關(guān)于基于CUK電路無電解電容的AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

0 引言

當(dāng)今人類面臨著嚴(yán)重的能源問題，而照明引起的能源損耗更是大的驚人。在此背景下，有著節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)的LED在近些年發(fā)展迅速[1]。LED的使用需要性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電源作為支撐，常用的LED驅(qū)動(dòng)電源需要大的電解電容來降低輸出電流紋波，而電解電容是LED驅(qū)動(dòng)電源中壽命最低的一個(gè)環(huán)節(jié)，其使用會(huì)大大降低整體的壽命，同時(shí)，也會(huì)引起功率因數(shù)的降低。

針對(duì)此問題，不同學(xué)者提出了不同的方法來消除電解電容，但主要是基于兩個(gè)思想，其一，通過優(yōu)化電路拓?fù)涞目刂撇呗砸员苊怆娊怆娙莸氖褂茫黄涠?，通過改善電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來消除電解電容?；诘谝环N思想，文獻(xiàn)[2-3]提出了通過向輸入端注入諧波電流以達(dá)到對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到消除電解電容的目的；文獻(xiàn)[4]提出了利用PWM調(diào)光技術(shù)來改善輸出電流，可避免使用電解電容；文獻(xiàn)[5]提出了通過使用恒流調(diào)節(jié)器控制負(fù)載的功率，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電流穩(wěn)定的目的?；诘诙N思想，文獻(xiàn)[6-7]不但實(shí)現(xiàn)了消除電解電容的目的，同時(shí)很大程度提升了拓?fù)湔w效率。

本文提出一種非隔離式基于CUK電路的AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)?。具有以下?yōu)點(diǎn)：(1)具有很高的功率因數(shù)；(2)很長的使用壽命（未使用電解電容）；(3)輸入輸出能量平衡；(4)較小的輸出電流紋波。

1 電路結(jié)構(gòu)分析

所提出的LED驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)淙鐖D1所示?；诜治鲎龀鲆韵录僭O(shè)：

(1)輸入電壓Vg=Vmsin(ω1t)為一個(gè)理想的正弦波，Vm為輸入電壓幅值，ω1=2πf，f為輸入電壓頻率；

(2)假設(shè)電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)所有元件都工作在理想狀態(tài)下；

(3)MOSFET的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓頻率，故在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以視輸入電壓為恒定值；

(4)電感L工作在電流斷續(xù)狀態(tài)；

(5)電感L0，電容C0，電阻RL可視為恒流源。

單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路可分為四種工作狀態(tài)，工作波形如圖2所示。以下將對(duì)每個(gè)工作階段做具體分析。

0-t1階段：S1接通S2斷開，電感L處于充電過程，工作電路如圖3所示。

t1-t2階段：S1和S2同時(shí)接通，電感L繼續(xù)充電至峰值，電容C開始對(duì)負(fù)載放電，工作電路如圖4所示。

t2-t3階段，S1斷開S2接通，二極管D接通，Vg與L同時(shí)給電容C充電，工作電路如圖5所示。

t3-t4階段，S1和S2同時(shí)斷開，二極管D接通續(xù)流，工作電路如圖6所示。

根據(jù)工作波形以及四種工作狀態(tài)的分析可以得出輸出電壓為：

圖7顯示了輸入功率，電容C儲(chǔ)存能量以及輸出功率等波形。輸入電壓以及輸入電流均為正弦波形，輸入功率頻率為二倍輸入電壓頻率。為了使輸出功率恒定，電容C上儲(chǔ)能波形頻率應(yīng)與輸入功率相同，并且其幅值變化需要與輸入功率相對(duì)應(yīng)，這樣可以使電容吸收大部分無功，使輸出功率保持恒定狀態(tài)，輸出電流為穩(wěn)定直流，負(fù)載LED便可正常工作。

2 電路拓?fù)?a target="_blank">仿真

使用LTspiceIV仿真軟件對(duì)該電路進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖8所示。首先進(jìn)行開環(huán)仿真，以10 Ω電阻為負(fù)載，選擇不同的開關(guān)頻率及占空比，單個(gè)周期內(nèi)控制S1在0時(shí)刻導(dǎo)通，S2延后于S1導(dǎo)通，得到不同情況幾組波形如圖9所示。圖中，1為輸入電流，2為輸出電流，3為電容C電壓，4為輸入電壓。

其次進(jìn)行閉環(huán)仿真，以LED為負(fù)載，對(duì)輸出電流值進(jìn)行采樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)輸出電流變化控制開關(guān)管S2的開通（單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)延后于S1導(dǎo)通）。不同開關(guān)頻率及占空比下幾組仿真波形如圖10所示。圖中，1為輸入電流，2為輸出電流，3為電容C電壓，4為輸入電壓。

通過幾組仿真波形可以看出，儲(chǔ)能電容C兩端電壓為二倍輸入電壓頻率，可得出其儲(chǔ)能值曲線變化趨勢(shì)與輸入功率相同。雖然輸出電流仍然存在一定程度的紋波，但是整體與期望的結(jié)果大致相同，說明了理論分析的正確性。閉環(huán)情況相較于開環(huán)情況輸出電流紋波更?。娏鬏S量程開環(huán)情況為閉環(huán)情況的10倍），并且更容易控制輸出電流值，對(duì)于電容充放電的控制更加方便。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該電路拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用閉環(huán)控制，分別以7.5 W（輸入電壓70 V）和10.5 W（輸入電壓11 V）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，控制電路采用電流傳感器LA28-NP采樣流經(jīng)L2的電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)之后通過比較器LM393與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，輸出PWM波控制MOS管S2的開斷，保證輸出電流恒定。實(shí)驗(yàn)中使用的各個(gè)元件參數(shù)如下：MOSFET：47N60C3；二極管：HER504；電感L1：1 mH；電感L2：3 mH；電容C：1 μF；電容C3：0.33 μF；負(fù)載：1.5 W LED燈珠若干。

不同開關(guān)頻率及占空比下實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示，其中，1為輸入電流，2為輸出電流，3為電容C電壓，4為輸入電壓。

實(shí)驗(yàn)分別在70 V以及110 V下進(jìn)行，以單個(gè)功率為1.5 W的LED模組作為負(fù)載，總功率分別為7.5 W和 10.5 W，輸出電流穩(wěn)定，LED正常發(fā)光。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)波形可以看出，電流存在一定紋波，但是紋波很小，在允許范圍之內(nèi)，不影響LED正常發(fā)光，不會(huì)造成頻閃等問題。輸出電流易于控制，對(duì)于電容充放電的控制非常方便，電容功率變化與輸入功率相同，可吸收大部分無功，實(shí)現(xiàn)恒定功率輸出，保證LED正常工作。同時(shí)，輸入電壓與輸入電流基本保證同相位，功率因數(shù)非常高。

4 結(jié)論

本文介紹了一種非隔離AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源，其主要特點(diǎn)是：功率因數(shù)高、壽命長并且輸出電流紋波比較小。前文對(duì)電路的具體工作規(guī)律進(jìn)行了分析，并且對(duì)電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相匹配，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性。未來工作將進(jìn)一步優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，以完成更高電壓等級(jí)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到更精確的要求。