一種減少輸出紋波的單級反激LED驅(qū)動電路

柯順元，林維明

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州350108）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．114中圖分類號：TM46文獻標(biāo)志碼：A

一種減少輸出紋波的單級反激LED驅(qū)動電路

柯順元，林維明

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州350108）

鑒于成本低、效率高等優(yōu)勢，AC-DC單級LED驅(qū)動電路可使用單級電路實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正和輸出DC-DC恒流控制，但通常存在較大的輸出2倍工頻紋波的問題，而電流紋波是影響LED光學(xué)特性和壽命的重要指標(biāo)。首先，提出了一種基于輔助繞組的單級反激LED驅(qū)動電路；然后，采用電流紋波抑制策略分析了所提電路的工作原理和實現(xiàn)低輸出電流紋波的條件；最后，通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性和有效性。實驗結(jié)果表明，所提的LED單級驅(qū)動電路能夠在不影響輸入特性的基礎(chǔ)上有效地降低了輸出電流紋波。

LED驅(qū)動電路；功率因數(shù)校正（PFC）；單級反激；輔助boost繞組；輸出電流紋

引言

近些年，隨著大功率LED發(fā)光效率的不斷提高，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用得到不斷發(fā)展。LED驅(qū)動電路是LED照明技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)［1］，采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)是為了滿足低諧波失真和相關(guān)的IEC61000-3-2諧波標(biāo)準(zhǔn)的有效方法。兩級功率因數(shù)校正電路在對功率因數(shù)要求比較高的電源中應(yīng)用比較普遍，它具有較小的輸出2倍工頻紋波和快速的負載瞬態(tài)響應(yīng)，但在中小功率場合存在效率低，控制復(fù)雜，成本高。單級功率因數(shù)校正因器件少、成本低和效率高而得到廣泛應(yīng)用［2-3］。但它具有較大的2倍工頻紋波，尤其是對LED負載，微小的電壓紋波將會產(chǎn)生較大的電流紋波，影響光學(xué)特性，如光效、顯色等［4］。文獻［5］提出了一種利用雙向直流變換器并聯(lián)在LED負載端的方法，這種方法可以實現(xiàn)LED電流的低紋波和減小輸出電容，但半個電源周期內(nèi)，雙向變換器處理的功率反向三次，效率低且器件多，成本高；文獻［6-7］提出了一種諧波電流注入法，減小了LED的輸出工頻電流紋波，但存在了功率因數(shù)低，效率低，紋波抑制不明顯等不足；文獻［8］結(jié)合了前2種文獻的方法，只是注入的電流不隨輸入電壓變化，縮小了輸入輸出能量差，相比文獻［5］效率更高，但是紋波不能完全消除而且犧牲了功率因數(shù)；文獻［9-10］提出了RCC結(jié)構(gòu)的紋波抑制器，實現(xiàn)了低紋波和高功率因數(shù)，但是該紋波抑制器電壓應(yīng)力大且存在共地問題。

本文提出一種適用于LED驅(qū)動的低輸出電流紋波反激式變換器。它由具有輔助快速動態(tài)響應(yīng)特性的CCM Boost電路和雙輸出串聯(lián)式繞組反激PFC主電路組成。雙輸出繞組反激PFC變換器提供主輸出和輔助輸出2路輸出電壓，其中CCM Boost變換器的輸出為反激PFC變換器的輔助輸出，反激PFC變換器的總輸出為CCM Boost變換器的輸入與LED負載提供能量，Boost變換器的輸入承擔(dān)兩倍工頻電壓紋波和部分高頻紋波，從而大大減小了LED負載反激PFC變換器的2倍工頻電流紋波。

1　新型電路拓撲

1.1工作原理

基于輔助繞組的低輸出紋波單級反激LED變換器原理如圖1所示。圖1電路由BCM反激PFC變換器和CCM Boost變換器組成。雙輸出繞組BCM反激變換器由變壓器T1、開關(guān)管S1、RCD網(wǎng)絡(luò)R0、C0和D0、輸出二極管D1和D2、濾波電容C1和C2組成CCM Boost變換器，由開關(guān)管S2、二極管D3、電感Lx和輸入電容C3組成。輸入電壓uin經(jīng)過整流橋和π型濾波和反激變換器后輸出兩路：主輸出電壓uo1和輔助繞組輸出電壓uo2，其中，uo2為Boost變換器輸出電壓，兩路呈串聯(lián)形式構(gòu)成低輸出電流紋波反激型PFC變換器的總輸出電壓uo。uo3是Boost變換器的輸入電壓，它與LED負載串聯(lián)連接至反激總輸出兩端。

圖1　電路原理Fig.1 Schematic of proposed circuit

工作模態(tài)等效電路如圖2所示。在工作模態(tài)I階段，反激電路開關(guān)管S1導(dǎo)通，輸入電感Lm儲能，兩副邊繞組二極管均截止，由兩電解電容C1和C2對負載和Boost級供能，Boost電路開關(guān)管S2導(dǎo)通，電感Lx儲能；在工作模態(tài)II階段，反激電路與I階段一樣，Boost電路開關(guān)管S2斷開，二極管D3導(dǎo)通，電感Lx通過D3饋能至電解電容C2；在工作模態(tài)III階段，開關(guān)管S1斷開，輸入電感Lm通過耦合副邊傳遞能量，兩副邊繞組二極管D1和D2均導(dǎo)通，原邊給副邊兩電解電容C1和C2充能，未參與耦合的漏感能量則通過RCD進行釋放，Boost電路開關(guān)管S2導(dǎo)通，電感Lx儲能；在工作模態(tài)IV階段，反激電路與III階段一樣，Boost電路開關(guān)管S2斷開，二極管D3導(dǎo)通，電感Lx通過D3饋能至電解電容C2。

圖2　電路工作模態(tài)等效電路Fig.2 Steady equivalent circuit of proposed operational modal

基于輔助繞組的低輸出紋波反激式LED變換器的主要電壓波形如圖3所示。

圖3　所提電路的理想輸出波形Fig.3 Ideal output voltage waveforms of proposed circuit

低輸出電流紋波BCM反激變換器的輸出電壓可描述為直流分量Vo和2倍工頻紋波分量uo，rip構(gòu)成，即uo=Vo+uo，rip，而它是由主繞組輸出電壓uo1和輔助繞組輸出電壓uo2相疊加而來，即uo，rip=uo1，rip+uo2，rip、Vo=Vo1+Vo2。若Boost輸入電壓uo3的紋波uo3，rip與uo，rip相位相同且幅值相等，即

又因為

則LED負載兩側(cè)的電壓為

由式（1）可知，LED電壓uLED等于uo和uo3直流分量的差值，不包含2倍工頻紋波分量，從理論上達到了LED負載上無2倍工頻電流紋波的效果。

1.2控制器設(shè)計

基于輔助繞組的低輸出紋波反激式LED變換器控制原理如圖4所示。

圖4　控制原理Fig.4 Control schematic

圖4控制原理包含一個電壓環(huán)和一個電流環(huán)，其中電壓控制環(huán)路的輸出是控制反激電路的開關(guān)管，電壓控制環(huán)路的采樣基準(zhǔn)是反激輸出總電壓uo，反饋點采樣為Boost電路的輸入電壓uo3，通過合理設(shè)計uo和uo3的比例和基準(zhǔn)點的電壓匹配值，兩者電壓會隨著LED的負載變化而相應(yīng)調(diào)整，并合理設(shè)計環(huán)路參數(shù)，最終能達到一個較理想的功率因數(shù)校正的效果。而電流控制環(huán)路的輸出時控制Boost電路的開關(guān)管，電流控制環(huán)路的采樣基準(zhǔn)是由芯片SY8750內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓提供，反饋點采樣為流過LED負載的電流iLED，通過500 kHz的開關(guān)頻率快速響應(yīng)輸出電流與基準(zhǔn)值的偏差，實現(xiàn)恒流控制，而此時的輸出2倍工頻紋波分量將全部施加在Boost的輸入容兩端，因此實現(xiàn)LED負載的低紋波特性。

1.3輸出電解參數(shù)設(shè)計

由電解電容電荷守恒定律，可知

假設(shè)負載電流ILED恒定不變，工頻紋波電流全部流入電解電容。

而單路輸出時電解電容的最小值為

式中：ΔIomax為允許流過LED的電流紋波峰峰值；ΔUomax為輸出電壓紋波峰峰值；fAC為電源頻率；Po為輸出功率。

由于副邊繞組匝比為NS1∶NS2，所以主、輔繞組輸出電壓分別為

聯(lián)立式（7）～式（12），可得

同時，ΔUo1和ΔUo2要滿足關(guān)系

2　仿真與實驗結(jié)果

為驗證本文提出的低輸出電流紋波的反激式LED變換器理論分析的正確性和可行性。本文進行了仿真，并搭建了150 W實驗樣機，仿真與實驗采用近似的參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

反激控制芯片采用BCM控制TDA4863A，Boost控制芯片采用平均電流控制的SY8750，內(nèi)置MOS管，固定工作頻率為500 kHz，有利于減小變換器體積。

圖5給出了電路仿真波形。由圖5可見，反激主、輔輸出電壓uo2、uo3的穩(wěn)態(tài)值為177 V、59 V，紋波量為9.7 V、3.14 V，與設(shè)計相符，Boost輸入電壓uo3和反激輸出總電壓uo的紋波相位近似一致，幅值相等，輸入電壓uin、輸入電流iin流相位一致，輸入電流正弦度高，LED負載上的紋波電流峰峰值為28 mA，紋波電流小于5%。

表1　實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

圖5　電路仿真波形Fig.5 Simulation waveform

圖6　額定輸入時滿載下輸入、輸出波形（Vin=220 Vrms，VLED=214 V，ILED=0.7 A）Fig.6 Input and output waveforms of the prototype with full loads （Vin=220 Vrms，VLED=214 V，ILED=0.7 A）

圖6給出了樣機滿載時實驗波形，圖6（a）、6（b）分別為uo、uo1、uo2、uo1的瞬時電壓和相應(yīng)的電壓紋波波形。圖6（c）是額定電壓220 V輸入下uin、iin、uLED，rip、iLED，rip波形。

由圖可見，實驗與仿真結(jié)果相似，反激輸出電壓紋波峰峰值Δuo為11.6 V，副邊主繞組輸出電壓紋波峰峰值Δuo1為8.8 V，副邊輔繞組輸出電壓紋波峰峰值Δuo2為4.3 V，輔助Boost電路的饋能形式是造成輔助繞組輸出電壓相位輕微偏離，波形非正弦的原因。而Boost輸入容上電壓紋波峰峰值Δuo3為11.4 V，基本與反激總輸出電壓紋波呈相位相同，幅值近似相等的關(guān)系。輸入電壓、輸入電流相位基本一致、輸入電流近似正弦。LED上的電壓紋波峰峰值為1.68 V，電流紋波峰峰值為31.8 mA，電流紋波小于5%，輸出特性良好。

圖7　不同電壓下輸入特性Fig.7 Input characteristics of the proposed circuit

圖7給出了樣機輸入特性，分別表證不同輸入電壓下的功率因數(shù)、總諧波畸變率和效率值。

如圖7所示，滿載時輸入功率因數(shù)在輸入電壓為264 V時達到最小值0.95；THD達到最大值8.8%；效率在整個輸入電壓范圍內(nèi)均能達到93.5%以上?？梢?，在多了為負載提供功率的輔助繞組的情況下，反激PFC電路輸入特性良好。驗證了所提出的低電流紋波的單級LED驅(qū)動電路的有效性。

3　結(jié)論

針對單級LED驅(qū)動電路存在輸出紋波較大，影響光學(xué)特性等問題，本文提出了一種基于輔助電路的單級LED驅(qū)動電路，采用電流紋波抑制策略，在傳統(tǒng)單級反激PFC電路的基礎(chǔ)上，利用了輔助電路串聯(lián)輸出的形式，通過控制輔助電路以饋能的形式解決了單級LED電路的電流紋波較大的問題，并詳細分析了其工作原理和實現(xiàn)條件。

（1）基于輔助繞組的紋波抑制策略能夠有效抑制LED輸出電流紋波。

（2）輔助繞組相關(guān)參數(shù)和控制環(huán)路設(shè)計合理，使用輔助繞組的紋波抑制策略不會對輸入功率因數(shù)、THD等特性產(chǎn)生影響。

［1］張潔，張方華，倪建軍.一種減小儲能電容容值的LED驅(qū)動器［J］.電源學(xué)報，2013（2）∶36-39. Zhang Jie，Zhang Fanghua，Ni Jianjun. A lower capacity electrolytic capacitor LED driver［J］.Journal of Power Supply，2013（2）∶36-39（in Chinese）.

［2］曾怡達，何林，楊岳毅，等.一種單級無電解電容LED驅(qū)動電路［J］.電源學(xué)報，2014，12（3）∶47-51. Zeng Yida，He Lin，Yang Yueyi，et al. A single stage LED driver circuit without electrolytic capacitor［J］. Journal of Power Supply，2014，12（3）∶47-51（in Chinese）.

［3］陳利，許建平，曾怡達，等．一種低輸出電壓紋波反激PFC變換器［J］．電力電子技術(shù)，2014，48（4）：62－64．Chen Li，Xu Jianping，Zeng Yida，et al. A lower output voltage ripple Flyback PFC converter［J］. Power Electronic Technology，2014，48（4）∶62－64（in Chinese）.

［4］裴倩，王正仕，陳輝明.大功率LED驅(qū)動電源對光效的影響研究［J］.電力電子技術(shù)，2010（3）∶55-56. Pei Qian，Wang Zhengshi，Chen Huiming. Research on the influence of lighting efficiency in high-power LED driver ［J］. Power Electronic Technology，2010（3）∶55-56（in Chinese）.

［5］Wang S，Ruan X，Yao K，et al. A flicker-free electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver［J］. Power Electronics，IEEE Transactions on，2012，27（11）∶4540-4548.

［6］Ruan X，Wang B，Yao K，et al. Optimum injected current harmonics to minimize peak-to-average ratio of LED current for electrolytic capacitor-less AC-DC drivers［J］. Power Electronics，IEEE Transactions on，2011，26（7）∶1820-1825.

［7］Wang B，Ruan X，Yao K，et al. A method of reducing the peak-to-average ratio of LED current for electrolytic capacitor-less AC-DC drivers［J］. Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（3）∶592-601.

［8］Hu Q，Zane R. Minimizing required energy storage in offline LED drivers based on series-input converter modules ［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2011，26（10）∶2887-2895.

［9］Camponogara D，Ribeiro Vargas D，Dalla Costa M，et al. Capacitance reduction with an optimized converter connection applied to LED drivers［J］. Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2015，62（1）∶184-192.

［10］Camponogara D，F(xiàn)erreira G F，Campos A，et al. Offline LED driver for street lighting with an optimized cascade structure［J］. Industry Applications，IEEE Transactions on，2013，49（6）∶2437-2443.

A Novel Lower Output Ripple Single-stage Flyback LED Driver

KE Shunyuan，LIN Weiming
（College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

AC-DC single-stage LED driver realizes power factor correction and DC-DC constant current control due to low cost and high efficiency advantages. It usually exists the problem of larger twice line frequency output ripple，and the current ripple is one of the important indicators to affect LED light-emitting properties and lifetime. First，a suitable kind of LED driver that single-stage flyback PFC circuit based on auxiliary winding and current ripple suppression strategies is put forward in this paper. Then，the working principle of the proposed circuit and the implementation condition of low output current ripple are analyzed. Finally，simulation and experiment are carried out to verify the correctness and feasibility of the theoretical analysis. The results show that the output current ripple can be reduced effectively through the proposed single-stage LED driver，and the input characteristics cannot be affected.

LED driver；power factor correction（PFC）；single-stage flyback；auxiliary boost winding；output current ripple

柯順元

2015-08-07

柯順元（1990-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：電力電子變流技術(shù)，E-mail：175698277@qq.com。

林維明（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子變流技術(shù)，E-mail：weiming@fzu.edu.cn。