寬電壓輸入可自動均流的PWM型LED驅動器

陳卓，唐德平，劉釗(.許昌開普檢測技術有限公司，河南許昌，46000；.合肥科威爾電源系統有限公司，安徽合肥，0088；.南京理工大學自動化學院，江蘇南京，0094)

寬電壓輸入可自動均流的PWM型LED驅動器

陳卓1，唐德平2，劉釗3
(1.許昌開普檢測技術有限公司，河南許昌，461000；2.合肥科威爾電源系統有限公司，安徽合肥，230088；3.南京理工大學自動化學院，江蘇南京，210094)

為了滿足LED驅動在寬電壓范圍內的性能，設計了一種基于Boost-Buck PFC電路的LED驅動器。當輸入交流電壓變化范圍較寬時，PFC的輸出依然可以穩定在較低值，可確保功率器件始終保持較小的開關應力。同時，為了滿足LED的調光功能，并確保大功率照明場合LED串并聯應用的穩定性，各LED并聯支路增加了獨立調光模塊，可根據不同的應用場合工作在獨立線性調光、獨立PWM調光以及線性PWM復合調光模式,并且通過電流和溫度信息的采集各支路可實現自動均流。最后以兩路LED并聯為基礎，搭建實驗樣機，實現了各支路之間的獨立調光以及自動均流。

LED驅動；寬電壓輸入；調光；均流

0 引言

LED照明具有綠色、環保、節能的優點，當前已經大量在家電、商場、工業等場合廣泛使用[1]。為了提高LED驅動器的效率以及減少對電網的污染，功率因

數校正電路得到了普遍應用。其中Boost型PFC電路由于其結構簡單，控制方便，應用最為廣泛。但是，當交流電壓有效值在大范圍內變化時，例如90-260V，如果仍然使用Boost電路。那么，當輸入電壓較低時，變換器會具有較高的電壓轉換比，這意味著在能量傳輸過程中變換器內部存在明顯的能量存儲和循環，將顯著降低變換器的效率；當輸入電壓較高時，將會增加電路中功率器件的電壓應力[2]-[4]。

同時，由于單片LED的功率較小，為滿足大功率照明場合的需求，通常使用LED串并聯的方式來提高功率。當多路LED并聯時，由于存在工作溫度、個體差異等問題，各并聯支路的電流會出現不平衡現象，其中電流較大支路的LED會加快老化，甚至熄滅，這會降低整個照明系統的穩定性和可靠性[5]-[8]。

針對以上問題，本文提出了一種基于Boost-Buck型PFC的LED驅動器，可適應較寬的輸入電壓，各并聯支路具有獨立調光功能，該電路能適應不同的調光模式，還可以根據支路電流以及溫度的變化實現自動均流，最后在實驗平臺上進行了驗證。

1 Boost-Buck PFC LED驅動電路

圖1為本文研究的Boost-Buck PFC變換器原理圖，該變換器由三個部分組成：二極管整流環節、Boost升壓變換環節、Buck降壓變換環節。此電路采用Boost和Buck變換器直接級聯的形式，控制方式較為靈活。為了降低開關應力，減少開關損耗，本文采用Boost和Buck電路分時交替工作的控制方案。

當整流后的電壓瞬時值uin小于輸出電壓瞬時值uo時，圖1所示的變換器應工作在Boost電路模式。此時，S2始終保持開通狀態，二極管D2始終關斷，S1工作在高頻開、關狀態。其等效電路如圖2所示，電感L2與C2可構成后級一階濾波環節。

當整流后的電壓瞬時值uin大于輸出電壓瞬時值uo時，圖1所示的變換器應工作在Buck電路模式。此時，S1始終保持關斷狀態，S2處于高頻開、關狀態。其等效電路如圖3所示，電感L1與C1可構成前級一階濾波環節。

圖1 Boost-Buck 電路原理圖

圖2 Boost 模式等效電路

圖3 Buck模式等效電路

圖4 為Boos、Buck電路分時交替控制的示意圖，圖中Uref為PFC的給定電壓值，iL1為流過電感L1的電流瞬時值，本文采用電壓外環、電流內環的控制方式，將輸出電壓穩定在給定值，同時將輸入電流控制成正弦波。當uin＞uo時，電路工作在圖3 所示的Buck模式下，電流環通過控制S2使iL1跟蹤i*L1，當uin＜uo時,工作在圖2所示的Boost模式下,電流環通過控制S1使iL1跟蹤。

圖4 Boost、Buck交替控制示意圖

2 調光及均流控制方法

2.1 調光控制

傳統的LED調光方式主要為模擬調光和PWM調光，PWM調光對LED的色溫影響較??；線性調光對LED色溫影響較大，會產生明顯的顏色漂移。但在相同的電功率下，線性調光的光效高于PWM調光模式[9]-[12]。

綜合線性調光和PWM調光的優缺點，本文提出了一種復合調光模式，其原理如圖5所示。

圖5 調光電路原理

整個電路由三個部分組成，前級為基于Boost-Buck 的PFC電路，中間為DC/DC變換電路,后級為LED串并聯電路，圖中i1-iN為流過每條LED支路的電流，Q1-QN為支路均流功率開關，此電路可根據不同的工況需求，選擇以下三種調光模式中的一種，也可以分段復合調光。

（1）線性調光：均流功率開關保持導通狀態，通過調節輸出電壓uo的大小，改變流過LED的電流實現線性調節。采用此種調光模式可得到較高的光效，當電流較小時具有更高的轉換效率。

（2）PWM調光：保持LED驅動器的輸出電流io恒定，通過改變功率管Q1-N的占空比，改變流過LED電流的平均值實現亮度的調節。對色溫要求較高的場合可使用此種方式。

（3）峰值可變的PWM調光：當相對色溫（CCT）大于設定值時，通過降低峰值電流增加占空比的方式調光，當CCT小于設定值時，通過增加峰值電流降低占空比的方式進行調光。通過此種方式可以進一步降低PWM調光過程中的色漂移。

2.2 具有溫度保護的LED均流控制

溫度是影響LED穩定工作的重要因數之一，溫度的變化會引起LED特性的偏移，甚至會使LED損壞，因此溫度保護就顯得尤為重要，傳統的溫度保護措施為：當檢測到溫度達到設定值之后立即關斷電源，等溫度冷切之后，再打開電源，以起到保護LED的作用。但是，此種方式不利于照明系統，對于照明來說，不希望照明間斷。

本文結合溫度保護與均流控制的特性，采用一種復合控制方式，在均流控制的基礎上具備溫度保護功能，具體控制方案如圖5所示，R1-RN為電流采樣電阻，Rptc1-Rptc4為具有正溫度系數的溫敏電阻。Uref為各支路電流相加的平均值，每條支路以平均值為基準進行實時均流控制，Uil為支路1電流和溫度的采樣綜合值。以其中一路為例，采樣反饋電流

式中R1為固定值，當溫度變高，電阻RPTC的阻值變大，因此Ui1變大，此時，PWM的占空比變小，使流過LED的電流變小，從而起到降低溫度的作用，當溫度降低到安全范圍內，溫敏電阻變小，占空比變大，電流上升。這種變化對于人眼來說很微弱，通過這種方式，可以在不間斷照明的情況下進行溫度保護和均流控制，提高了LED照明的可靠性。

3 實驗驗證

3.1 實驗系統參數

按照圖5所示的電路原理，搭建實驗樣機，主要參數如表1所示，采用DSP28335作為實驗平臺的控制器。

表1 實驗系統參數

3.2 實驗結果分析

圖6分別為電網輸入電壓和電流波形，從圖中可以看出電網側輸入功率因數較高，達到了0.98。

圖6 輸入電壓與電流波形

圖7 分別為PFC輸出電壓和DC-DC輸出電壓波形，其中通道1為PFC輸出，通道2為DC-DC輸出，從圖可以看出PFC和DC-DC都達到了良好的穩壓效果。

圖8和圖9分別為支路1和支路2的MOS管驅動波形以及支路電流波形。支路1中電流波形占空比為0.971，支路2中電流波形占空比為0.922，由于存在溫度以及LED個體差異，流過每條支路的電流大小雖然不一樣，但是，通過均流開關的調節，其平均值最終基本相等，達到了自動均流的目的。

4 結論

本文采用LED各并聯支路電流和溫度綜合采樣的方式，通過支路均流開關實現LED的均流控制，并且當LED的溫度變化時，可以在不間斷照明的情況下，通過調光措施降低LED的溫度，對LED進行保護，提高了LED的照明質量以及整個照明系統的穩定性。同時，采用Boost-Buck PFC電路，能適應更寬范圍的輸入電壓，可以保證后級的變換效率，降低開關管的電壓應力。該電路同時兼具調光與均流功能，可適用于各種大功率LED照明系統。

圖7 PFC輸出電壓與DC-DC輸出電壓波形

圖8 支路1 MOS管驅動與支路電流波形

圖9 支路2 MOS管驅動與支路電流波形

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PWM type LED driver withwide voltage input and automatic current sharing

Chen Zhuo1，Tang Deping2，Liu Zhao3
(1.Xuchang KETOP Electrical Apparatus Testing & Research Institute, Xuchang Henan, 461000;2. Hefei Kewell power co.,Ltd,Hefei Anhui,230088;3.Nanjing University of Science&Technology school of Automation,Nanjing Jiangsu,210094)

In order to fulfill the LED drive with wide voltage input, a LED driver based onBoost-Buck PFC circuit is designed, whose output voltage can still be maintained at an appropriate voltage level while the input voltage changes over a wide range, and the system can maintain a low switching stress as the same as high conversion efficiency. On the other hand, in order to achieve the dimming function of LED, and to ensure the stability of high power lighting applications LED with series and parallel applications, an independent dimmer circuit is added, which is suitable for different dimming mode, such aslinear dimming, PWM dimming, composite dimming, and can also achieve current sharing control based on branch current and temperature. Finallyan experimental prototype is designed based on the parallel connection of two LEDs, which realizes independent dimming and automatic current sharing.

LED driver; Wide input voltage; Dimming; current sharing

陳卓（1978-），男，碩士，工程師，研究方向為新能源發電設備、電動汽車充電樁等。

國家自然科學基金（51507086）,江蘇省自然科學基金資助項目（BK20150839）