有源纹波补偿Cuk型照明LED恒流驱动电源*

唐治德　王蕊　杨熙

(重庆大学 电气工程学院∥输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

有源纹波补偿Cuk型照明LED恒流驱动电源*

唐治德王蕊杨熙

(重庆大学 电气工程学院∥输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

摘要:一般大功率照明LED驱动电源中，输出滤波电解电容的寿命与LED的长寿命极不匹配.对此，文中提出了一种有源纹波补偿的Cuk型LED驱动电路.电路中用有源纹波补偿支路替代输出滤波电解电容，抵消电感纹波电流，使LED灯组获得恒定直流，达到LED的理想驱动状态.文中详细阐述了有源纹波补偿的原理和实现电路，分析了有源纹波补偿Cuk型LED驱动电路的损耗和效率，设计和制作了输出功率为22 W的滞环电流控制、有源纹波补偿Cuk型LED驱动电源，通过仿真和实验验证了该新型电源的可行性.

关键词：驱动电源；发光二极管；纹波补偿；电解电容；滞环电流控制

随着LED技术的不断提高和成本的逐年下降，大功率照明LED灯的应用越来越广泛，而实现这些应用最为关键的环节就是LED驱动电源.高可靠性、高效率、恒流和小型化是照明市场对LED驱动电源的“苛刻”要求[1- 2].目前大功率LED通常采用开关电源，但传统的开关电源大多采用电解电容进行输出滤波，而电解电容的寿命一般只有5 000 h，与LED 100 000 h的工作寿命相差甚远[3- 4].根据开关电源的平均无故障时间分析，电解电容的有效工作寿命取决于环境温度以及通过等效串联阻抗的纹波电流导致的温升[5]，温度过高致使电解电容电解质逐渐耗尽，导致其性能下降，因此电解电容成为影响LED驱动电源整体寿命的主要因素.与此同时，电解电容体积较大，影响了驱动电源的小型化和集成化[6].

针对上述问题，文中结合大功率照明系统的电气环境，研究了有源纹波补偿Cuk型LED驱动电路.通过有源补偿替代电解电容输出滤波，使LED的驱动电流保持恒定[7- 8]，这样可以使LED发光稳定、效率高，延长LED灯具的使用寿命.

1有源纹波补偿Cuk电路

1.1有源纹波补偿电路和原理

有源纹波补偿Cuk电路如图1所示，在传统的Cuk电路基础上[9]，去掉大容量的滤波电容，用有源纹波补偿电路抵消电感L2的纹波电流，使负载(R)获得恒定直流.图中由开关管S、LED灯组(R)、续流二极管VD，2μF左右的小电容C和电感L1和L2组成Cuk电路，工作在连续导通模式，虚框内元件组成有源纹波补偿电路.

图1　有源纹波补偿Cuk电路拓扑

电路进入稳态后，电感电流iL2(t)可以分解为直流分量IL2和交流分量ir(t)(纹波电流)之和，即

iL2(t)=IL2+ir(t)

(1)

流过LED灯组(R)的电流为

iO(t)=iL2(t)+iC(t)=IL2+ir(t)+iC(t)

(2)

如果

iC(t)=-ir(t)

(3)

那么

iO(t)=IL2

(4)

因此，有源纹波补偿电路使流过LED的电流iO(t)为恒定直流，式(3)、(4)是电感纹波电流全补偿的条件.

1.2电感纹波电流的检测和补偿电路

电感纹波电流的检测和补偿电路如图1的虚框所示，电阻RS对电感电流iL2(t)取样，运放及其外围元件组成高通滤波，抑制直流分量并获取纹波分量形成补偿电流iC.

补偿电流iC对电感电流iL2的传递函数H(s)为

(5)

式中，

将s=jω代入式(4)，可得H(jω)：

(6)

H(jω)的伯特图如图2所示.当频率ω=0时，传递函数H(jω)为0，从而保证补偿电流不含电感电流的直流分量，只含有纹波分量;当ω≥10ωC时，可以保证H(jω)=-1，实现对纹波的完全补偿.

运放的输出电流较小，需要对其进行扩流，电路如图3所示，利用运放的高增益和负反馈消除交越失真.

图2　H(jω)的伯特图

图3　扩流电路

1.3检测和补偿电路的损耗

当电路处于稳态并且电感纹波电流全补偿时，电感电流iL2和补偿电流iC的波形如图4所示.结合图1和3，可以计算出取样电阻和补偿电路的损耗：

(7)

(8)

忽略开关损耗，有源纹波补偿Cuk型电路的效率为

(9)

负载采用大功率LED串联连接，Uo和Io是LED灯组电压和电流.

通过式(8)可以看出：减小电感L2电流纹波的峰峰值ΔiP可有效降低补偿电路的功耗，提高驱动电源的效率.适当选取较大的电感值可以减小电感电流纹波峰峰值[10- 14].

2主电路参数的设计

假设图1中各元件均为理想元件，电感电流iL2(t)

图4　电感电流iL2和补偿电流iC的波形

Fig.4Waveforms of inductance current and compensation current

全补偿.在开关管S导通期间(TON)，二极管VD截止，电源向电感L1充电，电容C向电感L2放电，并供电给负载.电感L1、L2的电流增量和电容C的电压增量分别为

(10)

(11)

(12)

式中,Uin为输入电压，UC为电容C的平均电压，Uo为负载的平均电压，D为占空比，TS为开关周期.

在开关管S截止期间(TOFF)，二极管VD导通，电源Uin和电感L1向电容C充电，同时电感L2释放电能给负载供电.电感L1、L2的电流增量和电容C的电压增量分别为

(13)

(14)

(15)

根据电感伏秒平衡、电容安秒平衡原理，可得

(16)

(17)

(18)

当电感纹波电流的幅值小于电感电流的均值时，电感电流连续；当电容纹波电压的幅值小于电容电压的均值时，电容电压连续.结合式(13)-(18)，可导出保障电感电流连续和电容电压连续的主电路元件参数选择公式：

(19)

(20)

(21)

式中，R为负载等效电阻.

3仿真和实验

3.1电路设计

根据以上论述，设计了有源纹波补偿Cuk型LED恒流驱动电路.电路参数如下：供电电源为24 V直流电压源，负载为两串并联的LED灯组，每串灯组由4个LED组成，LED选用额定功率PW=3W的大功率白光LED，其导通压降为3.0～4.0 V，典型导通电流为0.7 A ；电感采用EE35型铁氧体磁芯自行绕制(L1=100 μH，L2=220 μH)，小容量电容采用高可靠性聚酯电容：C=2 μF,C1=C2=10 nF，RS=RC=1 Ω，R1=R2=R3=10 kΩ.功率开关为IRF630的N沟道MOS管.续流二极管选用MBR10100肖特基二极管.补偿电路三极管选择小功率PNP型三极管S8550和NPN型三极管S8050，滞环电流控制芯片采用HV9930.

3.2仿真和实验结果分析

由于LED为非线性元件，为便于仿真，采用LED等效电路[10- 11]，如图5所示，仿真中设定二极管导通压降UVD=3.0 V，稳压管电压UDZ=7.0 V，RS=0.7 Ω.采用电力电子仿真软件PSIM对整体电路进行仿真.

图5　LED等效电路

首先，考察开关频率对有源纹波补偿Cuk型LED恒流驱动电路的影响.设定占空比D=37%、开关频率f分别为20和100 kHz，仿真得到电感L2的电流、补偿电流和输出电流的波形如图6所示.由图6(a)可以看出，当频率f=20 kHz时，补偿电流不能对电感L2的电流实现完全补偿，输出电流具有较大的纹波；而图6(b)中，开关频率f=100 kHz，大于补偿电路的10倍高通截止频率，实现了对电感L2纹波的完全补偿，此时输出为恒定直流，验证了有源纹波补偿Cuk电路恒流输出的正确性.

图6　f=20，100 kHz时iL2、iC、io的波形

其次，考察负载对有源纹波补偿Cuk型LED恒流驱动电路的影响.将负载改为并联三串LED灯组、每串灯组由4个LED组成，设定开关频率f=100 kHz、占空比D=37%，仿真波形如图7所示.从图中可以看出补偿电流能很好地跟随电感电流的变化，实现了完全补偿，输出为2.08 A的恒定直流，因此，该补偿电路有较强的负载适应性.

再次，考察电源电压Uin对有源纹波补偿Cuk型LED恒流驱动电路的影响.当电源电压Uin为12 V，负载为两串并联的LED灯组，每串灯组由4个LED组成，开关频率f=100 kHz，占空比D上调为54%，实现升压，仿真波形如图8所示，补偿电流可以完全补偿电感电流的纹波，从而证明主电路既能实现升压又能实现降压，可以适应很宽的电压调整范围.

图7　负载为三串LED灯组时iL2、iC、io的波形

Fig.7Waveforms ofiL2,iCandiowhen the load is a group of three-string LED lights

图8　Uin=12 V时iL2、iC、io的波形

最后，根据图9所示实验电路制作了有源纹波补偿Cuk型LED恒流驱动电路实验板(如图10所示)并进行实验.实验电路板的参数与仿真电路参数一致，电压源Uin为24 V，负载为两串并联，每串4个LED灯.利用滞环电流控制芯片HV9930产生开关驱动信号.

图9　实验电路图

图10　实验调试平台和实验电路板

Fig.10Experiment test platform and the circuit in experimental board

图11(a)为电感电流iL2和纹波补偿电流iC的实验波形，实测电感电流的峰峰值为0.320 A，纹波补偿电流的峰峰值为0.336 A，基本实现了电感纹波电流全补偿的条件iC(t)=-ir(t).输出电流的纹波很小，近似为恒定直流电流输出，约1.35 A，如图11(b)所示.图中输出纹波电流峰峰值为0.04 A，不足直流分量的1.5%，而电感纹波电流峰峰值为0.32 A，输出纹波电流减小为后者的1/8.此外，测得负载LED灯组的端电压约为13.7 V，输出功率约为18.5 W，电源Uin的总输出功率为22.32 W，能量转换效率为83%.

图11　电流波形图

4结论

文中针对滤波电解电容导致的LED驱动电源可靠性差、使用寿命短的问题，结合大功率LED照明的具体应用要求，设计了大功率有源纹波补偿Cuk型LED恒流驱动电源.该电源具有以下特点：①无大容量电容，补偿电路和控制电路可集成化，可靠性高，小型化好；②输出电流纹波极小，基本为恒定直流，并且负载适应性强；③可升降压，电源电压适应范围宽；④在保证优异的输出纹波特性的情况下效率较高.

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Power Supply Driven by Cuk Constant Current with Active Ripple Compensation for LED Headlamp

Zhi-deWANGRuiYANGXi

(College of Electrical Engineering∥State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044,China)

Abstract:As the lifespan of the output filter’s electrolytic capacitor in general lighting LED power supply does not match LED’s long lifespan, a LED driving circuit based on Cuk with active ripple compensation is proposed. In this circuit, the active ripple compensation branch is used to replace the output filter’s electrolytic capacitor to offset the inductor’s ripple current, which provides the LED array with a constant DC and further with ideal driving state.This paper describes the principle and implementation of the active ripple compensation circuit, analyzes the loss and efficiency of LED driving circuit based on the Cuk with active ripple compensation, and designs and fabricates an LED power supply with an output power of 22 W based on the Cuk with active ripple compensation and hysteresis current control. Simulated and experimental results indicate that the proposed power supply is feasible.

Key words:driving power; light-emitting diode; ripple compensation; electrolytic capacitor; hysteresis current control

收稿日期:2015- 07- 21

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50877082)；重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室研究项目(2007DA10512709303)

Foundation item:Supported by the National Natural Science Foundation of China(50877082)

作者简介:唐治德(1958-)，男，教授，主要从事大功率LED照明、X光机高压电源的研究.E-mail:zhzhaodan@126.com

文章编号:1000- 565X(2016)04- 0034- 06

中图分类号：TM 46

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.006