一种无电解电容的单级复合LED驱动电路

吴南冰，林维明

（福州大学电气学院，福州350116）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．52中图分类号：TM 46文献标志码：A

一种无电解电容的单级复合LED驱动电路

吴南冰，林维明

（福州大学电气学院，福州350116）

近年来为了提高LED驱动电路转换效率和减小输出纹波，单级复合型电路得到深入研究与应用。针对辅助绕组支路上串联Buck电路的单级反激LED驱动电路，研究了一种输出电流谐波注入方案，以减小输出电容，使得输出电解为高频容所代。首先，介绍单级复合电路的工作原理，推导输出电压纹波与负载电流的关系，分析脉动电流的相位对电容电压纹波的影响，给出负载电流谐波注入方案的设计依据；其次，给出所述方案的实现方式与电路；最后，研制了一台150 W实验样机，验证方案的可行性与有效性。

LED驱动器；无电解电容；负载电流谐波注入；单级复合电路；单级反馈Flyback与Buck

引言

文献［1-4］分别提出了基于辅助电路的单级复合电路，此类电路有一个突出的优点：由辅助绕组构成的辅助变换电路参与输出电压或输出电流的调制，具有优越的输出性能，同时在合适的控制下辅助变换电路只承担小部分功率，减小了成本，也提高了整机效率。在激烈的市场竞争中，LED驱动器面临巨大的成本压力和性能要求，而此类单级复合电路恰恰对LED驱动器具有较大的应用价值。

近年来电解电容作为驱动器寿命的短板，开展了很多去除电解电容的研究。减小输出电容通常有以下2种思路：允许更大的输出电压波动和减小输入输出的能量差。前者的研究致力于给出具体电路所能选取的最小输出电容值，而后者主要有以下4种实现方式：①在输入电流中注入3次和5次谐波；②在输出电流中注入谐波，通过调整负载电流达到减小能量波动的目的［5-8］；③引入辅助电路做功率解耦，根据输入输出能量的关系实时改变功率流向；④利用三相电源中各相电源的叠加关系减小输入能量波动［9］。文献［10］已对以上无电解电容方案做了全面且详尽的综述。

本文采用反激辅助绕组串联Buck的单级复合电路，建立输出电压纹波的关系式，推导出输出电压纹波与负载电流的关系，在此基础上，给出一种负载电流纹波注入的方案，实现单级无电解LED驱动器。本文设计和搭建了150 W的LED驱动电路。实验样机验证了方案的可行性和有效性。

1　输出电流谐波分析

1.1单级复合电路工作过程

基于辅助绕组的单级复合电路如图1所示，图中反激的主绕组输出电压Uo1与辅助Buck的输出电压Uo2相串联，共同为LED负载供电。

图1　基于辅助绕组的单级复合电路Fig.1 Composite single-stage circuit based on flyback auxiliary winding

图2为电路工作原理示意，图（a）为电路输出部分的等效电路，图（b）为输出电压工作波形，其中DS1和DS2分别表示开关管S1、S2的驱动信号占空比。由图可见，2个开关管带来的2个自由控制量，一是（如S1）控制输出电流Io，实现LED的恒流控制；另一是（如S2）控制2个等效电源各自分担的电压，以确保Buck变换器处理的功率始终处于合适的范围内。通过恒流反馈控制，2等效电源输出电压Uo1与Uo2互补，消除了输出的2次纹波，为LED提供恒定电流源，如图2（b）所示。

图2　电路工作原理示意Fig.2 Schematic diagram of circuit operation principle

1.2输出电压纹波分析

为简化分析，以下推导基于工作在CRM模式的反激PFC电路，但不限于此电路。假设如下：

（1）所有的开关管、二极管、磁性元件和电容都是理想元件；

（2）开关频率远高于电网频率，视开关频率下的电流平均值为对应时刻的电流瞬时值；

（3）设计使得输出反馈回路的带宽很窄，可假定注入的输出电流谐波不会引入反馈回路中，则在计算输出二极管电流时，视输出电流、电压平均值为恒定值。

因此，对于工作在CRM模式的反激PFC电路，根据法拉第定律，其变压器原边峰值电流iLp_p（t）为

式中：iin_p（t）为开关周期下的输入电流峰值；Uin_peak为输入电压峰值；Lm为变压器原边励磁电感；ω为电网周期角频率。

令T、toff、ton分别为开关管的开关周期、关断时间、开通时间，Tline为电网周期。则由法拉第定律可得关断时间toff为

式中：N为变压器原副边匝比；Uo为输出电压。可得输入电流开关周期平均值为

根据变压器原副边电流关系，可得输出二极管电流为

在稳态条件下，反激电路在一个电网周期下的输出二极管平均值等于负载电流Io，因此由式（4）可推得开关管导通时间为

显然，在稳态条件下，导通时间为定值。

根据数学理论，iD（t）为偶函数，其傅里叶级数展开式不包含正弦sin e项。对iD（t）做傅里叶级数分解，其直流分量即为负载电流平均值Io，则二次工频分量iD2（t）为

式中，ID2为二次工频纹波峰值，表达式为

电容电压纹波取决于电容上的最大电荷变化量，因而取决于输出二极管电流与负载电流的差值的积分。因此输出电容的二次工频纹波为

式中：ΔQCo为输出电容上的最大电荷变化量；io（t）为负载电流瞬时值。

当负载电流恒定时，输出二次纹波为

1.3负载电流谐波注入分析

由式（8）可知，输出电压纹波与负载电流io（t）的性质相关。当负载电流含同相位脉动量时，式（8）可写为

式中，Ipulse为电流脉动幅值。

输出电流谐波注入原理如图3所示。其中，uo、io（t）为负载电压、电流的交流分量。电压纹波波形如图3（b）所示。图中阴影部分面积即为二极管电流与输出电流之差对时间的积分量，它表示了输出电容上的电荷变化量。当注入的脉动电流与二极管电流二次分量同相位时可以减小输出电压的波动，从而有了减小输出电容值的空间。

若注入的谐波电流是滞后输出二极管2次分量90°的电流信号，输出电压纹波表达式为波形如图3（c）所示，

式中：t0为图3（c）中所示的脉动电流io与二极管纹波电流iD2的交点对应的时刻；SQ1、SQ2为图3（c）中由电流io、iD2曲线与横坐标包围的面积。

根据几何学理论可知，电容上的最大电荷变化量等于二极管二次电流纹波的正半周期积分加上SQ1再减去SQ2。同样可推知，SQ1大于SQ2，即电容的电荷变化量不但没有减少还略有增加。因此，负载电流谐波注入的效果与注入脉动电流的相位密切相关。

图3　输出电流谐波注入原理Fig.3 Principle of output current harmonic injection

根据式（6），可得输出二极管电流二次纹波分量与整流桥后的输入电压的相位关系，如图4所示。为了得到与输出二极管电流基本同相的波形，可以通过输入电压与其平均值的比较来实现。

图4　谐波注入方案的实现Fig.4 Realization of harmonic injection solution

1.4谐波注入设计考虑

文献［5，11-13］表明，由于人眼的光感滞后效应，在LED驱动电流中注入100 Hz的谐波不会带来频闪。

本文将输出电流注入了2倍电网频率的脉动电流，因此有必要确定流过LED的电流限值。表1为常见的LED厂商提供的LED相关数据。因此，通常负载电流峰值会控制在1.42倍的额定电流以内。文献［12，13］对不同驱动电流下的LED光效做测试，研究表明含有合适纹波量的驱动电流对LED光效无显著影响，当驱动电流纹波量为35%时，光效约96%（无纹波时，光效为100%）；纹波量为100%时，光效约93%。

表1　LED的驱动电流相关数据Tab.1 Relevant data of LED beads

2　样机设计

2.1电路的控制策略

本文设计了一台150 W的实验样机，Flyback电路采用恒压控制，辅助绕组上的Buck电路采用恒流控制，电路的控制框图如图5所示。窄带宽的电压环保证了良好的输入性能，快响应的电流环使得电路具备优越的动态性能。

2.2无电解方案的实现

本文利用输入电压与其平均值的滞环比较获得注入信号，如图6所示。忽略输入EMI滤波器的影响，可以计算出输入电压与其平均值的交点在100 Hz频率下的相位约为79.06°，见图4。由此比较，生成的脉动电流与输出二极管电流相差10.94°，通过调整实际比较值（电阻R8与R10的分压值）可以消除这一误差。

图5　实验样机的控制框图Fig.5 Control block diagram of experimental prototype

图6　输出电流纹波注入的实现电路Fig.6 Realization circuit of output current ripple injection

3　实验结果

本文研制的原理样机的主要性能参数为：输入电压176～277 Vac/50 Hz；输出电压107～214 Vdc，输出电流平均值700 mA；在没有采用无电解方案前，副边主绕组输出电容Cs1取150 μF/250 V，辅助绕组输出电容Cs2取220 μF/100 V，样机在全输入电压范围和全负载范围下，PF大于0.94，THD小于18.5%，在输入电压220 Vac、额定输出条件下，整机效率达到93%。

采用负载电流谐波注入后，输出电容取值：Cs1= 30 μF，Cs2=47 μF，从而可以分别用CBB电容（10 μF/250 V×3）与贴片电容（4.7 μF/100 V×10）替代电解电容。图7为输入电压220 Vac、额定输出时的输入电流、输入电压、输出电压和输出电流波形。可以看出，输出脉动电流的相位与设计相符。输出电流纹波峰峰值268 mA，纹波为38.6%。

图7　150 W无电解LED驱动器的输入输出波形Fig.7 Input and output waveforms of the 150 W LED driver without electrolytic capacitor

图8为额定输入输出时，不同条件下的主绕组输出电压us1、辅助绕组输出电压波形us2。由图8（a）与图8（b）的电压峰值对比可以看出，本文无电解电容方案给副边元器件增加的电压应力有限，可被接受。

图8　不同条件下副边绕组输出电压Fig.8 The secondary winding output voltages under different conditions

图9　有无注入谐波电流时的副边绕组电压纹波Fig.9 the secondary winding output voltage ripple under different conditions

图9为在相同容值条件下有无注入脉动电流时的副边输出电压纹波Δus1、Δus2。未注入脉动电流时，Δus1=37 V，Δus2=13.9 V；注入脉动电流后电压纹波分别降至26 V、9.8 V。

图10示出本文150 W无电解LED驱动器在220 Vac输入条件下和在额定输出214 V/700 mA条件下的PF、THD与整机效率。其中，额定输入输出情况下，PF为0.989，THD为11.6%，效率为92.1%。

图10　150 W无电解LED驱动器实验数据Fig.10 Experimental data of the 150 W LED driver without electrolytic capacitor

4　结语

本文研究一种基于负载电流谐波注入的无电解电容单级复合的LED驱动电路，分析谐波注入的原理，并分析注入脉动电流的相位与输出电压纹波的关系。实验样机验证了方案的可行性与有效性。所述方案兼顾了LED驱动器的寿命、输入性能、效率与成本，低压输入时PF在0.99以上，THD小于9%，整机效率可达到94.7%。同时输出电流纹波控制在可接受的范围内，最大电流纹波小于40%。

所述LED驱动器不足之处在于：负载电流的控制是通过控制小功率Buck的输出电压实现的，这意味着负载电流的控制范围是有限的。辅助绕组支路上串联可升降压变换器可以消除这一限制，但会导致该变换器的电压应力与功率过大，功率器件需要升级。因此，设计需要权衡。

［1］Fang P，Liu Y F，Sen P. A Flicker-Free Single-Stage Offline LED Driver with High Power Factor［J］. 2015.3∶654-665.

［2］陈利，许建平，曾怡达，等.一种低输出电压纹波反激PFC变换器［J］.电力电子技术，2014，48（4）∶62-64. Chen li，Xu jianping，Zeng yida，et al. A flyback PFC converter with low output voltage ripple［J］. Power Electronics，2014，48（4）∶62-64.（in Chinese）

［3］Zhang Y，Jin K. A single-stage electrolytic capacitor-less AC/DC LED driver［C］. Electronics and Application Conference and Exposition（PEAC），2014 International. IEEE，2014∶881-886.

［4］Fang P，Liu Y F. An electrolytic capacitor-free single stage Buck-Boost LED driver and its integrated solution［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2014 Twenty-Ninth Annual IEEE. IEEE，2014∶1394-1401.

［5］Ni J，Zhang F，Yu Y，et al. High power factor，low voltage stress，LED driver without electrolytic capacitor［C］.2011 International Conference on Power Engineering，Energy and Electrical Drives（POWERENG），IEEE，2011∶1-6.

［6］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］. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（3）∶592-601.

［7］Zhang F，Ni J，Yu Y. High power factor AC-DC LED driver with film capacitors［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（10）∶4831-4840.

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

［9］方炜，盛超，刘晓东，等.三相无电解电容LED电源［J］.电源学报，2015，13（2）∶27-32.DOI∶10.13234/j.issn.2095-2805.2015.2.27. Fang Wei，Sheng Chao，Liu Xiaodong，et al. Three-phase LED Power Supply Without Electrolytic Capacitor［J］. Journal of Power Supply，2015，13（2）∶27-32. DOI∶10.1323 4/j.issn.2095-2805.2015.2.27.（in Chinese）

［10］张能，张波，丘东元，等.无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析［J］.电工电能新技术，2014，33（2）∶44-51. Zhang Neng，Zhang Bo，Qiu Dongyuan. Analysis of current research technology about LED driver circuit without electrolytic capacitor［J］. Advanced Technogy of Electrical Engineering and Energy，2014，33（2）∶44-51.（in Chinese）

［11］Energy S. Program Requirements for solid state lighting luminaires［J］. Eligibility Criteria-Version，2008，1.

［12］Sauerländer G，Hente D，Radermacher H，et al. Driver electronics for LEDs［C］. Industry Applications Conference，2006. 41st IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2006 IEEE. IEEE，2006，5∶2621-2626.

［13］裴倩，王正仕，陈辉明.大功率LED驱动电源对光效的影响研究［J］.电力电子技术，2010，44（3）：55～56. Pei qian，Wang zhengshi，Chen huiming. Luminous efficiency of ripple current power driving high power LED ［J］. Power Electronics，2010，44（3）：55～56（in Chinese）.

A Composite Single-stage LED Driver Without Electrolytic Capacitor

WU Nanbing，LIN Weiming
（School of Eectrical Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China）

In order to improve efficiency of LED driver and reduce output ripple，composite single-stage circuit has been well studied in recent years. In this paper a scheme of output current harmonic injection applied to Flyback converter is studied which the auxiliary winding branch is in series with Buck converter，forthat high frequency capacitors can be adopted instead of electrolytic capacitors. First the function equation between output voltage ripple and load current is deduced，the effect of pulse current's phase to capacitor voltage ripple is analyzed in details，and the design basis of the scheme of output current harmonic injection is given；Then the implementation of the scheme is given；Finally，a 150 W experimental prototype is developed. The experimental results prove the feasibility and the effectiveness of the scheme.

LED driver；electrolytic capacitor-less；output current harmonic injection；composite single-stage circuit；Flyback and Buck

吴南冰

2015-08-17

吴南冰（1990-），男，通信作者，硕士，研究方向：电力电子变流技术，E-mail：842527520@qq.com。

林维明（1964-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向：电力电子变流技术，E-mail：weiming@fzu.edu.cn。