雙環(huán)式降壓LED驅(qū)動(dòng)電源

劉沅玲 王金莉 賈文超

（長(zhǎng)春光華學(xué)院電氣信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130000）

LED照明在不同場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用，作為清潔綠色的照明燈具，LED的使用壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)h，需要低壓直流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此LED自身優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電源的選擇緊密相連[1-2]。本文選用雙環(huán)式的峰值電流控制電路作為驅(qū)動(dòng)電源的主電路，提高LED發(fā)光的穩(wěn)定性[3]。

1 驅(qū)動(dòng)電路的選擇

LED照明的工作原理和半導(dǎo)體二極管的工作原理類同，需要低壓直流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此LED照明無(wú)法直接接入到用電環(huán)境中，而是需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源作為L(zhǎng)ED照明的供電電源，根據(jù)供電電流有交直流之分，驅(qū)動(dòng)電路分為交流驅(qū)動(dòng)電路和直流驅(qū)動(dòng)電路[4]。

1）交流LED驅(qū)動(dòng)電路

交流 LED驅(qū)動(dòng)電路的電源一般來(lái)自于電網(wǎng)供電，由于LED低壓恒流的性質(zhì)，因此需要將交流電進(jìn)行整流濾波后才能輸入到LED照明中，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)交流驅(qū)動(dòng)電路又可分為變壓器降壓式和電容降壓式[5]。

如圖1所示，利用降壓式變壓器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行降壓，通過橋式電路整流后作為L(zhǎng)ED照明的輸入電壓，能夠保證LED兩端電壓符合額定數(shù)值，LED能夠正常照明[6]；如圖 2所示，在電容式降壓中，采用全橋式對(duì)電網(wǎng)電壓降壓，LED的電壓需要精確進(jìn)行精確控制，因此在電容式降壓電路中電容的容量選擇尤為重要，同時(shí)不同容量的電容在電路中的損耗不一致，電容式降壓電路的推廣應(yīng)用得到了質(zhì)疑。

圖1 變壓器式降壓

圖2 電容式降壓

2）直流LED驅(qū)動(dòng)電路

為了保證LED照明的低壓恒流驅(qū)動(dòng)，可以選擇在驅(qū)動(dòng)電路中串入電阻用來(lái)控制輸入 LED的電壓值，如圖3所示，但是電路中的電阻會(huì)對(duì)電能產(chǎn)生消耗，因此在對(duì)于LED發(fā)光強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)合適合選用串電阻的驅(qū)動(dòng)方式，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[7]。

圖3 串電阻驅(qū)動(dòng)電路

在一些對(duì)LED發(fā)光強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合，一般采用開關(guān)變換式的驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示為降壓型開關(guān)電路，通過開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉會(huì)，電感不斷的進(jìn)行充電和放電，改變開關(guān)管的占空比即可調(diào)節(jié)降壓的比例，實(shí)現(xiàn)輸出電壓低于輸入電壓[8]。

圖4 降壓型開關(guān)電路

除了降壓型的開關(guān)電路之外，通過調(diào)整開關(guān)管、電容和電感在電路中不同的位置及作用，還能夠得到升壓型開關(guān)電路、升降壓都能實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電路等多種電路形式[9]。根據(jù)低壓恒流驅(qū)動(dòng)要求，本文驅(qū)動(dòng)電源主電路選用的是降壓式開關(guān)電路。

2 雙環(huán)式峰值電流工作原理

由于 LED照明的負(fù)溫度效應(yīng)與峰值電流電路中的電壓反饋環(huán)節(jié)相互影響[10]，造成LED使用壽命縮短，因此將電壓環(huán)利用采集輸出電流的反饋環(huán)節(jié)替代，能夠穩(wěn)定LED照明的正常發(fā)光。如圖5所示，對(duì)采樣電阻R3兩端的電壓進(jìn)行采集，對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行差分比較后將結(jié)果進(jìn)行積分，此時(shí)電路可以對(duì)電感電流的峰值電流和平均電流同時(shí)進(jìn)行控制，當(dāng)開關(guān)管的占空比調(diào)制超過50%時(shí)，電路中存在次諧波振蕩，并且次諧波的振蕩會(huì)隨著工作周期的變長(zhǎng)而變大，LED照明的發(fā)光會(huì)存在閃爍，縮短LED照明的使用壽命。為了解決次諧波振蕩，在差分信號(hào)的一端輸入一定的斜坡信號(hào)對(duì)次諧波振蕩進(jìn)行補(bǔ)償，疊加后的信號(hào)作為比較器的正端輸入；輸出電流信號(hào)利用差分電路進(jìn)行采集，與 PWM閾值信號(hào)進(jìn)行疊加作為比較器的負(fù)端輸入。當(dāng)比較器通過比較，輸出高電位，將觸發(fā)鎖存器工作，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸出為低電位時(shí)，鎖存器翻轉(zhuǎn)，開關(guān)管關(guān)斷，等待下一個(gè)周期，鎖存器才能恢復(fù)初始狀態(tài)。

3 斜坡補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)閉過程中、脈沖的占空比超過50%時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路中存在次諧波振蕩，影響輸入的LED電流。為了解決LED發(fā)光因次諧波振蕩的存在而閃爍的問題，在積分環(huán)節(jié)中輸入一定斜坡進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過積分信號(hào)和斜坡信號(hào)的疊加可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM比較器的調(diào)制，使LED發(fā)光穩(wěn)定，保證了發(fā)光效率和使用壽命[11]。

如圖6所示為電感兩端的電流檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)中占空比超過50%，沒有斜坡信號(hào)的疊加，第k+1個(gè)周期，電感電流的波動(dòng)量為

式中，M1為電感電流在高電平輸入時(shí)的上升斜率；M2為電感電流在低電平輸入時(shí)下降斜率。

圖5 雙環(huán)式峰值電流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由式（2）分析可得，當(dāng)M2＞M1時(shí)，a＞1，D＞50%，系統(tǒng)中的波動(dòng)斜率逐漸變大，輸出量的穩(wěn)定性降低，將會(huì)影響LED的正常照明；當(dāng)M2＜M1時(shí)，a＜1，D＜50%，系統(tǒng)中的波動(dòng)量為零，可使輸出穩(wěn)定。

圖6 D＞50%無(wú)補(bǔ)償時(shí)的電感電流波形

為了令系統(tǒng)在占空比超過50%的時(shí)候輸出量依然穩(wěn)定，在輸出信號(hào)中疊加斜坡信號(hào)[12]，如圖7所示，MC為斜坡信號(hào)的斜率，因此式（2）變?yōu)?/p>

圖7 D＞50%有補(bǔ)償時(shí)的電感電流波形

4 雙環(huán)式降壓LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與仿真

如圖8所示，為雙環(huán)式降壓LED驅(qū)動(dòng)電源的仿真電路圖，所采用的是 12V的工作電源和 110kHz的工作頻率，輸出為兩個(gè)串聯(lián)的LED照明，LED照明的額定電流為350mA，因此負(fù)載電流即輸出電流為IO=0.35A。

仿真系統(tǒng)采用的是IN公司推出的Multisim仿真軟件，驅(qū)動(dòng)電源的核心芯片采用的是UC3842，工作頻率最高為500kHz，并且該芯片能夠提供斜坡補(bǔ)償信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 雙環(huán)式降壓LED驅(qū)動(dòng)電源

圖9 占空比超過50%，無(wú)補(bǔ)償

圖10 占空比超過50%，有補(bǔ)償

通過仿真可得補(bǔ)償前后的波形圖，如圖9所示，為系統(tǒng)中占空比超過50%并無(wú)斜坡信號(hào)的系統(tǒng)輸出波形，在前幾周期中，輸出波形基本保持恒定，但隨著周期的變化，輸出波形逐漸產(chǎn)生震蕩，導(dǎo)致LED發(fā)光閃爍。

如圖10所示，為系統(tǒng)占空比超過50%且有斜坡信號(hào)疊加的波形，在疊加斜坡信號(hào)后，隨著周期的變化，輸出量恒定，保證LED發(fā)光的質(zhì)量，提高驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

將峰值電流控制中的電壓反饋環(huán)節(jié)利用輸出電流反饋環(huán)節(jié)替換，解決了溫度與電壓之間的惡性循環(huán)問題，但是出現(xiàn)當(dāng)占空比超過50%時(shí)，系統(tǒng)震蕩隨周期逐漸變大，將嚴(yán)重影響LED的正常發(fā)光，因此在積分環(huán)節(jié)中疊加斜坡信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。通過對(duì)雙環(huán)式降壓LED驅(qū)動(dòng)電源電路的模擬仿真，證實(shí)設(shè)計(jì)正確。在斜坡補(bǔ)償信號(hào)的疊加極大地改善了驅(qū)動(dòng)電源輸出的穩(wěn)定性，保證了LED照明的正常工作。