李 丹 張代潤 楊 林

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610000）

基于軟開關(guān)技術(shù)的單開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)電路研究

李 丹 張代潤 楊 林

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610000）

本文給出了一種應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)場合的單開關(guān)軟起動(dòng)boost電路。電路包含兩個(gè)串聯(lián)諧振電路，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電流開通和關(guān)斷，降低開關(guān)損耗，從而大幅提高驅(qū)動(dòng)電路的效率。本文提出的驅(qū)動(dòng)電路能夠提供恒定的輸出電流，且不受輸出電壓波動(dòng)的影響，因此該驅(qū)動(dòng)電路非常適合于LED驅(qū)動(dòng)。平均輸出電流與開關(guān)頻率、諧振電容及輸入電壓有關(guān)，而不受輸出電壓波動(dòng)的影響。因此，對于特定的輸出電流，該驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率和占空比是恒定的，這也使得控制電路非常簡單，非常適合于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求高的場合。本文給出了一種12V/60V驅(qū)動(dòng)電路的仿真結(jié)果，以驗(yàn)證該電路的正確性和有效性。

LED驅(qū)動(dòng)電路；諧振電路；零電流起動(dòng)；開關(guān)損耗；軟開關(guān)

全球電能需求持續(xù)增長，其中照明用電占全球電能需求的20%[1-3]。以低能消耗方式滿足更多的照明需求，照明設(shè)計(jì)工作中的照明效率則至關(guān)重要[4]。LED（發(fā)光二極管陣列）擁有高效率、高亮度、長壽命周期、快速響應(yīng)及高度集成、可選顏色多等很多優(yōu)秀特性，可以滿足高效率照明的需求，近些年已經(jīng)開始取代了傳統(tǒng)照明長期使用的熒光燈和白熾燈，得到了愈加廣泛的應(yīng)用。此外，LED結(jié)構(gòu)中不需使用水銀和其他有害化學(xué)成分，也使得其在應(yīng)用過程中不會(huì)污染環(huán)境，在綠色照明趨勢下，這是一個(gè)非常重要的優(yōu)勢[5-8]。

LED照明的密度取決于流過其中的電流，因此，控制流過LED燈串的電流是非常必要的。而且，恒定電流有利于消除LED中的頻閃，50Hz的頻閃通常容易造成眼部疲勞及其他的傷害。與線性控制電源相比較，開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED燈串時(shí)可以提供更高的效率、功率密度和更高的控制精度，因此，是一種更為理想的選擇。

近年來，出現(xiàn)了很多基于多種不同拓?fù)潆娐返腖ED驅(qū)動(dòng)電路，主要是通過設(shè)計(jì)輸出電流恒定的驅(qū)動(dòng)電路和獨(dú)立輸出電流和獨(dú)立輸出電壓的驅(qū)動(dòng)電路。在文獻(xiàn)[9]中，作者提出了一種基于buck驅(qū)動(dòng)電路的LED驅(qū)動(dòng)電路。這種buck驅(qū)動(dòng)電路通過一個(gè)開關(guān)管具有高功率因數(shù)、高效率和低諧波電流的特性。然而這種驅(qū)動(dòng)電路是硬開關(guān)模式，其開關(guān)損耗較高。文獻(xiàn)[10-11]分別給出了一種用于LED驅(qū)動(dòng)的高效率、低功耗硬開關(guān)buck電路和boost電路。文獻(xiàn)[12]提出了一種高效率變壓器低諧振buck驅(qū)動(dòng)電路，通過斷續(xù)導(dǎo)通模式實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和調(diào)光的目的，然而，這種驅(qū)動(dòng)電路所需元器件較多。文獻(xiàn)[13]中對應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)有斬波電路（Cuk，SEPIC和buck-boost）進(jìn)行了比較分析。

本文給出了一種無頻閃單開關(guān)軟起動(dòng)諧振LED驅(qū)動(dòng)電路，其控制電路也比較簡單。在串聯(lián)諧振支路上，開關(guān)動(dòng)作于電感電流為零時(shí)刻，因此開關(guān)管的開關(guān)損耗降低了，進(jìn)而提高了驅(qū)動(dòng)電路效率。該電路工作時(shí)，其占空比和頻率是恒定的。本文也給出了理論分析和仿真結(jié)果。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所提出的LED驅(qū)動(dòng)電路工作在升壓模式，該驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是可以維持輸出電流穩(wěn)定，適合用于LED驅(qū)動(dòng)（如圖1所示）。

圖1 LED驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?/p>

該驅(qū)動(dòng)電路包含一個(gè)單向開關(guān)S，輸出電容Co，串聯(lián)諧振支路 L1和 C1，傳輸電感 L3和一個(gè)電感值較大用來給諧振電容C1放電的電感L2。輸入為恒定直流電壓，輸出電容Co足夠大可認(rèn)為輸出電壓為恒定值。因?yàn)長2電感值很大，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流過其中的電流可視為恒定，因此，在等效電路中可將L2視為一個(gè)電流值較小的恒流源。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將驅(qū)動(dòng)電路的工作過程分為3個(gè)階段（其穩(wěn)態(tài)工作波形如圖2所示）。

1）第一階段。假設(shè)在第一段開始之前，流過L1、L3的電流為零，電容C1兩端電壓Vc1等于-V1。所以在t1時(shí)刻，主開關(guān)管S在零電流狀態(tài)下開通，一個(gè)LC諧振電路（L1和C1）形成并且向C1充電。在 C1充電過程中，在半個(gè)諧振周期內(nèi)流過 L1的電流會(huì)先增大然后減小。當(dāng)流過了L1的電流降為零時(shí)，C1電壓達(dá)到最大，第一階段結(jié)束（如圖3所示）。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)態(tài)工作波形

圖3 第一階段

2）第二階段。在t2時(shí)刻，S在零電流狀態(tài)下關(guān)斷，二極管D在零電流狀態(tài)下導(dǎo)通。另一個(gè)LC諧振電路（L1、C1和L3）形成并給電容C1放電，使電容 C1上儲(chǔ)存的能量傳輸?shù)捷敵龆?。與第一階段相似，在半個(gè)諧振周期內(nèi)輸出電流會(huì)先增大然后降低。電容 C1放電至其電壓值達(dá)到-V2。當(dāng)流過二極管的電流為零時(shí)第二階段結(jié)束（如圖4所示）。

圖4 第二階段

3）第三階段（如圖5所示）。在t3時(shí)刻，二極管D在零電流狀態(tài)下關(guān)斷，此時(shí)只有輸出電容Co向負(fù)載提供能量。電容 C1會(huì)通過電感 L2繼續(xù)放電，直至電容C1上的電壓值達(dá)到-V1，此時(shí)第三階段結(jié)束。

圖5 第三階段

2 電路工作原理

為了分析驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)態(tài)工作過程，需要在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)做出幾個(gè)假設(shè)。

1）所有半導(dǎo)體器件均為理想器件。

2）L2電感值很大，流過 L2的電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可視為恒定的。

3）L1和C1之間的諧振要比L1、C1和L3之間的諧振更快，以保證滿足零電流開關(guān)的條件，所以L3電感值要比L1大。

4）L1和C1之間的諧振頻率大于開關(guān)頻率。

如前所述，在第一階段之前，所有電流均達(dá)到零且諧振電容 C1電壓等于-V1。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，諧振電容C1被充電至2Vs+V1。此時(shí)，開關(guān)管在零電流條件下關(guān)斷，二極管D在零電流條件下導(dǎo)通，因此，儲(chǔ)存在諧振電容C1中的能量將會(huì)通過諧振的方式傳輸至輸出端。

當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電容會(huì)被放電至其電壓值為2Vout-2Vs-V1。因此：

L1和C1之間的諧振持續(xù)半個(gè)諧振周期T1/2，L1、C1和L3之間的諧振持續(xù)半個(gè)諧振周期T2/2。最后一個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間等于T3。因此：

分別對電感應(yīng)用伏秒平衡原理和對電容應(yīng)用充電平衡原理，可以得到

式中，T為開關(guān)周期；Iout為平均輸出電流；Z2可由下式得到

由式（1）和式（3）可以得到

第三階段滿足下式：

由式（3）、式（4）、式（6）和式（7）可以得到

由上式可知，平均輸出電流不受輸出電壓波動(dòng)的影響，只受開關(guān)頻率、電容C1和輸入電壓的影響。因此，如果輸入電壓、開關(guān)頻率和電容C1不變，驅(qū)動(dòng)電路將會(huì)輸出恒定的平均電流，可視為恒流源。這種特性使得該驅(qū)動(dòng)電路非常適合驅(qū)動(dòng)LED。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證以上對驅(qū)動(dòng)電路的分析，進(jìn)行了基于Pspice軟件的仿真實(shí)驗(yàn)。輸入電壓為 12V，開關(guān)頻率為83kHz。其他元件的參數(shù)見表1。

表1 電路元件參數(shù)

圖6給出了驅(qū)動(dòng)電路的Pspice仿真模型，該驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓為60V，輸出功率為20W，輸出電流接近于300mA。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路仿真模型

圖7 給出了開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓Vp及相應(yīng)的輸入電流iin波形。如圖所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為高電平時(shí)，輸入電流從零開始增大，因此，當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，零電流條件得到滿足。同樣，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖關(guān)斷時(shí)，輸入電流達(dá)到零，因此，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，零電流條件得到滿足。由于開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)，流過其中的電流都恰好達(dá)到零，因此開關(guān)管的開關(guān)損耗幾乎為零。

圖7 輸入電流和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓

圖 8為二極管電流 iD和電壓 VD波形。如圖所示，二極管導(dǎo)通和關(guān)斷都恰好發(fā)生在零電流的條件下。

圖8 二極管電流和電壓

圖9 所示為諧振電容C1的電壓VC1波形。如果第一段初始電壓為-V1，該電容將會(huì)被充電至 2Vs+V1。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電容C1會(huì)被放電至2Vout-2Vs-V1，C1所儲(chǔ)存的能量傳輸?shù)捷敵龆恕?/p>

圖9 電容C1電壓

圖 10給出了輸出電流 io的波形，輸出電壓Vo為 60V，濾波電容的濾波作用，使輸出電壓波形幾乎無紋波。同理，輸出電流也達(dá)到了300mA，而且隨著驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作階段，輸出電流也穩(wěn)定在300mA。

圖10 輸出電壓和輸出電流

4 結(jié)論

LED需要恒定電流來驅(qū)動(dòng)，而且要求流過LED的電流不受電壓波動(dòng)影響，本文給出了這種單開關(guān)軟起動(dòng)諧振LED驅(qū)動(dòng)電路。通過實(shí)現(xiàn)零電流起動(dòng)的方式提高了驅(qū)動(dòng)電路的工作效率。該驅(qū)動(dòng)電路能夠提供不受輸出電壓波動(dòng)所影響的恒定平均輸出電流。同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)電路所需的元器件較少，較為經(jīng)濟(jì)，因此特別適合于LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。本文最后給出的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該前面對該驅(qū)動(dòng)電路的理論分析。

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Study on LED Driving Circuit with Single Switch based on Soft-switch Technique

Li Dan Zhang Dairun Yang Lin
(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610000)

This paper presented a new boost circuit based on soft-switch technique for LED driving applications. The driving circuit consists of only one switch and several other components. The main switch turns on or off under ZCS conditions, which results in high efficiency. This driving circuit can offer constant average output current independent of output voltage variations, and is especially suitable for LED driving uses. The average output current is related to the switching frequency, input DC voltage and resonant capacitor. For one specific LED driving circuit, the constant average output current corresponds to specific switching frequency, input DC voltage and Duty, and this makes it simple to design the control system. Fewer components needed in the circuit mean less cost, which is really important for both the manufacturers and customers.

LED driving circuit; resonant circuit; zero current switch; switching loss; softswitching

李 丹（1987-），男，四川省成都市人，碩士研究生，主要從事電力電子技術(shù)與特種電源研究工作。