一种基于重复控制的无电解电容 LED驱动电源

杨明杰 廖建彬

摘要：LED 驱动电源大多使用了容量较大的电解电容作为储能滤波元件，然而其平均寿命远低于 LED 器件，限制了驱动电源的使用寿命和电源功率的进一步提升。针对该问题，设计了一种基于重复控制的无电解电容 LED驱动电源，采用 Boost功率因数校正电路，提高输入功率因数，此外，利用 Buck/Boost变换器进行升压储能，并结合周期性重复控制算法，对儲能实施调节，从而达到输入脉动功率与输出恒定功率之间的平衡，使负载 LED 获得恒定电流。由于没有采用大容量的电解电容，因而提高了 LED驱动电源的使用寿命。最后，搭建了一套基于重复控制算法的无电解电容 LED驱动电源，测得输入功率因数为0.97，恒定输出的电流纹波系数为3%。

关键词：LED驱动;功率因数校正;无电解电容;恒流

中图分类号：TM46             文献标志码：A        文章编号：1009-9492（2021）12-0068-03

An Electrolytic Capacitor-less LED Driver Based on Repetitive Control

Yang Mingjie ，Liao Jianbin

（Minnan University of Science and Technology， Shishi， Fujian 362700， China）

Abstract： Electrolytic capacitors with large capacity are often used as energy storage and filter elements for LED driver. However， its average life is far lower than that of LED devices， which will restrict the lifetime of driver and the further increment of power. In order to solve this problem， an electrolytic capacitor-less LED driver based on repetitive control was designed. Boost power factor correction circuit was used to improve the power factor of input. In addition， Buck/Boost converter was adopted to boost voltage for energy storage， combining with periodic repetitive control algorithm to adjust the energy storage， so as to achieve the balance between pulsating power of input and constant power of output， and obtain constant output current for LED loads. Since no electrolytic capacitor with large capacity was used， the lifetime of the LED driver was prolonged. Finally， a set of LED driver without electrolytic capacitor based on repetitive control algorithm was built. The test results show that power factor of the input is 0.97 and the ripple coefficient of direct current output is 3%.

Key words： LED driver; power factor correction （PFC）; electrolytic capacitor-free; constant output current

0 引言

发光二极管（Lighting Emitting Diode ，LED ）是一种新型的半导体冷光源，发光效率高、节能环保、可靠性高、寿命长、体积小、成本低，在很多使用场合逐步替换传统的白炽灯，有着巨大前景。同时，要求 LED 的驱动电源应当具备高功率因数、高可靠性、长寿命。目前，LED 驱动电源大多使用了容量较大的电解电容作为储能滤波元件，然而其平均寿命与半导体器件 LED 相比，相差悬殊，成为影响 LED 驱动电源寿命的主要瓶颈，并且会限制电源功率的进一步提高。因此，需要研制一种无电解电容的 LED 驱动电源，延长 LED 驱动电源的使用寿命，并且校正功率因数，减小输出电流的纹波，使得流过 LED 的电流近似恒定。

美国能源部（ DOE ）“能源之星”（ENERGYSTAR）固态照明（SSL）规范中规定，任何功率等级皆须强制提供功率因数校正（Power Factor Correct ，PFC）。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的 LED 驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9。欧盟的 IEC61000-3-2谐波含量标准中，则规定了功率大于25 W的照明应用的功率因数须大于0.94[1-7]。

交流供电下，为满足谐波要求，减少对电网的污染，实现功率因数校正[8-9]，常见的 LED 驱动电源大多采用两级 APFC 电路，在输入整流电路和负载 LED 之间，采用 DC/DC 变换电路，并采集电压或电流构成闭环控制，具有 PFC功能。此时，交流输入电压和电流具有相同相位，而整流电路输出为两倍工频的脉动功率，希望负载 LED 能够获得恒定直流功率，其大小与输入功率平均值相等，这就要求交流输入功率和直流输出功率之间能够通过中间环节加以平衡过渡，通常并入一个大容量的电解电容作为储能元件[10-11]。然而，电解电容器的平均寿命通常约为5～10 kh ，远低于 LED 本身可持续工作达到80～100 kh的平均寿命，大大缩短了 LED 照明器具的使用寿命。并且电解电容体积较大，影响了 LED 驱动电源的紧凑化。因此不用电解电容，实现 AC/DC 功率变换，成为 LED 驱动电源的一个研究方向。

乔之勇等[12]总结了国内外基于电容储存和供给能量的本质，一般采用增加电容电压纹波法、三次谐波注入法以及功率解耦法，来减小或者去除电解电容，然而都或多或少地影响了输出电压和电流的波动。

增加电解电容电压的纹波，可以用容量小、寿命长的薄膜电容或者瓷片电容替换电解电容。然而输出电压存在较大输出纹波，适于对输出电压纹波要求不高的场合[1]。

在输入电流中注入三次谐波的方案，为了减小电容，需要增大注入谐波的幅值，导致输入功率因数降低，适于对功率因数要求不高的场合[1，4]。

功率解耦法，采用峰值电流拓扑控制策略，能够独立控制输出电流和电容电压，通过 PWM 实现了较好的调光性能，但是输出电流纹波大，影响负载的稳定性[1]。

本文基于上述文献，设计了一种基于重复控制的无电解电容 LED 驱动电源，通过周期性重复控制的方法，驱动 Boost-Buck 电路，实现储能电容对脉动功率的平衡，使负载 LED 获得恒定电流;采用 Boost 功率因数校正电路，提高输入功率因数。搭建了实验平台，验证了设计方案的可行性。

1 无电解电容 LED驱动电源

基于重复控制的无电解电容 LED 驱动电源如图1所示。输入交流电压 ui 经过整流桥 D1～D4后，由电感 L1和功率管 Q1构成的 Boost 功率因数校正电路，提高输入功率因数，再经过输出续流二极管 Dr 、输出滤波电容 Co 和电感 Lo 向负载 LED 提供恒定电流 io ，此外，在 Co 两端并联了由电感 Lb 、功率管 Qs 1、Qs2和储能电容 Cb 构成的 Buck/ Boost 双向功率变换器，用于平衡交流输入和直流输出的瞬时功率差。数字控制器 DSP2812采集 ui 、ii 、io ，结合重复控制算法，驱动 Q1、Qs 1、Qs2，使输入电流和输入电压具有同相位，且稳定输出电流 io 。由于双向功率变换器能够提高 Cb 的平均电压，从而减小 Cb 的容量，进而能够使用寿命长、容量小的薄膜电容替代寿命短、容量大的电解电容，起到储能的作用。由于整个电源没有采用大容量的电解电容，因而提高了 LED 驱动电源的使用寿命。

2 电路参数设计

设理想输入功率因数为1，则角频率为ω的交流电源的输入电功率 Pi （t）为：

式中： Uim 为交流输入电压 ui 的峰值;Iim 为交流输入电流 ii 的峰值。

负载 LED 获得的恒定直流功率 Po 来自 Pi （t）的直流分量为：

而式（1） 中 Pi （t）的交流分量，则作为储能电容 Cb 的充放电功率 Pcb （t）加以平衡，由式（1） 和式（2） 可得：

设电容 Cb 两端的电压 uCb（t）为：

式中：等号右边第一项 UCb 为 Cb 两端电压的直流分量;第二项ΔUCb  sin2ωt为 Cb 两端电压的交流分量。

由于 Cb 中储存的电能 Ecb（t）为：

且 Cb 的充放电功率 Pcb（t）等于其储存电能Ecb（t）对时间的导数为：

因此由式（3） ～（6）可得 Cb 的计算表达式为：

当向负载 LED 提供的恒定直流功率 Po 恒定时，Cb 大小与ΔUCb 和 UCb 均成反比，因此，当电容 Cb 选用寿命长、容量小的薄膜电容，替代寿命短、容量大的电解电容时，应当增大ΔUCb 或 UCb 的值，即通过 Buck/Boost变换器提高储能电容 Cb 的直流工作电压，或增大电压纹波的方法来实现。

此外，当电感 L1工作在连续电流模式下，L1电感值的选取依据为[13] ：

式中： Uo 为输出电压的平均值; Io 为输出电流的平均值;fs 为功率管 Q1的开关频率;D 为功率管 Q1的占空比。

流过电感 L1的最大平均电流值 IL1avmax 为：

式中：Iomax 为负载电流的最大值。

电容 Co 的容量计算表达式为：

式中：ΔUopp 为输出电压 Uo 的纹波峰峰值。

导通时，功率管 Q1流过的最大电流有效值 IQ1rmsmax 的计算表达式为：

流过续流二极管 Dr 的最大电流有效值 IDrrmsmax 计算表达式为：

当 Q1关断时，续流二极管 Dr 承受最大电压 UDmax 的计算表达式为：

式中： Uomax 為负载电压的最大值。

以上推导并给出各项电路参数的计算表达式，据此可以计算并选择合适的元器件。

3 基于重复控制算法的控制策略

如图2所示，采用了基于重复控制算法的控制策略，用于平衡输入和输出之间存在的脉动功率，实现功率因数校正和负载 LED 电流的恒定控制。其中的重复控制算法是一种基于内模原理的周期性重复控制技术，不需要被控制对象的准确模型，就能实现近似无静差的跟踪控制，且具有很好的鲁棒性[5， 14]。

首先，通过比较电路获得 ui 同相位的方波，经过数字控制器的捕获单元得到 ui 的相位θ和角频率ω，从而计算生成同相位的输入电流跟踪参考信号 ii*，并与电流霍尔采集得到的实际 ii 比较后，经过 PI 计算瞬时调节 PWM 信号，进而驱动功率管 Q1使输入电流接近理想正弦波[15]，并与输入电压保持同相，从而使输入功率因数接近单位1;此外，输出负载的电流设定值 Io*，与经过 LPF 滤波的实际负载电流 io 的平均值 Io 进行比较，得到的偏差经过 PI 调节后，再与 ii*求偏差，获得输入和输出电流的偏差，以此作为重复控制器的参考信号，经过周期性重复控制算法后得到互补的 PWM 控制信号分别驱动 Qs 1、Qs2，使Buck/Boost 变换器对储能电容 Cb 储存的功率实施调节，从而达到输入脉动功率与输出恒定功率之间的平衡，进而较小输出电流的波动，实现负载 LED 的电流恒定。

4 实验验证

为验证基于重复控制算法的控制策略，实现输入和输出之间脉动功率的平衡，达到负载 LED 电流的恒定控制，以及输入功率因数的校正，搭建了一套 LED 驱动电源原理样机，如图3所示。数字控制芯片的型号为 TMS320F2812，功率管 Q1、Qs 1、Qs2的型号为 SMK0765F。

LED 驱动电源的主要电路参数如表1所示。表1  LED驱动电源的电路参数

实验中，使用示波器测得输入电压 ui 、输入电流 ii、输出电流 io 的波形，如图4所示。从波形图中可以看出，交流输入电压 ui 和电流 ii 保持同相位，且均为正弦波，测得输入功率因数为0.97。负载输出电流 io 基本恒定，但存在小幅纹波，且纹波频率为工频的两倍，测得输出电流 io 的纹波系数 rio=3%。输入电压 ui 的有效值 Ui=220 V ，输入电流ii 有效值 Ii=0.63 A ，输出电流io 的平均值Io=0.35 A，使用万用表测得输出电压平均值Uo=360.4 V，由此可计算得到输入功率 Pi=138.6 W，输出功率 Po= 126.14 W，主电路的功率传输效率η=91%。

5 结束语

本文介绍了LED驱动电源的结构，并分析了减小储能电容的容量，用小容量、长寿命的薄膜电容替代大容量、短寿命的电解电容，可以通过Buck/Boost变换器提高储能电容的直流工作电压，或增大电压纹波的方法来实现;推导出各项电路参数的计算表达式，并详细阐述了基于重复控制算法的控制策略，实现了输入脉动功率与输出恒定功率之间的平衡，使负载 LED 获得恒定电流。采用Boost功率因数校正电路，提高输入功率因数;搭建了一套基于重复控制算法的无电解电容LED驱动电源，测得输入功率因数为0.97，恒定输出的电流纹波系数为3%，主电路的功率传输效率η=91%。

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第一作者简介：杨明杰（1983-），男，福建晋江人，硕士，讲师，研究领域为数字控制逆变电源。

（编辑：王智圣）