唐治德　王蕊　楊熙

(重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院∥輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

有源紋波補(bǔ)償Cuk型照明LED恒流驅(qū)動(dòng)電源*

唐治德王蕊楊熙

(重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院∥輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

摘要:一般大功率照明LED驅(qū)動(dòng)電源中，輸出濾波電解電容的壽命與LED的長(zhǎng)壽命極不匹配.對(duì)此，文中提出了一種有源紋波補(bǔ)償?shù)腃uk型LED驅(qū)動(dòng)電路.電路中用有源紋波補(bǔ)償支路替代輸出濾波電解電容，抵消電感紋波電流，使LED燈組獲得恒定直流，達(dá)到LED的理想驅(qū)動(dòng)狀態(tài).文中詳細(xì)闡述了有源紋波補(bǔ)償?shù)脑砗蛯?shí)現(xiàn)電路，分析了有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED驅(qū)動(dòng)電路的損耗和效率，設(shè)計(jì)和制作了輸出功率為22 W的滯環(huán)電流控制、有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該新型電源的可行性.

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)電源；發(fā)光二極管；紋波補(bǔ)償；電解電容；滯環(huán)電流控制

隨著LED技術(shù)的不斷提高和成本的逐年下降，大功率照明LED燈的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是LED驅(qū)動(dòng)電源.高可靠性、高效率、恒流和小型化是照明市場(chǎng)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的“苛刻”要求[1- 2].目前大功率LED通常采用開關(guān)電源，但傳統(tǒng)的開關(guān)電源大多采用電解電容進(jìn)行輸出濾波，而電解電容的壽命一般只有5 000 h，與LED 100 000 h的工作壽命相差甚遠(yuǎn)[3- 4].根據(jù)開關(guān)電源的平均無(wú)故障時(shí)間分析，電解電容的有效工作壽命取決于環(huán)境溫度以及通過(guò)等效串聯(lián)阻抗的紋波電流導(dǎo)致的溫升[5]，溫度過(guò)高致使電解電容電解質(zhì)逐漸耗盡，導(dǎo)致其性能下降，因此電解電容成為影響LED驅(qū)動(dòng)電源整體壽命的主要因素.與此同時(shí)，電解電容體積較大，影響了驅(qū)動(dòng)電源的小型化和集成化[6].

針對(duì)上述問(wèn)題，文中結(jié)合大功率照明系統(tǒng)的電氣環(huán)境，研究了有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED驅(qū)動(dòng)電路.通過(guò)有源補(bǔ)償替代電解電容輸出濾波，使LED的驅(qū)動(dòng)電流保持恒定[7- 8]，這樣可以使LED發(fā)光穩(wěn)定、效率高，延長(zhǎng)LED燈具的使用壽命.

1有源紋波補(bǔ)償Cuk電路

1.1有源紋波補(bǔ)償電路和原理

有源紋波補(bǔ)償Cuk電路如圖1所示，在傳統(tǒng)的Cuk電路基礎(chǔ)上[9]，去掉大容量的濾波電容，用有源紋波補(bǔ)償電路抵消電感L2的紋波電流，使負(fù)載(R)獲得恒定直流.圖中由開關(guān)管S、LED燈組(R)、續(xù)流二極管VD，2μF左右的小電容C和電感L1和L2組成Cuk電路，工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，虛框內(nèi)元件組成有源紋波補(bǔ)償電路.

圖1　有源紋波補(bǔ)償Cuk電路拓?fù)?/p>

電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電感電流iL2(t)可以分解為直流分量IL2和交流分量ir(t)(紋波電流)之和，即

iL2(t)=IL2+ir(t)

(1)

流過(guò)LED燈組(R)的電流為

iO(t)=iL2(t)+iC(t)=IL2+ir(t)+iC(t)

(2)

如果

iC(t)=-ir(t)

(3)

那么

iO(t)=IL2

(4)

因此，有源紋波補(bǔ)償電路使流過(guò)LED的電流iO(t)為恒定直流，式(3)、(4)是電感紋波電流全補(bǔ)償?shù)臈l件.

1.2電感紋波電流的檢測(cè)和補(bǔ)償電路

電感紋波電流的檢測(cè)和補(bǔ)償電路如圖1的虛框所示，電阻RS對(duì)電感電流iL2(t)取樣，運(yùn)放及其外圍元件組成高通濾波，抑制直流分量并獲取紋波分量形成補(bǔ)償電流iC.

補(bǔ)償電流iC對(duì)電感電流iL2的傳遞函數(shù)H(s)為

(5)

式中，

將s=jω代入式(4)，可得H(jω)：

(6)

H(jω)的伯特圖如圖2所示.當(dāng)頻率ω=0時(shí)，傳遞函數(shù)H(jω)為0，從而保證補(bǔ)償電流不含電感電流的直流分量，只含有紋波分量;當(dāng)ω≥10ωC時(shí)，可以保證H(jω)=-1，實(shí)現(xiàn)對(duì)紋波的完全補(bǔ)償.

運(yùn)放的輸出電流較小，需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)流，電路如圖3所示，利用運(yùn)放的高增益和負(fù)反饋消除交越失真.

圖2　H(jω)的伯特圖

圖3　擴(kuò)流電路

1.3檢測(cè)和補(bǔ)償電路的損耗

當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)并且電感紋波電流全補(bǔ)償時(shí)，電感電流iL2和補(bǔ)償電流iC的波形如圖4所示.結(jié)合圖1和3，可以計(jì)算出取樣電阻和補(bǔ)償電路的損耗：

(7)

(8)

忽略開關(guān)損耗，有源紋波補(bǔ)償Cuk型電路的效率為

(9)

負(fù)載采用大功率LED串聯(lián)連接，Uo和Io是LED燈組電壓和電流.

通過(guò)式(8)可以看出：減小電感L2電流紋波的峰峰值ΔiP可有效降低補(bǔ)償電路的功耗，提高驅(qū)動(dòng)電源的效率.適當(dāng)選取較大的電感值可以減小電感電流紋波峰峰值[10- 14].

2主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

假設(shè)圖1中各元件均為理想元件，電感電流iL2(t)

圖4　電感電流iL2和補(bǔ)償電流iC的波形

Fig.4Waveforms of inductance current and compensation current

全補(bǔ)償.在開關(guān)管S導(dǎo)通期間(TON)，二極管VD截止，電源向電感L1充電，電容C向電感L2放電，并供電給負(fù)載.電感L1、L2的電流增量和電容C的電壓增量分別為

(10)

(11)

(12)

式中,Uin為輸入電壓，UC為電容C的平均電壓，Uo為負(fù)載的平均電壓，D為占空比，TS為開關(guān)周期.

在開關(guān)管S截止期間(TOFF)，二極管VD導(dǎo)通，電源Uin和電感L1向電容C充電，同時(shí)電感L2釋放電能給負(fù)載供電.電感L1、L2的電流增量和電容C的電壓增量分別為

(13)

(14)

(15)

根據(jù)電感伏秒平衡、電容安秒平衡原理，可得

(16)

(17)

(18)

當(dāng)電感紋波電流的幅值小于電感電流的均值時(shí)，電感電流連續(xù)；當(dāng)電容紋波電壓的幅值小于電容電壓的均值時(shí)，電容電壓連續(xù).結(jié)合式(13)-(18)，可導(dǎo)出保障電感電流連續(xù)和電容電壓連續(xù)的主電路元件參數(shù)選擇公式：

(19)

(20)

(21)

式中，R為負(fù)載等效電阻.

3仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上論述，設(shè)計(jì)了有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路.電路參數(shù)如下：供電電源為24 V直流電壓源，負(fù)載為兩串并聯(lián)的LED燈組，每串燈組由4個(gè)LED組成，LED選用額定功率PW=3W的大功率白光LED，其導(dǎo)通壓降為3.0～4.0 V，典型導(dǎo)通電流為0.7 A ；電感采用EE35型鐵氧體磁芯自行繞制(L1=100 μH，L2=220 μH)，小容量電容采用高可靠性聚酯電容：C=2 μF,C1=C2=10 nF，RS=RC=1 Ω，R1=R2=R3=10 kΩ.功率開關(guān)為IRF630的N溝道MOS管.續(xù)流二極管選用MBR10100肖特基二極管.補(bǔ)償電路三極管選擇小功率PNP型三極管S8550和NPN型三極管S8050，滯環(huán)電流控制芯片采用HV9930.

3.2仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于LED為非線性元件，為便于仿真，采用LED等效電路[10- 11]，如圖5所示，仿真中設(shè)定二極管導(dǎo)通壓降UVD=3.0 V，穩(wěn)壓管電壓UDZ=7.0 V，RS=0.7 Ω.采用電力電子仿真軟件PSIM對(duì)整體電路進(jìn)行仿真.

圖5　LED等效電路

首先，考察開關(guān)頻率對(duì)有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的影響.設(shè)定占空比D=37%、開關(guān)頻率f分別為20和100 kHz，仿真得到電感L2的電流、補(bǔ)償電流和輸出電流的波形如圖6所示.由圖6(a)可以看出，當(dāng)頻率f=20 kHz時(shí)，補(bǔ)償電流不能對(duì)電感L2的電流實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，輸出電流具有較大的紋波；而圖6(b)中，開關(guān)頻率f=100 kHz，大于補(bǔ)償電路的10倍高通截止頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電感L2紋波的完全補(bǔ)償，此時(shí)輸出為恒定直流，驗(yàn)證了有源紋波補(bǔ)償Cuk電路恒流輸出的正確性.

圖6　f=20，100 kHz時(shí)iL2、iC、io的波形

其次，考察負(fù)載對(duì)有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的影響.將負(fù)載改為并聯(lián)三串LED燈組、每串燈組由4個(gè)LED組成，設(shè)定開關(guān)頻率f=100 kHz、占空比D=37%，仿真波形如圖7所示.從圖中可以看出補(bǔ)償電流能很好地跟隨電感電流的變化，實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償，輸出為2.08 A的恒定直流，因此，該補(bǔ)償電路有較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)性.

再次，考察電源電壓Uin對(duì)有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的影響.當(dāng)電源電壓Uin為12 V，負(fù)載為兩串并聯(lián)的LED燈組，每串燈組由4個(gè)LED組成，開關(guān)頻率f=100 kHz，占空比D上調(diào)為54%，實(shí)現(xiàn)升壓，仿真波形如圖8所示，補(bǔ)償電流可以完全補(bǔ)償電感電流的紋波，從而證明主電路既能實(shí)現(xiàn)升壓又能實(shí)現(xiàn)降壓，可以適應(yīng)很寬的電壓調(diào)整范圍.

圖7　負(fù)載為三串LED燈組時(shí)iL2、iC、io的波形

Fig.7Waveforms ofiL2,iCandiowhen the load is a group of three-string LED lights

圖8　Uin=12 V時(shí)iL2、iC、io的波形

最后，根據(jù)圖9所示實(shí)驗(yàn)電路制作了有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)板(如圖10所示)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)電路板的參數(shù)與仿真電路參數(shù)一致，電壓源Uin為24 V，負(fù)載為兩串并聯(lián)，每串4個(gè)LED燈.利用滯環(huán)電流控制芯片HV9930產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào).

圖9　實(shí)驗(yàn)電路圖

圖10　實(shí)驗(yàn)調(diào)試平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)電路板

Fig.10Experiment test platform and the circuit in experimental board

圖11(a)為電感電流iL2和紋波補(bǔ)償電流iC的實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)測(cè)電感電流的峰峰值為0.320 A，紋波補(bǔ)償電流的峰峰值為0.336 A，基本實(shí)現(xiàn)了電感紋波電流全補(bǔ)償?shù)臈l件iC(t)=-ir(t).輸出電流的紋波很小，近似為恒定直流電流輸出，約1.35 A，如圖11(b)所示.圖中輸出紋波電流峰峰值為0.04 A，不足直流分量的1.5%，而電感紋波電流峰峰值為0.32 A，輸出紋波電流減小為后者的1/8.此外，測(cè)得負(fù)載LED燈組的端電壓約為13.7 V，輸出功率約為18.5 W，電源Uin的總輸出功率為22.32 W，能量轉(zhuǎn)換效率為83%.

圖11　電流波形圖

4結(jié)論

文中針對(duì)濾波電解電容導(dǎo)致的LED驅(qū)動(dòng)電源可靠性差、使用壽命短的問(wèn)題，結(jié)合大功率LED照明的具體應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了大功率有源紋波補(bǔ)償Cuk型LED恒流驅(qū)動(dòng)電源.該電源具有以下特點(diǎn)：①無(wú)大容量電容，補(bǔ)償電路和控制電路可集成化，可靠性高，小型化好；②輸出電流紋波極小，基本為恒定直流，并且負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)；③可升降壓，電源電壓適應(yīng)范圍寬；④在保證優(yōu)異的輸出紋波特性的情況下效率較高.

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Power Supply Driven by Cuk Constant Current with Active Ripple Compensation for LED Headlamp

Zhi-deWANGRuiYANGXi

(College of Electrical Engineering∥State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044,China)

Abstract:As the lifespan of the output filter’s electrolytic capacitor in general lighting LED power supply does not match LED’s long lifespan, a LED driving circuit based on Cuk with active ripple compensation is proposed. In this circuit, the active ripple compensation branch is used to replace the output filter’s electrolytic capacitor to offset the inductor’s ripple current, which provides the LED array with a constant DC and further with ideal driving state.This paper describes the principle and implementation of the active ripple compensation circuit, analyzes the loss and efficiency of LED driving circuit based on the Cuk with active ripple compensation, and designs and fabricates an LED power supply with an output power of 22 W based on the Cuk with active ripple compensation and hysteresis current control. Simulated and experimental results indicate that the proposed power supply is feasible.

Key words:driving power; light-emitting diode; ripple compensation; electrolytic capacitor; hysteresis current control

收稿日期:2015- 07- 21

*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50877082)；重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目(2007DA10512709303)

Foundation item:Supported by the National Natural Science Foundation of China(50877082)

作者簡(jiǎn)介:唐治德(1958-)，男，教授，主要從事大功率LED照明、X光機(jī)高壓電源的研究.E-mail:zhzhaodan@126.com

文章編號(hào):1000- 565X(2016)04- 0034- 06

中圖分類號(hào)：TM 46

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.006