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一类LED驱动电源的优化设计[1]

2014-1-9  来源:(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆市沙坪坝区 400044)  作者:孙明坤 周雒维 罗全明   有4137人阅读

针对一种用串联谐振变换器实现LED开环恒流的方案,本文提出了一种较为完备的优化设计方法。文中通过对串联谐振变换器开环工作状态的等效分析,确定开环恒流条件和谐振参数与开关频率的选择依据,以及LED数目、变压器变比与恒流误差之间的关系,为LED数目及变压器变比的优化选择奠定了理论基础。

  1 引言

  LED具有光线质量高、功耗小、寿命长、绿色环保等优点,已在大屏幕色彩显示、LCD背光源、景观照明、室内装饰等领域得到广泛应用,并且在汽车照明、隧道照明、普通照明等领域的应用得到逐步推广。LED的伏安特性是非线性的,驱动电压非常小的波动能造成驱动电流比较大的变化;LED具有PN结负温度特性,LED温度升高会致使阀值电压减小,LED电流增大,LED发热,温度继续升高,LED最后损坏;LED的发光强度与流过其平均电流成正比,所以LED常采用恒流驱动的形式[1]。

  目前LED常见的恒流驱动采用的方法是通过在大功率LED回路串联一个检测电阻来检测电流,或者通过电容两端电压来间接的反馈电流,实现对LED的恒流控制。无论哪种恒流驱动方法都需要反馈闭环控制,需要对控制回路进行设计,电路比较复杂,可靠性也会降低[2][3]。串联谐振变换器具有恒流特性,可以将其用于实现LED的开环恒流驱动。目前谐振电路在LED驱动电源中应用的不多。文献[4]是将谐振电路用于提供高频正弦波电压的电压源;文献[5][6]是通过串联谐振电路实现开环恒流。区别是文献[5]让串联谐振电路工作在电流断续状态,不需要电流采样,实现输出电流恒流,但电路工作在断续状态,开关频率小于谐振频率,电流峰值比较大,效率不高。文献[6]是让串联谐振电路工作在连续状态下,实现开环恒流。但是文献中的分析设计忽略了负载电压与输入电压的相位差,文中仅对部分参数进行设计。

  带有功率因数校正(PFC)功能的两级LED驱动电路机构主要由前级BOOST结构实现PFC功能,并为后级提供稳定的400V的电压;后级为恒流驱动器。若后级能够开环实现恒流,会降低设计复杂程度,并能提高系统可靠性,为此文中将串联谐振电路用于此种结构的后级恒流驱动器中。电路工作在谐振电感电流连续状态,能实现开环恒流。文中对该电路进行分析,确定开环恒流的条件,并对变换器中的谐振参数、开关工作频率、变换器所能驱动的LED数目m以及变压器变比n的确定提供了依据。本文根据分析进行设计,并进行仿真与试验。

  2 恒流源的分析

  2.1 LED的等效模型

  LED是PN结光电器件,其伏安特性具有非线性和单向导电性,在正向电压小于某一值时,电流非常小,不发光,当正向电压超过某一值后,正向电流随着正向电压的增加而迅速增加,LED的伏安特性模型可用式(1)表示[1]。

  (1)

  其中,Vturn-on为LED阀值电压,Rs为伏安特性曲线的斜率。由此可以得到如图1所示的LED的等效电路模型:

  图1 LED等效电路模型

  2.2 恒流源电路的等效电路

  文中以半桥结构的串联谐振电路为例进行分析设计。谐振电路原理图如图2所示。图中n为变压器变比,m是LED数目,变压器只起隔离和传递能量的作用。

  图2 谐振电路原理图

  为简化分析,根据图2 将二次侧负载折算到变压器一次侧,得到谐振电路的简化电路图,如图3所示。

  图3 谐振电路简化电路图

  采用基波分析,可以得到输入电压的基波:

  (2)

  输入电压的基波有效值为:

   (3)

  谐振电流的基波为:

   (4)

  其中θ为谐振电流相对输入电压的相位差,IRMS为谐振电流基波有效值。LED等效电源的基波为:

  (5)

  由于LED等效电源的基波与谐振电流基波同相位,所以在计算IRMS时,可以用替代定理将LED用等效电阻RLED代替。

  (6)

  并且变压器激磁电感LM比较大,可以将简化电路等效,等效电路图如图4所示。

  图4 谐振电路等效电路图

  根据图4可以得到谐振电流基波有效值:

  (7)

  并且流过LED的平均电流为:

   (8)

  所以根据表达式(6-8),可以得到流过LED的平均电流:

  (9)

  其中:

  根据表达式(9-11),可以看出,若要实现流过LED的平均电流大于0,就需要满足:

  (13)

  并且若满足表达式(14-15)的情况下,若谐振频角频率ω0、输入电压Vin、隔离变压器变比n及谐振电感Lr固定,流过LED的平均电流值只与谐振电路的开关角频率相关。LED平均电流与开关频率的具体变化关系可以从图5看出。

  

  图5 LED平均电流与开关频率的关系图

  图5(a)中可以看出,在谐振角频率附近,随着LED数目的变化,LED平均电流值变化比较明显。图5(b)是图5(a)的局部放大图,从图中可以看出,在开关频率大于或低于谐振频率时,LED数目的变化对LED平均电流值的影响非常小。根据LED工作电流范围可以确定开关频率的选择范围。为此,可以将表达式(14)(15)视为串联谐振电路实现开环恒流的条件。

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