Led驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種LED驅(qū)動(dòng)電路，其包括至少一個(gè)串聯(lián)的LED串以及電源，所述電源用于將干線電壓(mains voltage)轉(zhuǎn)換為將被施加至所述至少一個(gè)LED串上的輸出電壓。
[0002]更具體地，本發(fā)明涉及高功率照明應(yīng)用，如工業(yè)用燈、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)用燈、路燈等等，其中多個(gè)LED的陣列由公共電源供電。
【背景技術(shù)】
[0003]由于單個(gè)LED的正向電壓(通常在I到5V的數(shù)量級(jí))遠(yuǎn)小于例如400VAC、230VAC或I1Vac的干線電壓，因此有必要將干線電壓轉(zhuǎn)換為適于LED的輸出電壓。當(dāng)多個(gè)LED串聯(lián)時(shí)，輸出電壓應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于所述串中的LED的正向電壓的總和。
[0004]多數(shù)傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電路包括多個(gè)串，所述多個(gè)串中的每一個(gè)僅具有相對(duì)較少數(shù)目的LED，從而輸出電壓將低于干線電壓。然而，當(dāng)多個(gè)串與公共電源并聯(lián)時(shí)，輸出電流必須相對(duì)較高，這導(dǎo)致系統(tǒng)損失增加，并且必須采取額外措施以確保并聯(lián)LED串之間的正確的電流平衡。通常，對(duì)于每一個(gè)LED串來(lái)說(shuō)，采用工作于電流模式的單個(gè)轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)LED電流。另外，這些系統(tǒng)需要許多連接和互連線，從而使電子部件的成本及其安裝成本相對(duì)較高。
[0005]EP 2 315 497 Al和EP 2 458 940 Al描述了具有兩級(jí)電源的LED驅(qū)動(dòng)電路。第一級(jí)是具有功率因子校正功能的轉(zhuǎn)換器，其將AC干線電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓并確保與AC電網(wǎng)規(guī)范相符。第二級(jí)是對(duì)一個(gè)或多個(gè)LED串中的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種具有增加的系統(tǒng)效率和減少的系統(tǒng)成本的LED驅(qū)動(dòng)電路。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明，電源包括適用于將干線電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出電壓的單級(jí)升壓轉(zhuǎn)換器。
[0008]由于使干線電壓升壓到較高的電壓電平，因此提高了效率并且減少了系統(tǒng)損失。此外，輸出電流相對(duì)較低，從而只需將電源輸出側(cè)上的電子部件設(shè)計(jì)為用于低電流。優(yōu)選地，輸出電壓甚至將超過(guò)所施加的干線電壓的峰值。這意味著需要整個(gè)系統(tǒng)足夠絕緣。然而，可以因此省去LED驅(qū)動(dòng)器(或變壓器)的傳統(tǒng)電絕緣。
[0009]在從屬權(quán)利要求中對(duì)本發(fā)明的更具體的可選特征進(jìn)行了說(shuō)明。
[0010]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，升壓轉(zhuǎn)換器是多電平轉(zhuǎn)換器，例如在以下文章中大體描述的類型:J.Rodrigues, J.S.Lai, F.Zheng 的 “Multilevel Inverters:A Survey ofTopologies, Controls and Applicat1ns” (多電平反相器:拓?fù)洹⒖刂萍皯?yīng)用縱覽),IEEETrans.1ndustrial Electronics, vol.49, 2002, pages 724-738 以及Μ.T.Zhang, J.Yiming，F(xiàn).C.Lee, M.M.Jovanovic 的“Single-Phase Three-Level Boost Power Factor Correct1nConverter”(單相三電平升壓功率因子校正轉(zhuǎn)換器)，IEEE APEC 10th annual, 1995, pages434-439。這種拓?fù)湓试S在不使用昂貴的高額定電壓的半導(dǎo)體器件的情況下提高輸出電壓電平。例如，可將輸出電壓提高至干線電壓峰值的至少1.5倍。優(yōu)選地，在LED串的串聯(lián)連接上均勻劃分輸出電壓。
[0011]為了增加效率，優(yōu)選的是使轉(zhuǎn)換器工作在臨界不連續(xù)模式中，如已經(jīng)在J.Zhang, J.Shao, P.Xu, F.C.Lee 的 “Evaluat1n of Input Current in the CriticalMode Boost PFC Converter for Distributed Power Systems”(對(duì)分布式電源系統(tǒng)的臨界模式升壓PFC轉(zhuǎn)換器中的輸入電流的評(píng)估)，IEEE APEC 16th annual, 2001, pages130-136 中以及 L.Huber, Β.T.1rving, Μ.M.Jovanovic 的 “Effect of valley switchingand switching-frequency limitat1ns on a line-current distort1ns of DCM/CCMboundary boost PFC converters”(波谷切換與切換頻率極限對(duì)DCM/CCM邊界升壓PFC轉(zhuǎn)換器的線性電流失真的影響),IEEE Trans.Power Electronics, vol.24, 2009, pages339-347中所描述的那樣。另外，可以通過(guò)在干線電壓的正弦波周期上施加電子開(kāi)關(guān)的恒定導(dǎo)通時(shí)間來(lái)簡(jiǎn)化循環(huán)控制。
[0012]此外，多電平拓?fù)渚哂心軌驅(qū)崿F(xiàn)LED電流平衡控制的優(yōu)點(diǎn)，由此可以更進(jìn)一步地提高效率。(J.R.Pinhiero, D.L.R.Vidor, H.A.GrUndling 的 “Dual Output Three-LevelBoost Power Factor Correct1n Converter with Unbalanced Loads，，(具有不平衡負(fù)載的雙輸出三電平升壓功率因子校正轉(zhuǎn)換器)，IEEE PESC 27th annual, 1996, pages733-739)。
[0013]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行保護(hù)使其不受過(guò)量的涌入電流和瞬變電壓的損害。
【附圖說(shuō)明】
[0014]現(xiàn)在將結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例示例，其中:
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的LED驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)單示例的電路圖；
[0016]圖2是具有兩電平轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路的電路圖；
[0017]圖3(A)至圖3(E)是示出了圖2所示的轉(zhuǎn)換器的不同操作模式的時(shí)序圖；
[0018]圖4是四電平轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0019]圖5是適用于三相干線電壓的兩電平轉(zhuǎn)換器的示例；
[0020]圖6是具有兩個(gè)并聯(lián)LED串的LED驅(qū)動(dòng)電路的示例；以及
[0021]圖7是與圖1類似但示出了用于涌入電流限制和瞬變保護(hù)的措施的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1所示，LED驅(qū)動(dòng)電路包括串聯(lián)的LED 12的串10以及單級(jí)升壓轉(zhuǎn)換器14，所述單級(jí)升壓轉(zhuǎn)換器14適用于將干線電壓AC轉(zhuǎn)換為直接施加至串10的輸出電壓Uciutt3干線電壓可以例如是230V的單相AC電壓。
[0023]雖然為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，圖1的串10中僅示出了兩個(gè)LED 12，但是實(shí)際中所述串將包括明顯更大數(shù)目的串聯(lián)的LED。例如，LED的數(shù)目可以為100或更多，從而使得輸出電壓Uciut可以是400V到1000V的數(shù)量級(jí)。
[0024]轉(zhuǎn)換器14包括由二極管01至D 4形成的二極管橋以及連接在二極管橋的輸出端之間的電感器L、二極管％和電容器C的串聯(lián)。受電子控制器Q控制的電子開(kāi)關(guān)S (例如MOSFET)與二極管05和電容器C并聯(lián)。LED的串10與電容器C并聯(lián)。
[0025]二極管橋01至D 4將干線電壓AC整流為脈沖DC電壓U ιη。當(dāng)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通(閉合)時(shí)，電壓Uin跨電感器L而下降，使得通過(guò)電感器L的電流增加(正斜率)。二極管D 5防止電容器C經(jīng)由開(kāi)關(guān)S放電。只要開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，存儲(chǔ)于電感器L中的能量就增加，同時(shí)電容器C經(jīng)由LED串10放電。
[0026]當(dāng)開(kāi)關(guān)S被切斷(斷開(kāi))時(shí)，電感器L強(qiáng)制電流流過(guò)二極管D5并流過(guò)LED串10，同時(shí)電容器C進(jìn)行再充電。由于輸出電壓Uciut始終大于電壓U ιη(或更精確地，與時(shí)間有關(guān)的電壓Uin的瞬時(shí)值)，因此流過(guò)電感器L的電流減小(負(fù)斜率)，直到開(kāi)關(guān)S再次閉合。
[0027]提供電流分流器來(lái)測(cè)量流過(guò)LED串10的電流1_。控制器Q接收電流、輸入電壓Uin和流過(guò)電感器L的電流(以及可選地，出于保護(hù)目的而接收的輸出電壓Uciut)的測(cè)量值，并且可被配置為在相比于干線正弦波周期的較大的時(shí)間尺度上對(duì)開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行反饋控制，而控制斷開(kāi)時(shí)間以使流過(guò)電感器L的電流具有剛好足以衰減至零的時(shí)間。換言之，轉(zhuǎn)換器工作在處于連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)(其中電流將連續(xù)地流過(guò)電感器L)與不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)(其中將存在沒(méi)有電流流過(guò)電感器的時(shí)段)之間的邊界上的所謂的臨界模式中。
[0028]因此，1]_與Uιη的瞬時(shí)值之間的差值將結(jié)合開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的持續(xù)時(shí)間來(lái)決定開(kāi)關(guān)S的斷開(kāi)時(shí)段的持續(xù)時(shí)間以及轉(zhuǎn)換器的切換頻率。通常，將對(duì)開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間(恒定或不恒定)進(jìn)行選擇以使切換頻率處于若干kHz的數(shù)量級(jí)，從而可以用具有相對(duì)較低的電感(inductivity)的電感器實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。
[0029]作為一個(gè)更實(shí)際的示例，圖2示出了向串聯(lián)的兩個(gè)LED串10供電的兩電平轉(zhuǎn)換器16的構(gòu)思。如果兩個(gè)串10具有相等數(shù)目的LED 12并且所有LED具有相同的正向電壓，則轉(zhuǎn)換器16的輸出電壓Uciut將在兩個(gè)串10上均勻分配，從而每個(gè)串由端子電壓U _( = Uout/2)供電。
[0030]圖2所示的轉(zhuǎn)換器16與圖1所示的轉(zhuǎn)換器14之間的主要差異為:在轉(zhuǎn)換器16中，開(kāi)關(guān)S由兩個(gè)開(kāi)關(guān)S。S2的串聯(lián)替代，并且電容器C由電容器CJP電容器(:2的串聯(lián)替代。位于開(kāi)關(guān)與電容器之間的中點(diǎn)形成連接至位于兩個(gè)LED串10之間的中點(diǎn)的端子。因此，每個(gè)串10的端子電壓由跨對(duì)應(yīng)的電容器C n電容器(:2的電壓降決定。另一個(gè)二極管D6防止電容器C2在開(kāi)關(guān)S 2閉合時(shí)經(jīng)由開(kāi)關(guān)S2放電。單獨(dú)測(cè)量流過(guò)每個(gè)LED串10的電流 Iledo
[0031]在所示的示例中，電感器L也已經(jīng)由兩個(gè)電感器M5P L2替代。此外，模式選擇開(kāi)關(guān)Sni連接在二極管D 2和D 4的中點(diǎn)與位于開(kāi)關(guān)S S 2之間的中點(diǎn)之間。
[0032]當(dāng)模式選擇開(kāi)關(guān)Sni斷開(kāi)并且對(duì)開(kāi)關(guān)S S 2同步操作(由圖2中未示出的控制器Q操作)時(shí)，轉(zhuǎn)換器16的操作等價(jià)于轉(zhuǎn)換器14的操作。例如，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)SjP S2的導(dǎo)通時(shí)間，可以將輸出電壓Uciut控制在400V到500V范圍內(nèi)，從而向每個(gè)單獨(dú)的串10供應(yīng)具有200V與250V之間的值的端子電壓Uledo
[0033]模式選擇開(kāi)關(guān)Sni可用于將轉(zhuǎn)換器切換為倍壓模式，在倍壓模式中，可以用例如只有I1Vac的較低的干線電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)具有幾乎相同的轉(zhuǎn)換效率的相同輸出電壓U-。在