中心議題：

• 有源紋波補(bǔ)償BUCK電路
• 有源紋波補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)
• 有源紋波補(bǔ)償LED驅(qū)動電路仿真與分析

解決方案：

• 紋波電流檢測
• 紋波補(bǔ)償實現(xiàn)
• 輸出電流計算

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(dāng)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(dǎo)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(yīng)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(xiàn)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(yīng)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(dǎo)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償電路。

圖1 有源紋波補(bǔ)償BUCK 電路拓?fù)鋱D

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(dāng)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(bǔ)償。
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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(bǔ)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(dǎo)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( VCE≥VCES) 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(bǔ)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(bǔ)償原理圖[page]

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(bǔ)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：

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(dǎo)通狀態(tài)，iC≈0，晶體管VT 的補(bǔ)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(bǔ)償。

3. 輸出電流計算
當(dāng)k = 1 時，晶體管T 補(bǔ)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。
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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(bǔ)償電路進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(bǔ)償。根據(jù)斜坡補(bǔ)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[page]

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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償電流將電感紋波電流完全補(bǔ)償，驗證了結(jié)論的正確性。

圖6 完全補(bǔ)償波形圖

四、結(jié)束語

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(bǔ)償電路對電感紋波電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。該電路取消電解電容濾波，采用線性晶體管補(bǔ)償電感紋波電流，方法簡單、易于實現(xiàn)，而且補(bǔ)償效果好，輸出電流恒定。仿真結(jié)果證實了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。