基于能量平衡的交流LED驱动策略

陈 威 刘 冬 叶少士

（1. 浙江网新联合工程有限公司，杭州 310051；2. 诺基亚通信系统技术有限公司，杭州 310053）

经过 40余年的发展，LED作为新一代绿色、节能、长寿命的高效光源已经在世界范围内迅速普及[1-9]。传统的 LED需要提供合适的直流电才能正常发光工作，因而一般需在供电端的工频市电与LED负载之间加入一个AC-DC变流器模块[3]。然而该变流器的使用，不但增加了LED灯具的体积和成本，而且由于交直流转换中的损耗带来了LED整体光效降低。另外，该变流器的寿命也远不及LED的实际使用寿命，成为妨碍LED灯具进一步推广的主要桎梏[7]。为了解决上述难题，采用交流直接供电的交流LED技术近年来得到广泛关注[3,5,7]。最新研究成果表明，采用将交流LED分段分时导通技术可有效解决因线性驱动技术导致的低功率因数和高电流谐波问题，并且开通时大为减小的冲击电流可有效延长交流LED使用寿命[10-11]。但交流LED分段后每段的能量均衡问题一直得不到有效解决，引起交流LED单段之间的寿命差异，进而影响灯具的整体设计寿命[11]。

本文在交流LED分段线性控制的基础上，通过优化单段交流LED的导通时间，达到每段交流LED之间的能量平衡，从而起到保证灯具设计使用寿命的效果。

1 基于能量平衡的交流LED线性驱动策略

一般而言，交流LED需要分成两组，分别工作于交流市电的正负半周。但因这两组电路结构和工作原理均完全相同，出于简化的目的，在分析中可将这两个模块合二为一，用一个整流桥预先处理交流电压，如图1所示。该电路将一个交流LED模块分为 4段，分别以 LED1至 LED4表示，同时每段LED分别和可控制的开关管并联，以达到高功率因数的目的[5]。在以图 2为代表的经典控制策略中，每段LED开通的时间各自并不一致，开通时间最长的 LED1段成为了整体寿命的短板，灯具的设计使用寿命明显小于预期。

图1 改进型交流LED线性驱动电路

图2 经典交流LED分段控制策略

为了解决这一问题，图3给出了改进后的控制策略，该策略的核心是分别找到LED1至LED4各段的最佳导通和关断时间，将总的开通时间加以优化，以达到每段LED之间的能量平衡目的。不难发现，在各段能量平衡时，图3中的开通时间点t0至t3必然相对于关断时间点t4至t7关于坐标轴π/2轴对称。即需要满足下式：

图3 基于能量平衡的改进控制策略

因而只要求出各段的最佳开通时间点t0至t3即可。

交流正弦电压波的时间点和瞬间电压值是一一对应的，各段的最佳开通时间可以简单等效于求出各段开通的最佳电压点。显见，因线性电路的能量损耗特点，为了达到能量的最佳利用，对于 LED1段，开通点的理想电压vL1即是本段LED的开启阈值电压。同理，LED4段的开通点理想电压 vL4即是LED1至LED4开通的压降之和，即开通时间点t0和t3是由LED分段的本征开通特性决定的。因此，问题可转化为求出最优化的开通时间点 t1和 t2，即最优化的开通点电压vL2和vL3。而这两个电压可以根据对单段 LED在一半市电周期内的能量积分求解得出。

假设：①文中使用的LED为理想非线性器件；②输入交流电为理想正弦波，则1—4段LED的半交流周期能量分别为

式中，ELED为单段LED的半交流周期能量；vLED为单段LED的导通压降；iLED为单段LED的瞬时正弦导通电流。tNon和tNoff分别对应当前 LED段的开通和关断时刻点。

即有

式中，Ipeak为 LED的半交流周期电流峰值；ω为输入交流电压频率。

根据ELED1=ELED2=ELED3=ELED4，由式（1）—式（7）得

代入vL1至vL4，设输入电压峰值为vp，则式（8）可改写为

以单段LED导通电压为60V为例，图4是按照式（9）给出的vL2和vL3之间的具体关系曲线。图4曲线上的任意一点即可满足ELED1=ELED2=ELED3=ELED4的能量平衡目的。

图4 满足能量平衡下的vL2和vL3曲线

2 实验

为了验证本文所提方法的有效性，按图1构建了一台样机，该样机的参数见表1。

表1 主要器件参数

图5给出了按照上述策略控制的样机关键参数波形。vrec是整流后的输入交流电压波形。irec是交流周期内的4段LED电流之和。vLED1至vLED4分别是四段LED的瞬时电压波形。因为单段LED的开通电压为60V左右，所以LED1段和LED4段的开通时间分别设置在单段导通电压（60V）和四段导通电压之和（240V）处。LED2段和LED3段的开通时刻对应的交流电压需要满足式（9）之规定，根据图4所示，选取为160V和205V。LED1—LED4的实际关断时刻分别满足式（1）的约束。图6是在一个交流周期下，对4段LED分别计算能量的结果对比。易见在总输出能量相同的前提下，改进后的控制策略能做到每段LED的能量平衡，达到了预期设计目标。

图5 各段LED开通时间点和电压波形

图6 两种控制策略的效果对比

3 结论

本文提出一种基于发光能量平衡的交流 LED分段控制策略，在每个交流周期内，根据优化算法分别将4段LED的导通时间加以控制，以达到在各段LED的实际发光能量平衡的效果，从而延长LED灯具的实际使用寿命。实验样机和结果证明了优化算法的正确性和所提控制策略的可行性，具有工程应用价值。

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