宽电压输入可自动均流的PWM型LED驱动器

陈卓，唐德平，刘钊(.许昌开普检测技术有限公司，河南许昌，46000；.合肥科威尔电源系统有限公司，安徽合肥，0088；.南京理工大学自动化学院，江苏南京，0094)

宽电压输入可自动均流的PWM型LED驱动器

陈卓1，唐德平2，刘钊3
(1.许昌开普检测技术有限公司，河南许昌，461000；2.合肥科威尔电源系统有限公司，安徽合肥，230088；3.南京理工大学自动化学院，江苏南京，210094)

为了满足LED驱动在宽电压范围内的性能，设计了一种基于Boost-Buck PFC电路的LED驱动器。当输入交流电压变化范围较宽时，PFC的输出依然可以稳定在较低值，可确保功率器件始终保持较小的开关应力。同时，为了满足LED的调光功能，并确保大功率照明场合LED串并联应用的稳定性，各LED并联支路增加了独立调光模块，可根据不同的应用场合工作在独立线性调光、独立PWM调光以及线性PWM复合调光模式,并且通过电流和温度信息的采集各支路可实现自动均流。最后以两路LED并联为基础，搭建实验样机，实现了各支路之间的独立调光以及自动均流。

LED驱动；宽电压输入；调光；均流

0 引言

LED照明具有绿色、环保、节能的优点，当前已经大量在家电、商场、工业等场合广泛使用[1]。为了提高LED驱动器的效率以及减少对电网的污染，功率因

数校正电路得到了普遍应用。其中Boost型PFC电路由于其结构简单，控制方便，应用最为广泛。但是，当交流电压有效值在大范围内变化时，例如90-260V，如果仍然使用Boost电路。那么，当输入电压较低时，变换器会具有较高的电压转换比，这意味着在能量传输过程中变换器内部存在明显的能量存储和循环，将显著降低变换器的效率；当输入电压较高时，将会增加电路中功率器件的电压应力[2]-[4]。

同时，由于单片LED的功率较小，为满足大功率照明场合的需求，通常使用LED串并联的方式来提高功率。当多路LED并联时，由于存在工作温度、个体差异等问题，各并联支路的电流会出现不平衡现象，其中电流较大支路的LED会加快老化，甚至熄灭，这会降低整个照明系统的稳定性和可靠性[5]-[8]。

针对以上问题，本文提出了一种基于Boost-Buck型PFC的LED驱动器，可适应较宽的输入电压，各并联支路具有独立调光功能，该电路能适应不同的调光模式，还可以根据支路电流以及温度的变化实现自动均流，最后在实验平台上进行了验证。

1 Boost-Buck PFC LED驱动电路

图1为本文研究的Boost-Buck PFC变换器原理图，该变换器由三个部分组成：二极管整流环节、Boost升压变换环节、Buck降压变换环节。此电路采用Boost和Buck变换器直接级联的形式，控制方式较为灵活。为了降低开关应力，减少开关损耗，本文采用Boost和Buck电路分时交替工作的控制方案。

当整流后的电压瞬时值uin小于输出电压瞬时值uo时，图1所示的变换器应工作在Boost电路模式。此时，S2始终保持开通状态，二极管D2始终关断，S1工作在高频开、关状态。其等效电路如图2所示，电感L2与C2可构成后级一阶滤波环节。

当整流后的电压瞬时值uin大于输出电压瞬时值uo时，图1所示的变换器应工作在Buck电路模式。此时，S1始终保持关断状态，S2处于高频开、关状态。其等效电路如图3所示，电感L1与C1可构成前级一阶滤波环节。

图1 Boost-Buck 电路原理图

图2 Boost 模式等效电路

图3 Buck模式等效电路

图4 为Boos、Buck电路分时交替控制的示意图，图中Uref为PFC的给定电压值，iL1为流过电感L1的电流瞬时值，本文采用电压外环、电流内环的控制方式，将输出电压稳定在给定值，同时将输入电流控制成正弦波。当uin＞uo时，电路工作在图3 所示的Buck模式下，电流环通过控制S2使iL1跟踪i*L1，当uin＜uo时,工作在图2所示的Boost模式下,电流环通过控制S1使iL1跟踪。

图4 Boost、Buck交替控制示意图

2 调光及均流控制方法

2.1 调光控制

传统的LED调光方式主要为模拟调光和PWM调光，PWM调光对LED的色温影响较小；线性调光对LED色温影响较大，会产生明显的颜色漂移。但在相同的电功率下，线性调光的光效高于PWM调光模式[9]-[12]。

综合线性调光和PWM调光的优缺点，本文提出了一种复合调光模式，其原理如图5所示。

图5 调光电路原理

整个电路由三个部分组成，前级为基于Boost-Buck 的PFC电路，中间为DC/DC变换电路,后级为LED串并联电路，图中i1-iN为流过每条LED支路的电流，Q1-QN为支路均流功率开关，此电路可根据不同的工况需求，选择以下三种调光模式中的一种，也可以分段复合调光。

（1）线性调光：均流功率开关保持导通状态，通过调节输出电压uo的大小，改变流过LED的电流实现线性调节。采用此种调光模式可得到较高的光效，当电流较小时具有更高的转换效率。

（2）PWM调光：保持LED驱动器的输出电流io恒定，通过改变功率管Q1-N的占空比，改变流过LED电流的平均值实现亮度的调节。对色温要求较高的场合可使用此种方式。

（3）峰值可变的PWM调光：当相对色温（CCT）大于设定值时，通过降低峰值电流增加占空比的方式调光，当CCT小于设定值时，通过增加峰值电流降低占空比的方式进行调光。通过此种方式可以进一步降低PWM调光过程中的色漂移。

2.2 具有温度保护的LED均流控制

温度是影响LED稳定工作的重要因数之一，温度的变化会引起LED特性的偏移，甚至会使LED损坏，因此温度保护就显得尤为重要，传统的温度保护措施为：当检测到温度达到设定值之后立即关断电源，等温度冷切之后，再打开电源，以起到保护LED的作用。但是，此种方式不利于照明系统，对于照明来说，不希望照明间断。

本文结合温度保护与均流控制的特性，采用一种复合控制方式，在均流控制的基础上具备温度保护功能，具体控制方案如图5所示，R1-RN为电流采样电阻，Rptc1-Rptc4为具有正温度系数的温敏电阻。Uref为各支路电流相加的平均值，每条支路以平均值为基准进行实时均流控制，Uil为支路1电流和温度的采样综合值。以其中一路为例，采样反馈电流

式中R1为固定值，当温度变高，电阻RPTC的阻值变大，因此Ui1变大，此时，PWM的占空比变小，使流过LED的电流变小，从而起到降低温度的作用，当温度降低到安全范围内，温敏电阻变小，占空比变大，电流上升。这种变化对于人眼来说很微弱，通过这种方式，可以在不间断照明的情况下进行温度保护和均流控制，提高了LED照明的可靠性。

3 实验验证

3.1 实验系统参数

按照图5所示的电路原理，搭建实验样机，主要参数如表1所示，采用DSP28335作为实验平台的控制器。

表1 实验系统参数

3.2 实验结果分析

图6分别为电网输入电压和电流波形，从图中可以看出电网侧输入功率因数较高，达到了0.98。

图6 输入电压与电流波形

图7 分别为PFC输出电压和DC-DC输出电压波形，其中通道1为PFC输出，通道2为DC-DC输出，从图可以看出PFC和DC-DC都达到了良好的稳压效果。

图8和图9分别为支路1和支路2的MOS管驱动波形以及支路电流波形。支路1中电流波形占空比为0.971，支路2中电流波形占空比为0.922，由于存在温度以及LED个体差异，流过每条支路的电流大小虽然不一样，但是，通过均流开关的调节，其平均值最终基本相等，达到了自动均流的目的。

4 结论

本文采用LED各并联支路电流和温度综合采样的方式，通过支路均流开关实现LED的均流控制，并且当LED的温度变化时，可以在不间断照明的情况下，通过调光措施降低LED的温度，对LED进行保护，提高了LED的照明质量以及整个照明系统的稳定性。同时，采用Boost-Buck PFC电路，能适应更宽范围的输入电压，可以保证后级的变换效率，降低开关管的电压应力。该电路同时兼具调光与均流功能，可适用于各种大功率LED照明系统。

图7 PFC输出电压与DC-DC输出电压波形

图8 支路1 MOS管驱动与支路电流波形

图9 支路2 MOS管驱动与支路电流波形

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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

陈卓（1978-），男，硕士，工程师，研究方向为新能源发电设备、电动汽车充电桩等。

国家自然科学基金（51507086）,江苏省自然科学基金资助项目（BK20150839）