一種新穎的BUCK型LED驅(qū)動電路

　式中，UDZ為二極管壓降，其值等于PNP 晶體管VT 的射極E 與基極B 之間的壓降。電路選擇參數(shù)使uo1 = 0 時晶體管VT 處于微導通狀態(tài)，iC≈0，晶體管VT 的補償電流為：

　　將uo1代入iC:

　　設(shè)定比例系數(shù)為：

　　若選擇電路元器件參數(shù)使得k = 1，則iC = － ir，實現(xiàn)了電感紋波電流的全補償。

　　3. 輸出電流計算

　　當k = 1 時，晶體管T 補償電流為

　　電感電流為：

　　所以電路輸出電流為：

　　因此，通過LED 的電流為直流，其值為IP。

　　三、仿真與分析

　　1. 仿真參數(shù)設(shè)置

　　采用PSIM 軟件對所提出的紋波補償電路進行仿真實驗，根據(jù)以上分析，仿真參數(shù)設(shè)置如下表所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

　　LED 采用歐司朗半導體照明公司生產(chǎn)的額定功率PW = 5 W 的大功率LED， 型號為LC—WW5AP，其導通壓降為3. 0 ～ 3. 6 V，典型驅(qū)動電流為1. 4 A，燈組采用三個大功率LED 串聯(lián)連接。

　　單個LED 仿真模型如圖4 所示，其中VD 為理想二極管，VDZ為理想單向擊穿二極管，RLED為LED等效串聯(lián)阻抗。仿真中設(shè)定單向擊穿二極管VDZ兩端電壓為： UD = 3. 0 V，設(shè)定等效串聯(lián)阻抗為： RLED = 0. 35 Ω。

圖4 大功率LED 模型圖

　　控制電路采用傳統(tǒng)峰值電流控制，設(shè)定參考電壓Ur = 10. 5 V; 電壓采樣系數(shù)ku = 0. 8; 電流采樣系數(shù)為ki = 1; 誤差放大器放大倍數(shù)設(shè)為1; 時鐘頻率fs = 200 kHz; 占空比為0. 1。該電路占空比D ＞ 0. 5，需要斜坡補償。根據(jù)斜坡補償原則：所選定斜坡上升斜率m>-m₂/2，其中m2為電感電流下降斜率。選定鋸齒波幅值為0. 8 V、頻率為200 kHz。

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置可得到電感上峰值電流為IP = 1. 4 A，輸出電壓UO = 10. 5 V。仿真電路圖如圖5 所示。

圖5 仿真電路圖

　　2. 仿真分析

　　電感電流波形如圖6 所示，根據(jù)圖6 可以看出電感電流上峰值為IP = 1. 4 A，驗證了控制電路參數(shù)設(shè)置的正確性。電感紋波電流峰峰值為IPP =0. 14 A，可得電感電流直流分量為IL = 1. 33 A。

　　若電路不采用紋波補償電路，則通過LED 電流為電感電流，紋波電流峰峰值為0. 14 A，使得LED發(fā)光不穩(wěn)定。根據(jù)補償電流波形可以看出其上峰值為0. 14 A，所以可以得到直流分量為IC = 0. 07A。對比iL波形和iC波形可以看出ic = － ir。通過LED 的電流為iO = IL + IC = IP = 1. 4 A，為恒定直流，補償電流將電感紋波電流完全補償，驗證了結(jié)論的正確性。

圖6 完全補償波形圖

　　四、結(jié)束語

　　優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計是LED 驅(qū)動電路的發(fā)展方向。本文針對電解電容體積大，影響電路整體布局，不利于電路集成和小型化且其壽命難以與LED 長壽命相匹配等問題，提出采用有源補償電路對電感紋波電流進行補償?shù)姆椒āＴ撾娐啡∠娊怆娙轂V波，采用線性晶體管補償電感紋波電流，方法簡單、易于實現(xiàn)，而且補償效果好，輸出電流恒定。仿真結(jié)果證實了該拓撲結(jié)構(gòu)的有效性。該方法可避免電源因電解電容元件而引發(fā)的故障，可以提高電路穩(wěn)定性，有利于延長LED 驅(qū)動電源的壽命，有利于LED 照明的發(fā)展。

因自身的高效節(jié)能等優(yōu)點LED 照明是照明領(lǐng)域的發(fā)展方向。傳統(tǒng)上用于LED 驅(qū)動的BUCK 電路采用電解電容濾除紋波，效果不夠理想，且由于電解電容自身因素容易導致電源故障，其壽命與LED 長壽命不匹配。針對這一問題，提出了一種有源補償電感紋波電流的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了這種拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理。該拓撲將開關(guān)電源和線性電源結(jié)合起來，取消了電解電容濾波，電流輸出恒定，使得LED 驅(qū)動電源壽命有效提高，而且利于集成化和小型化。

　　目前世界各國正在積極發(fā)展LED 照明技術(shù)，大功率LED 由于自身的高效節(jié)能等優(yōu)點，現(xiàn)在已被廣泛應用于景觀照明、建筑照明、汽車照明及其他領(lǐng)域。LED 驅(qū)動電源是LED 照明不可或缺的部件，開關(guān)電源輸出的紋波電流會引起LED 額外的溫升，并且紋波電流越大，溫升越高。此外，紋波電流較大會引起發(fā)光不穩(wěn)定、導致LED 過早光衰、影響LED 燈具散熱及布局問題。

　　傳統(tǒng)BUCK 電路采用LC 濾波，電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成。當驅(qū)動LED 時，紋波電壓將引起較大的LED 紋波電流。增大濾波電容可減小LED 的紋波電流。但是，電容容量的增大，導致電源體積和重量增加，影響電源的小型化和集成化，更重要的是，電解電容成為限制LED 驅(qū)動電源壽命的主要因素。在LED 照明應用環(huán)境下，電解電容的壽命不超過10 000 h，與LED 的長壽命（ 100 000 h 左右） 難以匹配。文獻分析了開關(guān)電源的平均無故障時間，指出電解電容的性能直接決定了電路的可靠性，在設(shè)計電源驅(qū)動器的時候應該有針對性地減少電解電容的使用。電解電容的有效工作壽命在很大程度上取決于環(huán)境溫度以及通過等效串聯(lián)阻抗的紋波電流導致的溫升。溫度過高致使電解電容電解質(zhì)逐漸耗盡，使得其性能下降。

　　本文提出一種有源紋波補償BUCK 型LED 驅(qū)動電路。該電路無需使用大容量電解電容，所需要的小容量電容可以采用能量密度較小的新型長壽命電容，利用有源補償技術(shù)抑制輸出紋波電流。由于取消電解電容的使用，可以使電路壽命增長，穩(wěn)定性提高，便于集成，電路易小型化。

　　一、有源紋波補償BUCK 電路

　　電路如圖1 所示。電路結(jié)構(gòu)以BUCK電路為主，取消電解電容濾波，用輔助線性電路對電感紋波電流進行補償。圖中由開關(guān)管V、電感L、LED 燈組、續(xù)流二極管VD 組成主電路；晶體管VT 為輔助補償電路。

圖1 有源紋波補償BUCK 電路拓撲圖

　　設(shè)主電路電感電流iL和晶體管VT 的集電極電流iC分別為：

　　式中，IL和IC分別是電感電流和的集電極電流的直流分量； ir和ic分別為它們的交流分量（ 紋波電流） 。

　　當ic = － ir時，輸出電流為：

　　通過LED 的電流iO為恒定直流，如圖2 所示，實現(xiàn)了對電感紋波電流的全補償。

　　式中，Ip和IPP分別是電感電流的上峰值和電感紋波電流的峰峰值。

圖2 電感電流補償示意圖

　LED 燈組為n 個大功率LED 串聯(lián)連接，UO =nUF為LED 燈組壓降； UF為單個LED 的導通壓降。

　　晶體管VT 的損耗為：

　　在保證晶體管VT 的集射電壓大于其飽和壓降（ V_CE≥VC_ES） 的條件下，調(diào)整占空比D （ 如D 取值范圍為85% ～ 95%） ，可使集射電壓足夠小。同時，控制集電極瞬時電流iC的最小值近似為零，則IC最小。因此，晶體管VT 的損耗為最小，可提高驅(qū)動電源的效率。

　　二、紋波補償?shù)膶崿F(xiàn)

　　1. 紋波電流檢測

　　根據(jù)電感元件的電壓與電流關(guān)系：

　　可以通過觀測電感兩端的電壓來檢測紋波電流，如圖3 所示。圖3 中檢測電路由運算放大器A1、電阻R 及電容C 組成差分積分電路。假設(shè)各元器件均為理想元器件則：

　　即：

圖3 紋波電流檢測補償原理圖

　　uo1（ t） 是與電感紋波電流成正比的函數(shù)，比例系數(shù)為：

　　A1采用單電源供電，uo1≥0，在紋波電流為正峰值時uo1 = 0 有：

　　式中：

　　所以：

　　2. 紋波補償實現(xiàn)

　　由于電源電壓Ud可能因外界因素波動，所以由A2組成減法電路消除因Ud變化引起的iC變化，根據(jù)電路可知：