用于恒流驱动的开关电源系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于恒流驱动的开关电源系统，包括变压器、功率开关、第一控制电路、第二控制电路、电流采样电阻、电流开关和信号反馈路径。变压器具有初级侧和次级侧，次级侧连接有输出负载，功率开关与初级侧串联。第一控制电路输入直流电压和第二脉宽调制信号，输出第一脉宽调制信号至功率开关，并进行功率因数校正。电流采样电阻连接输出负载并形成采样电压。电流开关连接输出负载以对其电流进行斩波。第二控制电路输入次级侧的电压和采样电压，并输出第二脉宽调制信号至电流开关，实现恒流驱动和去工频纹波。信号反馈路径连接第一控制电路和第二控制电路，将第二脉宽调制信号输入第一控制电路，通过控制从初级侧传递到次级侧的能量而限制输出电压的波动范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及开关电源系统，尤其涉及一种用于恒流驱动的开关电源系统。
技术介绍
随着有机发光二极管(LED)照明应用的发展，近年来各国相继发布了与LED照明相关的各种标准。最具代表性的是基于美国的能源之星计划在2009年发布的《整体式LED灯能源之星认证》最终版。值得关注的是，在该标准中，对LED灯的功率因数提出了专门的规定。按照该标准，对于功率大于5W的LED灯，功率因数(PF)要大于70％。因此，提高LED灯的功率因数以实现节能环保是普遍的趋势。为了达到较高的功率因数，传统的做法是在LED的输出驱动级前面增加一级无源或有源功率因数校正(PFC)电路。无源功率因数校正(PPFC)通常使用填谷电路，而有源功率因数校正(APFC)通常使用升压(Boost)电路实现。图1示例了已知的用于驱动LED的开关电源系统，这是一个由有源功率因数校正(APFC)电路120和反激式(flyback)开关电源LED恒流驱动级130构成的两级LED驱动电路。有源功率因数校正电路(APFC)120进一步由一个升压功率转换器和一个功率因数控制器122构成。如图1所示，交流(AC)输入电压首先通过输入整流器110，形成“M”型的输入整流电压，作为APFC电路120的输入。同时输入整流电压经由电阻R1,R2分压后，被PFC控制器122的ACI引脚采样。升压功率转换器的输出电压经由电阻R4,R5分压后被PFC控制器122的VFB引脚采样。由VFB引脚采样的信号与一个预先设定的内部参考电压相减形成误差信号。这个误差信号经PFC控制器122内部的运算放大器放大后形成反馈电压控制信号。这个反馈电压控制信号进一步与由ACI引脚采到的全波整流后的“M”型电压相乘。由
于这个反馈电压控制信号近似直流，所以这个乘积与全波整流后的输入电压同相位，且波形相同。以这个相乘后的电压作为控制PFC电感电流的阈值电压(如图2所示)。当电感电流在电流采样电阻Rsp上形成的采样电压大于这个阈值，则关断PFC的功率开关M2。基于上述控制方式可以得到如图2所示的升压功率因数校正器的电感电流波形，以及整流后的平均电流波形。这个波形和整流后的“M”型电压的波形和相位相同，因此由交流输入端看进去的电压、电流相位相同且同为正弦波。所以，通过功率因数校正(PFC)电路可以消除波形畸变和相位差，从而达到改善功率因数的目标。上述两级LED驱动系统的优点是可以减小波形畸变、改善功率因数，而且输出电流没有工频纹波。但是上述构架也有明显的不足之处。首先，由于增加了一级额外的PFC校正电路120，使整个开关电源系统的元器件数量和系统成本大为增加，转换效率有所下降；其次，随着近年来智能LED照明的增加，对LED驱动电源提出了可调制输出电流的要求，这对于两级结构也是比较难以实现的。这两点缺点使这种两级构架在LED照明驱动应用中受到一定的限制。因此，期望提出一种改进的开关电源系统，既能实现高功率因数和低谐波、输出无工频纹波，又能实现电流或电压可调制且功率因数不受输出功率影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于恒流驱动的开关电源系统，可以在实现高功率因数和负载无工频纹波的前提下，具有简化的结构。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于驱动LED的开关电源系统，包括变压器、功率开关、第一控制电路、第二控制电路，电流采样电阻、电流开关以及信号反馈路径。变压器具有初级侧和次级侧，该次级侧连接有输出负载。功率开关与该初级侧串联，并控制该初级侧的导通及关断以控制由该初级侧传递到该次级侧的能量。第一控制电路位于该变压器的初级侧，该第一控制电路输入直流电压和第二脉宽调制信号，且根据该第二脉宽调制信号输出第一脉宽调制信号至该功率开关以控制该功率开关的导通和关断，其中该第一控制电路具有充电节点，该充电节点连接环路补偿电容，其中该功率开关的导通时
间与该环路补偿电容的电压呈单调递增关系，且由该环路补偿电容所决定的环路带宽远小于交流电的工频频率。电流采样电阻连接该输出负载以检测该输出负载的电流并形成采样电压。电流开关连接该输出负载以对该输出负载的电流进行斩波。第二控制电路，位于该变压器的次级侧，该第二控制电路输入该次级侧的电压和该采样电压，并根据该采样电压输出该第二脉宽调制信号至该电流开关以控制该电流开关的导通和关断，其中该输出负载的电流越大，该电流开关的导通时间越短。信号反馈路径连接该第一控制电路和该第二控制电路，该信号反馈路径将该第二脉宽调制信号传递到该初级侧并且输入该第一控制电路，形成一个闭合的电压控制环路，通过控制从该初级侧传递到该次级侧负载的能量而限制输出电压的波动范围。在本专利技术的一实施例中，该第一控制电路包括开关电流积分器和PWM信号发生器，该开关电流积分器接收该第二脉宽调制信号，并在该第二脉宽调制信号的控制下产生充电积分电流或放电积分电流，该积分电流通过该充电节点对该环路补偿电容充电，并在该环路补偿电容上形成积分电压，该积分电压控制该PWM信号发生器产生该第一脉宽调制信号并输出至该功率开关，其中该积分电压和该第一脉宽调制信号的脉冲宽度成单调递增关系。在本专利技术的一实施例中，该第一控制电路还包括PWM驱动器，连接在该PWM信号发生器和该功率开关之间。在本专利技术的一实施例中，该第二控制电路包括锯齿波发生器、放大器、比较器以及参考电压发生器，该比较器的输出端连接该电流开关，该电流开关连接于该输出负载与电流采样电阻之间，该电流采样电阻的采样节点连接该放大器的第一输入端，该放大器的第二输入端连接由该参考电压发生器产生的参考电压信号，该放大器输出电压信号至该比较器的第一输入端，该比较器的第二输入端连接该锯齿波发生器产生的锯齿波信号，该锯齿波信号和该放大器输出的电压信号经过该比较器的比较产生该第二脉宽调制信号。在本专利技术的一实施例中，上述的开关电源系统还包括滤波器，连接在该采样节点和该放大器的第一输入端之间。在本专利技术的一实施例中，该第二控制电路还包括PWM驱动器，连接在该比较器和该电流开关之间。在本专利技术的一实施例中，上述的开关电源系统还包括电流调制器，连接该第二控制电路，该电流调制器输出幅度可调的电压信号，并在第二控制电路处与该采样电压相加。在本专利技术的一实施例中，该信号反馈路径上设有信号反馈电路。在本专利技术的一实施例中，该信号反馈电路为高速光耦器、电容器或信号变压器。在本专利技术的一实施例中，该变压器为隔离式变压器或非隔离式变压器。与现有技术相比，本专利技术的开关电源系统在具有高功率因数低谐波、负载无工频纹波的特征的前提下，具有更简化的结构。附图说明图1是已知的用于驱动LED的开关电源系统的原理图。图2是图1所示有源功率因数校正器的电感电流波形。图3是本专利技术一实施例的用于驱动LED的开关电源系统的电路原理图。图4示例了本专利技术实施例的控制波形图。图5示例了本专利技术实施例的第一控制电路的原理图。图6示例了本专利技术实施例的第一控制电路中的PWM发生器的原理图。图7示例了本专利技术实施例的第一控制电路的控制波形图。图8示例了本专利技术实施例的第二控制电路的原理图。图9示例了本专利技术实施例的输出电流控制的波形图。图10示例了本专利技术实施例的信号反馈电路的原理图。图11是本专利技术另一实施例的用于驱动LED的开关电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动LED的开关电源系统，包括：变压器，具有初级侧和次级侧，该次级侧连接有输出负载；功率开关，与该初级侧串联，并控制该初级侧的导通及关断以控制由该初级侧传递到该次级侧的能量；第一控制电路，位于该变压器的初级侧，该第一控制电路输入直流电压和第二脉宽调制信号，且根据该第二脉宽调制信号输出第一脉宽调制信号至该功率开关以控制该功率开关的导通和关断，其中该第一控制电路具有充电节点，该充电节点连接环路补偿电容，其中该功率开关的导通时间与该环路补偿电容的电压呈单调递增关系，且由该环路补偿电容所决定的环路带宽远小于交流电的工频频率；电流采样电阻，连接该输出负载以检测该输出负载的电流并形成采样电压；电流开关，连接该输出负载以对该输出负载的电流进行斩波；第二控制电路，位于该变压器的次级侧，该第二控制电路输入该次级侧的电压和该采样电压，并根据该该采样电压输出该第二脉宽调制信号至该电流开关以控制该电流开关的导通和关断，其中该输出负载的电流越大，该电流开关的导通时间越短；信号反馈路径，连接该第一控制电路和该第二控制电路，该信号反馈路径将该第二脉宽调制信号传递到该初级侧并且输入该第一控制电路，形成一个闭合的电压控制环路，通过控制从该初级侧传递到该次级侧负载的能量而限制输出电压的波动范围。...

【技术特征摘要】
1.一种用于驱动LED的开关电源系统，包括：变压器，具有初级侧和次级侧，该次级侧连接有输出负载；功率开关，与该初级侧串联，并控制该初级侧的导通及关断以控制由该初级侧传递到该次级侧的能量；第一控制电路，位于该变压器的初级侧，该第一控制电路输入直流电压和第二脉宽调制信号，且根据该第二脉宽调制信号输出第一脉宽调制信号至该功率开关以控制该功率开关的导通和关断，其中该第一控制电路具有充电节点，该充电节点连接环路补偿电容，其中该功率开关的导通时间与该环路补偿电容的电压呈单调递增关系，且由该环路补偿电容所决定的环路带宽远小于交流电的工频频率；电流采样电阻，连接该输出负载以检测该输出负载的电流并形成采样电压；电流开关，连接该输出负载以对该输出负载的电流进行斩波；第二控制电路，位于该变压器的次级侧，该第二控制电路输入该次级侧的电压和该采样电压，并根据该该采样电压输出该第二脉宽调制信号至该电流开关以控制该电流开关的导通和关断，其中该输出负载的电流越大，该电流开关的导通时间越短；信号反馈路径，连接该第一控制电路和该第二控制电路，该信号反馈路径将该第二脉宽调制信号传递到该初级侧并且输入该第一控制电路，形成一个闭合的电压控制环路，通过控制从该初级侧传递到该次级侧负载的能量而限制输出电压的波动范围。2.如权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于，该第一控制电路包括开关电流积分器和PWM信号发生器，该开关电流积分器接收该第二脉宽调制信号，并在该第二脉宽调制信号的控制下产生充电积分电流或放电积分电流，该积分电流通过该充电节点对该环路补偿电容充电，并在该环路补偿电容上形成积分电压，该积分...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱臻，朱良飞，李振华，
申请(专利权)人：上海莱狮半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31