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        基于降壓型I2峰值電流控制的LED驅動電源

        2018-12-12 07:25:14劉沅玲
        時代農機 2018年10期

        劉沅玲

        (長春光華學院 電氣信息學院,吉林 長春 130000)

        在全球能源消耗中,20%的能源消耗在照明類光源,LED照明作為綠色、低碳、節(jié)能的光源,廣泛應用到各行各業(yè),由于LED照明的低壓直流驅動特性,因此對LED照明的驅動電源的要求較高。文章選用I2環(huán)及峰值電流對LED驅動電路進行控制,提高LED驅動電路的穩(wěn)定性,進一步提高LED照明發(fā)光質量和正常使用壽命。

        1 降壓型開關電源的拓撲結構及工作原理

        1.1 降壓電路

        降壓(step-down)型開關電源也成為Buck電路,利用功率管控制電路,在開關周期內對電感持續(xù)進行儲能和釋放能量,可以實現(xiàn)給負載提供持續(xù)恒定電流。

        1.2 Buck變換器工作原理

        根據(jù)電感工作原理可得,電感中的電流具有兩種工作模式,一種為連續(xù)工作模式,一種為斷續(xù)工作模式。電感中的電流在連續(xù)和斷續(xù)的臨界點時的電感稱為臨界電感,這時的臨界電感可表示為:

        由式(1)可知,電路中的電感值需要大于臨界電感值,電路才能提供連續(xù)電流。假設在電路中的元器件均為理想狀態(tài),并且忽略電路中元器件的寄生參數(shù)的情況下對電流連續(xù)的Buck變換器電路兩種工作情況進行分析。

        (1)S閉合。開關管S導通,續(xù)流二極管承受反向電壓處于截止狀態(tài),如圖1所示。

        圖1 高電平時等效電路

        忽略功率管導通時電容的寄生參數(shù),則根據(jù)電路原理可以得到電感電流及電壓的關系:

        當t=DT=Ton時,電感電流iL達到峰值ILmax,此時iL的增量為:

        (2)S關斷

        當t=t1時,開關管S關斷,此時電感兩端的電流與電壓關系可表示為:

        當t=Ts時,電感能量釋放殆盡,則電感電流為最小值ILmin,可得到iL的減少量為 △iL-:

        當Buck變換器穩(wěn)定工作時,利用電感的伏秒平衡關系得:

        利用式(3)及式(5)將式(6)化簡可以得到:

        2 Buck變換器反饋控制環(huán)節(jié)

        反饋環(huán)節(jié)可采用電流反饋和電壓反饋兩種反饋模式,具體可分為電流模式、電壓模式、平均電流模式、滯環(huán)電流模式以及相加模式,在LED驅動電路的設計中常選擇電流模式與電壓模式,

        2.1 電壓反饋控制模式

        系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)只有一個單電壓反饋,可以提高系統(tǒng)的相應速度,但是無電流環(huán)反饋,需要不斷調整輸入電流值才能實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出;若信號變化量增大時,開關管輸出波動量會影響系統(tǒng)輸出。

        2.2 電流反饋控制模式

        在電流反饋中,采集電感端電流反饋,根據(jù)對電感電流采樣電路形式的不同,有兩種電流反饋控制模式:峰值電流控制模式(PCM)和平均電流控制模式(ACM)。

        (1)PCM控制模式。降壓電路為系統(tǒng)的主電路,控制電路為電感峰值電流控制模式。在該模式下中存在兩個反饋環(huán)節(jié),因此稱為峰值電流控制I2環(huán)節(jié),利用峰值電流控制I2環(huán)對電感電流的峰值進行采集,通過導通時間的控制,電感充電與放電時間發(fā)生改變,從而可調整電感電流峰值電流的產生時刻。

        I2環(huán)峰值電流反饋的優(yōu)點:①電路響應速度更快;②可以控制輸出量的變化。③實現(xiàn)系統(tǒng)的降階,改善了頻率響應。

        (2)ACM控制模式。為了精確調制電路中的輸出,采用控制平均電流的電路模式,主電路采用降壓式電路。在平均電流控制中,要進行電流積分來控制導通時間,但是引入積分環(huán)節(jié)后,降低了系統(tǒng)的相應速度,影響LED驅動電路的正常工作。

        3 Buck電路動態(tài)模型分析

        開關網(wǎng)絡模型采用平均開關網(wǎng)絡模型的方法推出基于一階模型方法的Buck電路在CPM下的動態(tài)模型。

        CPM方式Buck電路端口變量波形平均值為

        由一階模型得

        由式(8)解出占空比為

        將式(10)和式(11)帶入式(9)得

        上式表明,功率平衡條件在二端口開關網(wǎng)絡中適用。

        引入小信號擾動:

        將(14)~(18)帶入功率平衡方程式(13),可得:

        輸出端口電流擾動信號經(jīng)過線性化處理后化簡為:

        可求出控制至輸出的傳遞函數(shù)為

        輸入至輸出的傳遞函數(shù)為

        4 實驗調試及結果分析

        圖4為LED照明的輸出電流波形,可以看到,利用I2峰值電流控制的LED驅動電路的輸出電流波形可近似看做一條直線,能夠實現(xiàn)LED照明所需要的低壓恒流驅動條件,提高了LED驅動電路的穩(wěn)定性,確保了LED照明的工作壽命。

        圖4 LED輸出波形圖

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