李勇智，王 玲，黃何平

（湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082）

基于多環(huán)控制的BuckBoost型LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

李勇智，王 玲，黃何平

（湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082）

在OCC（One Cycle Control）控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上提出一種多環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)了Buck－Boost型高效LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).重點(diǎn)闡述多環(huán)控制策略原理，建立系統(tǒng)模型，并分析了控制系統(tǒng)相關(guān)性能.系統(tǒng)仿真表明，新型多環(huán)控制系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、輸出阻抗低、動(dòng)態(tài)性能好等性能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).

LED照明；Buck－Boost；多環(huán)控制；小信號(hào)模型；功率因數(shù)

LED照明具有節(jié)能、高效、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等特點(diǎn)，是從白熾燈、熒光燈到高壓氣體放電燈之后的又一場(chǎng)照明光源革命［1］，也是“綠色照明”理念和半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［2］.LED照明的發(fā)展對(duì)消費(fèi)類(lèi)電子、汽車(chē)電子、信息產(chǎn)業(yè)及光電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生很大的推動(dòng)作用，LED照明的興起已是21世紀(jì)照明消費(fèi)產(chǎn)品的大勢(shì)所趨［3］，LED照明驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的高效性、快速響應(yīng)性、高功率因數(shù)、穩(wěn)定性等對(duì)該系統(tǒng)工作性能與設(shè)計(jì)提出了更高的要求.

常用的OCC控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)如圖1所示，其響應(yīng)速度快，跟隨控制能力和抗輸入擾動(dòng)能力較強(qiáng)，但由于濾波器性能的動(dòng)態(tài)特性，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出電壓波形會(huì)受到外界因素干擾，從而降低了驅(qū)動(dòng)變換器的動(dòng)態(tài)性能［4］.

圖1 OCC控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)

1 LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理

為了提高Buck－Boost型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)和動(dòng)態(tài)性能，在OCC控制策略的基礎(chǔ)上，提出了一種新型多環(huán)控制方法，設(shè)計(jì)出多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示.與OCC控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)相比，結(jié)構(gòu)上主要增加了由電壓微分器、增益Kc及加法器組成的環(huán)路和OCC控制的Ka，Kb這2條環(huán)路，故稱(chēng)為多環(huán)控制.

圖2 多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)

在圖2中，交流輸入電壓為ur經(jīng)過(guò)二極管整流后得到電壓uin.開(kāi)關(guān)管Q由RS觸發(fā)器控制，在時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，RS觸發(fā)器的同相端給開(kāi)關(guān)管1個(gè)高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通.輸出電壓uo經(jīng)過(guò)采樣得到1個(gè)電壓信號(hào)Kbuo，該電壓與參考電壓信號(hào)uref共同輸送給誤差放大器.ue經(jīng)過(guò)電壓補(bǔ)償?shù)玫叫盘?hào)ucp之后再輸送給比較器的反相端.電壓信號(hào)uD經(jīng)過(guò)采樣得到的信號(hào)KauD再輸送給加法器的1個(gè)輸入端，加法器的另一個(gè)輸入端是輸出電壓經(jīng)過(guò)微分器、增益Kc后的電壓信號(hào)Kcuvd，加法器的輸出端接到帶復(fù)位開(kāi)關(guān)的積分器上，積分器的輸出端uint與比較器的同相端相連，當(dāng)積分電壓信號(hào)uint上升到補(bǔ)償后的電壓信號(hào)ucp后，比較器輸出高電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，同相端輸出低電平，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，反相端輸出高電平，使復(fù)位積分器復(fù)位清零，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)，開(kāi)關(guān)管再次導(dǎo)通.

2 LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

2.1 主電路小信號(hào)模型

采用狀態(tài)空間平均法［5］為Buck－Boost型大功率LED照明驅(qū)動(dòng)主電路建模，取電感電流、電容電壓為狀態(tài)變量，輸入輸出電壓分別為輸入輸出狀態(tài)變量.Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)主電路空間狀態(tài)平均方程為

其中：iL為電感電流；uC為電容電壓；uin為輸入電壓；uO為輸出電壓；D為導(dǎo)通占空比.對(duì)各相關(guān)變量施加小信號(hào)擾動(dòng)，去除二階小信號(hào)部分，采用拉普拉斯變換可得傳遞函數(shù)為：

根據(jù)上述傳遞函數(shù)可以畫(huà)出Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路小信號(hào)模型如圖3所示.

2.2 多環(huán)控制小信號(hào)模型

圖2中的微分器由電阻Rb、電容Cb構(gòu)成，則有

圖3 Buck－Boost型驅(qū)動(dòng)器主電路小信號(hào)模型

其中：uvd為電壓微分器的輸出電壓；uo為輸出電壓；

uint為積分電壓；Tint為積分時(shí)間；d為導(dǎo)通占空比；TS為時(shí)鐘脈沖周期；uD為反饋電壓；Ka，Kb為2條環(huán)路的增益.令Tint＝TS，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，反饋電壓uD等于輸入整流電壓uin，并且當(dāng)積分器的輸出電壓信號(hào)uint等于電壓補(bǔ)償器的輸出ucp時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，開(kāi)關(guān)管Q斷開(kāi)，RS觸發(fā)器的反相端使得帶復(fù)位開(kāi)關(guān)積分器復(fù)位清零，則

對(duì)（1）式中的基本變量取小信號(hào)擾動(dòng)，去2階小信號(hào)部分，采用拉普拉斯變換可得

多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)小信號(hào)模型如圖4所示.

2.3 系統(tǒng)模型

結(jié)合Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路小信號(hào)模型和多環(huán)控制小信號(hào)模型，可以得到多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型如圖5所示.

圖4 多環(huán)控制小信號(hào)模型

圖5 多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

運(yùn)用梅森公式［6］化簡(jiǎn)可得輸入輸出傳遞函數(shù)為

從（2）式可以看出，即使輸入電壓有一個(gè)較大的擾動(dòng)，輸出電壓也不會(huì)受到影響，即多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗輸入干擾能力.多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制輸出傳遞函數(shù)和系統(tǒng)環(huán)路增益函數(shù)分別為：

3 仿真分析

為了驗(yàn)證文中所提出的多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效性與合理性，運(yùn)用MATLAB中Simulink，SimPowerSystems工具［7］分別建立Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)的主電路模型和多環(huán)控制模型，以輸入、輸出端口同名的形式連接，如圖6，7所示.主要電路參數(shù)：輸入電壓為90～270V（額定220V）；開(kāi)關(guān)頻率為100kHz；輸出電壓為40V.由示波器Scope1輸出可得多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的交流輸入電壓和輸入電流波形，如圖8所示.從圖8可以看出輸入電壓為220V、頻率為50Hz的正弦波，輸入電流波形近似正弦，即輸入電流很好地跟蹤輸入電壓，總諧波失真小，功率因數(shù)高.圖9為示波器Scope2的系統(tǒng)輸出電壓波形，從圖9可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量較小，輸出電壓穩(wěn)定為－40V，實(shí)現(xiàn)了反極性輸出，符合輸入與輸出電壓關(guān)系.

圖6 Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)主電路模型

圖7 多環(huán)控制模型

圖8 交流輸入電壓與電流波形

圖9 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出電壓波形

當(dāng)t＝0.01s時(shí)，在輸入電壓端施加一個(gè)幅值為25V、周期為0.004s的方波電壓信號(hào)擾動(dòng)，如圖10所示.從圖10可以看出，輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)，輸出電壓沒(méi)有受到影響，繼續(xù)保持穩(wěn)定輸出，和前面輸入輸出傳遞函數(shù)為0的分析結(jié)果完全吻合.

當(dāng)t＝0.01s時(shí)，使負(fù)載電流瞬間從1A跳變到0.8A，如圖11所示.由此可知，當(dāng)負(fù)載電流跳變時(shí)，輸出電壓波形也產(chǎn)生一個(gè)較大的跳變，但經(jīng)過(guò)相當(dāng)短的時(shí)間，輸出電壓就恢復(fù)穩(wěn)定，因此，多環(huán)控制Buck－Boost型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)負(fù)載性能.

圖10 抗輸入電壓擾動(dòng)分析

圖11 抗負(fù)載擾動(dòng)能力分析

圖12為OCC控制策略和多環(huán)控制策略下Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)功率因數(shù)與占空比的關(guān)系，可以看出，這2種控制策略在不同占空比下的功率因數(shù)均大于0.9，并且多環(huán)控制策略的功率因數(shù)明顯要高于OCC控制策略，并達(dá)到0.99.

圖12 功率因數(shù)與占空比的關(guān)系

圖13 寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù)曲線

圖13為OCC控制策略和多環(huán)控制策略Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù).從圖13可以看出，這2種策略在90～270 V寬輸入電壓范圍內(nèi)的功率因數(shù)均大于0.92，并且多環(huán)控制策略的功率因數(shù)要高，從而體現(xiàn)了多環(huán)控制策略的優(yōu)勢(shì).

圖14為輸出阻抗特性.從圖14可以看出，多環(huán)控制策略Buck－Boost型LED驅(qū)動(dòng)的輸出阻抗要比OCC控制策略小，因此，多環(huán)控制策略Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受負(fù)載電流變化的影響小，動(dòng)態(tài)負(fù)載特性好.

圖14 輸出阻抗特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

在OCC控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上提出了一種多環(huán)控制策略，得到Buck－Boost型LED照明高效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并在多環(huán)控制策略基本原理分析的基礎(chǔ)上建立了主電路小信號(hào)模型、控制環(huán)節(jié)小信號(hào)模型及整個(gè)系統(tǒng)模型，通過(guò)MATLAB軟件中Simulink、SimPowerSystems工具建模仿真可知：在多環(huán)控制Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)中，輸入電流很好地跟蹤輸入電壓，總諧波失真小，功率因數(shù)高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量較小，輸出電壓穩(wěn)定在－40V，具有很高的抗輸入電壓擾動(dòng)和抗負(fù)載擾動(dòng)能力.和OCC控制策略相比，多環(huán)控制策略下Buck－Boost型LED照明驅(qū)動(dòng)在不同占空比和寬輸入電壓范圍下功率因數(shù)均高（達(dá)到0.99），從輸出阻抗特性曲線可以看出，多環(huán)控制下輸出阻抗小，動(dòng)態(tài)負(fù)載性能要好.

［1］ TSAO J Y.Solid－State Lighting：Lamps，Chips and Material for Tomorrow［J］.IEEE Circuits Devices Magazine，2009，20（3）：28－37.

［2］ MEHTA R，DESHPANDE D，KULKARNI K.LEDs－A Competitive Solution for General Lighting Applications［J］.IEEE Energy，2008（9）：1－5.

［3］ 廖志凌，阮新波.半導(dǎo)體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，21（9）：106－111.

［4］ HWU K，CHOU S.A Simple Current－Balancing Converter for LED Lighting［J］.IEEE Applied Power Electronics，2012，16（2）：16－19.

［5］ 裴云慶，楊 旭，王兆安.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：87－90.

［6］ 黃 堅(jiān).自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2008：38－46.

［7］ 浦錫鋒，王宏華.基于MATLAB的單周期控制PFC Boost變換電路建模與仿真［J］.電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2007，63（6）：145－147.

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

Design of Buck－Boost LED Lighting Driver Based on Multi－Loop Control

LI Yong－zhi，WANG Ling，HUANG He－ping
（College of Physics and Information Science，Hunan Normal University，Changsha 410082，China）

A multi－loop control strategy is proposed based on OCC（One Cycle Control）－controlled Buck－Boost LED lighting driver，and a novel efficient Buck－Boost LED lighting driver is obtained.The multiloop control strategy principles are analyzed in detail，the system model is built and the control system performance is made in－depth studies.It can be seen through system simulations that the novel multi－loop control system has better performance such as high power factor，low output impedance and good dynamic performance，and it has achieved the desired goal.

LED lighting；Buck－Boost；multi－loop control；small signal model；power factor

TP311；TM464

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.03.009

1007－2985（2013）03－0039－06

2013－04－11

湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（12C1168）

李勇智（1988－），男，湖南常德人，湖南師范大學(xué)碩士研究生，主要從事開(kāi)關(guān)電源、LED驅(qū)動(dòng)、芯片設(shè)計(jì)及通信與信息技術(shù)處理等研究

王 玲（1962－），女，湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院教授，博導(dǎo)，主要從事現(xiàn)代網(wǎng)通信技術(shù)和噪聲電子學(xué)研究.