有源紋波補償降壓型LED驅動電源

劉沅玲，高 嚴，賈文超

（長春光華學院 電氣信息學院，吉林 長春 130000）

0 引 言

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

1 開關電源的選擇

LED照明驅動電源的電路有多種選擇。第一種驅動電路可以采用限電阻的方式進行驅動，結構簡單，但LED光線的調節能力較弱[3]；第二種驅動電路電路采用運算放大器作為核心的線性控制驅動電路，運算放大器與三極管可以提高驅動電路的工作效率，但是三極管的飽和壓降導致電壓調節范圍縮小，限制了LED照明的發光程度[4]；第三種驅動電路選擇開關變換式的LED驅動電路，利用電流采樣信號進行反饋，能夠實現恒流輸出，使LED照明發光穩定，滿足驅動LED照明低壓恒流的要求[5]。常見的電感式開關電源有三種[6]：BUCK、BOOST和BUCK-BOOST。

1.1 BUCK

BUCK電路由開關管、電感和電容等組成，如圖1所示。由于BUCK電路采用了開關管器件，因此BUCK電路又可稱為三端式變換器。除了開關管外，電路中采用了電感、電容等器件共同構成BUCK變換器，能夠實現對輸入電壓的降低，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成，通過儲能電感和濾波電容的共同作用實現電壓的變化。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開關電源又稱為升壓式開關電源。

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電路保持一致，在結構上有所不同。該電路可以實現對輸入電壓的升高或降低，具有很寬的電壓調節范圍。因此，BUCK-BOOST電路可以廣泛適用于各種場合。

圖3 Buck-Boost電路圖

驅動電源的結構決定了LED照明的發光效率。因此，需要同時考慮驅動電路的結構、光電能量的轉換等。由于LED照明需要低壓進行驅動，因此本文選擇BUCK電路作為LED驅動電源的核心電路。

2 紋波補償電路的工作原理

當開關管工作在工作曲線的線性放大區域中，開關管穩定工作，BUCK降壓開關電路正常工作，開關管的導通和關閉使電感不斷進行充放電，如圖4所示。電感充放電后，電流的表達式為：

電感隨著開關管的導通和關閉重復著充電和放電，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行驅動，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型三極管構成的補償電路[9]。

補償電路輸出的補償電流的幅值應與紋波電流幅值相同，但兩者相位應相反。因此，PNP型三極管構成的補償電流提供的電流為：

式（2）中，IC代表補償電流的直流分量，ic(t)代表補償電流的交流分量。在補償電路設計過程中，根據相位和幅值條件，要求ic(t)=-ir(t)。在峰值電流的時刻，補償電流的直流分量取最小值為：

圖4 有源紋波補償示意圖

由KCL可得，電路輸出電流為：

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

3 有源紋波補償電路模型建立及分析

根據以上紋波補償電路的工作原理，結合PNP型三極管的模型結構和BUCK電路的模型，如圖5所示，建立了有源紋波補償電路的等效模型。

圖5 有源紋波補償電路等效模型

3.1 等效模型的直流分析

如圖6所示，當圖5中所有擾動量為零時，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。

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型補償電路的傳遞函數框圖。

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，依據三極管集電極電流可得其表達式為：

依據電路原理和紋波補償的原理，可得：

求解式（8）～式（12），可以得到uL(s)的表達式：

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

（1）ML：i^L(t)與uO(s)的傳遞函數

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

（2）MC：i^C(s)與uO(s)的傳遞函數

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

（3）TL：i^L(s)與D的傳遞函數

在占空比發生變化時，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的表達式為：

（4）TC：i^C(s)與D的傳遞函數

在占空比發生變化時，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的表達式為：

依據上述分析，結合式（14）～式（17），可求出i^L(s)、有源紋波補償i^C(s)受擾動后的表達式分別為：

輸出電流的表達式為：

根據求出的以上傳遞函數，可以得到由PNP型三極管和BUCK電路構成的補償電路的傳遞函數框圖，如圖8所示。

圖8 有源紋波補償電路傳遞函數框圖

4 有源紋波補償電路的實現

通過狀態轉換分析和加速穩態分析可知，驅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。電壓的波動導致發光的閃爍，增加額外的光耗。為了加強濾波效果，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動電路的小型化。同時，濾波電容的核心物質是電解質，工作過程中電流產生的熱量導致驅動電路的溫度上升，而溫度的變化會對電解質產生影響，影響濾波電容的壽命，即影響LED照明的使用壽命。因此，為了實現驅動電路的小型化，實現LED照明的使用壽命，驅動電路中采用紋波補償的方式對紋波分量進行濾波[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償電路中。補償電路輸出的是一個幅值與紋波分量相同但在相位上相差180°的電流分量，補償分量與紋波分量在相位上相互補償，使輸入到LED照明中的電流近似恒定。但是，過多地采用LC組合結構的電路，在實驗中將增加元件間高頻振蕩的概率，同時增加電容參數和電感參數的選擇難度。為了降低設計難度，在補償檢測電路中可采用運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償信號，實現了恒流輸出，同時驅動電源的體積也可進一步縮小[13]。

檢測電路與補償電路的拓撲電路結構，如圖9所示。補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，同時反饋到補償電路中；補償電路將根據紋波分量進行輸出，使得流入到LED照明的電流恒定。補償電路的作用替代了濾波電容的作用，進一步縮小了LED照明的驅動電源的體積。

圖9 PNP型三極管紋波電流檢測與補償電路

5 有源紋波補償降壓型驅動電源的設計與仿真分析

根據上述設計的電路拓撲結構，利用IN公司的Multisim軟件進行電路仿真驗證。仿真中采用一個LED照明作為電路的負載，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，對應的電感直流分量為292 mA，交流分量為116 mA。

圖11 紋波補償電流仿真波形

通過虛擬示波器測量補償電路的補償波形，如圖11所示。補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，證明補償電流和電感交流分量能夠進行疊加。補償電路可以代替濾波電容在驅動電源中的作用。

圖12為LED照明的輸入電流波形，是一條直線。通過檢測和補償電感紋波分量后，LED照明的輸入電流恒為直流，補償電路能夠對紋波分量進行全補償。仿真的波形圖證明了補償電路設計的合理性和可行性，也能夠實現LED驅動電源的微小化。

圖12 LED電流仿真波形

6 結 論

利用Mulitisim仿真軟件，對設計的補償降壓驅動電源電路進行仿真實驗。仿真過程中，保證負載電流恒定，采用一個白光LED作為輸出負載，因此輸出電流恒為350 mA。通過仿真測到的波形分析發現，補償電路的輸出滿足幅值和相位要求。經過補償后的LED電流基本為恒定直流，能夠證明有源紋波補償降壓型LED驅動電源設計的合理性。補償電路的使用可以提高LED照明發光的穩定性和驅動電源工作的穩定性，能夠實現驅動電源體積上的小型化。

[1] 鐘龍平.LED日光燈恒流驅動電源的研究與應用[D].廈門：廈門大學，2011：3-4.

[2] 黃天宏.LED照明技術的研究和設計實例[D].長沙：湖南大學，2009：14-15.

[3] 裴 倩.一種恒流型DC-DC大功率LED驅動電路的設計[D].杭州：浙江大學，2010：24-32.

[4] 胡成龍.基于DC-DC開關變換器的LED驅動技術研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2012：18-19.

[5] 楊 光.通用型LED照明的驅動技術[J].中國照明電器，2015，（3）：5-9.

[6] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2001：7-8.

[7] 唐治德，王官濤，楊 紅，等.有源紋波補償BUCK型LED驅動電源[J].重慶大學學報，2012，35（12）：40-45.

[8] 唐治德，王官濤.一種新穎的BUCK型LED驅動電路[J].電子技術，2011，30（6）：45-48.

[9] Suntio T，Lempinen J，Gadoura I，et al.Dynamic Effects of Inductor Current Ripple In Average Current Mode Control of DC/DC Power Converter[C].IEEE 32ndAnnual Power Electronics Specialists Conference，2001：1259-1264.

[10] 王官濤.有源紋波補償降壓型LED驅動電源[D].重慶：重慶大學，2011.

[11] 閆曉金，潘 艷，陳永真.開關電源對電解電容器性能的基本要求[J].電源世界，2008，（4）：63-65.

[12] 劉 彬.LED恒流驅動電源的研究與設計[D].北京：北京交通大學，2009：5-6.

[13] Baddela S M，Zinger D S.Parallel Connected LEDs Operated at High Frequency to Improve Current Sharing[C].IEEE Industry Applications Conference，2004：1677-1681.