一种基于谐振开关电容变换器的LED驱动装置和方法与流程

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种基于谐振开关电容变换器的led驱动装置和方法。

背景技术：

1、近年来，随着对新能源发电的重视程度不断加深，电力系统中分布式发电得到快速增长。在这种情况下，直流微电网因其效率、可靠性和安全性而受到重视。直流微电网是连接分布式发电、用电、电能存储和可控直流负载的直流电力系统。考虑到发光二极管led是直流负载，因此将led直接在直流微电网中应用的前景十分广阔。

2、led应该成为未来几十年人造光源的主要来源，因为它们与其他照明光源相比具有维护成本低、发光效率高、尺寸紧凑、寿命长和对环境无有害影响等优点。为了保证led恒流供电，led阵列需要结合高性能、低成本、小体积、高功率密度和长寿命等特点的驱动器。

3、传统led驱动电路利用传统开关电源拓扑，其磁性元器件具有体积大，重量重等缺点。开关电容变换器因此没有磁性元器件，仅靠开关电容充放电实现电能变换，具有体积小、重量轻和高功率密度的特点。但其同时由于存在较大的电流峰值，导致较大大的开关损耗，且emi(即，电磁干扰，electromagnetic interference)问题严重。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于谐振开关电容变换器的led驱动装置和方法，用以解决现有开关电容变换器由于存在较大的电流峰值，导致较大的开关损耗且电磁干扰严重的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种基于谐振开关电容变换器的led驱动装置，包括：谐振开关电容变换器和顺序串联连接的第一续流二极管、第二续流二极管、第一开关和第二开关，所述谐振开关电容变换器包括谐振电容器和谐振电感器，其中，所述谐振电容器连接在所述第一续流二极管和所述第二续流二极管之间的第一节点和所述第一开关和所述第二开关之间的第二节点之间；以及所述谐振电感器的第一端与所述第一续流二极管的阴极连接，所述谐振电感器的第二端与负载的第一端串联连接，以及所述负载的第二端连接至所述第二续流二极管和所述第一开关之间的第三节点，其中，所述谐振电感器以两倍的第一开关频率或两倍的第二开关频率工作。

3、上述技术方案的有益效果如下：在开关电容变换器的电容中串联的小电感器，可以在尽量不增加开关电容变换器体积及重量的前提下，开关电容变换器可实现软开关，具有较小的电流峰值，大大降低了开关电容变换器的开关损耗及emi。此外，谐振电感器以两倍的开关频率工作，有助于减少磁性元件。

4、基于上述装置的进一步改进，所述负载包括滤波电容器和多个发光二极管，其中，所述多个发光二极管串联连接，以及串联连接的多个发光二极管与所述滤波电容器并联连接。

5、基于上述装置的进一步改进，在没有传感器和控制电路的情况下，通过调整所述第一开关和所述第二开关的开关频率稳定所述负载中的发光二极管的功率。

6、基于上述装置的进一步改进，顺序串联连接的第一续流二极管、第二续流二极管、第一开关和第二开关由直流电压源供电，其中，所述直流电压源的正极与所述谐振电感器的第一端以及所述第一续流二极管的阴极连接，以及所述直流电压源的负极与所述第二开关的源极连接。

7、另一方面，本发明实施例提供了一种基于谐振开关电容变换器的led驱动方法包括：将第一续流二极管、第二续流二极管、第一开关和第二开关顺序串联连接；将谐振电容器连接在所述第一续流二极管和所述第二续流二极管之间的第一节点和所述第一开关和所述第二开关之间的第二节点之间；以及将谐振电感器连接在所述第一续流二极管的阴极和负载的第一端之间并且将所述负载的第二端连接至所述第二续流二极管和所述第一开关之间的第三节点，其中，所述谐振电感器以两倍的第一开关频率或两倍的第二开关频率工作。

8、基于上述方法的进一步改进，基于谐振开关电容变换器的led驱动方法还包括：将所述直流电压源的正极与所述谐振电感器的第一端以及所述第一续流二极管的阴极连接，以及将所述直流电压源的负极与所述第二开关的源极连接。

9、基于上述方法的进一步改进，在没有传感器和控制电路的情况下，通过调整所述第一开关和所述第二开关的开关频率稳定所述负载中的多个发光二极管的功率。

10、基于上述方法的进一步改进，led驱动装置的每个工作周期包括以下四种工作阶段：所述谐振电感器和所述谐振电容器充电的第一工作阶段；所述谐振电容器充电和所述谐振电感器放电的第二工作阶段；所述谐振电容器放电和所述谐振电感器充电的第三工作阶段；以及所述谐振电感器和所述谐振电容器放电的第四工作阶段。

11、基于上述方法的进一步改进，所述第一工作阶段处于时间段t0至t1之间以及所述第二工作阶段处于时间段t1至t3之间，其中，在时间t0处，所述第二开关导通，所述第二续流二极管正向偏置，通过所述直流电压源将能量传输至所述谐振电感器、所述谐振电容器和所述负载，使得所述谐振电感器和所述谐振电容器充电；在时刻t1处，所述谐振电感器中的电流达到最大电流值，所述谐振电容器中的电压cs为直流电压源vin与负载电压vo之间的压差；在时刻t1至t2之间，随着所述谐振电容器继续充电，所述第一续流二极管进入导通状态，所述谐振电感器继续通过所述第一续流二极管和所述第二续流二极管将能量传输到所述负载；以及在时刻t3处，所述谐振电感器中的电流达到最小电流值，所述第二开关断开。

12、基于上述方法的进一步改进，所述第三工作阶段处于时间段t3至t4之间以及所述第四工作阶段处于时间段t4至t6之间，其中，在时刻t3至时刻t4，所述第一开关导通，所述第一续流二极管继续导通，所述谐振电容器放电并且所述谐振电感器充电；在时刻t4处，所述谐振电感器中的电流达到最大电流值，所述谐振电容器中的电压为所述负载电压vo；在时刻t5处，所述谐振电容器继续放电，所述谐振电感器继续通过所述第一续流二极管和所述第二续流二极管将能量传输到负载；以及在时刻t6处，所述谐振电感器中的电流达到最小电流值，所述第二开关断开。

13、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

14、1、在开关电容变换器的电容中串联的小电感器，可以在尽量不增加开关电容变换器体积及重量的前提下，开关电容变换器可实现软开关，具有较小的电流峰值，大大降低了开关电容变换器的开关损耗及emi。

15、2、第一开关、第二开关和谐振电容器的工作频率相同，谐振电感器以两倍的第一开关频率或两倍的第二开关频率(或者两倍的谐振电容器频率)工作，有助于减少磁性元件。

16、3、可以通过调整开关频率来稳定led的功率，无需传感器和控制电路，降低了电路成本。

17、4、led驱动电路以连续导通模式(ccm)工作可以降低电流峰值，从而降低传导损耗。由于开关电容完全充放电，开关关断时存在zvs，从而降低了开关损耗。

18、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。