基于降壓型I2峰值電流控制的LED驅(qū)動電源

劉沅玲

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

在全球能源消耗中，20%的能源消耗在照明類光源，LED照明作為綠色、低碳、節(jié)能的光源，廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，由于LED照明的低壓直流驅(qū)動特性，因此對LED照明的驅(qū)動電源的要求較高。文章選用I2環(huán)及峰值電流對LED驅(qū)動電路進(jìn)行控制，提高LED驅(qū)動電路的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高LED照明發(fā)光質(zhì)量和正常使用壽命。

1 降壓型開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 降壓電路

降壓（step-down）型開關(guān)電源也成為Buck電路，利用功率管控制電路，在開關(guān)周期內(nèi)對電感持續(xù)進(jìn)行儲能和釋放能量，可以實現(xiàn)給負(fù)載提供持續(xù)恒定電流。

1.2 Buck變換器工作原理

根據(jù)電感工作原理可得，電感中的電流具有兩種工作模式，一種為連續(xù)工作模式，一種為斷續(xù)工作模式。電感中的電流在連續(xù)和斷續(xù)的臨界點時的電感稱為臨界電感，這時的臨界電感可表示為：

由式（1）可知，電路中的電感值需要大于臨界電感值，電路才能提供連續(xù)電流。假設(shè)在電路中的元器件均為理想狀態(tài)，并且忽略電路中元器件的寄生參數(shù)的情況下對電流連續(xù)的Buck變換器電路兩種工作情況進(jìn)行分析。

（1）S閉合。開關(guān)管S導(dǎo)通，續(xù)流二極管承受反向電壓處于截止?fàn)顟B(tài)，如圖1所示。

圖1 高電平時等效電路

忽略功率管導(dǎo)通時電容的寄生參數(shù)，則根據(jù)電路原理可以得到電感電流及電壓的關(guān)系：

當(dāng)t=DT=Ton時，電感電流iL達(dá)到峰值ILmax，此時iL的增量為：

（2）S關(guān)斷

當(dāng)t=t1時，開關(guān)管S關(guān)斷，此時電感兩端的電流與電壓關(guān)系可表示為：

當(dāng)t=Ts時，電感能量釋放殆盡，則電感電流為最小值ILmin，可得到iL的減少量為 △iL-：

當(dāng)Buck變換器穩(wěn)定工作時，利用電感的伏秒平衡關(guān)系得：

利用式（3）及式（5）將式（6）化簡可以得到：

2 Buck變換器反饋控制環(huán)節(jié)

反饋環(huán)節(jié)可采用電流反饋和電壓反饋兩種反饋模式，具體可分為電流模式、電壓模式、平均電流模式、滯環(huán)電流模式以及相加模式，在LED驅(qū)動電路的設(shè)計中常選擇電流模式與電壓模式，

2.1 電壓反饋控制模式

系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)只有一個單電壓反饋，可以提高系統(tǒng)的相應(yīng)速度，但是無電流環(huán)反饋，需要不斷調(diào)整輸入電流值才能實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出；若信號變化量增大時，開關(guān)管輸出波動量會影響系統(tǒng)輸出。

2.2 電流反饋控制模式

在電流反饋中，采集電感端電流反饋，根據(jù)對電感電流采樣電路形式的不同，有兩種電流反饋控制模式：峰值電流控制模式（PCM）和平均電流控制模式（ACM）。

（1）PCM控制模式。降壓電路為系統(tǒng)的主電路，控制電路為電感峰值電流控制模式。在該模式下中存在兩個反饋環(huán)節(jié)，因此稱為峰值電流控制I2環(huán)節(jié)，利用峰值電流控制I2環(huán)對電感電流的峰值進(jìn)行采集，通過導(dǎo)通時間的控制，電感充電與放電時間發(fā)生改變，從而可調(diào)整電感電流峰值電流的產(chǎn)生時刻。

I2環(huán)峰值電流反饋的優(yōu)點：①電路響應(yīng)速度更快；②可以控制輸出量的變化。③實現(xiàn)系統(tǒng)的降階，改善了頻率響應(yīng)。

（2）ACM控制模式。為了精確調(diào)制電路中的輸出，采用控制平均電流的電路模式，主電路采用降壓式電路。在平均電流控制中，要進(jìn)行電流積分來控制導(dǎo)通時間，但是引入積分環(huán)節(jié)后，降低了系統(tǒng)的相應(yīng)速度，影響LED驅(qū)動電路的正常工作。

3 Buck電路動態(tài)模型分析

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型采用平均開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型的方法推出基于一階模型方法的Buck電路在CPM下的動態(tài)模型。

CPM方式Buck電路端口變量波形平均值為

由一階模型得

由式（8）解出占空比為

將式（10）和式（11）帶入式（9）得

即

上式表明，功率平衡條件在二端口開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中適用。

引入小信號擾動：

將（14）～（18）帶入功率平衡方程式（13），可得：

輸出端口電流擾動信號經(jīng)過線性化處理后化簡為：

可求出控制至輸出的傳遞函數(shù)為

輸入至輸出的傳遞函數(shù)為

4 實驗調(diào)試及結(jié)果分析

圖4為LED照明的輸出電流波形，可以看到，利用I2峰值電流控制的LED驅(qū)動電路的輸出電流波形可近似看做一條直線，能夠?qū)崿F(xiàn)LED照明所需要的低壓恒流驅(qū)動條件，提高了LED驅(qū)動電路的穩(wěn)定性，確保了LED照明的工作壽命。

圖4 LED輸出波形圖