基于軟開關技術的單開關LED驅動電路研究

李 丹 張代潤 楊 林

（四川大學電氣信息學院，成都 610000）

基于軟開關技術的單開關LED驅動電路研究

李 丹 張代潤 楊 林

（四川大學電氣信息學院，成都 610000）

本文給出了一種應用于LED驅動場合的單開關軟起動boost電路。電路包含兩個串聯諧振電路，能夠實現開關管的零電流開通和關斷，降低開關損耗，從而大幅提高驅動電路的效率。本文提出的驅動電路能夠提供恒定的輸出電流，且不受輸出電壓波動的影響，因此該驅動電路非常適合于LED驅動。平均輸出電流與開關頻率、諧振電容及輸入電壓有關，而不受輸出電壓波動的影響。因此，對于特定的輸出電流，該驅動電路的開關頻率和占空比是恒定的，這也使得控制電路非常簡單，非常適合于經濟性指標要求高的場合。本文給出了一種12V/60V驅動電路的仿真結果，以驗證該電路的正確性和有效性。

LED驅動電路；諧振電路；零電流起動；開關損耗；軟開關

全球電能需求持續增長，其中照明用電占全球電能需求的20%[1-3]。以低能消耗方式滿足更多的照明需求，照明設計工作中的照明效率則至關重要[4]。LED（發光二極管陣列）擁有高效率、高亮度、長壽命周期、快速響應及高度集成、可選顏色多等很多優秀特性，可以滿足高效率照明的需求，近些年已經開始取代了傳統照明長期使用的熒光燈和白熾燈，得到了愈加廣泛的應用。此外，LED結構中不需使用水銀和其他有害化學成分，也使得其在應用過程中不會污染環境，在綠色照明趨勢下，這是一個非常重要的優勢[5-8]。

LED照明的密度取決于流過其中的電流，因此，控制流過LED燈串的電流是非常必要的。而且，恒定電流有利于消除LED中的頻閃，50Hz的頻閃通常容易造成眼部疲勞及其他的傷害。與線性控制電源相比較，開關電源驅動LED燈串時可以提供更高的效率、功率密度和更高的控制精度，因此，是一種更為理想的選擇。

近年來，出現了很多基于多種不同拓撲電路的LED驅動電路，主要是通過設計輸出電流恒定的驅動電路和獨立輸出電流和獨立輸出電壓的驅動電路。在文獻[9]中，作者提出了一種基于buck驅動電路的LED驅動電路。這種buck驅動電路通過一個開關管具有高功率因數、高效率和低諧波電流的特性。然而這種驅動電路是硬開關模式，其開關損耗較高。文獻[10-11]分別給出了一種用于LED驅動的高效率、低功耗硬開關buck電路和boost電路。文獻[12]提出了一種高效率變壓器低諧振buck驅動電路，通過斷續導通模式實現了功率因數校正和調光的目的，然而，這種驅動電路所需元器件較多。文獻[13]中對應用于LED驅動的現有斬波電路（Cuk，SEPIC和buck-boost）進行了比較分析。

本文給出了一種無頻閃單開關軟起動諧振LED驅動電路，其控制電路也比較簡單。在串聯諧振支路上，開關動作于電感電流為零時刻，因此開關管的開關損耗降低了，進而提高了驅動電路效率。該電路工作時，其占空比和頻率是恒定的。本文也給出了理論分析和仿真結果。

1 拓撲結構

本文所提出的LED驅動電路工作在升壓模式，該驅動電路的優點是可以維持輸出電流穩定，適合用于LED驅動（如圖1所示）。

圖1 LED驅動電路拓撲

該驅動電路包含一個單向開關S，輸出電容Co，串聯諧振支路 L1和 C1，傳輸電感 L3和一個電感值較大用來給諧振電容C1放電的電感L2。輸入為恒定直流電壓，輸出電容Co足夠大可認為輸出電壓為恒定值。因為L2電感值很大，在一個開關周期內流過其中的電流可視為恒定，因此，在等效電路中可將L2視為一個電流值較小的恒流源。在一個開關周期內將驅動電路的工作過程分為3個階段（其穩態工作波形如圖2所示）。

1）第一階段。假設在第一段開始之前，流過L1、L3的電流為零，電容C1兩端電壓Vc1等于-V1。所以在t1時刻，主開關管S在零電流狀態下開通，一個LC諧振電路（L1和C1）形成并且向C1充電。在 C1充電過程中，在半個諧振周期內流過 L1的電流會先增大然后減小。當流過了L1的電流降為零時，C1電壓達到最大，第一階段結束（如圖3所示）。

圖2 驅動電路穩態工作波形

圖3 第一階段

2）第二階段。在t2時刻，S在零電流狀態下關斷，二極管D在零電流狀態下導通。另一個LC諧振電路（L1、C1和L3）形成并給電容C1放電，使電容 C1上儲存的能量傳輸到輸出端。與第一階段相似，在半個諧振周期內輸出電流會先增大然后降低。電容 C1放電至其電壓值達到-V2。當流過二極管的電流為零時第二階段結束（如圖4所示）。

圖4 第二階段

3）第三階段（如圖5所示）。在t3時刻，二極管D在零電流狀態下關斷，此時只有輸出電容Co向負載提供能量。電容 C1會通過電感 L2繼續放電，直至電容C1上的電壓值達到-V1，此時第三階段結束。

圖5 第三階段

2 電路工作原理

為了分析驅動電路的穩態工作過程，需要在一個開關周期內做出幾個假設。

1）所有半導體器件均為理想器件。

2）L2電感值很大，流過 L2的電流在一個開關周期內可視為恒定的。

3）L1和C1之間的諧振要比L1、C1和L3之間的諧振更快，以保證滿足零電流開關的條件，所以L3電感值要比L1大。

4）L1和C1之間的諧振頻率大于開關頻率。

如前所述，在第一階段之前，所有電流均達到零且諧振電容 C1電壓等于-V1。當開關管開通時，諧振電容C1被充電至2Vs+V1。此時，開關管在零電流條件下關斷，二極管D在零電流條件下導通，因此，儲存在諧振電容C1中的能量將會通過諧振的方式傳輸至輸出端。

當二極管導通時，電容會被放電至其電壓值為2Vout-2Vs-V1。因此：

L1和C1之間的諧振持續半個諧振周期T1/2，L1、C1和L3之間的諧振持續半個諧振周期T2/2。最后一個階段的持續時間等于T3。因此：

分別對電感應用伏秒平衡原理和對電容應用充電平衡原理，可以得到

式中，T為開關周期；Iout為平均輸出電流；Z2可由下式得到

由式（1）和式（3）可以得到

第三階段滿足下式：

由式（3）、式（4）、式（6）和式（7）可以得到

由上式可知，平均輸出電流不受輸出電壓波動的影響，只受開關頻率、電容C1和輸入電壓的影響。因此，如果輸入電壓、開關頻率和電容C1不變，驅動電路將會輸出恒定的平均電流，可視為恒流源。這種特性使得該驅動電路非常適合驅動LED。

3 實驗結果與分析

為了驗證以上對驅動電路的分析，進行了基于Pspice軟件的仿真實驗。輸入電壓為 12V，開關頻率為83kHz。其他元件的參數見表1。

表1 電路元件參數

圖6給出了驅動電路的Pspice仿真模型，該驅動電路輸出電壓為60V，輸出功率為20W，輸出電流接近于300mA。

圖6 驅動電路仿真模型

圖7 給出了開關驅動電壓Vp及相應的輸入電流iin波形。如圖所示，當驅動電壓為高電平時，輸入電流從零開始增大，因此，當開關管開通時，零電流條件得到滿足。同樣，當驅動電壓脈沖關斷時，輸入電流達到零，因此，當開關管關斷時，零電流條件得到滿足。由于開關管開通和關斷時，流過其中的電流都恰好達到零，因此開關管的開關損耗幾乎為零。

圖7 輸入電流和開關驅動電壓

圖 8為二極管電流 iD和電壓 VD波形。如圖所示，二極管導通和關斷都恰好發生在零電流的條件下。

圖8 二極管電流和電壓

圖9 所示為諧振電容C1的電壓VC1波形。如果第一段初始電壓為-V1，該電容將會被充電至 2Vs+V1。當開關管關斷時，電容C1會被放電至2Vout-2Vs-V1，C1所儲存的能量傳輸到輸出端。

圖9 電容C1電壓

圖 10給出了輸出電流 io的波形，輸出電壓Vo為 60V，濾波電容的濾波作用，使輸出電壓波形幾乎無紋波。同理，輸出電流也達到了300mA，而且隨著驅動電路進入穩態工作階段，輸出電流也穩定在300mA。

圖10 輸出電壓和輸出電流

4 結論

LED需要恒定電流來驅動，而且要求流過LED的電流不受電壓波動影響，本文給出了這種單開關軟起動諧振LED驅動電路。通過實現零電流起動的方式提高了驅動電路的工作效率。該驅動電路能夠提供不受輸出電壓波動所影響的恒定平均輸出電流。同時，該驅動電路所需的元器件較少，較為經濟，因此特別適合于LED驅動應用。本文最后給出的仿真結果也驗證了該前面對該驅動電路的理論分析。

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Study on LED Driving Circuit with Single Switch based on Soft-switch Technique

Li Dan Zhang Dairun Yang Lin
(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610000)

This paper presented a new boost circuit based on soft-switch technique for LED driving applications. The driving circuit consists of only one switch and several other components. The main switch turns on or off under ZCS conditions, which results in high efficiency. This driving circuit can offer constant average output current independent of output voltage variations, and is especially suitable for LED driving uses. The average output current is related to the switching frequency, input DC voltage and resonant capacitor. For one specific LED driving circuit, the constant average output current corresponds to specific switching frequency, input DC voltage and Duty, and this makes it simple to design the control system. Fewer components needed in the circuit mean less cost, which is really important for both the manufacturers and customers.

LED driving circuit; resonant circuit; zero current switch; switching loss; softswitching

李 丹（1987-），男，四川省成都市人，碩士研究生，主要從事電力電子技術與特種電源研究工作。