基于人工蜂群算法的多路半橋均衡電路＊

李一凡，夏 鯤，袁 印

(上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

0 引言

發光二極管（Light emitting diode，LED）具有環保、節能、壽命長等優點，在屏幕顯示領域有廣泛應用。P2 全彩LED 單元板更是出現在生活中的方方面面，由于LED 的動態電阻很小，當LED 的電壓有很小的波動時，其電流會有很大變化。

單塊LED 板不能滿足多場合的需求，通常將多塊LED 板通過串并聯方式接在一起滿足實際需求，由于負載變化很快，不均壓的工況是隨機產生的，簡單地將它們串并聯在一起會產生電路電壓不均衡的問題。目前的均衡電路適用于規律性不均衡的傳統電池均壓場合，但無法滿足LED 應用場合下快速變化的均壓需求，因此設計多路均衡輸出系統，保證LED能夠在負載變換最惡劣的工作狀況下系統效率達到最高很有必要。

目前，多路輸出系統大多采用反激式結構，文獻[5]中反激變換只能精確控制其中某個繞組，不能對主繞組以外的繞組電壓精確控制，系統結構會受到電路寄生參數的影響。多路繞組的存在，使得系統的輸出調整頻率差，無反饋的一路輸出精度低，影響系統的正常使用。文獻[6]采用類似半橋結構輸出的系統控制方案，每時刻只有一路開關管導通，其他路處在二極管續流模式下，在負載快速變化的場合精度控制不準確，均衡效果差。文獻[7]提出PWM 開關電源型輸出和芯片閉環控制解決方案，可有效地解決因負載環境快速變化而產生的電壓不均衡的問題，但存在器件成本高昂，優化結構不唯一，采樣目標路數較少的問題。對于多目標群體優化的方案，文獻[8]對比不同進化算法，發現人工蜂群算法能在不受搜索空間限制且不需其他輔助信息的情況下，具有參數設置少、收斂速度快且精度高的優點，更適用于解決多路電壓均衡方案。

綜合上述問題，本文提出一種基于人工蜂群算法的多路半橋均衡電路。①該多路半橋拓撲使用更少的開關管和其他電子元件，降低成本。②采用新的控制方法，即正常情況下同一時間只有一個開關制管關斷，且不存在二極管續流，可以通過控PWM 占空比來改變開關管關斷時間長短，從而，精確控制各個負載均衡支路的電壓，滿足隨時變化的負載環境需求，使均衡更有目的性。③增加閉環方案，采用人工蜂群算法，采樣多路輸出電壓數據，根據系統不同的負載環境，計算最優多路占空比，進而調節多路輸出的電壓以保持均衡，在不同功率工況下效率最高。最后，搭建了一臺七路半橋均衡輸出的實驗樣機，驗證了理論分析的正確性。

1 改進多路半橋均衡電路

1.1 半橋電路結構

如圖1 所示，多路半橋均衡電路拓撲由-1 個電感～L和電容～C、個開關、+1個連接點組成，也稱為級多路半橋。開關管漏極接總電源正極，源極接開關管漏極，開關管漏極接源極，源極接漏極，以此類推，開關管漏極接源極，源極接開關管總電源負極。通過控制各個MOSFET 關斷時間比例改變輸出電壓比，精準均衡電壓。

圖1 n級多路半橋均衡電路拓撲

當Q導通時，此路輸出被短路U=0，其他路正常輸出，當Q關斷時，第路正常輸出,輸出與總電源電壓關系滿足式⑴：

其中，為第路輸出電壓，為第路開關管占空比，為總電源電壓。

1.2 七路半橋建模及工作分析

將脈沖觸發器、LED 負載、直流電源與多路半橋拓撲相結合，以七路半橋電路拓撲為基礎研究。將每路開關管關斷占空比設置為七分之一，即可保證各路輸出相等。

以圖2 的脈沖波形分析，此時=======/7，每個開關管每一周期導通七分之六周期，關斷七分之一周期，且七個開關管不同時關斷。

圖2 七路脈沖觸發期占空比

2 人工蜂群算法的閉環控制電壓策略

多路半橋拓撲在負載變化快速且極不穩定的LED 板上會出現不穩定的電壓波動，系統整體效率降低，因此需要采用閉環算法控制策略將七路電壓作為優化目標。

人工蜂群算法是一種群體智能尋優算法，模擬了蜜蜂的行動模式，應用在函數優化問題中。本文控制策略中計算占空比控制生成的七路電壓值與目標電壓值差值的標準差，將最小差值的標準差作為目標函數。編碼時人工蜂群算法中每只蜜蜂有匹配位置，即與七路變量電壓對應，蜜蜂位置為一個七維數組，在占空比為[0,1]的范圍內活動迭代。系統采用人工蜂群算法采樣七路電壓值，通過改變脈沖發生器輸出的七路占空比控制七路電壓均衡，在各個LED 板工作狀況不同的情況下，保證系統的高效性。

人工蜂群算法定義的蜂群劃分為引領蜂、跟隨蜂和偵察蜂三種蜂落，其中引領蜂和跟隨蜂各占蜂群的一半，數量保持與蜜源數量相同，并且每個蜜源同一時間內有且僅有一只引領蜂采蜜。初始化種群后，計算對應的函數值并尋找最優的蜜源，得到蜜源位置更新停滯的次數后便進入引領蜂階段。設求解問題的維度值為，即占空比的輸入，該七路半橋系統中，維度值為6，在次迭代時蜜源的位置：

其中，表示蜂群系統運行時的迭代次數；和代表各自搜索空間的上下限，=1,2…。蜜源的初始位置依照式⑶隨機在搜索空間中產生：

在搜索開始時，引領蜂階段會在蜜源的周圍根據式⑷搜索產生一個新的蜜源：

其中，d為[1,D]中的一個隨機整數，表示引領蜂隨機地選擇一維占空比值搜索；∈{1,2,…,NP}，其表示在NP 個蜜源中隨機找到一個位置不等于的蜜源，是[-1,1]均勻分布的隨機數，決定擾動幅度。當新蜜源電壓差值的適應度優于變量時，便采取貪婪選擇的方法去選擇代替。在所有引領蜂的階段結束后，便飛回信息交流區從而共享蜜源信息。依據蜜源邊界取值范圍[0,1]從而得到加速系數，更新雇傭蜂位置，存儲最佳蜜源，若系統沒有更新，則記錄系統的停滯次數從而更新累積并重新選擇概率，按式⑸計算概率跟隨。

隨后跟隨蜂便采用輪盤賭的方式去選擇引領蜂，即[0,1]產生均勻分布的隨機數，如果其大于隨機數，則跟隨蜂會在蜜源的周圍產生新蜜源，且采用和引領蜂相同的貪婪選擇方法確定蜜源。如果沒有找到更好蜜源，系統主動結束，轉化成偵察蜂，搜索新的食源。

蜂群尋優系統保留最好蜜源數據，判斷新的蜜源、跟隨蜂、引領蜂的位置是否達到最大的迭代，如果獲取了最佳的各路占空比值，則分割閾值，否則重新獲取七路電壓值，直到重新達到滿足最大和最小電壓差的評判值，圖3為閉環控制系統流程。

圖3 閉環控制系統流程圖

當各路LED 工況相同時，每路占空比都為1/7。當工況不同時，七路占空比隨人工蜂群算法采樣的電壓值尋找最優蜜源進而開始迭代，最終各路電壓保持一致。

圖4 所示，在工況不同的情況下七路的占空比不相同，通過改變占空比的不同而控制電壓滿足工況效率需求，實現閉環系統的搭建。

圖4 閉環控制下七路脈沖觸發期占空比

3 系統仿真實驗

3.1 仿真及參數設置

在MATLAB/Simulink 環境下對文中提出的基于多路半橋均衡電路的LED驅動器系統仿真建模如表1。采樣七路電壓值至脈沖發生器，將引領蜂群的大小設置為50，跟隨蜂群的大小設置為50，偵查蜂群的大小設置為5，維度設置為6。

表1 多路半橋均衡電路仿真參數

圖5 為系統電壓穩定后的值，波形電壓圍繞設定的七路目標適應度的電壓差波動。

圖5 七路半橋驅動器電壓仿真波形

圖6 為蜂群算法迭代次數，迭代至115 次后電壓趨于穩定。每當工況改變，人工蜂群算法會重新迭代找到最優PWM 占空比從而保持電壓均衡。通過仿真不同工況模擬該拓撲在閉環和開環下的高效性。PWM輸出邏輯：

圖6 人工蜂群迭代波形

其中，通道數量=7，為七路占空比，-的值為1/(7)，與此同時，判斷第次時的高低電平采用式⑺比較：

3.2 實驗搭建驗證

為驗證系統的實際運行能力，設計了圖7 所示的實驗樣機。主電路參數如下：直流電源=35V，電解電容=470F，磁環電感=3mH，MOSFET 選用英飛凌IRF540NPBF；控制電路采用dSPACE 半實物仿真的軟硬件工作平臺；為避免電磁干擾，dSPACE輸出控制信號經光纖傳輸給驅動電路，經由驅動電路控制MOSFET 開關管。該實驗平臺經濟，結構簡單且容易搭建。

圖7 七路半橋驅動器實驗平臺

該平臺測試系統在最惡劣工作狀況下開環和閉環的均衡電壓狀況。最惡劣工作狀況即當電路回路路徑經過MOSFET 最多時，七路MOSFET 同時構成回路，第二、四、六路全彩LED 顯示屏工作出現不穩定的波動狀況。

圖8為在最惡劣工作狀況下七路半橋在開環下波動的最高和最低電壓及相應驅動MOSFET 的PWM 波形。=5.2V，=4.4V，該拓撲在開環下最惡劣工況中的電壓會出現較大波動。

圖8 開環中惡劣工況下的電壓及驅動波形

圖9為最惡劣工作狀況下七路半橋在人工蜂群控制下的閉環波動的最高和最低電壓及相應驅動MOSFET 的PWM 波形。=5.0V，=5.0V。在閉環控制下七路電壓在占空比改變控制下都均衡在5V。

圖9 閉環中惡劣工況下的電壓及驅動波形

根據以上波形數據可知，采用人工蜂群算法控制的閉環拓撲能夠保持系統電壓的穩定，減少了由于電壓波動過大所導致的LED負載不必要的電路損耗。

3.3 功率的高效性

驗證時選取系統工作狀況最惡劣、工作狀況最優即七路LED 顯示相同的環境和常規工況即七路LED在亮度變換較小的環境研究對比，結果圖10所示。

圖10 不同工況下的效率對比

實驗結果表明，本文提出的拓撲在常規工況下能夠實現高效運行，且在負載環境多變的惡劣工況下閉環控制仍然可以保持系統的高效性。

4 結論

本文設計了一種基于多路半橋均衡電路的LED驅動器。與傳統驅動器相比，該驅動具有以下特征。

⑴改進了常見多路半橋拓撲，使得拓撲簡單、直觀，開關管及其他元件數量少，保持MOSFET 在系統中狀態以導通為主，降低成本，減少系統損耗，極大減少了占用空間。

⑵可任意指定輸出路數量，多路之間不會互相干擾，增強了該系統的靈活性和穩定性。

⑶人工蜂群算法的閉環控制系統保證在最惡劣的工作狀況下精確控制每路電壓，該拓撲電路在提高系統效率上具有優勢。