有源紋波補(bǔ)償降壓型LED驅(qū)動電源

劉沅玲，高 嚴(yán)，賈文超

（長春光華學(xué)院 電氣信息學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引 言

作為綠色清潔的照明LED，不含污染環(huán)境的物質(zhì)。正常工作狀態(tài)下，發(fā)出的光線中不含有紫外光線，具有80%～90%的發(fā)光效率，可為使用者提供大于100 000 h的照明時(shí)間[1]。它的發(fā)光原理與半導(dǎo)體二極管的原理基本一致，需要恒流低壓進(jìn)行照明供電。驅(qū)動電源是LED照明的重要供壓源，因此驅(qū)動電源工作的穩(wěn)定性決定了LED照明發(fā)光的穩(wěn)定性[2]。

1 開關(guān)電源的選擇

LED照明驅(qū)動電源的電路有多種選擇。第一種驅(qū)動電路可以采用限電阻的方式進(jìn)行驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，但LED光線的調(diào)節(jié)能力較弱[3]；第二種驅(qū)動電路電路采用運(yùn)算放大器作為核心的線性控制驅(qū)動電路，運(yùn)算放大器與三極管可以提高驅(qū)動電路的工作效率，但是三極管的飽和壓降導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)范圍縮小，限制了LED照明的發(fā)光程度[4]；第三種驅(qū)動電路選擇開關(guān)變換式的LED驅(qū)動電路，利用電流采樣信號進(jìn)行反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流輸出，使LED照明發(fā)光穩(wěn)定，滿足驅(qū)動LED照明低壓恒流的要求[5]。常見的電感式開關(guān)電源有三種[6]：BUCK、BOOST和BUCK-BOOST。

1.1 BUCK

BUCK電路由開關(guān)管、電感和電容等組成，如圖1所示。由于BUCK電路采用了開關(guān)管器件，因此BUCK電路又可稱為三端式變換器。除了開關(guān)管外，電路中采用了電感、電容等器件共同構(gòu)成BUCK變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入電壓的降低，即輸出量小于輸入量[7-8]。

圖1 Buck電路圖

1.2 BOOST

圖2 為BOOST電路原理圖，主電路也是由晶閘管構(gòu)成，通過儲能電感和濾波電容的共同作用實(shí)現(xiàn)電壓的變化。由于在元件分布上與BUCK電路不同，因此電路作用也發(fā)生了變化。BOOST電路能夠升高輸入電壓，即輸出電壓高于輸入電壓，所以BOOST開關(guān)電源又稱為升壓式開關(guān)電源。

圖2 Boost電路圖

1.3 BUCK-BOOST

如圖3所示，與BUCK電路和BOOST電路相比，BUCK-BOOST電路在元器件上和上述兩種開關(guān)電路保持一致，在結(jié)構(gòu)上有所不同。該電路可以實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的升高或降低，具有很寬的電壓調(diào)節(jié)范圍。因此，BUCK-BOOST電路可以廣泛適用于各種場合。

圖3 Buck-Boost電路圖

驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)決定了LED照明的發(fā)光效率。因此，需要同時(shí)考慮驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)、光電能量的轉(zhuǎn)換等。由于LED照明需要低壓進(jìn)行驅(qū)動，因此本文選擇BUCK電路作為LED驅(qū)動電源的核心電路。

2 紋波補(bǔ)償電路的工作原理

當(dāng)開關(guān)管工作在工作曲線的線性放大區(qū)域中，開關(guān)管穩(wěn)定工作，BUCK降壓開關(guān)電路正常工作，開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉使電感不斷進(jìn)行充放電，如圖4所示。電感充放電后，電流的表達(dá)式為：

電感隨著開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉重復(fù)著充電和放電，如式（1）所示。電感電流中存在著直流分量IL和交流分量ir(t)。由于LED照明需要低壓恒流進(jìn)行驅(qū)動，電感電流的交流分量輸入LED照明的電流不再保持恒定，會使LED發(fā)光閃爍，增加光耗。為了保證LED的使用壽命，因此需要消除紋波電流。本文采用以PNP型三極管構(gòu)成的補(bǔ)償電路[9]。

補(bǔ)償電路輸出的補(bǔ)償電流的幅值應(yīng)與紋波電流幅值相同，但兩者相位應(yīng)相反。因此，PNP型三極管構(gòu)成的補(bǔ)償電流提供的電流為：

式（2）中，IC代表補(bǔ)償電流的直流分量，ic(t)代表補(bǔ)償電流的交流分量。在補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)相位和幅值條件，要求ic(t)=-ir(t)。在峰值電流的時(shí)刻，補(bǔ)償電流的直流分量取最小值為：

圖4 有源紋波補(bǔ)償示意圖

由KCL可得，電路輸出電流為：

式（4）中，通過補(bǔ)償電路提供的交流補(bǔ)償分量與電感交流電流疊加后，輸出的電流為直流，滿足LED照明發(fā)光恒流的要求[10]。由式（3）可知，補(bǔ)償電流直流分量的最小值即是電感峰值電流[11]。

3 有源紋波補(bǔ)償電路模型建立及分析

根據(jù)以上紋波補(bǔ)償電路的工作原理，結(jié)合PNP型三極管的模型結(jié)構(gòu)和BUCK電路的模型，如圖5所示，建立了有源紋波補(bǔ)償電路的等效模型。

圖5 有源紋波補(bǔ)償電路等效模型

3.1 等效模型的直流分析

如圖6所示，當(dāng)圖5中所有擾動量為零時(shí)，即可得到等效電路的直流工作模型。

圖6 等效直流電路工作模型

圖6 中，補(bǔ)償電流為IC，電感直流分量為IL，可得：

式（5）中，β為PNP型三極管的放大倍數(shù)。

從而輸出電流IO為：

3.2 等效模型交流分析

忽略圖5等效電路模型中的直流分量，即可得到圖7的等效交流電路。利用交流等效電路，可建立PNP型補(bǔ)償電路的傳遞函數(shù)框圖。

圖7 等效交流電路工作模型

圖中i^O(s)為壓控電流源，大小與電感電壓uL(s)有關(guān)，依據(jù)三極管集電極電流可得其表達(dá)式為：

依據(jù)電路原理和紋波補(bǔ)償?shù)脑?，可得?/p>

求解式（8）～式（12），可以得到uL(s)的表達(dá)式：

通過式（13）可知，uL(s)與D同時(shí)決定了電感電流的大小。為了建立補(bǔ)償電路的傳遞函數(shù)，需要分析在電路中受到單個(gè)擾動信號時(shí)的工作情況。因此，要先求出以下傳遞函數(shù)。

（1）ML：i^L(t)與uO(s)的傳遞函數(shù)

在輸入電壓存在擾動時(shí)，ML表示uO(s)擾動對i^L(t)的影響。當(dāng)d(s)=0，通過求解式（9）、式（13），可得ML的表達(dá)式為：

（2）MC：i^C(s)與uO(s)的傳遞函數(shù)

在輸入電壓存在擾動時(shí)，MC表示uO(s)擾動對i^C(s)的影響。當(dāng)d(s)=0，通過求解（8）、式（13），可得MC的表達(dá)式為：

（3）TL：i^L(s)與D的傳遞函數(shù)

在占空比發(fā)生變化時(shí)，TL表示D對i^L(s)的控制作用。令uin(s)=0，通過求解式（8）、式（12），可得TL的表達(dá)式為：

（4）TC：i^C(s)與D的傳遞函數(shù)

在占空比發(fā)生變化時(shí)，TC表示D對i^C(s)的控制作用。令uin(s)=0，通過求解式（8）、式（12），可得TC的表達(dá)式為：

依據(jù)上述分析，結(jié)合式（14）～式（17），可求出i^L(s)、有源紋波補(bǔ)償i^C(s)受擾動后的表達(dá)式分別為：

輸出電流的表達(dá)式為：

根據(jù)求出的以上傳遞函數(shù)，可以得到由PNP型三極管和BUCK電路構(gòu)成的補(bǔ)償電路的傳遞函數(shù)框圖，如圖8所示。

圖8 有源紋波補(bǔ)償電路傳遞函數(shù)框圖

4 有源紋波補(bǔ)償電路的實(shí)現(xiàn)

通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析和加速穩(wěn)態(tài)分析可知，驅(qū)動電路輸出中的紋波分量利用濾波電容是無法完全過濾的，會有部分未過濾的紋波分量影響LED照明的電壓。電壓的波動導(dǎo)致發(fā)光的閃爍，增加額外的光耗。為了加強(qiáng)濾波效果，一般會采用大容量的濾波電容。但是，考慮到濾波電容的容量和體積成正比，采用濾波電容不利于驅(qū)動電路的小型化。同時(shí)，濾波電容的核心物質(zhì)是電解質(zhì)，工作過程中電流產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致驅(qū)動電路的溫度上升，而溫度的變化會對電解質(zhì)產(chǎn)生影響，影響濾波電容的壽命，即影響LED照明的使用壽命。因此，為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路的小型化，實(shí)現(xiàn)LED照明的使用壽命，驅(qū)動電路中采用紋波補(bǔ)償?shù)姆绞綄y波分量進(jìn)行濾波[12]。

利用LC濾波檢測電路中的紋波分量，將檢測到的紋波分量反饋到補(bǔ)償電路中。補(bǔ)償電路輸出的是一個(gè)幅值與紋波分量相同但在相位上相差180°的電流分量，補(bǔ)償分量與紋波分量在相位上相互補(bǔ)償，使輸入到LED照明中的電流近似恒定。但是，過多地采用LC組合結(jié)構(gòu)的電路，在實(shí)驗(yàn)中將增加元件間高頻振蕩的概率，同時(shí)增加電容參數(shù)和電感參數(shù)的選擇難度。為了降低設(shè)計(jì)難度，在補(bǔ)償檢測電路中可采用運(yùn)算放大器作為檢測電路的核心元件，檢測信號通過電阻輸出補(bǔ)償信號，實(shí)現(xiàn)了恒流輸出，同時(shí)驅(qū)動電源的體積也可進(jìn)一步縮小[13]。

檢測電路與補(bǔ)償電路的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，如圖9所示。補(bǔ)償電路中采用三極管作為電路的核心，檢測電感兩端的紋波分量，同時(shí)反饋到補(bǔ)償電路中；補(bǔ)償電路將根據(jù)紋波分量進(jìn)行輸出，使得流入到LED照明的電流恒定。補(bǔ)償電路的作用替代了濾波電容的作用，進(jìn)一步縮小了LED照明的驅(qū)動電源的體積。

圖9 PNP型三極管紋波電流檢測與補(bǔ)償電路

5 有源紋波補(bǔ)償降壓型驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)與仿真分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用IN公司的Multisim軟件進(jìn)行電路仿真驗(yàn)證。仿真中采用一個(gè)LED照明作為電路的負(fù)載，選用的額定功率為1 W，額定電流0.35 mA白光LED，電路的供電電壓為12 V，工作頻率為110 kHz，補(bǔ)償電路核心選用A1020型的硅管。

圖10 電感電流仿真波形

利用Multisim軟件中的虛擬示波器，測量電感兩端的電流波形，如圖10所示。電感電流最大值為350 mA，最小值為234 mA，對應(yīng)的電感直流分量為292 mA，交流分量為116 mA。

圖11 紋波補(bǔ)償電流仿真波形

通過虛擬示波器測量補(bǔ)償電路的補(bǔ)償波形，如圖11所示。補(bǔ)償電路的電流最大值為116 mA，最小值為1 mA。相位與電感交流分量相反，幅值相同，證明補(bǔ)償電流和電感交流分量能夠進(jìn)行疊加。補(bǔ)償電路可以代替濾波電容在驅(qū)動電源中的作用。

圖12為LED照明的輸入電流波形，是一條直線。通過檢測和補(bǔ)償電感紋波分量后，LED照明的輸入電流恒為直流，補(bǔ)償電路能夠?qū)y波分量進(jìn)行全補(bǔ)償。仿真的波形圖證明了補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的合理性和可行性，也能夠?qū)崿F(xiàn)LED驅(qū)動電源的微小化。

圖12 LED電流仿真波形

6 結(jié) 論

利用Mulitisim仿真軟件，對設(shè)計(jì)的補(bǔ)償降壓驅(qū)動電源電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真過程中，保證負(fù)載電流恒定，采用一個(gè)白光LED作為輸出負(fù)載，因此輸出電流恒為350 mA。通過仿真測到的波形分析發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償電路的輸出滿足幅值和相位要求。經(jīng)過補(bǔ)償后的LED電流基本為恒定直流，能夠證明有源紋波補(bǔ)償降壓型LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)的合理性。補(bǔ)償電路的使用可以提高LED照明發(fā)光的穩(wěn)定性和驅(qū)動電源工作的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動電源體積上的小型化。

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