基于BUCK电路的高效非隔离LED驱动器研究

鲁志本　张嘉岭　王勇

摘 要：该文针对LED照明对驱动电源高效率、高功率密度和高功率因数的要求，提出一种基于BUCK电路非隔离的LED驱动电路。该驱动电源工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。最后以80 V/200mA T8灯为例，给出了实验结果。结果表明，该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

关键词：BUCK 非隔离 准谐振 谷点检测

中图分类号：F02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0010-02

发光二极管作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势。近年来发展起来的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景。因此，LED的推广应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1-2]。

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适用的电源或驱动电路。随着对LED照明要求的提高，LED照明对其驱动电源的要求也越来越高。对整灯光效的要求促使LED驱动电源必须具有较高的效率。另外，高功率因数也成为LED驱动电源必须具备的要求。由于安装的要求，LED照明又对其功率密度提出了较高的要求[3-6]。针对上述LED驱动要求，该文提出了基于BUCK电路非隔离LED驱动电源方案。该方案具有以下优点（1）没有光耦且工作频率较高，因此整个电路更加简单，具有更高的功率密度。（2）具有较高的功率因数。（3）反馈电路工作在准谐振的工作模式，使整个电路具有更高的效率。

1 基于Buck变换器的PFC机理

1.1 拓扑结构和电路工作状态

图1为Buck PFC电路，Lf、Cf起滤波作用。为了简化分析，假设：a）电路工作在稳定态；b）所有元器件是理想的；c）电容Cout足够大保证输出电压恒定；d）在一个开关周期内输人电压是常数。

1.2 拓扑结构和电路工作状态

设输人工频交流电压为：

（1）

其中VP为输人工频交流电压幅值。为输人工频交流电压的角频率。

当开关S导通时，流过开关S的电流iS，等于流过电感L的电流iL。

（2）

此处D为开关的导通比，TS为开关周期，t为一个开关周期内的时间。因此，在每个开关周期开关电流的平均值为：

（3）

图1中滤波电感电容Lf，Cf实现平均。

当D较小时，（3）式可以近似表示为：

（4）

可见交流输人电流与电压几乎同步，且输入电流近似为正弦，功率因子接近1。

对于连续工作模式的BUCK变换器，当开关S导通时，电感和开关电流为：

（5）

输入电流Iin即开关S在一个开关周期的平均电流为：

（6）

可见输入电流始终有一个直流偏移量，这时功率因子将明显降低。

1.3 临界电感

由式（2）可见，在一个开关周期电感电流峰值（即开关电流峰值）为：

（7）

一个开关周期输入能量为：

（8）

一个开关周期内的平均输入功率为：

（9）

半个工频周期内的平均输入能量为：

（10）

因此从交流电网吸取的平均功率为：

（11）

平均功率为：

（12）

由于输入和输出功率必须保持平衡，考虑到变换器的效率?，可以得出：

（13）

因此临界电感为：

（14）

当Buck变换器用于功率因数校正时，其电感量应小于LB，以保证较高的功率因数。

2 准谐振谷点开通技术

开关波形如图2所示，输出电流波形可以用式15表示：

（15）

其中IPK 是电感峰值电流，TEFF是电感电流上升和下降有效时间，tS是开关周期。

准谐振模式为Buck变换器提供了更低的开通电压损耗。因此整个变化器具有更高的效率。（见图3）

3 实验数据和结果

以输入176Vac～264Vac，输出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等为例设计样机。

3.1 稳态工作波形

输入176Vac和264Vac的工作波形图分别如图4和图5所示。

3.2 效率测试

效率随输入电压的变化曲线如图6所示。

3.3 基本参数设计

稳态时基本参数测量结果如图7所示。

4 结语

该文提出的基于Buck电路非隔离的LED驱动电路工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。实验结果表明了该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

参考文献

[1] 钱可元，胡飞.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电，2005，26（2）：110-120.

[2] 雷开卓，韦力，刘树林.DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变[J].西北工业大学学报，1999，17（4）：589-593.

[3] 严百平，刘树林，陈治明.Buck变换器实现PFC的机理及其仿真[J].电气传动自动化，1998，20（4）：68-71.

[4] 王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.

[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.

[6] Hisahito Endo，Takashi Yanashida.A high power factor buck converter[C]//IEEE PESC'1992 Records USA：IEEE.1992：1072-1076.endprint

摘 要：该文针对LED照明对驱动电源高效率、高功率密度和高功率因数的要求，提出一种基于BUCK电路非隔离的LED驱动电路。该驱动电源工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。最后以80 V/200mA T8灯为例，给出了实验结果。结果表明，该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

关键词：BUCK 非隔离 准谐振 谷点检测

中图分类号：F02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0010-02

发光二极管作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势。近年来发展起来的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景。因此，LED的推广应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1-2]。

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适用的电源或驱动电路。随着对LED照明要求的提高，LED照明对其驱动电源的要求也越来越高。对整灯光效的要求促使LED驱动电源必须具有较高的效率。另外，高功率因数也成为LED驱动电源必须具备的要求。由于安装的要求，LED照明又对其功率密度提出了较高的要求[3-6]。针对上述LED驱动要求，该文提出了基于BUCK电路非隔离LED驱动电源方案。该方案具有以下优点（1）没有光耦且工作频率较高，因此整个电路更加简单，具有更高的功率密度。（2）具有较高的功率因数。（3）反馈电路工作在准谐振的工作模式，使整个电路具有更高的效率。

1 基于Buck变换器的PFC机理

1.1 拓扑结构和电路工作状态

图1为Buck PFC电路，Lf、Cf起滤波作用。为了简化分析，假设：a）电路工作在稳定态；b）所有元器件是理想的；c）电容Cout足够大保证输出电压恒定；d）在一个开关周期内输人电压是常数。

1.2 拓扑结构和电路工作状态

设输人工频交流电压为：

（1）

其中VP为输人工频交流电压幅值。为输人工频交流电压的角频率。

当开关S导通时，流过开关S的电流iS，等于流过电感L的电流iL。

（2）

此处D为开关的导通比，TS为开关周期，t为一个开关周期内的时间。因此，在每个开关周期开关电流的平均值为：

（3）

图1中滤波电感电容Lf，Cf实现平均。

当D较小时，（3）式可以近似表示为：

（4）

可见交流输人电流与电压几乎同步，且输入电流近似为正弦，功率因子接近1。

对于连续工作模式的BUCK变换器，当开关S导通时，电感和开关电流为：

（5）

输入电流Iin即开关S在一个开关周期的平均电流为：

（6）

可见输入电流始终有一个直流偏移量，这时功率因子将明显降低。

1.3 临界电感

由式（2）可见，在一个开关周期电感电流峰值（即开关电流峰值）为：

（7）

一个开关周期输入能量为：

（8）

一个开关周期内的平均输入功率为：

（9）

半个工频周期内的平均输入能量为：

（10）

因此从交流电网吸取的平均功率为：

（11）

平均功率为：

（12）

由于输入和输出功率必须保持平衡，考虑到变换器的效率?，可以得出：

（13）

因此临界电感为：

（14）

当Buck变换器用于功率因数校正时，其电感量应小于LB，以保证较高的功率因数。

2 准谐振谷点开通技术

开关波形如图2所示，输出电流波形可以用式15表示：

（15）

其中IPK 是电感峰值电流，TEFF是电感电流上升和下降有效时间，tS是开关周期。

准谐振模式为Buck变换器提供了更低的开通电压损耗。因此整个变化器具有更高的效率。（见图3）

3 实验数据和结果

以输入176Vac～264Vac，输出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等为例设计样机。

3.1 稳态工作波形

输入176Vac和264Vac的工作波形图分别如图4和图5所示。

3.2 效率测试

效率随输入电压的变化曲线如图6所示。

3.3 基本参数设计

稳态时基本参数测量结果如图7所示。

4 结语

该文提出的基于Buck电路非隔离的LED驱动电路工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。实验结果表明了该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

参考文献

[1] 钱可元，胡飞.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电，2005，26（2）：110-120.

[2] 雷开卓，韦力，刘树林.DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变[J].西北工业大学学报，1999，17（4）：589-593.

[3] 严百平，刘树林，陈治明.Buck变换器实现PFC的机理及其仿真[J].电气传动自动化，1998，20（4）：68-71.

[4] 王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.

[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.

[6] Hisahito Endo，Takashi Yanashida.A high power factor buck converter[C]//IEEE PESC'1992 Records USA：IEEE.1992：1072-1076.endprint

摘 要：该文针对LED照明对驱动电源高效率、高功率密度和高功率因数的要求，提出一种基于BUCK电路非隔离的LED驱动电路。该驱动电源工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。最后以80 V/200mA T8灯为例，给出了实验结果。结果表明，该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

关键词：BUCK 非隔离 准谐振 谷点检测

中图分类号：F02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0010-02

发光二极管作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势。近年来发展起来的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景。因此，LED的推广应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1-2]。

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适用的电源或驱动电路。随着对LED照明要求的提高，LED照明对其驱动电源的要求也越来越高。对整灯光效的要求促使LED驱动电源必须具有较高的效率。另外，高功率因数也成为LED驱动电源必须具备的要求。由于安装的要求，LED照明又对其功率密度提出了较高的要求[3-6]。针对上述LED驱动要求，该文提出了基于BUCK电路非隔离LED驱动电源方案。该方案具有以下优点（1）没有光耦且工作频率较高，因此整个电路更加简单，具有更高的功率密度。（2）具有较高的功率因数。（3）反馈电路工作在准谐振的工作模式，使整个电路具有更高的效率。

1 基于Buck变换器的PFC机理

1.1 拓扑结构和电路工作状态

图1为Buck PFC电路，Lf、Cf起滤波作用。为了简化分析，假设：a）电路工作在稳定态；b）所有元器件是理想的；c）电容Cout足够大保证输出电压恒定；d）在一个开关周期内输人电压是常数。

1.2 拓扑结构和电路工作状态

设输人工频交流电压为：

（1）

其中VP为输人工频交流电压幅值。为输人工频交流电压的角频率。

当开关S导通时，流过开关S的电流iS，等于流过电感L的电流iL。

（2）

此处D为开关的导通比，TS为开关周期，t为一个开关周期内的时间。因此，在每个开关周期开关电流的平均值为：

（3）

图1中滤波电感电容Lf，Cf实现平均。

当D较小时，（3）式可以近似表示为：

（4）

可见交流输人电流与电压几乎同步，且输入电流近似为正弦，功率因子接近1。

对于连续工作模式的BUCK变换器，当开关S导通时，电感和开关电流为：

（5）

输入电流Iin即开关S在一个开关周期的平均电流为：

（6）

可见输入电流始终有一个直流偏移量，这时功率因子将明显降低。

1.3 临界电感

由式（2）可见，在一个开关周期电感电流峰值（即开关电流峰值）为：

（7）

一个开关周期输入能量为：

（8）

一个开关周期内的平均输入功率为：

（9）

半个工频周期内的平均输入能量为：

（10）

因此从交流电网吸取的平均功率为：

（11）

平均功率为：

（12）

由于输入和输出功率必须保持平衡，考虑到变换器的效率?，可以得出：

（13）

因此临界电感为：

（14）

当Buck变换器用于功率因数校正时，其电感量应小于LB，以保证较高的功率因数。

2 准谐振谷点开通技术

开关波形如图2所示，输出电流波形可以用式15表示：

（15）

其中IPK 是电感峰值电流，TEFF是电感电流上升和下降有效时间，tS是开关周期。

准谐振模式为Buck变换器提供了更低的开通电压损耗。因此整个变化器具有更高的效率。（见图3）

3 实验数据和结果

以输入176Vac～264Vac，输出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等为例设计样机。

3.1 稳态工作波形

输入176Vac和264Vac的工作波形图分别如图4和图5所示。

3.2 效率测试

效率随输入电压的变化曲线如图6所示。

3.3 基本参数设计

稳态时基本参数测量结果如图7所示。

4 结语

该文提出的基于Buck电路非隔离的LED驱动电路工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。实验结果表明了该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

参考文献

[1] 钱可元，胡飞.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电，2005，26（2）：110-120.

[2] 雷开卓，韦力，刘树林.DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变[J].西北工业大学学报，1999，17（4）：589-593.

[3] 严百平，刘树林，陈治明.Buck变换器实现PFC的机理及其仿真[J].电气传动自动化，1998，20（4）：68-71.

[4] 王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.

[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.

[6] Hisahito Endo，Takashi Yanashida.A high power factor buck converter[C]//IEEE PESC'1992 Records USA：IEEE.1992：1072-1076.endprint