一种新型LED驱动器的分析与设计

曹太强1，游 芳1，魏金成1,王 军1,孙 章1,罗 谦

(1.西华大学电气信息学院，四川 成都610039;2.中国民用航空总局民第二研究所信息公司，四川 成都 610047)

·机电工程·

一种新型LED驱动器的分析与设计

曹太强1，游 芳1，魏金成1,王 军1,孙 章1,罗 谦2

(1.西华大学电气信息学院，四川 成都610039;2.中国民用航空总局民第二研究所信息公司，四川 成都 610047)

传统的具有功率因数校正(power factor correction, PFC)功能的DC输出LED驱动器需要在输出端用容值较大的电解电容来减小输出电流纹波。为解决电解电容的使用寿命短而造成驱动器寿命低于LED寿命的问题，采用一种新型的AC LED拓扑电路结构，理论分析了该拓扑电路结构以及参数的选取。由于该驱动器的输入电压和输出电压都是脉动的，驱动器的输入输出滤波可采用容值较小的薄膜电容，从而提高了驱动器的使用寿命。通过仿真和试验的结果表明，该拓扑电路结构是可行的，其参数的选取是正确的。

直流发光二极管；交流发光二极管；功率因数校正；LCC

由于发光二极管(light emitting diode, LED)具有发光度强、使用寿命长、低耗能等优点，在机场的助航灯光系统、工业控制的液晶显示、信号灯、工控仪表显示和通用照明等方面得到广泛应用[1-2]。传统具有功率因数校正(power factor correction, PFC)功能的直流输出LED驱动器需要在整流输出端用容值较大的电解电容来得到平稳的直流电压和减小输出电流纹波。由于电解电容的使用寿命短，将造成驱动器的寿命低于LED的寿命，因此本文采用了一种新型的AC LED拓扑电路结构。由于该驱动器的输入电压和输出电压都是脉动的，驱动器的输入输出滤波可采用容值较小的薄膜电容，从而提高了驱动器的使用寿命[1-7]。

1 AC LED拓扑电路

现有AC LED拓扑电路结构有串联型、梯形型和桥式型等结构，如图1所示。可以看出，其拓扑电路结构存在以下问题：当提供给驱动器的交流电压为220 V、50 Hz时，需要串联大量的LED以限制电流，否则需串联限流电阻；如果增大开启电压将导致功率因数降低；如果串联限流电阻，将导致LED的串联数减小。另外，当LED输入的交流电压频率为50 Hz时，在图1(a)中，人的视觉能感觉到频闪现象，而在图(d)中，桥式整流后的工作频率为100 Hz，人的视觉感觉不到灯光的频闪。图2为输入相同电流有效值时，图1(a)和图1(d)的LED流明度比较结果。图1(a) 的流明度更好，但是工作频率太低，如果将图1(a) 的工作频率提高到100 Hz，就可结合二者的优点；因此，可以采用图1(a)的LED电路结构，但是，需要为负载提供100 Hz的交流电源。基于此，本文基于整流后端要减小大电容值的思想，采用一种新型的电路拓扑结构，其既能为LED提供100 Hz的交流电源，又能减小整流后端的电容值，以延长驱动器的使用寿命。

这不仅解决了AC LED驱动器输入交流电压频率低造成灯光频闪的问题，还提高了AC LED驱动器功率因数、减小谐波成分，提高电源质量。最后文章通过实验验证了该拓扑电路结构的正确性和有效性。

图1 AC LED 结构

图2 流明度比较图

2 驱动器的分析与实现

图3是本文所提出的AC LED驱动器结构图。AC输入交流电压经二极管整流桥不控整流后，通过Buck DC/DC驱动器迫使整流前段的输入交流电流相位跟踪输入交流电压相位，从而使功率因数接近为“1”，这部分电路通常称为PFC校正电路。Buck DC/DC驱动器输出的直流电压通过半桥逆变和LCC谐振电路后为LED提供电能。半桥逆变和LCC谐振电路可以为LED提供交流电压的频率。从图3可知，该电路主要包括不控整流、Buck PFC 校正电路和LCC谐振电路3部分。C1和C2的电容值比传统的电容值小，可以使用长寿命的薄膜电容，以延长驱动器的寿命。Uce的低频频率与整流后输出电压Uix频率相同，即为100 Hz，因此，LCC谐振电路输入和输出交流电压频率为100 Hz，这样就解决了50 Hz的LED频闪问题。

图3 AC LED 驱动器

2.1 Buck PFC电路参数的设定

设计1个40 W的LED驱动器装置，该驱动器输出的峰值电压不大于40 V。LED负载支路的开启电压为30 V，其支路的等效内阻为8 Ω，峰值电流小于1.8 A，S1开关频率为16 kHz，取C1=C2=1 μF。当电感电流工作于CCM模式时，其电流纹波为

(1)

式中，d为图3中开关管S1的占空比，d=Uce/Uix。假设Uix最大值为310 V，而在PFC校正电路中，其输出电压Uce幅度不超过220 V，假设ΔIL1最大值不超过5 A，可得L1理论值为

(2)

因此，取L1值为0.7 mH。

2.2 LCC参数的设定

在谐振电路中，开关管S2和S3的占空比为互补关系，使得LCC谐振电路输出为交流电压，其工作状态如图4所示。图4(a)是S2导通，S3关断时的电路图；图4(b)是S2关断，S3导通时的电路图。由图4可得到其等效电路，如图5所示，其中C=2C1=2C2，Uon为串联开启电压30 V，RE为等效电阻8 Ω。

(a)状态1

(b)状态2

图5 LCC部分等效电路

(3)

当输出电压︱Uo︱>Uon时，输入输出传递函数为

(4)

图6 LCC最简等效图

(5)

(6)

式中：Uomax为输出电压最大幅度值，即峰值；Uimax为C1和C2电压值之和的1/2的最大值，当C1=C2时，为其电容值的最大值。在满足式(5)条件下可得式(4)的增益趋势图，如图7所示。根据式(6)的限制条件，可选择电感L2应小于0.45 mH。

图7 有负载情况下输入输出增益曲线

选择电感L2值分别为50、 100、150、200 μH时，得到式(4)的传递函数如图8所示，再根据增益和谐振频率的限制条件，可取L2=100 μH，通过式(5)可计算出C3=133 nF。

图8 带负载情况下输入-输出传递函数Bode图

2.3 控制电路

控制环路如图1所示，控制方法采用电流峰值型控制，即使电感电流iL1峰值信号跟随输入电压整流后的信号Uix，从而使输入电流的相位跟踪输入电压相位，以提高功率因数。主要控制波形如图9所示。图中UL1为电感电流采样iL1转换的电压信号，Uc为控制信号。从图1可知，控制环路由输入电压环和输出电压环组成。为控制输出电压的峰值，采样输出电压峰值Uop，并通过误差放大器放大Uop与参考电压Uref的差值，得到信号Uoc，Uoc与Uix相乘得到参考信号Uc， 故参考信号受到输入电压和输出电压的控制。当输出电压过高时，Uoc降低，从而降低参考信号Uc，最后使得输出电压降低，从而达到调节输出电压的目的。 稳态工作时，Uoc近似恒值，则Uc为Uix的倍数，从而使得输入电流的相位跟踪输入电压相位。

图9 控制信号波形图

控制环路中RS触发器由2个或非门组成，开关管S1的频率等于RS触发器输入时钟信号CLK的频率。周期开始时，CLK信号为高，则输出Q为高电平，开关管S1导通，iL1和UL1上升，当UL1的值达到控制信号Uc时，触发器R端输入高电平，使得输出Q为低电平，开关管S1关断，直到下个周期开始，依次类推。

3 仿真和实验

根据上述材料，设计电路的主要参数：输入电压Uin为220 VAC，输出电压峰值为40 VDC，S1开关频率为16 kHz，开关S2和S3的频率为45 kHz，电感L1为 0.76 mH，谐振电感L2为0.1 mH，储能电容C1和C2为1 μF，谐振电容C3为133 nF。采用PSIM仿真软件进行仿真，其结果测试为PF=0.98，效率η=0.9。图10是电感电流iL1仿真波形图；图11是输出电流io仿真波形图；图12为输入电压和电流测试波形图。可知，其输出的电压和电流波形频率为100 Hz，并且其电流与电压的相位一致，说明其功率因数接近为“1”，达到了功率因数校正的作用。

图10 主功率电感电流iL1(1A/格)

图11 输出电流io(2A/格)

图12 输入电压和电流测试波形， 输入电压Uin(200 V/格)，输入电流iin(200 mA/格)

4 结论

传统的DC LED驱动器采用容值较大的电解电容滤波使驱动器的寿命降低。基于此，本文采用AC LED驱动器，从而提高了驱动器的使用寿命。本文理论分析了该拓扑电路结构的控制方法、Buck PFC和LCC参数的选取，理论分析和仿真试验都验证了该拓扑电路结构的可行性。本文提出的控制思想对LED的发展有一定的指导意义。

[1] Loo K H, Lai Y M, Chi K Tse. Design and Analysis of LCC Resonant Network for Quasi-Lossless Current Balancing in Multistring AC-LED Array[J]. IEEE Trans Power Electron, 2013，28：1047-1059.

[2]杨静，庄圣贤，刘雪山. 基于双输出Boost 驱动器的高亮LED 驱动研究[J]. 电力电子技术，2011：45(1):18-20.

[3]李茂华.大功率LED驱动控制研究[D].成都：西南交通大学，2003.

[4]Liu Xueshan, Xu Jianping, Zhifei Lu， et al. A Single-inductor Dual-output Buck Converter with Voltage Mode Pulse-train Control[C]]// IEEE International Conference on Communications, Circuit and System (ICCCAS). Chengdu ：IEEE,2010: 569-571.

[5]Ma D, Ki W H, Tsui C Y, et al. Single Inductor Multiple Output Switching Converters with Time-multiplexing Control in Discontinuous Conduction Mode [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2003, 38(1):89-100.

[6]Dylan Dah-Chuan Lu,Herbert Ho-Ching Iu,Velibor Pjevalica.A Single-Stage AC/DC Converter With High Power Factor, Regulated Bus Voltage, and Output[J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2008,23：218-228.

[7]杨旸,赵梦恋,陆佳颖,等. 高亮度白光LED 驱动控制器设计[J].浙江大学学报：工学版,2010,44(1):111-117.

(编校：饶莉)

AnalysisandDesignofANewLEDConverter

CAO Tai-qiang1, YOU Fang1, WEI Jin-cheng1, WANG Jun1, SUN Zhang1, LUO Qian2

(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.InformationFiliale，TheSecondResearchInstituteofCAAC，Chengdu610047China)

Traditionally, a capacitor with large value is necessary to reduce the output voltage ripple for DC power supply. Life time of LED converter is always higher than that of the capacitor located in the output of the converter DC power supply. In order to solve this problem, a novel AC LED circuit topology structure is applied, and the structure and the circuit parameters calculation are analyzed theoretically. For the structure, fluctuation demand of the DC power for LED converter is not high and capacitor with small value can be used. This results in high life expectancy for the capacitor. Results of simulation and experiments verify the feasibility and correctness of the circuit topology structure and parameter calculations.

DC LED；AC LED； PFC；LCC

2014-03-03

四川省教育厅科研项目(12ZA285)；四川省科技厅应用基础研究项目(2012JY0120/12209596)；四川省科技厅支撑项目(2013GZ0130)；四川省重大技术装备创新研制项目(川财建[2013]153 号)；四川省教育厅重点项目(11ZA003/11209435)；四川省高校重点实验室项目(太阳能技术集成及应用推广)；四川省教育厅成果培育项目基金(12ZZ007)；西华大学重点科研基金(Z1120940)；太阳能光伏离/并网智能化控制逆变一体化集成应用(2014CY-S-1-2)。

曹太强 (1969—) 男，高级工程师，博士，主要研究方向为新能源、大功率开关变换器及光伏发电，电力电子与电力传动。

TM45

：A

：1673-159X(2015)01-0080-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.014