一種基于重復控制的無電解電容 LED驅動電源

楊明杰 廖建彬

摘要：LED 驅動電源大多使用了容量較大的電解電容作為儲能濾波元件，然而其平均壽命遠低于 LED 器件，限制了驅動電源的使用壽命和電源功率的進一步提升。針對該問題，設計了一種基于重復控制的無電解電容 LED驅動電源，采用 Boost功率因數校正電路，提高輸入功率因數，此外，利用 Buck/Boost變換器進行升壓儲能，并結合周期性重復控制算法，對儲能實施調節，從而達到輸入脈動功率與輸出恒定功率之間的平衡，使負載 LED 獲得恒定電流。由于沒有采用大容量的電解電容，因而提高了 LED驅動電源的使用壽命。最后，搭建了一套基于重復控制算法的無電解電容 LED驅動電源，測得輸入功率因數為0.97，恒定輸出的電流紋波系數為3%。

關鍵詞：LED驅動;功率因數校正;無電解電容;恒流

中圖分類號：TM46???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：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

發光二極管（Lighting Emitting Diode ，LED ）是一種新型的半導體冷光源，發光效率高、節能環保、可靠性高、壽命長、體積小、成本低，在很多使用場合逐步替換傳統的白熾燈，有著巨大前景。同時，要求 LED 的驅動電源應當具備高功率因數、高可靠性、長壽命。目前，LED 驅動電源大多使用了容量較大的電解電容作為儲能濾波元件，然而其平均壽命與半導體器件 LED 相比，相差懸殊，成為影響 LED 驅動電源壽命的主要瓶頸，并且會限制電源功率的進一步提高。因此，需要研制一種無電解電容的 LED 驅動電源，延長 LED 驅動電源的使用壽命，并且校正功率因數，減小輸出電流的紋波，使得流過 LED 的電流近似恒定。

美國能源部（ DOE ）“能源之星”（ENERGYSTAR）固態照明（SSL）規范中規定，任何功率等級皆須強制提供功率因數校正（Power Factor Correct ，PFC）。這標準適用于一系列特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的 LED 驅動器功率因數須大于0.7，而商業應用中則須大于0.9。歐盟的 IEC61000-3-2諧波含量標準中，則規定了功率大于25 W的照明應用的功率因數須大于0.94[1-7]。

交流供電下，為滿足諧波要求，減少對電網的污染，實現功率因數校正[8-9]，常見的 LED 驅動電源大多采用兩級 APFC 電路，在輸入整流電路和負載 LED 之間，采用 DC/DC 變換電路，并采集電壓或電流構成閉環控制，具有 PFC功能。此時，交流輸入電壓和電流具有相同相位，而整流電路輸出為兩倍工頻的脈動功率，希望負載 LED 能夠獲得恒定直流功率，其大小與輸入功率平均值相等，這就要求交流輸入功率和直流輸出功率之間能夠通過中間環節加以平衡過渡，通常并入一個大容量的電解電容作為儲能元件[10-11]。然而，電解電容器的平均壽命通常約為5～10 kh ，遠低于 LED 本身可持續工作達到80～100 kh的平均壽命，大大縮短了 LED 照明器具的使用壽命。并且電解電容體積較大，影響了 LED 驅動電源的緊湊化。因此不用電解電容，實現 AC/DC 功率變換，成為 LED 驅動電源的一個研究方向。

喬之勇等[12]總結了國內外基于電容儲存和供給能量的本質，一般采用增加電容電壓紋波法、三次諧波注入法以及功率解耦法，來減小或者去除電解電容，然而都或多或少地影響了輸出電壓和電流的波動。

增加電解電容電壓的紋波，可以用容量小、壽命長的薄膜電容或者瓷片電容替換電解電容。然而輸出電壓存在較大輸出紋波，適于對輸出電壓紋波要求不高的場合[1]。

在輸入電流中注入三次諧波的方案，為了減小電容，需要增大注入諧波的幅值，導致輸入功率因數降低，適于對功率因數要求不高的場合[1，4]。

功率解耦法，采用峰值電流拓撲控制策略，能夠獨立控制輸出電流和電容電壓，通過 PWM 實現了較好的調光性能，但是輸出電流紋波大，影響負載的穩定性[1]。

本文基于上述文獻，設計了一種基于重復控制的無電解電容 LED 驅動電源，通過周期性重復控制的方法，驅動 Boost-Buck 電路，實現儲能電容對脈動功率的平衡，使負載 LED 獲得恒定電流;采用 Boost 功率因數校正電路，提高輸入功率因數。搭建了實驗平臺，驗證了設計方案的可行性。

1 無電解電容 LED驅動電源

基于重復控制的無電解電容 LED 驅動電源如圖1所示。輸入交流電壓 ui 經過整流橋 D1～D4后，由電感 L1和功率管 Q1構成的 Boost 功率因數校正電路，提高輸入功率因數，再經過輸出續流二極管 Dr 、輸出濾波電容 Co 和電感 Lo 向負載 LED 提供恒定電流 io ，此外，在 Co 兩端并聯了由電感 Lb 、功率管 Qs 1、Qs2和儲能電容 Cb 構成的 Buck/ Boost 雙向功率變換器，用于平衡交流輸入和直流輸出的瞬時功率差。數字控制器 DSP2812采集 ui 、ii 、io ，結合重復控制算法，驅動 Q1、Qs 1、Qs2，使輸入電流和輸入電壓具有同相位，且穩定輸出電流 io 。由于雙向功率變換器能夠提高 Cb 的平均電壓，從而減小 Cb 的容量，進而能夠使用壽命長、容量小的薄膜電容替代壽命短、容量大的電解電容，起到儲能的作用。由于整個電源沒有采用大容量的電解電容，因而提高了 LED 驅動電源的使用壽命。

2 電路參數設計

設理想輸入功率因數為1，則角頻率為ω的交流電源的輸入電功率 Pi （t）為：

式中： Uim 為交流輸入電壓 ui 的峰值;Iim 為交流輸入電流 ii 的峰值。

負載 LED 獲得的恒定直流功率 Po 來自 Pi （t）的直流分量為：

而式（1） 中 Pi （t）的交流分量，則作為儲能電容 Cb 的充放電功率 Pcb （t）加以平衡，由式（1） 和式（2） 可得：

設電容 Cb 兩端的電壓 uCb（t）為：

式中：等號右邊第一項 UCb 為 Cb 兩端電壓的直流分量;第二項ΔUCb? sin2ωt為 Cb 兩端電壓的交流分量。

由于 Cb 中儲存的電能 Ecb（t）為：

且 Cb 的充放電功率 Pcb（t）等于其儲存電能Ecb（t）對時間的導數為：

因此由式（3） ～（6）可得 Cb 的計算表達式為：

當向負載 LED 提供的恒定直流功率 Po 恒定時，Cb 大小與ΔUCb 和 UCb 均成反比，因此，當電容 Cb 選用壽命長、容量小的薄膜電容，替代壽命短、容量大的電解電容時，應當增大ΔUCb 或 UCb 的值，即通過 Buck/Boost變換器提高儲能電容 Cb 的直流工作電壓，或增大電壓紋波的方法來實現。

此外，當電感 L1工作在連續電流模式下，L1電感值的選取依據為[13] ：

式中： Uo 為輸出電壓的平均值; Io 為輸出電流的平均值;fs 為功率管 Q1的開關頻率;D 為功率管 Q1的占空比。

流過電感 L1的最大平均電流值 IL1avmax 為：

式中：Iomax 為負載電流的最大值。

電容 Co 的容量計算表達式為：

式中：ΔUopp 為輸出電壓 Uo 的紋波峰峰值。

導通時，功率管 Q1流過的最大電流有效值 IQ1rmsmax 的計算表達式為：

流過續流二極管 Dr 的最大電流有效值 IDrrmsmax 計算表達式為：

當 Q1關斷時，續流二極管 Dr 承受最大電壓 UDmax 的計算表達式為：

式中： Uomax 為負載電壓的最大值。

以上推導并給出各項電路參數的計算表達式，據此可以計算并選擇合適的元器件。

3 基于重復控制算法的控制策略

如圖2所示，采用了基于重復控制算法的控制策略，用于平衡輸入和輸出之間存在的脈動功率，實現功率因數校正和負載 LED 電流的恒定控制。其中的重復控制算法是一種基于內模原理的周期性重復控制技術，不需要被控制對象的準確模型，就能實現近似無靜差的跟蹤控制，且具有很好的魯棒性[5， 14]。

首先，通過比較電路獲得 ui 同相位的方波，經過數字控制器的捕獲單元得到 ui 的相位θ和角頻率ω，從而計算生成同相位的輸入電流跟蹤參考信號 ii*，并與電流霍爾采集得到的實際 ii 比較后，經過 PI 計算瞬時調節 PWM 信號，進而驅動功率管 Q1使輸入電流接近理想正弦波[15]，并與輸入電壓保持同相，從而使輸入功率因數接近單位1;此外，輸出負載的電流設定值 Io*，與經過 LPF 濾波的實際負載電流 io 的平均值 Io 進行比較，得到的偏差經過 PI 調節后，再與 ii*求偏差，獲得輸入和輸出電流的偏差，以此作為重復控制器的參考信號，經過周期性重復控制算法后得到互補的 PWM 控制信號分別驅動 Qs 1、Qs2，使Buck/Boost 變換器對儲能電容 Cb 儲存的功率實施調節，從而達到輸入脈動功率與輸出恒定功率之間的平衡，進而較小輸出電流的波動，實現負載 LED 的電流恒定。

4 實驗驗證

為驗證基于重復控制算法的控制策略，實現輸入和輸出之間脈動功率的平衡，達到負載 LED 電流的恒定控制，以及輸入功率因數的校正，搭建了一套 LED 驅動電源原理樣機，如圖3所示。數字控制芯片的型號為 TMS320F2812，功率管 Q1、Qs 1、Qs2的型號為 SMK0765F。

LED 驅動電源的主要電路參數如表1所示。表1? LED驅動電源的電路參數

實驗中，使用示波器測得輸入電壓 ui 、輸入電流 ii、輸出電流 io 的波形，如圖4所示。從波形圖中可以看出，交流輸入電壓 ui 和電流 ii 保持同相位，且均為正弦波，測得輸入功率因數為0.97。負載輸出電流 io 基本恒定，但存在小幅紋波，且紋波頻率為工頻的兩倍，測得輸出電流 io 的紋波系數 rio=3%。輸入電壓 ui 的有效值 Ui=220 V ，輸入電流ii 有效值 Ii=0.63 A ，輸出電流io 的平均值Io=0.35 A，使用萬用表測得輸出電壓平均值Uo=360.4 V，由此可計算得到輸入功率 Pi=138.6 W，輸出功率 Po= 126.14 W，主電路的功率傳輸效率η=91%。

5 結束語

本文介紹了LED驅動電源的結構，并分析了減小儲能電容的容量，用小容量、長壽命的薄膜電容替代大容量、短壽命的電解電容，可以通過Buck/Boost變換器提高儲能電容的直流工作電壓，或增大電壓紋波的方法來實現;推導出各項電路參數的計算表達式，并詳細闡述了基于重復控制算法的控制策略，實現了輸入脈動功率與輸出恒定功率之間的平衡，使負載 LED 獲得恒定電流。采用Boost功率因數校正電路，提高輸入功率因數;搭建了一套基于重復控制算法的無電解電容LED驅動電源，測得輸入功率因數為0.97，恒定輸出的電流紋波系數為3%，主電路的功率傳輸效率η=91%。

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第一作者簡介：楊明杰（1983-），男，福建晉江人，碩士，講師，研究領域為數字控制逆變電源。

（編輯：王智圣）