脈沖能量可控的高效率LED植物燈驅動電源設計

程 敏，季 清，吳仁杰，韓 天

(蘇州大學，江蘇 蘇州 215000)

引言

發光二極管(Light Emitting Diode,LED)作為第四代電光源，相對于過去的高壓鈉燈以及熒光燈等電光源，具有效率高、冷光源、光質純、可調性高等優點，使得LED在各行各業都受到廣泛關注與應用。

在植物種植行業，采用人工補光已經成為一種成熟的提高種植物產量以及品質的方法。LED的各種優點十分契合植物補光光源的要求：高效率的優點能夠大量節約電能；冷光源的優點使得LED能夠與種植物保持較近的距離，提高空間利用率；壽命長的優點保證補光光源不需要頻繁替換，提高種植農場自動化程度；而光質純與可調性高的優點使得補光光源發出的光質能夠進行精確調控，針對不同種植物不同生長階段的光照需求，可以調配出最優光照環境[1-3]。

植物生長的自然光照環境為連續光，因此在人工光照環境下通常采用連續光照為植物補光。近年來，光質生理學的研究者開始探究脈沖光對于植物生長的影響。目前有研究表明，脈沖光不僅不會降低植物的產量，反而可以促進植物的生長，并提高植物的光合熒光效率[4]，而且采用脈沖光能夠使得LED輸出的光照更高效地被植物吸收，節約大量光照能量。

圖1給出了采用脈沖光為植物補光時，LED光源的實際工作狀態和理想電流波形。

圖1 脈沖光波形圖Fig.1 Pulse light waveform

光周期通常以24 h為一個周期，對應自然光照期和暗期的生物節律。在光照期時，LED工作于間歇脈沖狀態，以TDIM為脈沖周期，每個脈沖周期分為亮區與暗區，其中TL為亮區時間，TD為暗區時間。通過控制電流值Iref可以調節LED光源產生的瞬時光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density,PPFD)。

脈沖光的三個主要參數為脈沖光周期TDIM、脈沖光占空比DDIM以及脈沖光瞬時PPFD。由于不同植物所需的最佳脈沖光環境不同[5-7]，如黃瓜處于脈沖光占空比為0.25時光合速率最高，而生菜最適宜的占空比為0.5，脈沖光周期對于不同植物也會產生不同效果。因此需要通過控制LED電流波形的TL、TD與Iref參數來修改TDIM、DDIM以及瞬時PPFD。

常見LED調光方式分為模擬調光與PWM調光[8,9]。模擬調光通過控制LED正向電壓，調節LED電流，輸出連續光照。PWM調光是通過將調光開關與LED串聯或并聯，使用PWM信號驅動調光開關，改變PWM信號的占空比調節LED驅動電流的平均值，LED實際工作于脈沖狀態。圖2(a)和2(b)分別給出了調光開關Q與LED串聯和并聯的結構簡圖[10,11]。

圖2 PWM調光結構簡圖Fig.2 PWM dimming structure diagram

圖2采用的PWM調光方式不能直接調節脈沖電流的瞬時值Iref，需要額外調節前級驅動電源的VOUT或IOUT。本文采用單管Buck電路直接驅動LED，在亮區控制Buck電路開關管的占空比，調節電流瞬時值Iref，在暗區關閉開關管，保證脈沖電流的精準調節，同時減少驅動器成本。

采用Buck電路直接驅動LED輸出脈沖光時，Buck電路實際工作于亮區和暗區的切換狀態，需要電路具有較高的動態性能。文獻[12]提出的脈沖序列(Pulse Train,PT)控制能夠改善切換狀態的動態性能，提高LED驅動電流的響應速度。但PT控制主要針對DCM(Discontinuous Conduction Mode)狀態，在CCM(Continuous Conduction Mode)狀態下則會存在紋波較大、啟動存在較大過沖、輸出功率可調范圍小等問題[13]。文獻[14]基于PT控制提出雙緣調制脈沖序列(Dual Edge Modulation Pulse Train,DEMPT)，分別對高低能量脈沖采用前緣和后緣調制以抑制紋波和啟動過沖，且不會影響動態性能。DEMPT控制方式雖然能夠抑制PT控制啟動過沖，但相對于PID控制，在穩態下的輸出紋波依舊較大。且由于預設不同能級的脈沖無法改變，輸出電壓的可調范圍受限。

本文通過將DEMPT控制與PID控制相結合，提出一種DEMPT-PID控制方式，縮短輸出LED電流的上升時間，以此提高脈沖光周期以及占空比可調范圍，同時通過將控制模式切換為PID控制，以消除DEMPT控制帶來的低頻振蕩，提高LED電流的穩定性，減小電流紋波。

1 工作原理分析

圖3給出了以單管Buck實現的LED脈沖驅動電路，其中負載LED等效為二極管、穩壓直流源和電阻串聯的近似線性模型[15]。

圖3 Buck電路拓撲圖Fig.3 Buck circuit topology

Buck電路在脈沖亮區采用恒流驅動，R1為電流采樣電阻，通過反饋R1的電壓，通過換算可以獲得LED電流值。VIN為電路直流輸入，Q為開關管，C為輸出濾波電容，L為濾波電感，D為續流二極管，DLED為等效二極管，VF為等效直流源，RLED為等效電阻。使用DSP(Digital Signal Processing)作為控制核心，根據反饋信號調節開關驅動PWM。DSP依據亮區和暗區的預設值，在亮區開啟驅動信號，在暗區關閉驅動信號。

圖4給出了亮區和暗區的實際電流和開關驅動PWM波形。其中，TSW為PWM的周期，對應頻率為fSW，對應占空比為DSW。通過調節DSW可以調控Buck電路輸出電流iLED，從而控制LED在亮區產生的瞬時PPFD。TL與TD分別為亮區與暗區時間，對應調節脈沖光周期TDIM與占空比DDIM。

圖4 PWM波形與實際電流波形Fig.4 PWM waveform and actual current waveform

在進入亮區時，Buck電路輸出電流存在上升時間tr，若TL小于tr，輸出電流還未穩定便切換至暗區，電路無法正常工作。為了提高輸出脈沖光頻率fDIM的可調范圍，需要縮短上升時間tr。同時，為了保證亮區光照強度的穩定性，應抑制LED進入亮區時的電流過沖、減小穩態紋波。

2 PT控制與DEMPT控制原理

Buck電路工作于恒流輸出的穩態時，通常采用PID控制來對開關管驅動波形進行調節，然而PID控制對于脈沖切換狀態下的Buck電路而言，無法同時獲得良好的動態響應速度和魯棒性。PT控制是一種非線性控制，預設兩個占空比參數，即占空比高的脈沖序列為PH，占空比為DH，占空比低的脈沖序列為PL，占空比為DL。當反饋信號小于目標參數時，發出PH脈沖，大于目標參數則發出PL脈沖，開關驅動占空比為：

(1)

若開關管在一個開關周期內先導通再關斷，則調制方式為后緣調制，反之為前緣調制。在PT控制中，對高占空比脈沖PH使用后緣調制，對低占空比脈沖PL使用前緣調制，這種控制方式稱為雙緣調制脈沖序列(DEMPT)控制，圖5給出了采用后緣調制PT控制與DEMPT控制啟動電路波形。

圖5 后緣調制PT控制與DEMPT控制啟動波形圖Fig.5 Start waveform diagram of trailing edge modulation PT control and DEMPT control

由于DEMPT控制對誤差能夠進行快速調節，因此采用DEMPT控制可以有效降低PT控制啟動電路時帶來的過沖。

但DEMPT控制在穩態時由于占空比切換，依舊會產生較大的紋波，影響LED發光質量。穩態下的DEMPT控制紋波最小的狀態為脈沖序列以1PH-1PL的方式組合，此時的紋波大小為：

(2)

采用PID控制的Buck電路穩態紋波大小為：

(3)

由式(2)與式(3)可以得出，PID控制的穩態紋波小于DEMPT控制紋波。

本文將DEMPT控制與PID控制相結合，通過在Buck電路啟動時采用DEMPT控制，進入穩態后切換至PID控制，即DEMPT-PID控制方式。

3 DEMPT-PID控制工作原理

圖6給出了DEMPT-PID的控制過程，其中Iref為目標電流參考值，Imref為允許的輸出電流過沖值。

圖6 DEMPT-PID控制波形原理圖Fig.6 Schematic diagram of DEMPT-PID control waveform

設定亮區起始點時間為t=0，進入亮區時，先采用DEMPT模式進行控制，縮短iLED的上升時間并抑制過沖。t=TST時，切換為PID控制模式，穩定輸出電流。在DEMPT模式下，將電流采樣點設定為開關周期結束的時刻。t=TST時，為了消除高頻紋波帶來的反饋干擾，PID模式下采樣點切換為開關管導通一半的時刻。

需要調節目標電流值Iref以應對不同植物在不同生長階段的光照需求時，所對應最優控制DEMPT控制參數與模式切換時間TST不同，因此高占空比DH、低占空比DL和模式切換時間TST不能選取固定值。

本文采用了一種自適應調節參數的控制方法，TST參數可以根據輸出電流狀態自動調節，并且根據輸出電流iLED的上升時間tr與電流過沖值imax自動調節DH與DL，從而既能縮短上升時間，又能夠一定程度抑制過沖。

LED工作狀態為周期性的亮區和暗區切換，因此可以根據上一調光周期的工作狀態來修改當前調光周期的控制參數。

DH的取值：DH決定上升時間tr，通過將上一周期亮區脈沖的tr作為反饋量與目標上升時間Tref進行計算，對當前周期DH調節，如式(4)所示。

DL的取值：DL用來抑制電路進入亮區輸出過沖，可以比較上一周期的輸出電流過沖值imax與目標輸出電流過沖值Imref，對當前周期的DL進行調節，如式(5)所示。

DH(N+1)=k(tr(N)-Tref)+DH(N)

(4)

DL(N+1)=m(Imref-imax(N))+DL(N)

(5)

其中DH(N)、DL(N)、DH(N+1)、DL(N+1)分別為第N個周期和N+1個周期的DH和DL。Tref為目標上升時間，tr(N)為第N個周期的上升時間，k為上升時間誤差的增益系數。Imref為目標輸出電流過沖值，imax(N)為第N個周期的輸出電流過沖值，m為電流過沖值誤差增益系數。

圖7為第N個周期與第N+x個周期的波形示意圖以及參數變化。在第N個周期中，上升時間tr(N)大于目標上升時間Tref，根據式(4)，DH(N+1)會增加；電流過沖值imax(N)大于目標過沖值Imref，根據式(5)，DL(N+1)會減小。在經過x個周期后，tr(N+x)與imax(N+x)滿足要求，系統達到穩定。

圖7 參數變化示意圖Fig.7 Schematic diagram of parameter change

TST的取值：由于DEMPT控制需要完成兩個目標，縮短上升時間與抑制過沖。因此DEMPT控制切換至PID控制需要滿足兩個條件：

(1)DEMPT模式輸出脈沖為低功率PL，表明PH脈沖已完成上升階段；

(2)輸出LED電流iLED小于參考電流Iref，表明PL脈沖已完成過沖抑制。

在圖7的DEMPT模式下，每個開關周期結束節點都會根據上述條件，判斷是否切換為PID控制。

在切換為PID控制模式后，為了使輸出電流盡快達到穩態，同時減小切換過程中的紋波，需要合理選定PID模式的占空比初值DM。

DM的取值：在PID控制Buck電路穩態狀態下，每個開關周期響應都可分為由穩態占空比控制的零狀態響應與由電感電流iL和輸出電容電壓vC決定的零輸入響應。通過將上一周期的穩態占空比賦值給DM，可以使得PID電路狀態更接近穩態電路狀態，減小輸出紋波。

圖8給出了PID控制起始占空比DM分別為穩態占空比、DH與DL的波形仿真圖。

在圖8中，讀取上一周期穩態占空比為0.55，DH為0.75，DL為0.37，分別帶入至DM中。可以看出無論是選取DL或DH，都會由于PID控制的滯后性產生較高的振蕩。而采用穩態占空比則能夠較快進入穩態，不會產生較大紋波。

圖8 不同DM取值仿真圖Fig.8 Simulation diagram of different DM values

此外考慮到LED的溫漂現象，LED的伏安特性會隨溫度變化，相應的穩態占空比也會改變，因此DM不可選定固定值，通過每個周期讀取上一周期的穩態占空比，可以有效避免因LED伏安特性變化帶來的電路狀態不穩定。

圖9給出了DEMPT-PID的控制程序流程圖。

圖9 控制程序流程圖Fig.9 Flow chart of control procedure

控制流程圖可以分為系統啟動流程與脈沖調光流程，如圖9(a)和9(b)所示。當LED驅動系統啟動時，首先采用軟啟動來抑制系統啟動時產生的過沖，并在系統穩定后獲取初始的穩態占空比。在軟啟動過程中，占空比DSW緩慢上升，直至輸出電流iLED達到目標電流值Iref，在此階段LED輸出連續光。當軟啟動結束后，讀取穩態占空比，帶入至DM(1)、DH(1)與DL(1)，進入脈沖調光階段。每個脈沖光脈沖周期都會運行一次參數調節，根據此周期對應的DH與DL參數進行DEMPT控制，直到TST時間節點切換為PID控制。PID控制下的起始占空比為此周期對應穩態占空比的DM，通過PID調節使得輸出電流穩定，并在電路進入穩定后讀取此周期的穩態占空比。當亮區時間結束時，驅動器進入暗區狀態。此時控制器關閉PWM輸出，使LED電流下降為0。

在每次脈沖調光結束后，每個調光周期根據本周期上升時間tr以及電流過沖值imax計算出下一周期的DH和DL，并更新DM數值。

采用Simulink進行仿真驗證，設定RLED=2.4 Ω、VF=10.8 V、VIN=24 V、L=100μH、C2=1 μF、TSW=5 μs、TDIM=100 μs、DDIM=0.5、k=1000、m=0.1、Iref=1 A、Imref=1.1 A、Tref=15 μs。

圖10為DEMPT-PID控制參數DH與DL的變化。橫軸N為周期數，在同一周期內DH與DL不會改變。周期N=1時DH與DL值等于通過電路軟啟動讀取的穩態占空比DM，讀取穩態值為0.57。然后在每個調光周期讀取tr與imax，并對DH與DL進行調節。仿真在第26個周期時達到穩態，此時采樣的上升時間tr(26)為15μs，最大電流值imax(26)為1.087 A，DH(26)為0.805，DL(26)為0.42。

圖10 DEMPT參數變化圖Fig.10 DEMPT parameter variation diagram

波形變化時序圖如圖11(a)所示，第1、10、20、26周期輸出電流波形如圖11(b)所示。

圖11 DEMPT-PID控制仿真圖Fig.11 Simulation diagram of DEMPT-PID control

在第1個周期內DEMPT模式采用的是10PH-0PL序列組合，隨著DH與DL的調節，DEMPT控制下的脈沖序列逐漸變為了第10周期的4PH-1PL組合、第20周期的4PH-1PL組合以及穩態的第26周期的3PH-1PL組合。根據第26周期的電流波形可以看出，上升時間tr滿足Tref要求，電流最大值imax滿足Imref要求。在輸出電流具有較快上升速度的同時，不會產生較大過沖。

通過修改增益參數k與m可以縮短電路達到穩定所需周期，但過大的增益參數可能會導致DH與DL參數出現穩態振蕩，影響電路輸出電流性能。

4 實驗驗證

為了驗證上述DEMPT-PID控制方案的可行性，搭建了采用Buck驅動電路的實驗樣機，主要參數見表1。

表1 調光驅動器參數Table 1 The parameters of the dimming driver

圖12～圖14分別為采用PID控制、PT-PID控制、DEMPT-PID控制輸出電流波形和開關管vgs波形。其中PT-PID控制采用與DEMPT-PID相同的控制邏輯。

圖12 PID控制波形圖Fig.12 PID control waveform

圖13 PT-PID控制波形圖Fig.13 PT-PID control waveform

圖14 DEMPT-PID控制波形圖Fig.14 DEMPT-PID control waveform

可以看出，PID控制模式下上升時間tr為24 μs，imax為1.61 A。PT-PID控制模式下上升時間tr為19 μs，imax為1.1 A。DEMPT-PID控制模式下上升時間tr為15 μs，imax為1.1 A。在上升時間tr的優化上，PT-PID控制與DEMPT-PID控制更容易達到設定的要求時間Tref。而PID控制不僅較難滿足上升時間要求，且會產生較大過沖，在較短時間內較難進入穩定。

在過沖值imax的優化上，PT-PID控制當滿足了過沖大小時，會導致輸出電流減小。而DEMPT-PID控制則能夠在滿足上升時間的要求下，同時抑制過沖，產生較為理想的輸出電流波形，實驗結果也基本與仿真一致。

5 結論

本文基于Buck電路設計了一種脈沖能量可控的高效率LED植物燈驅動電源，能夠單獨調節輸出脈沖光的瞬時光照強度、脈沖頻率以及脈沖占空比，可調脈沖頻率最大為10 kHz。同時提出了DEMPT-PID的控制模式，在滿足輸出電流上升時間的基礎上，抑制了過沖，并通過切換到PID控制模式以避免DEMPT模式在穩態所產生的低頻紋波的影響。最后設計了實驗樣機進行了驗證，證明了此控制模式的可行性以及穩定性。對于植物種植行業中植物照明能源節約方面具有一定促進作用。