周期控制技术的稳压控制器、PWM调光模块输出的PWM信号作为其输入信号，并输出一个经过逻辑“与”运算后的PWM信号，并将这个PWM信号输送到功率开关管，控制功率开关管的导通与关断，实现反激电源变换单元中能量从一次侧到二次侧的转换。
如图2所示，主电路结构由整流桥、反激变换电路（Flyback）、输出整流滤波电路、电压电流采样电路组成。C₂为输入滤波电容，电阻R₁、二极管D₂组成一个简单的缓冲电路，变压器T₁和开关管Q₁组成反激变换电路。设开关管Q₁的占空比为                                                ，开关周期为T_S，开关导通时间为T_on，关断时间为T_off，输入电流为i₁，变压器匝数比为N₁:N₂，输出平均电压为V_o，开关管Q₁按PWM周期性通断，在Q₁导通的T_off=DT_S期间，电源经过桥式整流模块DG₁后电压V_S加到绕组N₁，电流i₁直线上升、N₁磁通增加，电感储能增加，二极管D₁反向截止，负载LED电流由电容提供；在Q₁关断的T_off=（1-D）T_S期间，N₁通过续流二极管D₂续流，同时将能量传送至二次侧绕组N₂，二次侧绕组电流i₂和磁通Φ从最大值开始减小，D₁导通，从而将变压器的磁能转换为电能向负载供电。R^’₁和R^’₂组成的分压网络构成输出平均电压为V_o的采样电路，通过分压网络R^’₃和R^’₄采样R_i上的电位可以获得输出电流I_o相应的电位信号。
如图3所示，为基于单周期控制技术的稳压控制器原理图。根据反激变换器的单周期控制方程组：

比较u₁(t)和u₂(t)，即可确定占空比D，由式（1）可知，单周期控制环节需要一个积分环节，只要通过电路实现u₁(t)和u₂(t)的比较，即可确定瞬态占空比d及其平均值d^’。u₁(t)为一个三角波，它经过误差放大器构成的带有复位开关的积分器得到，u₂(t)由电流检测端输入信号经过运算得到，之后将u₁(t)和u₂(t)接入高速比较器。
如图4所示，为基于条件作用技术Anti-windup算法的恒流控制器原理图。
积分器的输出状态为：
        
根据式（2）当积分器未饱和时，即u_n=u_s，积分器的输出q＝k_pe/t，此时恒流控制器为普通的PI控制器，输出电流I_o按PI控制规律跟随给定电流I_ref；当积分器饱和时，u_n＞u_s，积分器的输出q下降，使积分器退出饱和，维持恒流控制器输出的线性连续性，使I_o=I_ref，提高系统的动态性能和输出电流的稳态精度。
如图4所示，基于条件作用技术Anti-windup控制算法的恒流控制器输出的PWM信号与基于单周期控制的稳压控制器输出的PWM信号以及PWM调光器的PWM信号经过“与”逻辑模块输出一个PWM信号控制开关管的关断。