高壓動態測量下數字式LED開關電源設計

劉琳

摘 要： 由于LED開關電源設計中激光調節過程具有動態性，導致傳統設計方法可靠性差。針對該問題，提出一種高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。利用二階格型陷波器組建數字式LED驅動的供電信號解析模型，從而得出開關電源的最佳發射功率，根據電源的動態載波值，擬合失真補償方程，提取開關電源的特征參量，融合LLC原理設計出LED開關電源的主要磁芯元件，給出LED開關電源電路所需的最大增益，得到LED開關電源變壓器實際匝比，并計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，以此為依據完成高壓動態測量下的數字式LED開關電源的設計。實驗仿真證明，該方法的設計精度較高，可以有效地延長LED開關電源的使用壽命。

關鍵詞： 動態激光調節； 數字式LED； 開關電源； 失真補償方程

中圖分類號： TN86?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0143?04

Design of digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement

LIU Lin

（College of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

Abstract： The reliability of the traditional design method is poor due to the dynamic nature existing in the laser conditioning process in the design of LED switching power supply. Aiming at this problem， a design method of the digital LED switching power supply under high voltage dynamic measurement is proposed. The two?order lattice notch filter is used to establish the power supply signal analytical model driven by digital LED to obtain the optimal transmitting power of the switching power supply. According to the dynamic carrier value of the power supply， the distortion compensation equation is fitted. The characteristic parameters of the switching power supply are extracted to fuse to the main magnetic?core component of the digital LED switching power supply designed with LLC principle. The maximum gain required by the LED switching power supply circuit is given. The practical turns ratio of the LED switching power supply transformer is obtained. The wire diameter of each coil of the transformer inductance is calculated to design the digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement. The experimental simulation results show that the method has high design accuracy， and can prolong the service life of LED switching power supply effectively.

Keywords： dynamic laser conditioning； digital LED； switching power supply； distortion compensation equation

0 引 言

LED照明產品以其耐震動、能耗小、光效高、響應快等優勢成為替代白熾燈和熒光燈等老式電源的新一代綠色光源[1?3]。對于一個優質的LED照明產品來說，要在市場上取得領先的銷售地位不但要擁有一個質量優等的LED芯片，而且還必須具有一個良好的LED驅動系統[4?6]。目前大多數的開關電源技術還不夠成熟，存在可靠性低、效率較低等弊端，這些弊端大幅度地降低了LED照明燈具的壽命。在這種情況下，如何有效地提升LED開關電源的效率和可靠性成為電源領域的研究熱點。高壓動態測量下的數字式LED開關電源優化設計方法可以計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，以此為依據完成對高壓動態測量下的數字式LED開關電源的設計，成為很多專家和學者研究的重點課題，同時也出現了很多好的方法[7]。

文獻[8]提出一種基于高功率因數的高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。該方法先給出數字式LED驅動功率的因數，利用SN3350構成PWM恒流可調電路，給出開關電源的功率因數均值，以此為依據完成對數字式LED開關電源的設計。該設計方法穩定性較強，但是存在設計過程繁瑣，耗時長的問題。文獻[9]采用一種基于雙同步斬波模式的高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。該方法時間復雜度較低，但是采用當前方法進行LED開關電源設計時無法適應激光調節的動態性，存在LED開關電源設計可靠性差的問題。文獻[10]重點提出一種基于反激式的高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。該方法可擴展性較強，但是存在魯棒性較差的問題。

針對上述問題，本文提出一種基于高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。實驗仿真結果證明，所提方法設計精度較高，可以有效地延長LED開關電源的使用壽命。

1 數字式LED開關電源的設計原理

在對數字式LED開關電源設計的過程中，先給出變壓器一次繞組上的電流表達式，得到初級繞組和次級繞組的匝數比，獲取LED開關電源變壓器各繞組的匝數比，給出輔助繞組匝數與次級繞組匝數的比值，計算出變壓器初級電感感量，利用該電感感量完成對數字式LED開關電源的設計。具體的步驟如下：

假設，由[Lp]代表變壓器初級繞組的電感量；[Vde]代表初級繞組兩端的電壓；在驅動信號為高電平時，[Np]代表開關電源一次繞組，當[Np]上的電流線性上升時，則利用式（1） 給出[Np]上的電流表達式：

[ip=VdctonLpNp] （1）

式中[ton]代表MOS管的導通時間。

假設，由[is]代表次級繞組[Ns]上的電流；[isk]代表次級繞組上的峰值電流；[uout]代表輸出電壓；[toff]代表MOS管[Q1]的有效關斷時間；[Ls]代表次級繞組的電感量，則利用式（2）得到初級繞組和次級繞組的匝數比：

[NsNp=ufNf?Nsufmin×iskipkNs?isuoutLstoff×Q1] （2）

式中：[uf]代表兩端的電壓表述方程；[Nf]代表輔助線圈；[ufmin]代表電感的電學特性；[ipk]代表電流的峰值電流。

假設，[uoutmax]代表輸出功率最大時的輸出電壓，[uinmax]代表初級繞組上的最小輸入電壓，則利用式（3）獲取LED開關電源變壓器各繞組的匝數比：

[Nfisk=uinmax?Aeuinmax?uoutmax?ipk?dI?J?Lp] （3）

式中：[Ae]代表磁芯的橫截面積；[d]代表線徑；[I]代表電流值；[J]代表電流密度；[Lp]代表初級繞組的電感電量。

假設，[iskipk]代表次級電流峰值[isk]和初級電流峰值[ipk]的關系，則利用式（4）得到輔助繞組匝數與次級繞組匝數的比值：

[NfNs=iskipk?ton×tofff?D?ι??P] （4）

式中：[f]代表電源IC 的工作頻率；[D]代表MOS驅動信號的占空比；[ι]代表法拉第電磁感應定律；[?P]代表磁芯材質。

假設，[?]代表電源芯片的最大值；[μ]代表損耗分配因子，則利用式（5）計算出變壓器初級電感感量：

[μ?c=μ???j?θr?α?] （5）

式中：[?j]代表損耗分配因子；[θr]代表電容的容差；[α?]代表副邊繞組峰值電流。

假設，[Np]代表變壓器[TI]原邊繞組的匝數，則利用式（6） 完成對數字式LED開關電源的設計：

[εe=TI?k??P?μ?cNp] （6）

綜上所述可以說明，利用數字式LED開關電源設計原理可以設計LED開關電源。

2 高壓動態測量下的LED開關電源優化設計

2.1 開關電源特征參量的提取

在對數字式LED開關電源優化設計的過程中，利用二階格型陷波器構建LED驅動的供電信號解析模型，給出驅動補償系數，得到LED開關電源特征參量。具體的步驟如下：

假設，[zt]代表電源驅動信號；[xt]代表電源驅動信號模型的實部；[yt]代表電源驅動信號的固有模態函數；[at]代表系統融合參量；[eiθt]代表驅動電路可調電壓。則利用式（7）計算[zt]：

[zt=eiθt×xtyt?at] （7）

假設，[PN]代表數字式寬頻最大功率；[LN]代表傳輸數據的時間；[UN]代表LED的電容濾波；[mN]代表電阻隔離。則利用式（8）得到LED開關電源的最優發射功率：

[?F?PN=EN?PNLN?mN?UN] （8）

假設，[v]代表驅動的速度；[β]代表傳播常數。則利用式（9）給出電源載波值動態失真補償方程：

[C2=vβ] （9）

利用給定的[β]代表傳播常數，提取LED開關電源的特征參量，利用式（10）表述：

[kp=krur+k?u?+kzuzfrur+βuz] （10）

式中：[krur]代表LED開關電源[ur]軸最小工作電源電壓；[k?u?]代表初級的漏感能量；[fr]代表特征參量在[ur]軸的分量。

假設，[k0]代表沿[ur]軸分量的初始值；[n]代表信號濾波的數量。則利用式（11）獲取LED開關電源正常控制模式下的狀態：

[TL=n?ark0?urV0] （11）

式中[V0]代表外部電阻的比值。

綜上所述可以說明，在對數字式LED開關電源優化設計過程中，利用二階格型陷波器構建LED驅動的供電信號解析模型，給出驅動補償系數，得到LED開關電源特征參量，計算出LED開關電源正常控制模式下的狀態，為實現對數字式LED開關電源優化設計奠定了基礎。

2.2 基于功率校正的數字式LED開關電源設計

在對數字式LED開關電源優化設計過程中，以2.1節獲取的LED開關電源正常控制模式下的狀態[TL]為依據，利用LLC諧振半橋的控制芯片設計出電感[L]與開關頻率關系，給出輸入電壓最低，電路峰值最大時的電感方程，獲取變壓器實際匝比，計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，完成對數字式LED開關電源的設計。具體的步驟如下：

假設，[Uin_ms]代表輸入電壓的有效值；[Uo]代表PFC輸出電壓；[fsw_min]代表最低開關頻率。利用式（12）得到電感[L]與開關頻率的關系：

[L=U2in_msUo-2Uin_ms2fsw_minUoPoηTL] （12）

式中：[Po]代表輸出功率；[η]代表效率。

在選取LED開關電源的芯片時，要保障在最惡劣的情況下輸入電壓最低，電路峰值最大時也不會飽和，利用式（13）給出其電感方程：

[LIp=NAeΔB] （13）

式中：[ΔB]代表磁感的工作范圍；[Ae]代表磁性等效截面積；[N]代表電感線圈匝數。

假設，[U′in]和[U′o]分別代表輸出與輸入的等效基波分量；[Lr]代表變壓器漏感；[Lp]代表變壓器初級電感量，則利用式（14）獲取等效的電路增益函數：

[??=Lp?k，QMPKU′in?U′o?Uo_ fr×Lr，Lp] （14）

式中：[MPK]代表電路所需的最大增益；[Uo_fr]代表最大輸出電壓和諧振點輸出電壓；[k]和[Q]代表變壓器的電感匝數和峰值最大電流。

分析式（13）可以得出，峰值增益是[k]和[Q]的函數，在選取[k]和[Q]時，其峰值增益需要滿足電路最大的增益范圍，利用式（15）計算峰值增益：

[MPK=Mmax?Mfrk?Q×Uo_max] （15）

式中：[Mmax]代表電路所需最大增益；[Mfr]代表諧振點增益；[Uo_max]代表最大輸出電壓。

假設，[Np_min]代表變壓器初級最少匝數；[Bm]代表磁芯最大不飽和磁感應強度。則利用式（16）得到變壓器實際匝比：

[na=nk+1kNp_min?Bm] （16）

假設，[Κp]代表開關電源的電流有效值，則利用式（17）獲取線圈的線徑和電流值的密切關系：

[?γ=Κp?na???LIp] （17）

利用式（16）計算的結果為依據，可以完成對數字式LED開關電源優化設計。

3 實驗仿真證明

為了證明提出的基于高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計的有效性，需要進行一次實驗，在Matlab/Simulink軟件環境下搭建高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計實驗仿真平臺。實驗數據來源于3臺420 W的LED開關電源樣機，如圖1所述。

3.1 不同方法的LED開關電源設計的有效性

分別采用本文所提動態激光調節方法和基于反激式方法進行數字式LED開關電源設計，比較兩種不同方法獲取電路峰值增益和輸出電流有效值設定值，利用對比的結果衡量不同方法進行LED開關電源設計的有效性，對比結果見圖2，圖3。

分析圖2和圖3可以得出，利用本文所提動態激光調節方法進行數字式LED開關電源設計的綜合有效性要優于反激式方法進行數字式LED開關電源設計的綜合有效性，這主要是因為在利用本文方法進行數字式LED開關電源設計時，先融合二階格型陷波器組建LED驅動的供電信號解析模型，得到LED開關電源最優發射功率，給出電源載波值動態失真補償方程，提取開關電源特征參量，從而保障本文所提動態激光調節方法進行數字式LED開關電源設計的綜合有效性。

3.2 不同方法的LED開關電源能耗和負載均衡性對比

分別采用本文所提動態激光調節方法和基于反激式方法進行數字式LED開關電源設計，比較兩種不同方法進行LED開關電源設計的能耗和負載均衡性，對比結果見圖4，圖5。

從圖4和圖5中可以說明，利用本文所提動態激光調節方法設計數字式LED開關電源的整體優越性要高于反激式方法進行數字式LED開關電源設計的整體優越性，這是由于在利用本文所提動態激光調節方法設計數字式LED開關電源時，給出輸入電壓最低，電路峰值最大時的電感方程，獲取變壓器實際匝比，計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，大幅度提升了本文所提動態激光調節方法設計數字式LED開關電源的整體優越性。

4 結 語

針對采用傳統方法進行LED開關電源設計時，無法適應激光調節的動態性，存在LED開關電源設計可靠性差的問題。本文提出一種基于高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。實驗仿真結果證明，所提方法設計精度較高，可以有效地延長LED開關電源的使用壽命。

參考文獻

[1] 徐珍寶，沈洋，蘇玲愛，等.一種反激式LED驅動電源變壓器設計方法[J].中國計量學院學報，2015，26（1）：94?98.

[2] 黃波.LED驅動電源設計實現[J].內江科技，2014，35（12）：43.

[3] 朱福超.低功耗LED驅動電源設計[J].價值工程，2016，35（10）：144?147.

[4] 馬昌松，吳朝暉.基于電流型并聯諧振多通道LED驅動電源設計[J].電力電子技術，2015，49（5）：52?55.

[5] 王秀敏，姜利亭，單良，等.一種線性保護輸入的恒壓LED驅動電源設計[J].中國計量學院學報，2014，25（1）：70?74.

[6] 周錦榮，黃聞銘.高功率因數LED恒流可調驅動電源設計[J].電子技術應用，2015，41（8）：120?123.

[7] 孫健，陳躍寧，徐征，等.基于單端反激式LED驅動電源的設計[J].電源技術，2016，40（2）：413?415.

[8] 金永鎬，張克賀.基于TOP開關的無變壓器恒流LED驅動電源設計[J].電子科技，2014，27（4）：101?104.

[9] 孫駟洲，程傳節，盧鵬飛.基于LLC半橋諧振變換器的LED驅動電源設計[J].宿州學院學報，2015，30（5）：89?91.

[10] 劉曉華，劉艷芬.多光束干涉下的LED光譜像差校正技術[J].計算機仿真，2016，33（7）：347?350.