有源纹波补偿降压型LED驱动电源

刘沅玲，高 严，贾文超

（长春光华学院 电气信息学院，吉林 长春 130000）

0 引 言

作为绿色清洁的照明LED，不含污染环境的物质。正常工作状态下，发出的光线中不含有紫外光线，具有80%～90%的发光效率，可为使用者提供大于100 000 h的照明时间[1]。它的发光原理与半导体二极管的原理基本一致，需要恒流低压进行照明供电。驱动电源是LED照明的重要供压源，因此驱动电源工作的稳定性决定了LED照明发光的稳定性[2]。

1 开关电源的选择

LED照明驱动电源的电路有多种选择。第一种驱动电路可以采用限电阻的方式进行驱动，结构简单，但LED光线的调节能力较弱[3]；第二种驱动电路电路采用运算放大器作为核心的线性控制驱动电路，运算放大器与三极管可以提高驱动电路的工作效率，但是三极管的饱和压降导致电压调节范围缩小，限制了LED照明的发光程度[4]；第三种驱动电路选择开关变换式的LED驱动电路，利用电流采样信号进行反馈，能够实现恒流输出，使LED照明发光稳定，满足驱动LED照明低压恒流的要求[5]。常见的电感式开关电源有三种[6]：BUCK、BOOST和BUCK-BOOST。

1.1 BUCK

BUCK电路由开关管、电感和电容等组成，如图1所示。由于BUCK电路采用了开关管器件，因此BUCK电路又可称为三端式变换器。除了开关管外，电路中采用了电感、电容等器件共同构成BUCK变换器，能够实现对输入电压的降低，即输出量小于输入量[7-8]。

图1 Buck电路图

1.2 BOOST

图2 为BOOST电路原理图，主电路也是由晶闸管构成，通过储能电感和滤波电容的共同作用实现电压的变化。由于在元件分布上与BUCK电路不同，因此电路作用也发生了变化。BOOST电路能够升高输入电压，即输出电压高于输入电压，所以BOOST开关电源又称为升压式开关电源。

图2 Boost电路图

1.3 BUCK-BOOST

如图3所示，与BUCK电路和BOOST电路相比，BUCK-BOOST电路在元器件上和上述两种开关电路保持一致，在结构上有所不同。该电路可以实现对输入电压的升高或降低，具有很宽的电压调节范围。因此，BUCK-BOOST电路可以广泛适用于各种场合。

图3 Buck-Boost电路图

驱动电源的结构决定了LED照明的发光效率。因此，需要同时考虑驱动电路的结构、光电能量的转换等。由于LED照明需要低压进行驱动，因此本文选择BUCK电路作为LED驱动电源的核心电路。

2 纹波补偿电路的工作原理

当开关管工作在工作曲线的线性放大区域中，开关管稳定工作，BUCK降压开关电路正常工作，开关管的导通和关闭使电感不断进行充放电，如图4所示。电感充放电后，电流的表达式为：

电感随着开关管的导通和关闭重复着充电和放电，如式（1）所示。电感电流中存在着直流分量IL和交流分量ir(t)。由于LED照明需要低压恒流进行驱动，电感电流的交流分量输入LED照明的电流不再保持恒定，会使LED发光闪烁，增加光耗。为了保证LED的使用寿命，因此需要消除纹波电流。本文采用以PNP型三极管构成的补偿电路[9]。

补偿电路输出的补偿电流的幅值应与纹波电流幅值相同，但两者相位应相反。因此，PNP型三极管构成的补偿电流提供的电流为：

式（2）中，IC代表补偿电流的直流分量，ic(t)代表补偿电流的交流分量。在补偿电路设计过程中，根据相位和幅值条件，要求ic(t)=-ir(t)。在峰值电流的时刻，补偿电流的直流分量取最小值为：

图4 有源纹波补偿示意图

由KCL可得，电路输出电流为：

式（4）中，通过补偿电路提供的交流补偿分量与电感交流电流叠加后，输出的电流为直流，满足LED照明发光恒流的要求[10]。由式（3）可知，补偿电流直流分量的最小值即是电感峰值电流[11]。

3 有源纹波补偿电路模型建立及分析

根据以上纹波补偿电路的工作原理，结合PNP型三极管的模型结构和BUCK电路的模型，如图5所示，建立了有源纹波补偿电路的等效模型。

图5 有源纹波补偿电路等效模型

3.1 等效模型的直流分析

如图6所示，当图5中所有扰动量为零时，即可得到等效电路的直流工作模型。

图6 等效直流电路工作模型

图6 中，补偿电流为IC，电感直流分量为IL，可得：

式（5）中，β为PNP型三极管的放大倍数。

从而输出电流IO为：

3.2 等效模型交流分析

忽略图5等效电路模型中的直流分量，即可得到图7的等效交流电路。利用交流等效电路，可建立PNP型补偿电路的传递函数框图。

图7 等效交流电路工作模型

图中i^O(s)为压控电流源，大小与电感电压uL(s)有关，依据三极管集电极电流可得其表达式为：

依据电路原理和纹波补偿的原理，可得：

求解式（8）～式（12），可以得到uL(s)的表达式：

通过式（13）可知，uL(s)与D同时决定了电感电流的大小。为了建立补偿电路的传递函数，需要分析在电路中受到单个扰动信号时的工作情况。因此，要先求出以下传递函数。

（1）ML：i^L(t)与uO(s)的传递函数

在输入电压存在扰动时，ML表示uO(s)扰动对i^L(t)的影响。当d(s)=0，通过求解式（9）、式（13），可得ML的表达式为：

（2）MC：i^C(s)与uO(s)的传递函数

在输入电压存在扰动时，MC表示uO(s)扰动对i^C(s)的影响。当d(s)=0，通过求解（8）、式（13），可得MC的表达式为：

（3）TL：i^L(s)与D的传递函数

在占空比发生变化时，TL表示D对i^L(s)的控制作用。令uin(s)=0，通过求解式（8）、式（12），可得TL的表达式为：

（4）TC：i^C(s)与D的传递函数

在占空比发生变化时，TC表示D对i^C(s)的控制作用。令uin(s)=0，通过求解式（8）、式（12），可得TC的表达式为：

依据上述分析，结合式（14）～式（17），可求出i^L(s)、有源纹波补偿i^C(s)受扰动后的表达式分别为：

输出电流的表达式为：

根据求出的以上传递函数，可以得到由PNP型三极管和BUCK电路构成的补偿电路的传递函数框图，如图8所示。

图8 有源纹波补偿电路传递函数框图

4 有源纹波补偿电路的实现

通过状态转换分析和加速稳态分析可知，驱动电路输出中的纹波分量利用滤波电容是无法完全过滤的，会有部分未过滤的纹波分量影响LED照明的电压。电压的波动导致发光的闪烁，增加额外的光耗。为了加强滤波效果，一般会采用大容量的滤波电容。但是，考虑到滤波电容的容量和体积成正比，采用滤波电容不利于驱动电路的小型化。同时，滤波电容的核心物质是电解质，工作过程中电流产生的热量导致驱动电路的温度上升，而温度的变化会对电解质产生影响，影响滤波电容的寿命，即影响LED照明的使用寿命。因此，为了实现驱动电路的小型化，实现LED照明的使用寿命，驱动电路中采用纹波补偿的方式对纹波分量进行滤波[12]。

利用LC滤波检测电路中的纹波分量，将检测到的纹波分量反馈到补偿电路中。补偿电路输出的是一个幅值与纹波分量相同但在相位上相差180°的电流分量，补偿分量与纹波分量在相位上相互补偿，使输入到LED照明中的电流近似恒定。但是，过多地采用LC组合结构的电路，在实验中将增加元件间高频振荡的概率，同时增加电容参数和电感参数的选择难度。为了降低设计难度，在补偿检测电路中可采用运算放大器作为检测电路的核心元件，检测信号通过电阻输出补偿信号，实现了恒流输出，同时驱动电源的体积也可进一步缩小[13]。

检测电路与补偿电路的拓扑电路结构，如图9所示。补偿电路中采用三极管作为电路的核心，检测电感两端的纹波分量，同时反馈到补偿电路中；补偿电路将根据纹波分量进行输出，使得流入到LED照明的电流恒定。补偿电路的作用替代了滤波电容的作用，进一步缩小了LED照明的驱动电源的体积。

图9 PNP型三极管纹波电流检测与补偿电路

5 有源纹波补偿降压型驱动电源的设计与仿真分析

根据上述设计的电路拓扑结构，利用IN公司的Multisim软件进行电路仿真验证。仿真中采用一个LED照明作为电路的负载，选用的额定功率为1 W，额定电流0.35 mA白光LED，电路的供电电压为12 V，工作频率为110 kHz，补偿电路核心选用A1020型的硅管。

图10 电感电流仿真波形

利用Multisim软件中的虚拟示波器，测量电感两端的电流波形，如图10所示。电感电流最大值为350 mA，最小值为234 mA，对应的电感直流分量为292 mA，交流分量为116 mA。

图11 纹波补偿电流仿真波形

通过虚拟示波器测量补偿电路的补偿波形，如图11所示。补偿电路的电流最大值为116 mA，最小值为1 mA。相位与电感交流分量相反，幅值相同，证明补偿电流和电感交流分量能够进行叠加。补偿电路可以代替滤波电容在驱动电源中的作用。

图12为LED照明的输入电流波形，是一条直线。通过检测和补偿电感纹波分量后，LED照明的输入电流恒为直流，补偿电路能够对纹波分量进行全补偿。仿真的波形图证明了补偿电路设计的合理性和可行性，也能够实现LED驱动电源的微小化。

图12 LED电流仿真波形

6 结 论

利用Mulitisim仿真软件，对设计的补偿降压驱动电源电路进行仿真实验。仿真过程中，保证负载电流恒定，采用一个白光LED作为输出负载，因此输出电流恒为350 mA。通过仿真测到的波形分析发现，补偿电路的输出满足幅值和相位要求。经过补偿后的LED电流基本为恒定直流，能够证明有源纹波补偿降压型LED驱动电源设计的合理性。补偿电路的使用可以提高LED照明发光的稳定性和驱动电源工作的稳定性，能够实现驱动电源体积上的小型化。

[1] 钟龙平.LED日光灯恒流驱动电源的研究与应用[D].厦门：厦门大学，2011：3-4.

[2] 黄天宏.LED照明技术的研究和设计实例[D].长沙：湖南大学，2009：14-15.

[3] 裴 倩.一种恒流型DC-DC大功率LED驱动电路的设计[D].杭州：浙江大学，2010：24-32.

[4] 胡成龙.基于DC-DC开关变换器的LED驱动技术研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2012：18-19.

[5] 杨 光.通用型LED照明的驱动技术[J].中国照明电器，2015，（3）：5-9.

[6] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2001：7-8.

[7] 唐治德，王官涛，杨 红，等.有源纹波补偿BUCK型LED驱动电源[J].重庆大学学报，2012，35（12）：40-45.

[8] 唐治德，王官涛.一种新颖的BUCK型LED驱动电路[J].电子技术，2011，30（6）：45-48.

[9] Suntio T，Lempinen J，Gadoura I，et al.Dynamic Effects of Inductor Current Ripple In Average Current Mode Control of DC/DC Power Converter[C].IEEE 32ndAnnual Power Electronics Specialists Conference，2001：1259-1264.

[10] 王官涛.有源纹波补偿降压型LED驱动电源[D].重庆：重庆大学，2011.

[11] 闫晓金，潘 艳，陈永真.开关电源对电解电容器性能的基本要求[J].电源世界，2008，（4）：63-65.

[12] 刘 彬.LED恒流驱动电源的研究与设计[D].北京：北京交通大学，2009：5-6.

[13] Baddela S M，Zinger D S.Parallel Connected LEDs Operated at High Frequency to Improve Current Sharing[C].IEEE Industry Applications Conference，2004：1677-1681.