提出了一種新型的LED驅動電源，分析了其工作原理和工作特性

隨著時代的發(fā)展，科技的進步，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)在生活生產中的各個領域得到了廣泛發(fā)展，比如普通照明、醫(yī)療、交通等。因為LED是電流型器件，LED發(fā)出的光品質是由流經LED的電流大小和波動情況決定的，所以發(fā)展LED照明的關鍵在于其驅動器的創(chuàng)新與設計[1-2]。

如今LED驅動電源技術日益成熟，總體可分為單級式和兩級式。單級式LED驅動電源拓撲包括Buck、Buck-boost、Fly-back等，結構簡單，易于控制，成本較低，但是其功率因數較低，輸出電流紋波較大，影響LED的發(fā)光品質。兩級式LED驅動電源拓撲分為前級功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)模塊和后級DC-DC模塊。結構較單級式更為復雜，控制策略也更為繁瑣，相對成本就更高，而其優(yōu)點是功率因數會比較高，且輸出電流紋波比較低，在交流供電場合，更能滿足IEC 61000-3-2的諧波要求[3-8]。

文獻[9]提出了一種基于二次型Buck無頻閃無變壓器的LED驅動電源，具有較高的功率因數，降低了輸出紋波。但是其輸入電流存在過零死區(qū)的問題，影響其總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。

本文提出一種新型的的基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源，在二次型Buck拓撲的基礎上，級聯了一個Buck-boost變換器，消除了輸入電流過零死區(qū)，改善了其THD，進一步提高了電源的功率因數。同時，采用兩級式級聯結構，降低了二極管的電壓應力，使開關管的占空比工作在更合理的區(qū)域。

1 主電路拓撲的工作原理

如圖1所示為基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源的主電路拓撲圖。此拓撲由一個Buck-boost拓撲和一個二次型Buck拓撲級聯而成，共用一個開關管Q。Buck-boost拓撲包括開關管Q、電感L1、電容C1、二極管D2和二極管D3，二次型Buck拓撲包括開關管Q、二極管D4、D5、D6、D7、電感L2、L3和電容C2、Co。當電感L1和L2工作在電感斷續(xù)模式(Discontinuous Conduction mode，DCM)下，電路自動實現PFC。為了使電源效率更高，使電感L3工作在臨界連續(xù)模式(Critical Conduction Mode，CRM)下。

為了簡化分析，在本文中，假設：

(1)所有的開關管、二極管、電感和電容均為理想元件。

(2)開關頻率fS遠大于電網頻率fL。

(3)在開關周期內，電容電壓為恒定值。

經過分析，變換器可分為開關管Q導通和關斷的兩個主要工作模態(tài)，變換器的主要工作模態(tài)等效電路如圖2所示，驅動電源主要波形如圖3所示。

(2)關斷模態(tài)：如圖2(b)所示，當開關管關斷時,二極管D3、D5、D7導通，電感L1上的電流通過二極管D3續(xù)流，并向電容C1放電，電感L2上的電流通過二極管D4續(xù)流，并向電容C2放電，電感L3上的電流通過二極管D7續(xù)流，并向電容Co和負載放電。即電感電流峰值與續(xù)流時間的關系分別為：

其中，

由于電感L3工作在CRM模式下，電感電流

2 LED驅動電源工作特性分析

2.1 占空比D的分析

經過分析可得，理想情況下，驅動電源的電壓傳輸比為：

根據式(11)作圖4可得，與傳統(tǒng)的二次型Buck拓撲相比，在相同的電壓傳輸比的情況下，本文提出的電路拓撲能在更為理想的占空比的條件下工作，提高了電源穩(wěn)定性和電源效率。

2.2 電容C1、C2的特性分析

2.3 電感L1、L2、L3的工作特性分析

由于電感L3工作在CRM模式下，根據式(10)和式(16)可得：

取電感L2=400 μH，經計算分析，電感L1，L2的取值滿足式(22)和式(23)。

3 實驗結果分析

為了驗證理論分析的正確性，設計了功率為32 W的LED驅動電源，輸入電壓為220 V，頻率為50 Hz的交流電，輸出為電流1.6 A，電壓20 V的直流電，取開關頻率為30 kHz，電感比值

由圖6可知，輸入電流iin與輸入電壓uin基本保持同相位，且消除了原二次型Buck變換器輸入電流存在過零死區(qū)的問題，極大的改善了輸入電流的THD，PF值高達97.7%。輸出電流Io基本為一直線，極大地降低了紋波，消除了頻閃。

根據變換器的實驗參數，由式(15)和式(16)可得

由圖8分析可得，電感L1、L2工作在DCM模式下，電感L3工作在CRM模式下，也與理論分析保持一致。

4 結語

本文提出了一種新型的基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源。共用了一個開關管，控制簡單易行。消除了原二次型Buck拓撲結構的輸入電流死區(qū)問題，進一步提高了功率因數，改善了輸入電流THD。實驗表明，輸出電流紋波低，能實現恒流輸出,滿足LED驅動電源的要求。