劉琳

摘 要： 由于LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)中激光調(diào)節(jié)過程具有動態(tài)性，導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可靠性差。針對該問題，提出一種高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。利用二階格型陷波器組建數(shù)字式LED驅(qū)動的供電信號解析模型，從而得出開關(guān)電源的最佳發(fā)射功率，根據(jù)電源的動態(tài)載波值，擬合失真補(bǔ)償方程，提取開關(guān)電源的特征參量，融合LLC原理設(shè)計(jì)出LED開關(guān)電源的主要磁芯元件，給出LED開關(guān)電源電路所需的最大增益，得到LED開關(guān)電源變壓器實(shí)際匝比，并計(jì)算出變壓器電感電量各繞組的線徑，以此為依據(jù)完成高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)仿真證明，該方法的設(shè)計(jì)精度較高，可以有效地延長LED開關(guān)電源的使用壽命。

關(guān)鍵詞： 動態(tài)激光調(diào)節(jié)； 數(shù)字式LED； 開關(guān)電源； 失真補(bǔ)償方程

中圖分類號： TN86?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0143?04

Design of digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement

LIU Lin

（College of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

Abstract： The reliability of the traditional design method is poor due to the dynamic nature existing in the laser conditioning process in the design of LED switching power supply. Aiming at this problem， a design method of the digital LED switching power supply under high voltage dynamic measurement is proposed. The two?order lattice notch filter is used to establish the power supply signal analytical model driven by digital LED to obtain the optimal transmitting power of the switching power supply. According to the dynamic carrier value of the power supply， the distortion compensation equation is fitted. The characteristic parameters of the switching power supply are extracted to fuse to the main magnetic?core component of the digital LED switching power supply designed with LLC principle. The maximum gain required by the LED switching power supply circuit is given. The practical turns ratio of the LED switching power supply transformer is obtained. The wire diameter of each coil of the transformer inductance is calculated to design the digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement. The experimental simulation results show that the method has high design accuracy， and can prolong the service life of LED switching power supply effectively.

Keywords： dynamic laser conditioning； digital LED； switching power supply； distortion compensation equation

0 引 言

LED照明產(chǎn)品以其耐震動、能耗小、光效高、響應(yīng)快等優(yōu)勢成為替代白熾燈和熒光燈等老式電源的新一代綠色光源[1?3]。對于一個優(yōu)質(zhì)的LED照明產(chǎn)品來說，要在市場上取得領(lǐng)先的銷售地位不但要擁有一個質(zhì)量優(yōu)等的LED芯片，而且還必須具有一個良好的LED驅(qū)動系統(tǒng)[4?6]。目前大多數(shù)的開關(guān)電源技術(shù)還不夠成熟，存在可靠性低、效率較低等弊端，這些弊端大幅度地降低了LED照明燈具的壽命。在這種情況下，如何有效地提升LED開關(guān)電源的效率和可靠性成為電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以計(jì)算出變壓器電感電量各繞組的線徑，以此為依據(jù)完成對高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，成為很多專家和學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，同時(shí)也出現(xiàn)了很多好的方法[7]。

文獻(xiàn)[8]提出一種基于高功率因數(shù)的高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。該方法先給出數(shù)字式LED驅(qū)動功率的因數(shù)，利用SN3350構(gòu)成PWM恒流可調(diào)電路，給出開關(guān)電源的功率因數(shù)均值，以此為依據(jù)完成對數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法穩(wěn)定性較強(qiáng)，但是存在設(shè)計(jì)過程繁瑣，耗時(shí)長的問題。文獻(xiàn)[9]采用一種基于雙同步斬波模式的高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。該方法時(shí)間復(fù)雜度較低，但是采用當(dāng)前方法進(jìn)行LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)無法適應(yīng)激光調(diào)節(jié)的動態(tài)性，存在LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)可靠性差的問題。文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)提出一種基于反激式的高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。該方法可擴(kuò)展性較強(qiáng)，但是存在魯棒性較差的問題。

針對上述問題，本文提出一種基于高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證明，所提方法設(shè)計(jì)精度較高，可以有效地延長LED開關(guān)電源的使用壽命。

1 數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理

在對數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的過程中，先給出變壓器一次繞組上的電流表達(dá)式，得到初級繞組和次級繞組的匝數(shù)比，獲取LED開關(guān)電源變壓器各繞組的匝數(shù)比，給出輔助繞組匝數(shù)與次級繞組匝數(shù)的比值，計(jì)算出變壓器初級電感感量，利用該電感感量完成對數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。具體的步驟如下：

假設(shè)，由[Lp]代表變壓器初級繞組的電感量；[Vde]代表初級繞組兩端的電壓；在驅(qū)動信號為高電平時(shí)，[Np]代表開關(guān)電源一次繞組，當(dāng)[Np]上的電流線性上升時(shí)，則利用式（1） 給出[Np]上的電流表達(dá)式：

[ip=VdctonLpNp] （1）

式中[ton]代表MOS管的導(dǎo)通時(shí)間。

假設(shè)，由[is]代表次級繞組[Ns]上的電流；[isk]代表次級繞組上的峰值電流；[uout]代表輸出電壓；[toff]代表MOS管[Q1]的有效關(guān)斷時(shí)間；[Ls]代表次級繞組的電感量，則利用式（2）得到初級繞組和次級繞組的匝數(shù)比：

[NsNp=ufNf?Nsufmin×iskipkNs?isuoutLstoff×Q1] （2）

式中：[uf]代表兩端的電壓表述方程；[Nf]代表輔助線圈；[ufmin]代表電感的電學(xué)特性；[ipk]代表電流的峰值電流。

假設(shè)，[uoutmax]代表輸出功率最大時(shí)的輸出電壓，[uinmax]代表初級繞組上的最小輸入電壓，則利用式（3）獲取LED開關(guān)電源變壓器各繞組的匝數(shù)比：

[Nfisk=uinmax?Aeuinmax?uoutmax?ipk?dI?J?Lp] （3）

式中：[Ae]代表磁芯的橫截面積；[d]代表線徑；[I]代表電流值；[J]代表電流密度；[Lp]代表初級繞組的電感電量。

假設(shè)，[iskipk]代表次級電流峰值[isk]和初級電流峰值[ipk]的關(guān)系，則利用式（4）得到輔助繞組匝數(shù)與次級繞組匝數(shù)的比值：

[NfNs=iskipk?ton×tofff?D?ι??P] （4）

式中：[f]代表電源IC 的工作頻率；[D]代表MOS驅(qū)動信號的占空比；[ι]代表法拉第電磁感應(yīng)定律；[?P]代表磁芯材質(zhì)。

假設(shè)，[?]代表電源芯片的最大值；[μ]代表損耗分配因子，則利用式（5）計(jì)算出變壓器初級電感感量：

[μ?c=μ???j?θr?α?] （5）

式中：[?j]代表損耗分配因子；[θr]代表電容的容差；[α?]代表副邊繞組峰值電流。

假設(shè)，[Np]代表變壓器[TI]原邊繞組的匝數(shù)，則利用式（6） 完成對數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)：

[εe=TI?k??P?μ?cNp] （6）

綜上所述可以說明，利用數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理可以設(shè)計(jì)LED開關(guān)電源。

2 高壓動態(tài)測量下的LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)電源特征參量的提取

在對數(shù)字式LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，利用二階格型陷波器構(gòu)建LED驅(qū)動的供電信號解析模型，給出驅(qū)動補(bǔ)償系數(shù)，得到LED開關(guān)電源特征參量。具體的步驟如下：

假設(shè)，[zt]代表電源驅(qū)動信號；[xt]代表電源驅(qū)動信號模型的實(shí)部；[yt]代表電源驅(qū)動信號的固有模態(tài)函數(shù)；[at]代表系統(tǒng)融合參量；[eiθt]代表驅(qū)動電路可調(diào)電壓。則利用式（7）計(jì)算[zt]：

[zt=eiθt×xtyt?at] （7）

假設(shè)，[PN]代表數(shù)字式寬頻最大功率；[LN]代表傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間；[UN]代表LED的電容濾波；[mN]代表電阻隔離。則利用式（8）得到LED開關(guān)電源的最優(yōu)發(fā)射功率：

[?F?PN=EN?PNLN?mN?UN] （8）

假設(shè)，[v]代表驅(qū)動的速度；[β]代表傳播常數(shù)。則利用式（9）給出電源載波值動態(tài)失真補(bǔ)償方程：

[C2=vβ] （9）

利用給定的[β]代表傳播常數(shù)，提取LED開關(guān)電源的特征參量，利用式（10）表述：

[kp=krur+k?u?+kzuzfrur+βuz] （10）

式中：[krur]代表LED開關(guān)電源[ur]軸最小工作電源電壓；[k?u?]代表初級的漏感能量；[fr]代表特征參量在[ur]軸的分量。

假設(shè)，[k0]代表沿[ur]軸分量的初始值；[n]代表信號濾波的數(shù)量。則利用式（11）獲取LED開關(guān)電源正?？刂颇Ｊ较碌臓顟B(tài)：

[TL=n?ark0?urV0] （11）

式中[V0]代表外部電阻的比值。

綜上所述可以說明，在對數(shù)字式LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，利用二階格型陷波器構(gòu)建LED驅(qū)動的供電信號解析模型，給出驅(qū)動補(bǔ)償系數(shù)，得到LED開關(guān)電源特征參量，計(jì)算出LED開關(guān)電源正?？刂颇Ｊ较碌臓顟B(tài)，為實(shí)現(xiàn)對數(shù)字式LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2.2 基于功率校正的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)

在對數(shù)字式LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，以2.1節(jié)獲取的LED開關(guān)電源正?？刂颇Ｊ较碌臓顟B(tài)[TL]為依據(jù)，利用LLC諧振半橋的控制芯片設(shè)計(jì)出電感[L]與開關(guān)頻率關(guān)系，給出輸入電壓最低，電路峰值最大時(shí)的電感方程，獲取變壓器實(shí)際匝比，計(jì)算出變壓器電感電量各繞組的線徑，完成對數(shù)字式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。具體的步驟如下：

假設(shè)，[Uin_ms]代表輸入電壓的有效值；[Uo]代表PFC輸出電壓；[fsw_min]代表最低開關(guān)頻率。利用式（12）得到電感[L]與開關(guān)頻率的關(guān)系：

[L=U2in_msUo-2Uin_ms2fsw_minUoPoηTL] （12）

式中：[Po]代表輸出功率；[η]代表效率。

在選取LED開關(guān)電源的芯片時(shí)，要保障在最惡劣的情況下輸入電壓最低，電路峰值最大時(shí)也不會飽和，利用式（13）給出其電感方程：

[LIp=NAeΔB] （13）

式中：[ΔB]代表磁感的工作范圍；[Ae]代表磁性等效截面積；[N]代表電感線圈匝數(shù)。

假設(shè)，[U′in]和[U′o]分別代表輸出與輸入的等效基波分量；[Lr]代表變壓器漏感；[Lp]代表變壓器初級電感量，則利用式（14）獲取等效的電路增益函數(shù)：

[??=Lp?k，QMPKU′in?U′o?Uo_ fr×Lr，Lp] （14）

式中：[MPK]代表電路所需的最大增益；[Uo_fr]代表最大輸出電壓和諧振點(diǎn)輸出電壓；[k]和[Q]代表變壓器的電感匝數(shù)和峰值最大電流。

分析式（13）可以得出，峰值增益是[k]和[Q]的函數(shù)，在選取[k]和[Q]時(shí)，其峰值增益需要滿足電路最大的增益范圍，利用式（15）計(jì)算峰值增益：

[MPK=Mmax?Mfrk?Q×Uo_max] （15）

式中：[Mmax]代表電路所需最大增益；[Mfr]代表諧振點(diǎn)增益；[Uo_max]代表最大輸出電壓。

假設(shè)，[Np_min]代表變壓器初級最少匝數(shù)；[Bm]代表磁芯最大不飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。則利用式（16）得到變壓器實(shí)際匝比：

[na=nk+1kNp_min?Bm] （16）

假設(shè)，[Κp]代表開關(guān)電源的電流有效值，則利用式（17）獲取線圈的線徑和電流值的密切關(guān)系：

[?γ=Κp?na???LIp] （17）

利用式（16）計(jì)算的結(jié)果為依據(jù)，可以完成對數(shù)字式LED開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真證明

為了證明提出的基于高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下搭建高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真平臺。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于3臺420 W的LED開關(guān)電源樣機(jī)，如圖1所述。

3.1 不同方法的LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的有效性

分別采用本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法和基于反激式方法進(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)，比較兩種不同方法獲取電路峰值增益和輸出電流有效值設(shè)定值，利用對比的結(jié)果衡量不同方法進(jìn)行LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的有效性，對比結(jié)果見圖2，圖3。

分析圖2和圖3可以得出，利用本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法進(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的綜合有效性要優(yōu)于反激式方法進(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的綜合有效性，這主要是因?yàn)樵诶帽疚姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，先融合二階格型陷波器組建LED驅(qū)動的供電信號解析模型，得到LED開關(guān)電源最優(yōu)發(fā)射功率，給出電源載波值動態(tài)失真補(bǔ)償方程，提取開關(guān)電源特征參量，從而保障本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法進(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的綜合有效性。

3.2 不同方法的LED開關(guān)電源能耗和負(fù)載均衡性對比

分別采用本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法和基于反激式方法進(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)，比較兩種不同方法進(jìn)行LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的能耗和負(fù)載均衡性，對比結(jié)果見圖4，圖5。

從圖4和圖5中可以說明，利用本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法設(shè)計(jì)數(shù)字式LED開關(guān)電源的整體優(yōu)越性要高于反激式方法進(jìn)行數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)的整體優(yōu)越性，這是由于在利用本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法設(shè)計(jì)數(shù)字式LED開關(guān)電源時(shí)，給出輸入電壓最低，電路峰值最大時(shí)的電感方程，獲取變壓器實(shí)際匝比，計(jì)算出變壓器電感電量各繞組的線徑，大幅度提升了本文所提動態(tài)激光調(diào)節(jié)方法設(shè)計(jì)數(shù)字式LED開關(guān)電源的整體優(yōu)越性。

4 結(jié) 語

針對采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，無法適應(yīng)激光調(diào)節(jié)的動態(tài)性，存在LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)可靠性差的問題。本文提出一種基于高壓動態(tài)測量下的數(shù)字式LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證明，所提方法設(shè)計(jì)精度較高，可以有效地延長LED開關(guān)電源的使用壽命。

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