唐治德　王蕊　楊熙

(重慶大學 電氣工程學院∥輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室， 重慶 400044)

有源紋波補償Cuk型照明LED恒流驅動電源*

唐治德王蕊楊熙

(重慶大學 電氣工程學院∥輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室， 重慶 400044)

摘要:一般大功率照明LED驅動電源中，輸出濾波電解電容的壽命與LED的長壽命極不匹配.對此，文中提出了一種有源紋波補償?shù)腃uk型LED驅動電路.電路中用有源紋波補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，達到LED的理想驅動狀態(tài).文中詳細闡述了有源紋波補償?shù)脑砗蛯崿F(xiàn)電路，分析了有源紋波補償Cuk型LED驅動電路的損耗和效率，設計和制作了輸出功率為22 W的滯環(huán)電流控制、有源紋波補償Cuk型LED驅動電源，通過仿真和實驗驗證了該新型電源的可行性.

關鍵詞：驅動電源；發(fā)光二極管；紋波補償；電解電容；滯環(huán)電流控制

隨著LED技術的不斷提高和成本的逐年下降，大功率照明LED燈的應用越來越廣泛，而實現(xiàn)這些應用最為關鍵的環(huán)節(jié)就是LED驅動電源.高可靠性、高效率、恒流和小型化是照明市場對LED驅動電源的“苛刻”要求[1- 2].目前大功率LED通常采用開關電源，但傳統(tǒng)的開關電源大多采用電解電容進行輸出濾波，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[3- 4].根據(jù)開關電源的平均無故障時間分析，電解電容的有效工作壽命取決于環(huán)境溫度以及通過等效串聯(lián)阻抗的紋波電流導致的溫升[5]，溫度過高致使電解電容電解質逐漸耗盡，導致其性能下降，因此電解電容成為影響LED驅動電源整體壽命的主要因素.與此同時，電解電容體積較大，影響了驅動電源的小型化和集成化[6].

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

1有源紋波補償Cuk電路

1.1有源紋波補償電路和原理

有源紋波補償Cuk電路如圖1所示，在傳統(tǒng)的Cuk電路基礎上[9]，去掉大容量的濾波電容，用有源紋波補償電路抵消電感L2的紋波電流，使負載(R)獲得恒定直流.圖中由開關管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)導通模式，虛框內元件組成有源紋波補償電路.

圖1　有源紋波補償Cuk電路拓撲

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

1.2電感紋波電流的檢測和補償電路

電感紋波電流的檢測和補償電路如圖1的虛框所示，電阻RS對電感電流iL2(t)取樣，運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償電流iC.

補償電流iC對電感電流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.當頻率ω=0時，傳遞函數(shù)H(jω)為0，從而保證補償電流不含電感電流的直流分量，只含有紋波分量;當ω≥10ωC時，可以保證H(jω)=-1，實現(xiàn)對紋波的完全補償.

運放的輸出電流較小，需要對其進行擴流，電路如圖3所示，利用運放的高增益和負反饋消除交越失真.

圖2　H(jω)的伯特圖

圖3　擴流電路

1.3檢測和補償電路的損耗

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

(7)

(8)

忽略開關損耗，有源紋波補償Cuk型電路的效率為

(9)

負載采用大功率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可有效降低補償電路的功耗，提高驅動電源的效率.適當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)的設計

假設圖1中各元件均為理想元件，電感電流iL2(t)

圖4　電感電流iL2和補償電流iC的波形

Fig.4Waveforms of inductance current and compensation current

全補償.在開關管S導通期間(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為負載的平均電壓，D為占空比，TS為開關周期.

在開關管S截止期間(TOFF)，二極管VD導通，電源Uin和電感L1向電容C充電，同時電感L2釋放電能給負載供電.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)

當電感紋波電流的幅值小于電感電流的均值時，電感電流連續(xù)；當電容紋波電壓的幅值小于電容電壓的均值時，電容電壓連續(xù).結合式(13)-(18)，可導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為負載等效電阻.

3仿真和實驗

3.1電路設計

根據(jù)以上論述，設計了有源紋波補償Cuk型LED恒流驅動電路.電路參數(shù)如下：供電電源為24 V直流電壓源，負載為兩串并聯(lián)的LED燈組，每串燈組由4個LED組成，LED選用額定功率PW=3W的大功率白光LED，其導通壓降為3.0～4.0 V，典型導通電流為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.功率開關為IRF630的N溝道MOS管.續(xù)流二極管選用MBR10100肖特基二極管.補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仿真和實驗結果分析

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，仿真中設定二極管導通壓降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對整體電路進行仿真.

圖5　LED等效電路

首先，考察開關頻率對有源紋波補償Cuk型LED恒流驅動電路的影響.設定占空比D=37%、開關頻率f分別為20和100 kHz，仿真得到電感L2的電流、補償電流和輸出電流的波形如圖6所示.由圖6(a)可以看出，當頻率f=20 kHz時，補償電流不能對電感L2的電流實現(xiàn)完全補償，輸出電流具有較大的紋波；而圖6(b)中，開關頻率f=100 kHz，大于補償電路的10倍高通截止頻率，實現(xiàn)了對電感L2紋波的完全補償，此時輸出為恒定直流，驗證了有源紋波補償Cuk電路恒流輸出的正確性.

圖6　f=20，100 kHz時iL2、iC、io的波形

其次，考察負載對有源紋波補償Cuk型LED恒流驅動電路的影響.將負載改為并聯(lián)三串LED燈組、每串燈組由4個LED組成，設定開關頻率f=100 kHz、占空比D=37%，仿真波形如圖7所示.從圖中可以看出補償電流能很好地跟隨電感電流的變化，實現(xiàn)了完全補償，輸出為2.08 A的恒定直流，因此，該補償電路有較強的負載適應性.

再次，考察電源電壓Uin對有源紋波補償Cuk型LED恒流驅動電路的影響.當電源電壓Uin為12 V，負載為兩串并聯(lián)的LED燈組，每串燈組由4個LED組成，開關頻率f=100 kHz，占空比D上調為54%，實現(xiàn)升壓，仿真波形如圖8所示，補償電流可以完全補償電感電流的紋波，從而證明主電路既能實現(xiàn)升壓又能實現(xiàn)降壓，可以適應很寬的電壓調整范圍.

圖7　負載為三串LED燈組時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iL2、iC、io的波形

最后，根據(jù)圖9所示實驗電路制作了有源紋波補償Cuk型LED恒流驅動電路實驗板(如圖10所示)并進行實驗.實驗電路板的參數(shù)與仿真電路參數(shù)一致，電壓源Uin為24 V，負載為兩串并聯(lián)，每串4個LED燈.利用滯環(huán)電流控制芯片HV9930產(chǎn)生開關驅動信號.

圖9　實驗電路圖

圖10　實驗調試平臺和實驗電路板

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

圖11(a)為電感電流iL2和紋波補償電流iC的實驗波形，實測電感電流的峰峰值為0.320 A，紋波補償電流的峰峰值為0.336 A，基本實現(xiàn)了電感紋波電流全補償?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，測得負載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，能量轉換效率為83%.

圖11　電流波形圖

4結論

文中針對濾波電解電容導致的LED驅動電源可靠性差、使用壽命短的問題，結合大功率LED照明的具體應用要求，設計了大功率有源紋波補償Cuk型LED恒流驅動電源.該電源具有以下特點：①無大容量電容，補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，并且負載適應性強；③可升降壓，電源電壓適應范圍寬；④在保證優(yōu)異的輸出紋波特性的情況下效率較高.

參考文獻：

[1]CHENG Y K，CHENG K W E．General study for using LED to replace traditional lighting devices [C]∥Proceedings of 2006 2nd International Conference on Power Electronics Systems and Applications.[S.l.]:IEEE，2006：173- 177.

[2]劉木清,周德成,梅毅.LED與傳統(tǒng)光源光效比較分析 [J].照明工程學報,2006,17(4):24- 27.

LIU Mu-qing，ZHOU De-cheng，MEI yi.The comparison of light efficacy between LED and traditional light sources [J].China Illuminating Engineering Journal,2006,17(4):24- 27.

[3]廖志凌，阮新波．半導體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J]．電工技術學報，2006，21(9)：106- 111.

LIAO Zhi-ling，RUAN Xin-bo．Present status and developing trend of the semiconductor lighting [J].Transactions of China Electrotechnical Society，2006，21(9)：106- 111．

[4]HEFFERNAN B，F(xiàn)RATER L，WATSON N.LED replacement for fluorescent tube lighting [C]∥Proceedings of Power Engineering Conference．Australasian Universities.Perth：[s.n.],2007：1- 6．

[5]閆曉金,潘艷,陳永真．開關電源對電解電容器性能的基本要求 [J]．電源世界，2008(4)：63- 65．

YAN Xiao-jin,PAN Yan,CHEN Yong-zhen.Basic requires of electrolytic capacitor performance by SMPS [J]．The World of Power Supply，2008(4)：63- 65．

[6]VAN Der Broeck，HEINZ Sauerlander,GEORG Wendt，et al．Power driver topologies and control schemes for LEDs [C]∥Proceedings of Applied Power Electronics Conference,APEC 2007-Twenty Second Annual IEEE．Anaheim:IEEE,2007：1319- 1325．

[7]HAN L，NARENDRAN N．An accelerated test method for predicting the useful life of an LED driver [J]．IEEE Transactions on Power Electronics,2010(5)：1- 10．

[8]沈海平．大功率LED可靠性預測機制研究 [D]．杭州:浙江大學信息學院，2008.

[9]伍言真，邱水生．Cuk電路穩(wěn)態(tài)分析的快速算法 [J]．華南理工大學學報(自然科學報)，1998，26(5)：28- 33．

WU Yan-zhen，QIU Shui-sheng．A fast algorithm for Cuk converter [J]．Jouranl of South China University of Technology(Natural Science Edition),1988,26(5):28- 33.

[10]MENEGHINI M，TREVISANELLO L R，MENEGHESSO G，et al．A review on the reliability of GaN-based LEDs [J].IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，2008，8(2)：323- 328．

[11]PANG H M,BRYAN P M H.A life prediction scheme for electrolytic capacitors in power converters without current sensor [C]∥Proceedings of the Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 2010(APEC2010).Palm Springs：IEEE，2010:973- 979．

[12]QIN Y X，HENRY S H C，LIN D Y，et al.Current source ballast for high power lighting emitting diodes without electrolytic capacitor [C]∥Proceedings of the 34th Annual Conference of IEEE on Industrial Electronics.Orlando:[s.n.]，2008：1968- 1973．

[13]GU Lin-lin，RUAN Xin-bo，XU ming，et al．Means of eliminating electrolytic capacitor in AC/DC power su-pplies for LED lightings power electronics [J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(5)：1399- 1404．

[14]BERGH A,CRAFORD G,DUGGAL A,et al.The pro-mise and challenge of solid-state lighting [J].Physics Today,2001,54(12):42- 47.

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

*基金項目:國家自然科學基金資助項目(50877082)；重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室研究項目(2007DA10512709303)

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

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

文章編號:1000- 565X(2016)04- 0034- 06

中圖分類號：TM 46

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