一种市电LED照明驱动器.pdf

本发明公开了一种市电LED照明驱动器。其包括整流模块，其输入端接入市电电网，对输入电流进行整流与滤波；有源准谐振功率因数校正模块，其输入端与整流模块输出端相连，可以抑制LED驱动器产生的谐波，并对功率因数进行补偿；直流电压输出模块，其输入端与有源准谐振功率因数校正模块的输出端相连，为负载LED灯串提供工作电压。本发明将准谐振工作方式的有源功率因数校正电路应用到LED照明驱动器设计中，实现对LED照明驱动器功率因数的实质性改善。将LED照明驱动器的功率因数从0.5-0.57提升到0.99以上，将电网谐波质量指标纳入LED照明驱动器的具体设计中，将LED照明驱动器的波形系数由2左右改善到1.2以下。

1、  一种市电LED照明驱动器，其特征在于：包括
整流模块，其输入端接入市电电网，对输入电流进行整流与滤波；
有源准谐振功率因数校正模块，其输入端与整流模块输出端相连，可以抑制LED驱动器产生的谐波，并对功率因数进行补偿；
直流电压输出模块，其输入端与有源准谐振功率因数校正模块的输出端相连，为负载LED灯串提供工作电压。

2、  根据权利要求1所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述整流模块输入端连接有电磁滤波模块，其输入端接入市电电网，可以对LED驱动器产生的谐波进行抑制与吸收，从而不影响电网质量。

3、  根据权利要求1所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述有源准谐振功率因数校正模块包括储能电感，所述储能电感输入端连接整流模块的输出端，所述储能电感输出端连接直流电压输出模块的输入端，所述储能电感输出端还连接有功率开关，所述功率开关还连接有逻辑控制驱动单元，所述逻辑控制单元通过输入电压采样单元连接到整流模块的输出端，所述功率开关与输入电压采样单元输出端之间设有电流反馈单元，所述储能电感与逻辑控制驱动单元之间通过高频电流过零检测单元相连。

4、  根据权利要求3所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述直流电压输出模块与输入电压采样单元之间通过电压限制保护单元相连，所述电压限制保护单元还与逻辑控制驱动单元相连。

5、  根据权利要求1所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述整流单元连接有逻辑控制电路低压电电源模块，其用于向各逻辑控制电路供电。

6、  根据权利要求1所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述驱动器还设有MCU模块，所述MCU模块连接有温度检测单元和功率驱动单元，所述温度检测单元可以对负载LED灯串的温度进行检测，所述MCU模块对检测到的负载LED灯串温度进行运算处理后，输出信号给功率驱动单元，由功率驱动单元对负载LED灯串进行功率调节。

7、  根据权利要求6所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述MCU模块上还可以连接照度检测单元或亮度调节单元，其可以对负载LED灯串的发光强度和周围环境亮度进行检测，所述MCU模块对检测到的环境亮度信号进行运算处理，输出信号给功率驱动单元，由功率驱动单元对负载LED灯串进行功率调节。

8、  根据权利要求6或7所述的市电LED照明驱动器，其特征在于：所述功率驱动单元包括连接负载LED灯串的储能电感，所述储能电感连接有功率开关，所述功率开关连接有电流采样单元，所述电流采样单元通过降压型恒流可调光驱动控制单元连接MCU模块，所述降压型恒流可调光驱动控制单元还与功率开关相连。

一种市电LED照明驱动器
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，特别是一种市电LED照明驱动器。
背景技术
电光源照明经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三代产品，光效不断提高，耗电量不断下降，电的光明对人类社会的发展起了至关重要的作用。今天，由于半导体技术的进步，又一种新电光源LED发光二极管以节能、环保、长寿、可靠、体积小巧、色彩多样、耐闪烁、抗震动等全面优势替代传统的电光源影响我们的生活，掀起照明产业的第四次革命。许多厂家注意到了发光二极管在照明领域应用的广阔前景，研制了用发光二极管作光源的半导体灯。但是，发光二极管的电气特性和传统的电光源完全不同，怎样合理的驱动发光二极管使其可靠的工作是制作半导体灯面临的首要问题。发光二极管是一种低压直流电流工作的器件，导通时动态电阻很小，因此，工作中发光二极管两端微小的电压变化就会产生很大的电流变化，轻则灯的亮度不稳定并且缩短灯的寿命，重则立即使发光二极管损坏。因此，不能把发光二极管简单的接到电压源上，必须用LED驱动器驱动发光二极管。LED驱动器对于半导体灯来说，其地位就相当于荧光灯的镇流器，所起的作用就是把外接电源不稳定的电压变成稳定的直流电流供给发光二极管工作。因此，LED驱动器实际上就是一种非线性电压/电流变换器。要做好半导体灯就必须合理的选用LED驱动器。而目前LED照明驱动器研究尚处于起步阶段，各厂家的研究重点大都放在LED驱动芯片本身的开发上，还没有对LED照明驱动器设计提出完整的解决方案。从目前公知的LED照明驱动器设计方案看，均没有考虑LED光源驱动电路的整体效率提升、使用寿命的挖掘和LED驱动电路对于电网质量的影响，LED光源在照明领域应用时还没有考虑功率因数补偿和谐波对电网的影响等问题，呈容性负载，其功率因数只有0.5-0.57，使电网的传输效率大大降低，而按民用建筑电气设计规范要求，用电设备的功率因数应达0.85以上才算合格。由于LED驱动电路必须完成交/直流转换功能，为实现对LED工作电流的有效控制还必须设置一些电子开关电路和PWM脉宽调节器，使LED照明驱动器对电网的谐波影响非常严重，其谐波分量高达110％左右，波形系数K值高达2以上，对电网产生严重的高次谐波污染。此外，LED光源在照明领域的工程化应用时，在高亮度工作一段时间后，往往由于光衰严重，一年最多二年以后，其实际发光量大幅度下降，其照度损失将超过30％，被迫提前结束其使用寿命，其实际使用寿命仅在5000小时左右，LED光源尽管理论上使用寿命可达10万小时，但由于对LED芯片的使用不当，其实际使用寿命远未达到预期值。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明的目的在于提供一种功率因数高，对电网高次谐波影响小的LED照明驱动器，其可以大幅度提高光源使用时的综合效率。
本发明的另一个目的是有效提高LED光源的使用寿命。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：一种市电LED照明驱动器，其包括：
整流模块，其输入端接入市电电网，对输入电流进行整流与滤波；
有源准谐振功率因数校正模块，其输入端与整流模块输出端相连，可以抑制LED驱动器产生的谐波，并对功率因数进行补偿；
直流电压输出模块，其输入端与有源准谐振功率因数校正模块的输出端相连，为LED灯串提供工作电压；
作为上述技术方案的改进，所述整流模块输入端连接有电磁滤波模块，其输入端接入市电电网，可以对LED驱动器产生的谐波进行抑制与吸收，从而不影响电网质量。
作为上述技术方案的进一步改进，所述有源准谐振功率因数校正模块包括储能电感，所述储能电感输入端连接整流模块的输出端，所述储能电感输出端连接直流电压输出模块的输入端，所述储能电感输出端还连接有功率开关，所述功率开关还连接有逻辑控制驱动单元，所述逻辑控制驱动单元通过输入电压采样单元连接到整流模块的输出端，所述功率开关与输入电压采样单元输出端之间设有电流反馈单元，所述储能电感与逻辑控制驱动单元之间通过高频电流过零检测单元相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述直流电压输出模块与输入电压采样单元之间通过电压限制保护单元相连，所述电压限制保护单元还与逻辑控制驱动单元相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述整流单元连接有逻辑控制电路低压电电源模块，其用于向各逻辑控制电路供电。
作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动器还设有MCU模块，所述MCU模块连接有温度检测单元和功率驱动单元，所述温度检测单元可以对负载LED灯串的温度进行检测，所述MCU模块对检测到的负载LED灯串温度进行运算处理后，输出信号给功率驱动单元，由功率驱动单元对负载LED灯串进行功率调节。
作为上述技术方案的进一步改进，所述功率驱动单元包括连接负载LED灯串的储能电感，所述储能电感连接有功率开关，所述功率开关连接有电流采样单元，所述电流采样单元通过降压型恒流可调光驱动控制单元连接MCU模块，所述降压型恒流可调光驱动控制单元还与功率开关相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述MCU模块上还可以连接照度检测单元或亮度调节单元，其可以对负载LED灯串的发光强度和周围环境亮度进行检测，所述MCU模块对检测到的环境亮度信号进行运算处理，输出信号给功率驱动单元，由功率驱动单元对负载LED灯串进行功率调节。
本发明的有益效果是：本发明的市电LED照明驱动器在整流单元之后设有源功率因数校正电路，无须隔离变压器，直接输出直流电压，减少了能量传输的环节，能量利用率高，由于功率因数校正电路处于准谐振工作状态，降低了高频转换的能量损耗，提高能量使用效率，同时降低了电流电压的谐波分量，从而提高了整个驱动的功率因数，并有效抑制了谐波；同时其工作电流处于连续状态，有效降低了谐波分量，并且使电流与输入电压的相位相同，将整个电路的功率因数提高到0.99以上，减少了谐波对电网的污染。
此外，在驱动器中设置有温度检测单元，将LED芯片的工作温度作为驱动器的优化控制参数，从根本上确保LED芯片在使用过程中不会因为温度过高或热击穿而导致光衰，缩短LED芯片的使用寿命，充分挖掘LED光源长寿命的优势，将LED芯片的工程化使用寿命从目前的5000小时提高到50000小时以上。
本发明在LED照明驱动器设计中实现照度、亮度、工作电流、PWM脉宽调制的优化控制模型，进行温度控制、照明亮度控制等各种控制信号进行优化处理，提供智能化、程式化的LED灯串控制功能，实现LED灯串发光效率高、使用寿命长、控制手段灵活、场景效果可变等人性化、智能化控制功能，并将LED照明驱动器的综合节能率提高10％以上，将有效节约各类社会资源，从而取得良好的社会效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明原理框图；
图2是本发明驱动器部分电路原理图；
图3是本发明MCU模块电路原理图；
图4是本发明温度检测部分电路原理图；
图5是本发明照度检测部分电路原理图；
图6是本发明功率驱动单元中对LED灯串进行功率调节的电路原理图。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明的一种市电LED照明驱动器，其包括
电磁滤波模块，在本发明中为EMC/EMI，其输入端连接电网输入，其可以对LED驱动器产生的谐波进行抑制与吸收，从而不影响电网质量；其由谐波抑制电感L1和跨接在其两端滤波电容C1、C2组成。由于采用准谐振有源功率因数校正方案，驱动器对电网的谐波影响非常小。因此，采用简单的电容滤波和电感谐波抑制即可达到很好的EMC/EMI电网质量控制指标。
整流模块，其输入端与电磁滤波模块的输出端相连，对输入电流进行整流与滤波，其由组成桥式整流器的整流二极管D1、D2、D3、D4和滤波电容C3组成。
有源准谐振功率因数校正模块，其输入端与整流模块输出端相连，可以抑制LED驱动器产生的谐波，并对功率因数进行补偿。
在本实施例中，所述有源准谐振功率因数校正模块包括储能电感，所述储能电感输入端连接整流模块的输出端，其输出端连接直流电压输出模块的输入端，所述储能电感输出端还连接有功率开关，所述功率开关还连接有逻辑控制驱动单元，所述逻辑控制单元通过输入电压采样单元连接到整流模块的输出端，所述功率开关与输入电压采样单元输出端之间设有电流反馈单元，所述储能电感与逻辑控制驱动单元之间通过高频电流过零检测单元相连。所述直流电压输出模块与输入电压采样单元之间通过电压限制保护单元相连，所述电压限制保护单元还与逻辑控制驱动单元相连。功率因数校正模块采用L6562芯片进行设计，其中R9、R10输入电压采样，C9为输入电压采样滤波电容，R11、R12、C10、T1为电流过零检测，其中T1兼作储能电感，R14、C11、C12为补偿电路，R15、R16为电流反馈，R17、R18输出电压反馈，Q3为功率因数校正开关管。本功率因数校正模块采用带谐波抑制、有源、准谐振功率因数校正电路，旨在改善功率因数的同时，使谐波分量尽可能小。通过在逻辑控制驱动单元输出经调制的高频PWM脉宽调制信号控制功率开关的导通和截止。当功率开关导通时，储能电感进行充磁储能；当功率开关截止时，由于电感的续流作用产生感生电压叠加在输入电压上，从而有足够高的电压给直流电压输出单元的电容充电，即使输入电压此时电压值很低，输入电流也是连续的(不为零)。因此，输入电流在整个输入电压的正弦周期都可以调制，可以获得很高的功率因数。
此外，通过对储能电感的高频电流进行过零检测，使逻辑控制驱动单元在高频电流过零时刻开始输出高电平触发功率开关导通，使整个电路的调制频率与高频电流的频率处于准谐振工作状态。而PWM脉宽调制的占空比则由逻辑控制驱动单元根据输入电压采样值与电流反馈均值比较的结果进行跟踪调节，当电流减小时，功率开关导通时间延长；当电流值增大时，功率开关导通时间缩短，从而在整个输入电压的正弦周期均可控制输入电流跟踪输入电压的瞬态值(波形)，使输入电流与输入电压的相位相同，将功率因数提高到0.99以上。
直流电压输出模块，其输入端与有源准谐振功率因数校正模块的输出端相连，为LED灯串提供工作电压。其由反相阻断二极管D9和滤波电容C13、C14组成。
作为优选方式，所述整流单元连接有逻辑控制电路低压电电源模块，其用于向各逻辑控制电路供电。另在L6562芯片的工作电源端子处采用D5、D6、Q1、Q2、C18、R4、R5、R6、R7组成一个电子开关，当调光信号接近零时将控制电源断开，使功率因数校正电路、LED芯片驱动电路均不加电，使整个市电LED驱动器的静态功耗下降，进入节电模式工作。
参考图3至图6，为挖掘LED光源在使用时的长寿命优势，设LED芯片工作温度闭环控制功能。通过实时采集LED灯串芯片的工作温度对LED灯串的工作电流或PWM脉宽调制特性进行控制，自动控制LED芯片在工作时的PN结温度，防止LED芯片在工作时出现发热失控甚至热击穿LED芯片的PN结，影响LED芯片的寿命，所述驱动器还设有MCU模块，所述MCU模块连接有温度检测单元和功率驱动单元，所述温度检测单元可以对负载LED灯串的温度进行检测，采用温度传感器在LED芯片的负极焊点位置采样芯片的温度，所述温度传感器优选为热敏电阻或热电耦，所述MCU模块的采样端将温度传感器检测到的LED灯串温度进行运算处理后，输出信号给功率驱动单元，由功率驱动单元对负载LED灯串进行功率调节。
作为优选，所述温度闭环控制可采用下述方法。LED芯片温度检测单元采用小体积的热敏电阻或热电耦在LED点阵中间某个LED芯片的负极焊点位置附近采样芯片的温度。
根据目前LED芯片的封装工艺，LED芯片PN结的发热量大约90％是从LED的负极导出。当采用帖片安装时，LED芯片与铝基板接触非常好，若在LED芯片焊接时再涂一层导热良好的硅胶，则可以近似认为LED芯片负极焊点的温度即为LED热沉的温度。因此，在对LED芯片热沉温度测量时，采用热敏元件帖近LED负极的焊点进行测量来近似获得。热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比，对于LED来说，热阻一般是指从LED芯片PN结到热沉上的热阻。若结温为TJ、热沉上的温度为Tc、LED的功耗为PD，则RJc与TJ、Tc及PD的关系可表示为：
RJC＝(TJ-TC)/PD
上式中：RJC为LED芯片PN结到热沉上的热阻，TJ为LED芯片PN结的温度，TC为LED芯片热沉上的温度，PD为加热功率，PD的单位是W。
在正常使用时，PD与LED的正向压降VF、LED的正向电流IF、单位时间内LED芯片通过电流的占空比K1(当采用连续恒流工作时K1为1)以及LED芯片本身光电转换的效率K2有关，其关系式可描述为：
PD＝K1*K2*VF*IF
在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；系数K2为常数，系数K1为LED调光时的亮度给定信号(当采用调节LED电流大小来调光时，系数K1为当前给定电流相对于额定工作电流的比值)；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按关系式可求出LED芯片的PN结结温TJ来。
本方案中实际计算LED芯片PN结温度的实用公式是：
TJ＝K1*K2*VF*IF*RJC+TC
由于LED芯片的主要功能是用于将电能转化为光能解决照明问题，因此，在本发明中对LED芯片的PN结温度的控制策略主要是作为上限保护用。即在LED芯片的PN结温度未达到控制设定的上限值时，以亮度给定信号为准对LED芯片的电功率进行控制。当LED芯片的PN结温度达到或接近上限值时，则通过上面的计算公式对亮度给定信号进行修正，以修正后的亮度信号作用于LED芯片以控制施加在LED芯片上的电功率。
在本实施例中，所述功率驱动单元包括连接负载LED灯串的储能电感，所述储能电感连接有功率开关，所述功率开关连接有电流采样单元，所述电流采样单元通过降压型恒流可调光驱动控制单元连接MCU模块，所述降压型恒流可调光驱动控制单元还与功率开关相连。所述储能电感在功率开关导通时，用于吸收与储存直流电压输出单元加在负载LED灯串上的过压部份能量；当功率开关关断时，由储能电感向负载LED灯串续流供电，以提高LED功率驱动单元的整体驱动效率。所述功率开关负责对LED灯串的供电回路进行开关控制。所述电流采样单元负责对LED灯串的工作电流进行闭环控制，以控制负载LED灯串的工作电流在恒定值。所述降压型恒流可调光驱动控制单元负责接收对负载LED芯片优化控制后的给定调光信号，输出PWM脉宽调光控制驱动信号，控制功率开关的导通与截止，以完成对负载LED灯串进行恒流PWM脉宽调光功能。该单元驱动电路选用XTL604芯片进行设计，使负载LED灯串工作在恒流源PWM脉宽调光控制状态。以其中一路负载LED灯串中的功率驱动单元为例，R20用于调整PWM调制频率，7脚的LD1接PWM调光信号，5脚用于驱动LED灯串的功率开关Q4。发光强弱的调节通过调节PWM脉冲的占空比来实现。功率开关采用MOS管Q4。电流采样单元由R22、R23、C20、C21组成。使负载LED芯片的工作电流可控制在上限值附近，既充分挖掘LED芯片的工作潜力，又不会过流损坏LED芯片。储能电感在功率开关导通时，储能电感用于吸收直流电压输出单元的多余电能，在功率开关关断时，通过续流二极管D12向LED灯串续流供电，以释放储存的能量。其中开关控制的方式为PWM(脉冲宽度调节)开关控制，PWM开关控制的频率由降压型恒流可调光驱动控制单元控制，PWM脉宽调节的占空比由MCU综合各种控制信息后自动调节输出。
作为上述技术方案的进一步改进，所述MCU模块上还可连接照度检测单元或亮度给定单元，其可以对LED灯串的发光强度和周围环境亮度进行检测，所述MCU模块对检测到的环境照度信号进行运算处理，输出信号给功率驱动单元，由功率驱动单元进行功率调节。一方面负责对LED芯片的发光强度进行检测，参与控制LED发光器件的工作电流或PWM占空比，使LED发光器件工作在高发光效率区，提高LED发光器件的光电转换效率；另一方面，负责对工作环境的照度进行检测，使工作环境的照度指标既符合照明要求达到一定的照度值，又不致使照度指标过高而白白浪费能源。照度检测的目的主要是提高LED照明驱动器的综合效率，通过实时采集工作环境的实际照度值，自动控制LED芯片的功率消耗与发光量。
在本实施例中，所述MCU模块选用MC9S08QE8微处理器，以实现对LED芯片的工作温度、发光强度的检测和LED灯串调光的优化控制。LED驱动芯片的PWM调节信号是通过光电隔离后，连到MCU模块的PWM调节端口，实现强电弱电的完全隔离，提升驱动器电路的整体可靠性。
温度检测和光强度检测由R41、R42、R43组成电桥测量电路，经双端输入差动放大电路放大后，接到MCU模块的PTB3/PTB2模拟量采集端口，实现LED芯片工作温度和发光强度的信号采集。采用上述设计，利用储能电感承受降压工作时的电压差，同时通过电感储能，使在驱动LED时不损失电能，因此可使能量使用效率提高到95％以上；采用电流采样反馈电路，可以使输出恒流来驱动LED；采用PWM调光控制，可以在保持LED的工作电流恒定条件下，很好地保持LED发光的色温而不受调光的影响。
此外，所述直流电压输出模块输出端可以连接多路串并联的LED灯串，同样，每路串并联的LED灯串都可以进行温度和照度的检测和调整。
本发明首创将准谐振工作方式的有源功率因数校正电路应用到LED照明驱动器设计中，实现对LED照明驱动器功率因数的实质性改善。将LED照明驱动器的功率因数从0.5-0.57提升到0.99以上，使LED照明驱动器进入工程化推广应用阶段。
本发明首次将电网谐波质量指标纳入LED照明驱动器的具体设计中，将LED照明驱动器的波形系数由2左右改善到1.2以下。
本发明首创将LED芯片的工作温度作为驱动器的优化控制参数，从根本上确保LED芯片在使用过程中不会因为温度过高或热击穿而导致光衰，缩短LED芯片的使用寿命，充分挖掘LED光源长寿命的优势，将LED芯片的工程化使用寿命从目前的5000小时提高到50000小时以上。
本发明首创在LED照明驱动器设计中实现照度、亮度、工作电流、PWM脉宽调制的优化控制模型，将LED照明驱动器的综合节能率提高10％以上。
此外，本发明综合考虑了LED照明驱动器的工程化应用需求，将功率因数、波形系数纳入LED照明驱动器的设计内容，提出了一种提高LED照明驱动器功率因数和降低谐波分量的实用方法，使LED照明驱动器在这两项指标的改进方面实现了质的飞跃，为LED照明真正进入工程化推广应用阶段提供了坚实的技术基础。并综合考虑了LED光源的电学、光学、热学特性，将LED的工作工况进行整体优化控制，解决了LED芯片的发热问题对LED芯片使用寿命的影响，使LED光源的使用寿命指标真正获得了质的飞跃，使LED照明真正具备了工程化推广应用的价值。还将LED光源的光学特性与电学特性结合起来进行优化控制，使LED芯片工作时光电转换效率始终保持在高效区，使LED驱动系统的综合效率提高10％以上。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。