淘汰可调光12伏白炽灯的LED灯恒流电源

技术领域

本发明属于LED灯恒流电源技术，特别涉及淘汰可调光12伏白炽灯的LED灯恒流电源。

背景技术

白炽灯泡的光效为每瓦15流明，2014年4月3日，科税(CREE)公司宣布：给5150度K色温的LED灯珠供直流电350毫安时，测得LED光效为每瓦303流明！换句话说，LED灯只须相当于白炽灯耗电的5％，就可以得到与白炽灯同等流明。用高光效LED灯取代传统白炽灯泡，可取得节能95％的效果，全世界各国政府纷纷正式立法停产停售白炽灯泡，正是为了地球减碳生态环保。

对于不调光的高电压的白炽灯泡，用LED灯取而代之，是当代照明的朝阳产业之一。但是，对于可控硅调光12伏低压的白炽灯泡用LED灯取代，可不是容易的事。各集成电路企业专题研发攻关，分别研发了专门应用于可控硅调光的LED灯专用集成电路，如上海占空比电子科技有限公司生产的AC/DC准谐振高功率因数恒流LED可控硅调光驱动芯片DU8968，但目前包括DU8968在内的专门应用于可控硅调光LED灯集成芯片大都仅适用于100伏以上高压交流电源，对于12伏低压电源均不适用，由于12伏桥式整流器本身电压降导致功率下降，全负载LED灯电压可能远远超过12伏电压等问题，因此，可控硅调光的12伏低压白炽灯泡用LED灯取代成了全球公认的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于12伏交流电源、最高节能达95％、不使用桥式整流而提升电功功率、不使用电解电容而提高可靠性、恒流精度高、电流纹波小、LED灯不闪烁、电路环保的淘汰可调光12伏白炽灯的LED灯恒流电源。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

淘汰可调光12伏白炽灯的LED灯恒流电源，包括：交流供电电路、控制电路、耦合输出电路和纹波抑平电路；

所述交流供电电路连接12伏交流电源Uin，包括分别受控于12伏交流电源Uin正半波和负半波极性控制交替工作或休息半个波的恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2，以及，分别由恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2恒流控制的交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路，上述电流回路的电流均流经磁集成变压器TR的原边绕组N11和原边绕组N12，以分别在磁集成变压器TR的副边绕组NV1和副边绕组NV2产生感应电压输出到恒流驱动芯片U1或恒流驱动芯片U2作为工作电压，在磁集成变压器TR的中柱次级绕组N2产生感应次级电流输出到耦合输出电路；

所述控制电路包括恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2的控制电路；分别用于提供恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2的启动电流、工作电压和工作状态控制；

所述耦合输出电路把上述中柱次级绕组N2产生的感应次级电流经整流、滤波后输出到负载LED灯；

所述纹波抑平电路回收交流电源和交流供电电路中产生的谐波THD和电磁干扰EMI，经整流后输出到负载LED灯；

所述恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2均采用型号为DU8968的集成芯片。

所述磁集成变压器TR包括“日”字型磁芯柱，以及，原边绕组N11和原边绕组N12分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，副边绕组NV1和副边绕组NV2分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，中柱次级绕组N2绕在“日”字型磁芯柱的中柱上，附加绕组N31和附加绕组N32分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上。

所述交流电正半波电流回路为：在交流电正半波，电流从12伏交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11的异名端和同名端，再从恒流驱动芯片U1的DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻rcs、公共零电位OV、二极管D2、原边绕组N12的异名端和同名端，回到12伏交流电源Uin的负极性N端；受控于该交流电正半波，恒流驱动芯片U1工作，恒流驱动芯片U2不工作；

所述交流电负半波电流回路为：在交流电负半波，电流从12伏交流电源Uin的负极性N端流出，依次流经原边绕组N12的同名端和异名端、再从恒流驱动芯片U2的DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻rcs、公共零电位OV、二极管D1、原边绕组N11的同名端和异名端、熔断保险丝F，回到12伏交流电源Uin的正极性L端；受控于该交流电负半波，恒流驱动芯片U2工作，恒流驱动芯片U1不工作。

所述控制电路包括恒流驱动芯片U1的启动电路：在交流电正半波，电流从12伏交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11的异名端和同名端、启动电容Cj1，流进恒流驱动芯片U1的VCC引脚，向VCC引脚提供50微安以上的电流从而启动恒流驱动芯片U1工作；

所述控制电路还包括恒流驱动芯片U2的启动电路：在交流电负半波，电流从12伏交流电源Uin的负极性N端流出，依次流经原边绕组N12的同名端和异名端、启动电容Cj2，流进恒流驱动芯片U2的VCC引脚，向VCC引脚提供50微安以上的电流从而启动恒流驱动芯片U2工作；

所述控制电路还包括低压电源自供电电路，用于在恒流驱动芯片U1或恒流驱动芯片U2启动后，提供恒流驱动芯片U1或恒流驱动芯片U2的工作电压；该低压电源自供电电路包括：副边绕组NV1的同名端经限流电阻R13连接二极管D13的正极，二极管D13的负极连接二极管D14的负极，二极管D14的正极经限流电阻R14连接副边绕组NV2的异名端，恒流驱动芯片U1的VCC引脚、恒流驱动芯片U2的VCC引脚和贮能电容Cv的一端同时连接在二极管D13和二极管D14之间，贮能电容Cv的另一端、副边绕组NV1的异名端、副边绕组NV2的同名端、恒流驱动芯片U1的GND引脚和恒流驱动芯片U2的GND引脚均连接公共零电位OV。

所述控制电路还包括副边绕组NV1输出的感应电压经过电阻R11和电阻r11的分压反馈到恒流驱动芯片U1的FB引脚，副边绕组NV2输出的感应电压经过电阻R12与电阻r12的分压反馈到恒流驱动芯片U2的FB引脚，分别控制恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2工作在恒流状态。

所述控制电路还包括调光控制电路：12伏交流电源Uin的输入电压经过电阻R71和r71分压反馈到恒流驱动芯片U1的LN引脚，12伏交流电源Uin的输入电压经过电阻R72和r72分压反馈到恒流驱动芯片U2的LN引脚，分别通过分压调压控制恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2的调光功能；恒流驱动芯片U1的BRO引脚和恒流驱动芯片U2的BRO引脚同时连接补偿电容CBRO的一端，补偿电容CBRO的另一端连接公共零电位OV；补偿电容CBRO用于设定调光深度。

所述控制电路还包括压制闪烁电路：恒流驱动芯片U1的COMP引脚和GND引脚之间连接补偿电容C81，同时恒流驱动芯片U1的COMP引脚经电容C71连接二极管D71的正极，二极管D71的负极连接恒流驱动芯片U1的LN引脚；恒流驱动芯片U2的COMP引脚和GND引脚之间连接补偿电容C82，同时恒流驱动芯片U2的COMP引脚经电容C72连接二极管D72的正极，二极管D72的负极连接恒流驱动芯片U2的LN引脚。

所述耦合输出电路包括：中柱次级绕组N2的一端同时连接贮能电容C01的一端和贮能电容C02的一端，中柱次级绕组N2的另一端同时连接整流二极管D01的正极和整流二极管D02的负极，贮能电容C01的另一端和整流二极管D01的负极均连接负载LED灯的正极端，贮能电容C02的另一端和整流二极管D02的正极均连接负载LED灯的负极端；负载LED灯的的两端还并联RC并联滤波电路；通过设计中柱次级绕组N2的匝数，适配各电压等级的负载LED灯。

所述纹波抑平电路包括：附加绕组N31的一端经过调谐电感L31后同时连接二极管D311的正极和二极管D312的负极，另一端连接附加绕组N32的一端并同时连接在贮能电容C01和贮能电容C02之间，附加绕组N32的另一端经过调谐电感L32后同时连接二极管D321的正极和二极管D322的负极，二极管D311的负极和二极管D321的负极均连接负载LED灯的正极端，二极管312的正极和二极管D322的正极均连接负载LED灯的负极端。

本发明的显著优点在于：

1、解决了全球LED业界公认难题之一“12伏低压可控硅调光白炽灯泡用LED取而代之，最高可节能95％”。

2、利用输入交流电源过零之后正半波或者负半波的半波时段的极性控制两片DU8968集成芯片交替工作或休息半个波高频PWM恒流控制主回路电流，省去交流电源的桥式整流器，直接产生高频RF的AC-AC工作模式，提高了功率因数PF值，有效提升交流电源的电功效率，降低了成本。

3、不用电解电容，提升LED恒流电源可靠性。

4、用启动电容Cj1和Cj2的容抗作为不消耗有功功率的启动方案，取代传统的电阻降压启动方案。

5、运用磁集成技术，在普通三柱磁芯的两边柱设置初级绕组N11和N12；中柱次级绕组N2安排在磁芯中柱，在两边柱边角处设置附加绕组N31和N32，充分利用绕组漏电感也参与正能量的工作。原边绕组N11和N12经启动电容Cj1和Cj2及安规电容Cx构成LC闭合回路，当交流电源Uin过零，或内部电力电子开关的“死区时段”瞬间，该LC闭合回路回收杂散电磁场原本有害的谐波负能量，转化为中柱次级绕组N2、附加绕组N31和N32的正能量，回馈给负载LED灯，既提升电功功率，又降低了THD和EMI。

6、因不用电解电容，对于无滤波之高纹波问题，本发明利用边柱磁通与中柱合成磁通之间存在相位差作用，在两边柱边角处设置附加绕组N31和N32，并分别串入电感L31、电感L32，与电容C01及与电容C02分别构成“串联谐振回路”，分别调谐在电源谐波THD中存在谐波能量较大的两个频率，于是把原本有害的谐波交流能量，化害为利，回收转化为直流电流源，向滤波电容C0供电，起到抑平LED电流纹波的作用，所以，不必用大电容量的电解电容作滤波电容，就可以实现LED低纹波。

7、在整个调光过程均有超过0.90的高功率因数PF；

8、恒流精度高达3％，电流纹波小，LED灯不闪烁。

9、灵活设计中柱次级绕组N2的匝数，可适配现有各电压等级的LED灯。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

淘汰可调光12伏白炽灯的LED灯恒流电源，包括：交流供电电路、控制电路、耦合输出电路和纹波抑平电路；

如图1所示，本发明采用的磁集成变压器TR包括“日”字型磁芯柱，以及，原边绕组N11和原边绕组N12分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，副边绕组NV1和副边绕组NV2分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上，中柱次级绕组N2绕在“日”字型磁芯柱的中柱上，附加绕组N31和附加绕组N32分别对称地绕在“日”字型磁芯柱的两个边柱上。

所述交流供电电路连接12伏交流电源Uin，包括分别受控于12伏交流电源Uin正半波和负半波极性控制交替工作或休息半个波的恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2，以及，分别由恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2恒流控制的交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路。

所述恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2均采用上海占空比电子科技有限公司生产的型号为DU8968的集成芯片。

所述交流电正半波电流回路为：在交流电正半波，电流从12伏交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11的异名端和同名端，再从恒流驱动芯片U1的DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻rcs、公共零电位OV、二极管D2、原边绕组N12的异名端和同名端，回到12伏交流电源Uin的负极性N端；受控于该交流电正半波，二级管D1截止，二级管D2导通，恒流驱动芯片U1工作，恒流驱动芯片U2不工作；

所述交流电负半波电流回路为：在交流电负半波，电流从12伏交流电源Uin的负极性N端流出，依次流经原边绕组N12的同名端和异名端、再从恒流驱动芯片U2的DRN引脚流进、从CS引脚流出，再依次流经采样电阻rcs、公共零电位OV、二极管D1、原边绕组N11的同名端和异名端、熔断保险丝F，回到12伏交流电源Uin的正极性L端；受控于该交流电负半波，二级管D2截止，二级管D1导通，恒流驱动芯片U2工作，恒流驱动芯片U1不工作。

恒流驱动芯片U1的CS引脚和恒流驱动芯片U2的CS引脚同时连接采样电阻rcs的一端，采样电阻rcs的另一端连接公共零电位端OV。通过选取不同阻值的采样电阻rcs，能够编程确定输出恒定负载电流I_LED。rcs＝0.2/I，式中，I为恒流期望值，DU8968规定I的上限峰值为4A，DU8968内置比较器的门槛值(CS引脚)电压为0.2伏。

上述的交流电正半波电流回路和交流电负半波电流回路，是为适应12伏低压电源Uin，省去常见的交流电源先经桥堆整流，减少了桥堆整流形成的两个P-N结压降损失约2伏左右，对于12伏低压电源而言减少约16％的电源损耗，把传统的AC-DC-AC-DC的LED灯电源方案，简化为AC(AF)-AC(RF)-DC的LED灯电源方案，有效提升电功效率，降低了成本。

所述控制电路包括恒流驱动芯片U1的启动电路：在交流电正半波，电流从12伏交流电源Uin的正极性L端流出，依次流经熔断保险丝F、原边绕组N11的异名端和同名端、启动电容Cj1，流进恒流驱动芯片U1的VCC引脚，向VCC引脚提供50微安以上的电流从而启动恒流驱动芯片U1工作；恒流驱动芯片U1启动之后，由副边绕组NV1串接型号为100R的限流电阻R13和4148型二极管D13、副边绕组NV2串接型号为100R的限流电阻R14和4148型二极管D14形成低压电源自供电，向恒流驱动芯片U1的VCC引脚供电，同时向贮能电容Cv充电，贮能电容Cv贮能维持20ms的12伏电压，就能维持恒流驱动芯片U1正常工作。

所述控制电路还包括恒流驱动芯片U2的启动电路：在交流电负半波，电流从12伏交流电源Uin的负极性N端流出，依次流经原边绕组N12的同名端和异名端、启动电容Cj2，流进恒流驱动芯片U2的VCC引脚，向VCC引脚提供50微安以上的电流从而启动恒流驱动芯片U2工作；恒流驱动芯片U2启动之后，由副边绕组NV1串接型号为100R的限流电阻R13和4148型二极管D13、副边绕组NV2串接型号为100R的限流电阻R14和4148型二极管D14形成低压电源自供电，向恒流驱动芯片U2的VCC引脚供电，同时向贮能电容Cv充电，贮能电容Cv贮能维持20ms的12伏电压，就能维持恒流驱动芯片U2正常工作。

副边绕组NV1和副边绕组NV2起到“无光耦初级回馈”作用；由副边绕组NV1输出的感应电压经过电阻R11和电阻r11的分压反馈到恒流驱动芯片U1的FB引脚，副边绕组NV2输出的感应电压经过电阻R12与电阻r12的分压反馈到恒流驱动芯片U2的FB引脚，分别控制恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2工作在真正的“谷底开关”软开关恒流状态。

DU8968的LN引脚是可控硅切角采样端，由12伏交流电源Uin的输入电压经电阻R71和电阻r71分压反馈到恒流驱动芯片U1的LN引脚，由12伏交流电源Uin的输入电压经电阻R72和电阻r72分压反馈到恒流驱动芯片U2的LN引脚，通过DU8968内部微电路跟随外电路可控硅斩波调压实现调光功能。补偿电容CBRO一端连接恒流驱动芯片U1的BRO引脚和恒流驱动芯片U2的BRO引脚，另一端连接公共零电位OV；当外电路可控硅调光发生闪烁，由补偿电容CBRO释放电荷补偿。

恒流驱动芯片U1的COMP引脚和GND引脚之间连接型号为103/15V的补偿电容C81，同时恒流驱动芯片U1的COMP引脚经电容C71连接二极管D71的正极，二极管D71的负极连接恒流驱动芯片U1的LN引脚，配合电阻R71和电阻r71分压，把交流电正半波的调光切角相位信号反馈到恒流驱动芯片U1的LN引脚；恒流驱动芯片U2的COMP引脚和GND引脚之间连接型号为103/15V补偿电容C82，同时恒流驱动芯片U2的COMP引脚经电容C72连接二极管D72的正极，二极管D72的负极连接恒流驱动芯片U2的LN引脚；配合电阻R72和电阻r72分压，把交流电负半波的调光切角相位信号反馈到恒流驱动芯片U2的LN引脚。起到压制闪烁的作用。

所述耦合输出电路包括：中柱次级绕组N2的一端同时连接贮能电容C01的一端和贮能电容C02的一端，中柱次级绕组N2的另一端同时连接整流二极管D01的正极和整流二极管D02的负极，贮能电容C01的另一端和整流二极管D01的负极均连接负载LED灯的正极端，贮能电容C02的另一端和整流二极管D02的正极均连接负载LED灯的负极端；负载LED灯的两端还并联RC并联滤波电路。RC并联滤波电路由并联的滤波电容C0和电阻R0组成。灵活设计中柱次级绕组N2的匝数，可以适配目前市场上各电压等级的LED灯。

所述纹波抑平电路包括：附加绕组N31的一端经过调谐电感L31后同时连接二极管D311的正极和二极管D312的负极，另一端连接附加绕组N32的一端并同时连接在贮能电容C01和贮能电容C02之间，附加绕组N32的另一端经过调谐电感L32后同时连接二极管D321的正极和二极管D322的负极，二极管D311的负极和二极管D321的负极均连接负载LED灯的正极端，二极管312的正极和二极管D322的正极均连接负载LED灯的负极端。

对于50赫兹的12伏交流电源Uin，交流电每半个波占10毫秒。受12伏交流电源的正、负半波控制，恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2轮替工作半个波(10毫秒)时段，又轮替休息半个波(10毫秒)时段，当12伏交流电过零时，恒流驱动芯片U1和恒流驱动芯片U2均停止工作，形成瞬时死区时段，这时原边绕组N11、启动电容Cj1、启动电容Cj2和原边绕组N12、安规电容Cx闭环构成LC串联谐振电路，回收电源漏电感及分布电容杂散电磁场能量感应到附加绕组N31和附加绕组N32，附加绕组N31和N32分别串入电感L31、电感L32，与电容C01及与电容C02分别构成“串联谐振回路”，分别调谐在电源谐波THD中存在谐波能量较大的两个频率，于是把原本有害的谐波交流能量，化害为利，回收转化为直流电流源，向滤波电容C0供电，同时向负载LED灯供电，平抑输出电流的纹波。所以，不必用大电容量的电解电容作滤波电容，就可以实现LED低纹波。如果没有附加绕组N31和N32，只有中柱次级绕组N2感应输出给LED的能量，则C0需较大电容量的电解电容，也可以实现百分之三精度的恒流供LED，但纹波较大。