基于多环控制的BuckBoost型LED驱动系统设计＊

李勇智，王 玲，黄何平

（湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南长沙 410082）

基于多环控制的BuckBoost型LED驱动系统设计＊

李勇智，王 玲，黄何平

（湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南长沙 410082）

在OCC（One Cycle Control）控制Buck－Boost型LED照明驱动的基础上提出一种多环控制策略，设计了Buck－Boost型高效LED照明驱动系统.重点阐述多环控制策略原理，建立系统模型，并分析了控制系统相关性能.系统仿真表明，新型多环控制系统具有功率因数高、输出阻抗低、动态性能好等性能，达到了预期目标.

LED照明；Buck－Boost；多环控制；小信号模型；功率因数

LED照明具有节能、高效、寿命长、环保等特点，是从白炽灯、荧光灯到高压气体放电灯之后的又一场照明光源革命［1］，也是“绿色照明”理念和半导体发光技术相结合的产物［2］.LED照明的发展对消费类电子、汽车电子、信息产业及光电子产业产生很大的推动作用，LED照明的兴起已是21世纪照明消费产品的大势所趋［3］，LED照明驱动控制系统的高效性、快速响应性、高功率因数、稳定性等对该系统工作性能与设计提出了更高的要求.

常用的OCC控制Buck－Boost型LED照明驱动如图1所示，其响应速度快，跟随控制能力和抗输入扰动能力较强，但由于滤波器性能的动态特性，整个驱动系统的输出电压波形会受到外界因素干扰，从而降低了驱动变换器的动态性能［4］.

图1 OCC控制Buck－Boost型LED照明驱动

1 LED驱动系统工作原理

为了提高Buck－Boost型驱动系统的功率因数和动态性能，在OCC控制策略的基础上，提出了一种新型多环控制方法，设计出多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统，如图2所示.与OCC控制Buck－Boost型LED照明驱动相比，结构上主要增加了由电压微分器、增益Kc及加法器组成的环路和OCC控制的Ka，Kb这2条环路，故称为多环控制.

图2 多环控制Buck－Boost型LED照明驱动

在图2中，交流输入电压为ur经过二极管整流后得到电压uin.开关管Q由RS触发器控制，在时钟脉冲上升沿到来时，RS触发器的同相端给开关管1个高电平，开关管导通.输出电压uo经过采样得到1个电压信号Kbuo，该电压与参考电压信号uref共同输送给误差放大器.ue经过电压补偿得到信号ucp之后再输送给比较器的反相端.电压信号uD经过采样得到的信号KauD再输送给加法器的1个输入端，加法器的另一个输入端是输出电压经过微分器、增益Kc后的电压信号Kcuvd，加法器的输出端接到带复位开关的积分器上，积分器的输出端uint与比较器的同相端相连，当积分电压信号uint上升到补偿后的电压信号ucp后，比较器输出高电平，RS触发器复位，同相端输出低电平，开关管断开，反相端输出高电平，使复位积分器复位清零，直到下一个时钟脉冲到来，开关管再次导通.

2 LED驱动系统模型

2.1 主电路小信号模型

采用状态空间平均法［5］为Buck－Boost型大功率LED照明驱动主电路建模，取电感电流、电容电压为状态变量，输入输出电压分别为输入输出状态变量.Buck－Boost型LED照明驱动主电路空间状态平均方程为

其中：iL为电感电流；uC为电容电压；uin为输入电压；uO为输出电压；D为导通占空比.对各相关变量施加小信号扰动，去除二阶小信号部分，采用拉普拉斯变换可得传递函数为：

根据上述传递函数可以画出Buck－Boost型LED照明驱动系统主电路小信号模型如图3所示.

2.2 多环控制小信号模型

图2中的微分器由电阻Rb、电容Cb构成，则有

图3 Buck－Boost型驱动器主电路小信号模型

其中：uvd为电压微分器的输出电压；uo为输出电压；

uint为积分电压；Tint为积分时间；d为导通占空比；TS为时钟脉冲周期；uD为反馈电压；Ka，Kb为2条环路的增益.令Tint＝TS，当开关管Q导通时，反馈电压uD等于输入整流电压uin，并且当积分器的输出电压信号uint等于电压补偿器的输出ucp时，比较器发生翻转，输出高电平，RS触发器复位，开关管Q断开，RS触发器的反相端使得带复位开关积分器复位清零，则

对（1）式中的基本变量取小信号扰动，去2阶小信号部分，采用拉普拉斯变换可得

多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统控制环节小信号模型如图4所示.

2.3 系统模型

结合Buck－Boost型LED照明驱动系统主电路小信号模型和多环控制小信号模型，可以得到多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统模型如图5所示.

图4 多环控制小信号模型

图5 多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统模型

运用梅森公式［6］化简可得输入输出传递函数为

从（2）式可以看出，即使输入电压有一个较大的扰动，输出电压也不会受到影响，即多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统有较强的抗输入干扰能力.多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统的控制输出传递函数和系统环路增益函数分别为：

3 仿真分析

为了验证文中所提出的多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统的有效性与合理性，运用MATLAB中Simulink，SimPowerSystems工具［7］分别建立Buck－Boost型LED照明驱动的主电路模型和多环控制模型，以输入、输出端口同名的形式连接，如图6，7所示.主要电路参数：输入电压为90～270V（额定220V）；开关频率为100kHz；输出电压为40V.由示波器Scope1输出可得多环控制Buck－Boost型LED照明驱动系统的交流输入电压和输入电流波形，如图8所示.从图8可以看出输入电压为220V、频率为50Hz的正弦波，输入电流波形近似正弦，即输入电流很好地跟踪输入电压，总谐波失真小，功率因数高.图9为示波器Scope2的系统输出电压波形，从图9可以看出，系统响应速度快，超调量较小，输出电压稳定为－40V，实现了反极性输出，符合输入与输出电压关系.

图6 Buck－Boost型LED照明驱动主电路模型

图7 多环控制模型

图8 交流输入电压与电流波形

图9 驱动系统输出电压波形

当t＝0.01s时，在输入电压端施加一个幅值为25V、周期为0.004s的方波电压信号扰动，如图10所示.从图10可以看出，输入电压发生扰动，输出电压没有受到影响，继续保持稳定输出，和前面输入输出传递函数为0的分析结果完全吻合.

当t＝0.01s时，使负载电流瞬间从1A跳变到0.8A，如图11所示.由此可知，当负载电流跳变时，输出电压波形也产生一个较大的跳变，但经过相当短的时间，输出电压就恢复稳定，因此，多环控制Buck－Boost型驱动系统具有良好的动态负载性能.

图10 抗输入电压扰动分析

图11 抗负载扰动能力分析

图12为OCC控制策略和多环控制策略下Buck－Boost型LED照明驱动功率因数与占空比的关系，可以看出，这2种控制策略在不同占空比下的功率因数均大于0.9，并且多环控制策略的功率因数明显要高于OCC控制策略，并达到0.99.

图12 功率因数与占空比的关系

图13 宽输入电压范围下的功率因数曲线

图13为OCC控制策略和多环控制策略Buck－Boost型LED照明驱动系统在宽输入电压范围下的功率因数.从图13可以看出，这2种策略在90～270 V宽输入电压范围内的功率因数均大于0.92，并且多环控制策略的功率因数要高，从而体现了多环控制策略的优势.

图14为输出阻抗特性.从图14可以看出，多环控制策略Buck－Boost型LED驱动的输出阻抗要比OCC控制策略小，因此，多环控制策略Buck－Boost型LED照明驱动系统受负载电流变化的影响小，动态负载特性好.

图14 输出阻抗特性曲线

4 结语

在OCC控制Buck－Boost型LED照明驱动的基础上提出了一种多环控制策略，得到Buck－Boost型LED照明高效驱动系统，并在多环控制策略基本原理分析的基础上建立了主电路小信号模型、控制环节小信号模型及整个系统模型，通过MATLAB软件中Simulink、SimPowerSystems工具建模仿真可知：在多环控制Buck－Boost型LED照明驱动中，输入电流很好地跟踪输入电压，总谐波失真小，功率因数高，系统响应速度快，超调量较小，输出电压稳定在－40V，具有很高的抗输入电压扰动和抗负载扰动能力.和OCC控制策略相比，多环控制策略下Buck－Boost型LED照明驱动在不同占空比和宽输入电压范围下功率因数均高（达到0.99），从输出阻抗特性曲线可以看出，多环控制下输出阻抗小，动态负载性能要好.

［1］ TSAO J Y.Solid－State Lighting：Lamps，Chips and Material for Tomorrow［J］.IEEE Circuits Devices Magazine，2009，20（3）：28－37.

［2］ MEHTA R，DESHPANDE D，KULKARNI K.LEDs－A Competitive Solution for General Lighting Applications［J］.IEEE Energy，2008（9）：1－5.

［3］ 廖志凌，阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势［J］.电工技术学报，2011，21（9）：106－111.

［4］ HWU K，CHOU S.A Simple Current－Balancing Converter for LED Lighting［J］.IEEE Applied Power Electronics，2012，16（2）：16－19.

［5］ 裴云庆，杨 旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用［M］.北京：机械工业出版社，2011：87－90.

［6］ 黄 坚.自动控制原理及其应用［M］.北京：高等教育出版社，2008：38－46.

［7］ 浦锡锋，王宏华.基于MATLAB的单周期控制PFC Boost变换电路建模与仿真［J］.电气技术与自动化，2007，63（6）：145－147.

（责任编辑 陈炳权）

Design of Buck－Boost LED Lighting Driver Based on Multi－Loop Control

LI Yong－zhi，WANG Ling，HUANG He－ping
（College of Physics and Information Science，Hunan Normal University，Changsha 410082，China）

A multi－loop control strategy is proposed based on OCC（One Cycle Control）－controlled Buck－Boost LED lighting driver，and a novel efficient Buck－Boost LED lighting driver is obtained.The multiloop control strategy principles are analyzed in detail，the system model is built and the control system performance is made in－depth studies.It can be seen through system simulations that the novel multi－loop control system has better performance such as high power factor，low output impedance and good dynamic performance，and it has achieved the desired goal.

LED lighting；Buck－Boost；multi－loop control；small signal model；power factor

TP311；TM464

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.03.009

1007－2985（2013）03－0039－06

2013－04－11

湖南省教育厅科学研究重点资助项目（12C1168）

李勇智（1988－），男，湖南常德人，湖南师范大学硕士研究生，主要从事开关电源、LED驱动、芯片设计及通信与信息技术处理等研究

王 玲（1962－），女，湖南师范大学物理与信息科学学院教授，博导，主要从事现代网通信技术和噪声电子学研究.