HB-LED驱动用恒流Buck变流器控制方法研究

裴 倩，王正仕，陈辉明，吴新科

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州310027)

LED是一种半导体照明器件，随着其研发技术的不断提升，高亮度LED(HBLED)以其寿命长、光效高、节能、环保等诸多优势在更加广泛的范围内逐步替代传统照明方式[1-2]。LED光源需要恒流驱动，常用的LED恒流驱动器有Buck、Boost、Flyback等拓扑结构，而由于其自身的特点，Buck型拓扑显得更为简单、高效。传统的Buck变流器，其恒流控制方式需要自举驱动电路或者高频驱动变压器来驱动开关管，成本较高。对于浮地输出的Buck变流器拓扑，虽然可以简化开关管的驱动，但是需要增加光耦等隔离放大电路，将输出直流电流信号放大，而且需要很高的共模抑制比，这些都会增加电路的成本和复杂程度。而且光耦等器件的传输比随着温度等参数变化很大，降低了稳流精度，也降低了可靠性，影响了使用范围[3-4]。

针对以上问题，本文提出了一种适用于浮地输出Buck型HBLED驱动器的恒流控制方法，在连续导电模式下，通过控制电感峰值电流和电感电流纹波量恒定来达到输出电流平均值恒定的目的。该方法控制电路结构简单、成本低、效率高；无需输出采样电阻和隔离电流信号采样，特别适合于高压应用场合。

1 恒流输出控制原理及电路实现结构

1.1 恒流输出控制原理

定义电感电流峰值为Ipeak，电感电流谷值为 Ival，电感电流纹波量为 ΔIO=Ipeak-Ival，开关管关断时间为 toff。 在连续电流模式(CCM)下，输出电流平均值为：

通过控制峰值电流Ipeak和电流纹波量ΔIO恒定实现了输出电流平均值的恒定。

对于Buck电路，采用峰值电流控制模式的IC(UC3843)很容易获得恒定的峰值电感电流，且对于Buck变流器有：

如果能够使toff与UO成反比，则ΔIL显然很容易恒定。因此，需要在IC的基础上构建外围电路，以实现UO与toff成反比。用输出电压UO控制电流的压控电流源给电容充电，以电容充电时间控制开关管关断时间toff，这样可实现 toff×UO为常数。

1.2 电路实现算法及结构

本文提出的CCM恒流Buck变流器电路框图，包括主电路、压控电流源电路、基准电容电路、开关管控制电路。主功率变换电路拓扑为开关管接地、输出浮地的BUCK电路，带有峰值电流检测电阻。开关管控制模块处理振荡器信号与检测电流电阻信号，以控制开关管的通断。

压控电流源电流为：

R为压控电流源中电阻值。

给基准电容充电，当基准电容电压达到设定值UC时，触发开关管开通，基准电容充电时间即开关管关断时间为：

将式(3)、(4)代入式(2)，得：

式中，C为基准电容值，L为BUCK电路电感值。所以：

当 C、R、L、UC确定后，ΔIO为定值； 再加上峰值电流控制Ipeak恒定，即实现了 IO恒流，不受输出电压 UO的影响。

基准电容的电压达到设定值时，触发振荡器，使振荡器的信号控制开关管开通。检测峰值电流电阻的电压达到设定值时，触发比较器，使比较器的信号控制开关管关断。开关管控制电路可为具有相同功能的PWM控制功能块。

2 参数分析与设计

2.1 样机参数选择

为了验证Buck恒流变换器的工作原理和效果，采用UC3843芯片设计原理样机参数实现控制。输入输出参数：Ui=80 V，UO=(30～60)V，IO=1.25 A，POmax=75 W。取ΔIO=0.3，则得电感量与电路频率、输出电压的对应关系为：

考虑电感体积、电路成本、工作频率和效率等因素，取开关频率fsmax=220 kHz。可计算出CCM下电感和输出电容需满足的参数条件，实验中取L=240 μH，C=2.2 μF，得 f=(166～222)kHz(UO=(30～60)V)。再由已知的 L、ΔIO和式 (5)推出基准电容和压控电流源中电阻的取值为：C=220 pF，R=120 Ω[5-6]。

图1所示为CCM下BUCK应用电路图。各元件电路参数如图2所示。

当输出电压UO变化时，引起基准电容C3的充电电流iC变化，考虑三极管Q2的射基极压降Ueb和电流放大系数β得：

iC给基准电容C3充电，充电时间为开关管关断时间开关管开通时，基准电容C3迅速放电。电阻R15启动电路和短路保护的作用。PWM调制是由UC3843芯片为核心配以外围电路来实现的。

图1 CCM BUCK应用电路图

2.2 各变量对恒流精度的影响

(1)压控电流源三极管的影响：由式(2)、式(8)得：

由式(9)可知 Ueb越小、β 越大时的精度越高；在 C、R、L、UC、Ipeak确定的情况下，IO恒流精度就越高。在 75 W样机中，2组三极管Q2参数对 IO影响比较如图2 所示，其中曲线 1 为 Q2（Ueb=0.5，β=200）对应的输出电流值，曲线 2为 Q2（Ueb=1，β=40）对应的输出电流值。可以看出曲线1的输出恒流精度高于曲线2。

图2 不同三极管参数的输出电流比较

(2)电感值（温度变化）的影响：电感值随温度升高而减少，由式(2)可知，电感值与电流纹波量成反比；在设计参数时取ΔIO=x×IO，x越小，电感值偏差量对输出电流精度的影响越小。代入式(1)得：

图3 不同电感值偏差量的输出电流比较

式中，a为电感值偏差量百分比。在75 W样机中，不同电感值偏差量对IO影响比较如图3所示，其中曲线1为ΔIO=0.1×IO对应的输出电流值，曲线 2为 ΔIO=0.3×IO对应的输出电流值。可以看出曲线1的输出恒流精度高于曲线2。但如前所述，x还会影响电感值、输出电容值、工作频率、效率等。x越小，电感量越大，电感体积、成本增加；电路工作频率提高，电路效率降低。因此需要综合考虑。

(3)输出电流峰值基准值的影响：UC3843芯片的Pin8输出典型值为5 V，作为输出电流峰值基准值；其偏差量为±2%，随温度的偏差变化量最大为0.4 mV/℃。可采用热敏电阻做输出电流峰值基准值的分压电阻来补偿温度的影响。

3 实验结果及分析

图4给出了CCM下开关管驱动信号、基准电容电压、电感电流和输出电流实验波形(UO=40 V)，由图中可以看出：基准电容在每个开关周期内经历了明显的充放电过程。在主开关驱动信号输出低电平时，即toff时间对应着基准电容充电和电感电流放电；在主开关驱动信号输出高电平时，即ton时间对应基准电容迅速放电和电感电流充电，产生频率为240 kHz左右，实测结果得到了验证。实测电感电流纹波量 ΔIO=0.3×IO，与之前电路参数设计的选取值相符。输出电流经过输出电容滤波，恒流为1.25 A。

图4 CCM下主开关驱动信号、基准电容电压、电感电流和输出电流实验波形(UO=40 V)

CCM下75 W/1.25 A的试验样机的实验数据：输入直流电压 80 V；输出直流电压从 30 V～60 V变化时，输出电流从1.241 A增加至1.275 A，恒流精度为-1%～+2%；效率从97.3%上升至98.6%。

本文提出了一种浮地输出的BUCK恒流变换器的控制方法，通过控制输出电流纹波量和峰值电流恒定来实现输出电流平均值恒定。该控制电路无需采样输出直流电流信号，基于UC3843和简单的外围电路算法，实现了恒流控制，成本极低。实验样机很好地实现了以电流预期设定值为1.25 A的恒流输出，可以稳定地为负载供电，在宽输出电压范围下获得了较好的恒流精度和很高的效率。

[1]TSAO J Y.Solid-state lighting：Lamps，chips，and materials for tomorrow[J].IEEE Circuits Devices Mag，2004，20(3)：28-37.

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