HB-LED驅(qū)動用恒流Buck變流器控制方法研究

裴 倩，王正仕，陳輝明，吳新科

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

LED是一種半導(dǎo)體照明器件，隨著其研發(fā)技術(shù)的不斷提升，高亮度LED(HBLED)以其壽命長、光效高、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)勢在更加廣泛的范圍內(nèi)逐步替代傳統(tǒng)照明方式[1-2]。LED光源需要恒流驅(qū)動，常用的LED恒流驅(qū)動器有Buck、Boost、Flyback等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而由于其自身的特點，Buck型拓?fù)滹@得更為簡單、高效。傳統(tǒng)的Buck變流器，其恒流控制方式需要自舉驅(qū)動電路或者高頻驅(qū)動變壓器來驅(qū)動開關(guān)管，成本較高。對于浮地輸出的Buck變流器拓?fù)洌m然可以簡化開關(guān)管的驅(qū)動，但是需要增加光耦等隔離放大電路，將輸出直流電流信號放大，而且需要很高的共模抑制比，這些都會增加電路的成本和復(fù)雜程度。而且光耦等器件的傳輸比隨著溫度等參數(shù)變化很大，降低了穩(wěn)流精度，也降低了可靠性，影響了使用范圍[3-4]。

針對以上問題，本文提出了一種適用于浮地輸出Buck型HBLED驅(qū)動器的恒流控制方法，在連續(xù)導(dǎo)電模式下，通過控制電感峰值電流和電感電流紋波量恒定來達(dá)到輸出電流平均值恒定的目的。該方法控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高；無需輸出采樣電阻和隔離電流信號采樣，特別適合于高壓應(yīng)用場合。

1 恒流輸出控制原理及電路實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1.1 恒流輸出控制原理

定義電感電流峰值為Ipeak，電感電流谷值為 Ival，電感電流紋波量為 ΔIO=Ipeak-Ival，開關(guān)管關(guān)斷時間為 toff。 在連續(xù)電流模式(CCM)下，輸出電流平均值為：

通過控制峰值電流Ipeak和電流紋波量ΔIO恒定實現(xiàn)了輸出電流平均值的恒定。

對于Buck電路，采用峰值電流控制模式的IC(UC3843)很容易獲得恒定的峰值電感電流，且對于Buck變流器有：

如果能夠使toff與UO成反比，則ΔIL顯然很容易恒定。因此，需要在IC的基礎(chǔ)上構(gòu)建外圍電路，以實現(xiàn)UO與toff成反比。用輸出電壓UO控制電流的壓控電流源給電容充電，以電容充電時間控制開關(guān)管關(guān)斷時間toff，這樣可實現(xiàn) toff×UO為常數(shù)。

1.2 電路實現(xiàn)算法及結(jié)構(gòu)

本文提出的CCM恒流Buck變流器電路框圖，包括主電路、壓控電流源電路、基準(zhǔn)電容電路、開關(guān)管控制電路。主功率變換電路拓?fù)錇殚_關(guān)管接地、輸出浮地的BUCK電路，帶有峰值電流檢測電阻。開關(guān)管控制模塊處理振蕩器信號與檢測電流電阻信號，以控制開關(guān)管的通斷。

壓控電流源電流為：

R為壓控電流源中電阻值。

給基準(zhǔn)電容充電，當(dāng)基準(zhǔn)電容電壓達(dá)到設(shè)定值UC時，觸發(fā)開關(guān)管開通，基準(zhǔn)電容充電時間即開關(guān)管關(guān)斷時間為：

將式(3)、(4)代入式(2)，得：

式中，C為基準(zhǔn)電容值，L為BUCK電路電感值。所以：

當(dāng) C、R、L、UC確定后，ΔIO為定值； 再加上峰值電流控制Ipeak恒定，即實現(xiàn)了 IO恒流，不受輸出電壓 UO的影響。

基準(zhǔn)電容的電壓達(dá)到設(shè)定值時，觸發(fā)振蕩器，使振蕩器的信號控制開關(guān)管開通。檢測峰值電流電阻的電壓達(dá)到設(shè)定值時，觸發(fā)比較器，使比較器的信號控制開關(guān)管關(guān)斷。開關(guān)管控制電路可為具有相同功能的PWM控制功能塊。

2 參數(shù)分析與設(shè)計

2.1 樣機(jī)參數(shù)選擇

為了驗證Buck恒流變換器的工作原理和效果，采用UC3843芯片設(shè)計原理樣機(jī)參數(shù)實現(xiàn)控制。輸入輸出參數(shù)：Ui=80 V，UO=(30～60)V，IO=1.25 A，POmax=75 W。取ΔIO=0.3，則得電感量與電路頻率、輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系為：

考慮電感體積、電路成本、工作頻率和效率等因素，取開關(guān)頻率fsmax=220 kHz?？捎嬎愠鯟CM下電感和輸出電容需滿足的參數(shù)條件，實驗中取L=240 μH，C=2.2 μF，得 f=(166～222)kHz(UO=(30～60)V)。再由已知的 L、ΔIO和式 (5)推出基準(zhǔn)電容和壓控電流源中電阻的取值為：C=220 pF，R=120 Ω[5-6]。

圖1所示為CCM下BUCK應(yīng)用電路圖。各元件電路參數(shù)如圖2所示。

當(dāng)輸出電壓UO變化時，引起基準(zhǔn)電容C3的充電電流iC變化，考慮三極管Q2的射基極壓降Ueb和電流放大系數(shù)β得：

iC給基準(zhǔn)電容C3充電，充電時間為開關(guān)管關(guān)斷時間開關(guān)管開通時，基準(zhǔn)電容C3迅速放電。電阻R15啟動電路和短路保護(hù)的作用。PWM調(diào)制是由UC3843芯片為核心配以外圍電路來實現(xiàn)的。

圖1 CCM BUCK應(yīng)用電路圖

2.2 各變量對恒流精度的影響

(1)壓控電流源三極管的影響：由式(2)、式(8)得：

由式(9)可知 Ueb越小、β 越大時的精度越高；在 C、R、L、UC、Ipeak確定的情況下，IO恒流精度就越高。在 75 W樣機(jī)中，2組三極管Q2參數(shù)對 IO影響比較如圖2 所示，其中曲線 1 為 Q2（Ueb=0.5，β=200）對應(yīng)的輸出電流值，曲線 2為 Q2（Ueb=1，β=40）對應(yīng)的輸出電流值?？梢钥闯銮€1的輸出恒流精度高于曲線2。

圖2 不同三極管參數(shù)的輸出電流比較

(2)電感值（溫度變化）的影響：電感值隨溫度升高而減少，由式(2)可知，電感值與電流紋波量成反比；在設(shè)計參數(shù)時取ΔIO=x×IO，x越小，電感值偏差量對輸出電流精度的影響越小。代入式(1)得：

圖3 不同電感值偏差量的輸出電流比較

式中，a為電感值偏差量百分比。在75 W樣機(jī)中，不同電感值偏差量對IO影響比較如圖3所示，其中曲線1為ΔIO=0.1×IO對應(yīng)的輸出電流值，曲線 2為 ΔIO=0.3×IO對應(yīng)的輸出電流值?？梢钥闯銮€1的輸出恒流精度高于曲線2。但如前所述，x還會影響電感值、輸出電容值、工作頻率、效率等。x越小，電感量越大，電感體積、成本增加；電路工作頻率提高，電路效率降低。因此需要綜合考慮。

(3)輸出電流峰值基準(zhǔn)值的影響：UC3843芯片的Pin8輸出典型值為5 V，作為輸出電流峰值基準(zhǔn)值；其偏差量為±2%，隨溫度的偏差變化量最大為0.4 mV/℃?？刹捎脽崦綦娮枳鲚敵鲭娏鞣逯祷鶞?zhǔn)值的分壓電阻來補(bǔ)償溫度的影響。

3 實驗結(jié)果及分析

圖4給出了CCM下開關(guān)管驅(qū)動信號、基準(zhǔn)電容電壓、電感電流和輸出電流實驗波形(UO=40 V)，由圖中可以看出：基準(zhǔn)電容在每個開關(guān)周期內(nèi)經(jīng)歷了明顯的充放電過程。在主開關(guān)驅(qū)動信號輸出低電平時，即toff時間對應(yīng)著基準(zhǔn)電容充電和電感電流放電；在主開關(guān)驅(qū)動信號輸出高電平時，即ton時間對應(yīng)基準(zhǔn)電容迅速放電和電感電流充電，產(chǎn)生頻率為240 kHz左右，實測結(jié)果得到了驗證。實測電感電流紋波量 ΔIO=0.3×IO，與之前電路參數(shù)設(shè)計的選取值相符。輸出電流經(jīng)過輸出電容濾波，恒流為1.25 A。

圖4 CCM下主開關(guān)驅(qū)動信號、基準(zhǔn)電容電壓、電感電流和輸出電流實驗波形(UO=40 V)

CCM下75 W/1.25 A的試驗樣機(jī)的實驗數(shù)據(jù)：輸入直流電壓 80 V；輸出直流電壓從 30 V～60 V變化時，輸出電流從1.241 A增加至1.275 A，恒流精度為-1%～+2%；效率從97.3%上升至98.6%。

本文提出了一種浮地輸出的BUCK恒流變換器的控制方法，通過控制輸出電流紋波量和峰值電流恒定來實現(xiàn)輸出電流平均值恒定。該控制電路無需采樣輸出直流電流信號，基于UC3843和簡單的外圍電路算法，實現(xiàn)了恒流控制，成本極低。實驗樣機(jī)很好地實現(xiàn)了以電流預(yù)期設(shè)定值為1.25 A的恒流輸出，可以穩(wěn)定地為負(fù)載供電，在寬輸出電壓范圍下獲得了較好的恒流精度和很高的效率。

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