无电解电容LED驱动电源

李家成，沈艳霞

(江南大学 电气自动化研究所，江苏 无锡 214122)

引言

LED具有体积小，发光效率高，节能环保等优点，广泛应用在住宅、汽车、医疗照明等领域[1]。不同于白炽灯等光源，LED需要专门的驱动电源才能正常工作。LED驱动电源的性能决定了LED照明产业的发展，目前LED驱动电源的寿命普遍较短，其主要原因是其中的储能电解电容寿命不理想，约为10000 h左右，与LED寿命30000～100000 h不能匹配，去除电解电容有利于提高驱动电源的使用寿命[2-3]。LED驱动电源的输入端是交流市电，输出端是恒定的直流电压，需要大容量的电容平衡瞬时脉动输入功率和输出功率。从使用成本等方面考虑，往往只有电解电容才能满足需求，电解电容的寿命受环境影响较大，环境温度每上升十摄氏度，其寿命减少一半[4]。另一方面，电解电容体积较大，当LED驱动电源应用在小体积、高功率密度的场合时，电解电容的应用将会受到进一步限制[5]。如果能减小储能电容的容量，用长寿命的陶瓷电容和薄膜电容替代电解电容[6]，则驱动电源的使用寿命将会有明显的提高。

1 LED驱动电源的结构组成

LED驱动电源的结构组成如图1所示，主要由AC/DC整流桥，PFC(Power Factor Correction)功率因素变换器，DC/DC变换器，储能电容CO和LED负载等组成[7]。

图1 LED驱动电源结构Fig.1 The structure of LED power

驱动电源的输入功率表示为：

(1)

假设输入电压vin(t)=Vssinwt，输入电流iin(t)=Issinwt，其中w=2πfline。Vs，Is和fline分别表示峰值电压、峰值电流和电网频率。

则驱动电源的平均输入功率Pin_avg可以表示为

(2)

假设驱动电源的能量转换率为100%，则LED负载的输出功率Pout应满足

(3)

由式(1)、(3)可知，输入功率为瞬时脉动值，输出功率为恒定值。储能电容CO的作用是平衡脉动的输入功率和恒定的输出功率，当pin(t)Pout时，电容吸收存储多余的能量[8-10]。在一个周期内，吸收的能量ΔEstored和释放的能量ΔEreleased相等。储能电容CO的充放电过程如图2所示。

图2 储能电容CO的充放电示意图Fig.2 The process of the charging and discharging of the storage capacitor CO

由电容的能量公式：

(4)

得到：

(5)

式中Vc-max，Vc-min，Vc-ave，ΔVc分别表示电容电压的波峰值、波谷值 、平均值和纹波值，ΔEstored表示为电容中储存的能量值。且有：Vc-max=Vc-ave+ΔVc，Vc-min=Vc-ave-ΔVc。为了给LED负载提供稳定的输出电流，传统的LED驱动电源都采用大容量的电解电容[11, 12]作为储能电容。去除电解电容的主要策略是减小驱动电源中的输出电容的容量值，用低容量长寿命的陶瓷电容或者薄膜电容代替电解电容。

2 去除电解电容的方法

从式(5)可知减小储能电容容量的方法主要有三种：①减小电容储能ΔEstored；②增加电容电压纹波值ΔVc；③增加电容的电压平均值Vc-ave。

2.1 减小电容储能ΔEstored

如图2所示，电容存储的能量ΔEstored也可以表示为：

(6)

去除电解电容以后，LED负载电流iout(t) 将会出现较大的电流波动：

(7)

则LED负载的平均电流为：

(8)

则输出电流的峰均比PAR(peak-to-average ratio)为：

(9)

脉动的输出电流会使LED产生频闪现象[13]，当脉动电流的峰均比过大时，甚至可能会损坏 LED[14]。从式(6)可知，减小脉动输入功率pin(t)或者增大输出功率Pout均能减小电容储能值ΔEstored。除物理上增加额外的储能装置或者元件吸收脉动功率能减少储能电容的容量值外，对驱动电源的输入电流或者输出电流进行适当地调制，也能有效的减少所需储能电容的容量。

文献[15]提出了在输入端注入3次谐波电流的方法，该方法减小了脉动的输入功率pin(t)，从而使储能电容容量减小到65.6%。但谐波电流的注入大大降低了驱动电源的功率因素(power factor)，能源之星[16]中规定，用于住宅和商业照明的供电设备，其功率因素应分别高于0.7和0.9，在标准IEC 1000-3-2 Class C中[17]，对允许注入的谐波电流的大小也有严格的规定。因此文献[18]改进了此方法，以畸变的正弦电流作为参照输入电流，提出了一种基于低成本微处理器的功率因素校正(PFC)的控制策略，该方法成功减小了LED负载的波动电流，最后成功应用在了500W的大功率LED照明领域。

Ruan Xinbo[19]等学者经过严格的数学证明和计算，推导在无电解电容存在的情况下，输出电流的峰均比和输入谐波电流的定量关系，计算出注入最佳的3次谐波和5次谐波值，能将输出电流的峰均比降低为1.34，此时驱动电源的功率因素为0.9，驱动电源效率约为85%。文献[20]利用电压前馈法实现了在输入电流中注入3次和5次谐波电流，并通过改变占空比在工频周期内的变化规律，实现了降低输出电流峰均比，进一步减小储能电容的容值。文献[21]将驱动电源的输入电流调制为直流电流，降低了输入功率的脉动值，驱动电源的功率因素达到了0.9，储能电容容量减少34%，但直流调制的控制拓扑相对复杂。

通过调制输出电流增大LED消耗的功率Pout，也能达到减小储能电容容量的目的。文献[22]利用有偏置的正弦波电流和PWM方波电流驱动LED，能将储能电容的容量减少到了原来的55.8%和52.7%，调制后的LED驱动电流的峰均比低于1.34，此方法不会对LED的可靠性和寿命产生不利影响。

输入电流谐波注入法与输出电流调制法都能有效降低储能值ΔEstored，从而减小储能电容的容量，但输出电流包含了脉动电流，能够降低输出脉动电流的峰均比，确保LED使用性能不降低。脉动电流会使LED产生频闪现象，当LED频闪频率高于70Hz时，人眼感受不到LED亮度的变化，为了保证视网膜成像清晰，人的视觉系统需要不停进行的调节，势必会造成用眼疲劳。文献[23, 24]已经证明，长期工作在频闪的LED光源下，会对人的眼部造成一定的损伤，频闪的光源已经成为了人类健康的潜在威胁之一。

2.2 提高储能电容纹波电压ΔVc

由式(4)可以得到：

(10)

由式(3)、(5)、(8)可知：

(11)

从式(10)、(11)可以看出，当电容的储能ΔEstored不能改变时，通过增大电容两端的平均电压Vc-ave或纹波电压ΔVc也能使储能电容减小。通常情况下，如果电容两端的平均电压Vc-ave过高，将会导致元件的使用寿命降低，不利于驱动电源的稳定性要求，实际应用时常设计为固定值，因此多用提高纹波电压ΔVc的方法减小储能电容值。

文献[25]提出了一种恒流高功率因素的新型电路拓扑结构，如图3所示，该电路的拓扑结构以flyback(反激式)电路为基础。当输入功率pin(t)小于Pout，电容Ca释放存储的能量，此时开关管Q3将会一直处于导通状态，控制Q2实现输出电流的恒定，使得输出电流io为恒定值；当输入功率pin(t)大于Pout时，电容Ca吸收能量，此时Q2截止关断，控制开关管Q3实现输出电流io的值为恒定。可见电容Ca起到平衡输入脉动功率和输出功率的作用。通过增大Q2和Q3的占空比，提高了电容Ca的两端电压波动值。文中采用3μF/600V的薄膜电容，结果表明当220V交流输入时，电容Ca两端有接近150V的电压波动值，电容Co为10μF/100V的薄膜电容，起到高频滤波的作用，LED输出电流0.2A的直流电流，驱动电源的功率因素达到了0.96以上。

图3 文献[25]提出的电路拓扑结构Fig.3 Topology proposed in ref. [25]

SEPIC(single ended primary inductor converter)电路广泛应用于LED驱动照明中的功率因素校正环节，但也都使用了大容量的电解电容[26, 27]平衡输入与输出功率。文献[28]提出了一种改进型SEPIC无电解电容的LED照明拓扑结构，如图4所示。该拓扑以改进型的SEPIC作为功率因素校正(PFC)环节，SEPIC电路增加了二极管VDx，打破了传统SEPIC变换器的低频回路，和文献[25]的方法类似，中间电容C1起着功率解耦的作用，通过增大电容C1的纹波电压ΔVC1的方法降低了电容C1容量值，最后采用Twin-BUS buck变换器[29]作为LED电流调节器，提高了调节效率，最后测试表明驱动电源功率因素能达到0.96，输出电流含有少量的纹波。

图4 文献[28]提出的电路拓扑结构Fig.4 Topology proposed in ref. [28]

为了进一步优化电路性能，文献[30]在文献[28]的基础之上做出了相应的改进，提出了一种单级无桥式AC / DC转换器，其中的电容CB的端电压不再跟随输入电压变化，能够起到功率解耦的作用，电路拓扑结构如图5所示。通过控制作用电容CB的纹波电压值，能够有效降低其电容值。文中也采用了双总线buck电流调节器以提高LED驱动效率，电容C01，C02为10μF/100V的薄膜电容，实验结果显示交流输入在90V～270V之间时，整机的功率因素始终保持在0.96以上，效率能够达到85%以上，输出电流平稳，纹波较小，LED无频闪现象。

图5 文献[30]提出的电路拓扑结构Fig.5 Topology proposed in ref. [30]

J. Garcia[31]等学者提出了一种新型两级式LED驱动电源的拓扑结构，为了使输出电流和电容电压相互独立，该变换器采用峰值电流拓扑控制策略，变换器能够自适应跟踪电源中的开关频率，另外该拓扑的调光性能优异，输出电流的纹波达到10%。文献[32]提出了一种新型单级式的boost-flyback电路，文中给出了详细的参数设计步骤和方法，实验结果证明这种拓扑结构取得了很好的功率因素和能源效率，但过高的脉动电压产生了较大的脉动电流。Yao Kai[33]等学者优化了此拓扑的设计步骤，如图6所示，使反激式flyback拓扑工作在DCM(电流断续模式)，LED负载电流独立于储能电容的纹波电压，增加储能电容的纹波电压降低其容量值时，负载电流纹波较小。

图6 文献[33]提出的拓扑结构Fig.6 Topology proposed in ref.[33]

Li Yan-Cun[34]等学者集成了buck-boost电路和反激式(flyback)电路的优点，文中也采用提高纹波电压法降低储能电容的容量，最后使用多层陶瓷电容(MLCCs)代替电解电容，虽然能提供较高的功率因素和较低的总谐波失真THD (Total Harmonic Distortion )，但是脉动的电流会使LED产生频闪。当输出功率较大时，这种拓扑结构存在明显的缺陷，峰均比较高的电流可能会损坏LED[35]，电路拓扑如图7所示。

图7 文献[34]提出的拓扑结构Fig.7 Topology proposed in ref.[34]

为了解决文献[15][20]中的频闪现象，文献[36]在此基础之上提出增加双向buck-boost变换器[37]，拓扑结构如图8所示。双向变换器的作用是使流入双向变换器的电流为包含100Hz(2倍工频)交流分量，由式(5)可知，LED负载中的输出电流是稳定的直流电流，从而消除了频闪现象。当输入功率pin(t)>Pout时，电容CES通过双向变换器吸收能量；当输入功率pin(t)

图8 文献[36]所提出的拓扑结构Fig.8 Topology proposed in ref. [36]

2.3 去电解电容的其他方法

Manuel Arias[39]等学者提出了一种基于boost升压变换器和不对称半桥AHB(Asymmetri-cal Half Bridge)的两级式拓扑结构。不对称全桥具有固定的开关频率，工作效率高，输出电压和电流纹波小。boost电路起着功率因素校正的作用，去除电解电容以后，以往的AHB的控制速度过慢，不足以消除低频纹波，文中使用前馈控制策略有效解决了此问题，AHB还能还能提供电气隔离，提高了驱动电源的安全性能。文献[40]也采用两级式驱动结构，前级采用工作在DCM(断续电流模式)的buck电路，后一级采用电流馈电(current fed)拓扑结构，其占空比固定。两级电路之间采用LC滤波电路，LC滤波电路能够有效消除2倍电网频率的谐波，消除输出电容两端的电压波动，输出电容用26uF薄膜电容代替电解电容，输出电流波形平稳，电路结构如图9所示。

图9 文献[40]提出的拓扑结构Fig.9 Topology proposed in ref. [40]

文献[41]提出了移相 PWM 控制多串LED的拓扑结构，使得输出端消耗功率与输入功率成正比，从而减小了储能电容的容值，但此方法不足之处是对于LED串数有严格的要求，LED的利用率也只有50%。文献[42]提出了一种新型多串LED驱动控制拓扑，拓扑结构包括buck-boost电路和电流互感器CT(Current Transformer)，buck-boost电路的作用是提高驱动电源的功率因素，工作在临界导通状态降低了开关损耗，提高了能量转换效率。为了实现恒流输出，传统的驱动电源拓扑结构多采用传感电阻检测输出电流[43],但存在不小的电阻损耗，文中提出使用电流互感器(CT)检测输出电流，此拓扑结构能够平衡各LED负载中的电流，达到了输出电流均流的目的，但LED负载中的电流波动较大。文献[44]提出了一种仅由无源元件组成的无电解电容的LED驱动拓扑结构，如图10所示。无源元件具有成本低，可靠性高，可循环使用等优点，图中的电容CS的作用是提高功率因素，填谷电路不仅能提高功率因素[45]，还能减小输出电压的脉动。在输出端采用1.9H的大电感，使输出电流的纹波减小，此拓扑的输出功率为60W，效率高达93.6%，功率因素能达到0.99。

图10 文献[44]提出的拓扑结构Fig.10 Topology proposed in ref. [44]

文献[46]提出了一种高稳定性，高性能的LED拓扑结构，由boost电路，变压器ET(Electronic Transformer)和TI-BUCK电路组成。boost电路和变压器ET分别起到功率因素校正和电气隔离的作用，TI-BUCK电路替代电解电容消除了电压波动，该拓扑的效率达到了93%，能够较好地应用在大功率且对安全系数要求较高的场合。J. Marcos Alonso[47]等学者提出了一种IDBB(integrated double buck-boost)电路拓扑结构，如图11所示， 输入电感Li工作在DCM(电流断续)模式，提高了驱动电源的功率因素，输出电感Lo工作在CCM(电流连续)模式，降低了输出电流的波动。这种拓扑具有功率因素高，可靠性好，成本低。

图11 文献[47]提出的拓扑结构Fig.11 Topology proposed in ref. [47]

3 结语

电解电容用于平衡脉动的输入功率和平直的输出功率，在驱动电源中应用广泛。电解电容的寿命相对较短，与LED的长寿命特性不匹配，如何减小或者去除电解电容已经引起了国内外专家学者的广泛关注。从减小电容储能能量ΔEstored的角度考虑，输入电流谐波注入法和输出电流调制法均能大幅度减小储能电容的容值，但谐波电流的注入会降低驱动电源的功率因素，输出电流调制法会使LED产生频闪现象。通过提升储能电容的电压波动值ΔVC，也能实现电容容量的减小，过高的波动值不仅会增大元件功耗，输出电流也会产生较大的脉动。改进电路拓扑结构或者增加双向变换器，能使电容纹波值和输出电流相互隔离，起到了功率解耦的作用，输出电流中的脉动值减小有利于消除了LED的频闪现象。采用AHB不对称半桥能消除输出电流纹波，但控制电路相对复杂。使用电流互感器CT代替了传感电阻，虽然能减少损耗，但输出电流不理想。利用大电感代替电解电容存储能量，也能实现平稳的输出电流。

未来LED光源将得到越来越多的推广应用，这对驱动电源的寿命和可靠性等性能也提出了更高的要求，随着材料科学的进步，无电解电容驱动电源将迎来进一步的发展。

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