高压动态测量下数字式LED开关电源设计

刘琳

摘 要： 由于LED开关电源设计中激光调节过程具有动态性，导致传统设计方法可靠性差。针对该问题，提出一种高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。利用二阶格型陷波器組建数字式LED驱动的供电信号解析模型，从而得出开关电源的最佳发射功率，根据电源的动态载波值，拟合失真补偿方程，提取开关电源的特征参量，融合LLC原理设计出LED开关电源的主要磁芯元件，给出LED开关电源电路所需的最大增益，得到LED开关电源变压器实际匝比，并计算出变压器电感电量各绕组的线径，以此为依据完成高压动态测量下的数字式LED开关电源的设计。实验仿真证明，该方法的设计精度较高，可以有效地延长LED开关电源的使用寿命。

关键词： 动态激光调节； 数字式LED； 开关电源； 失真补偿方程

中图分类号： TN86?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0143?04

Design of digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement

LIU Lin

（College of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

Abstract： The reliability of the traditional design method is poor due to the dynamic nature existing in the laser conditioning process in the design of LED switching power supply. Aiming at this problem， a design method of the digital LED switching power supply under high voltage dynamic measurement is proposed. The two?order lattice notch filter is used to establish the power supply signal analytical model driven by digital LED to obtain the optimal transmitting power of the switching power supply. According to the dynamic carrier value of the power supply， the distortion compensation equation is fitted. The characteristic parameters of the switching power supply are extracted to fuse to the main magnetic?core component of the digital LED switching power supply designed with LLC principle. The maximum gain required by the LED switching power supply circuit is given. The practical turns ratio of the LED switching power supply transformer is obtained. The wire diameter of each coil of the transformer inductance is calculated to design the digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement. The experimental simulation results show that the method has high design accuracy， and can prolong the service life of LED switching power supply effectively.

Keywords： dynamic laser conditioning； digital LED； switching power supply； distortion compensation equation

0 引 言

LED照明产品以其耐震动、能耗小、光效高、响应快等优势成为替代白炽灯和荧光灯等老式电源的新一代绿色光源[1?3]。对于一个优质的LED照明产品来说，要在市场上取得领先的销售地位不但要拥有一个质量优等的LED芯片，而且还必须具有一个良好的LED驱动系统[4?6]。目前大多数的开关电源技术还不够成熟，存在可靠性低、效率较低等弊端，这些弊端大幅度地降低了LED照明灯具的寿命。在这种情况下，如何有效地提升LED开关电源的效率和可靠性成为电源领域的研究热点。高压动态测量下的数字式LED开关电源优化设计方法可以计算出变压器电感电量各绕组的线径，以此为依据完成对高压动态测量下的数字式LED开关电源的设计，成为很多专家和学者研究的重点课题，同时也出现了很多好的方法[7]。

文献[8]提出一种基于高功率因数的高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。该方法先给出数字式LED驱动功率的因数，利用SN3350构成PWM恒流可调电路，给出开关电源的功率因数均值，以此为依据完成对数字式LED开关电源的设计。该设计方法稳定性较强，但是存在设计过程繁琐，耗时长的问题。文献[9]采用一种基于双同步斩波模式的高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。该方法时间复杂度较低，但是采用当前方法进行LED开关电源设计时无法适应激光调节的动态性，存在LED开关电源设计可靠性差的问题。文献[10]重点提出一种基于反激式的高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。该方法可扩展性较强，但是存在鲁棒性较差的问题。

针对上述问题，本文提出一种基于高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。实验仿真结果证明，所提方法设计精度较高，可以有效地延长LED开关电源的使用壽命。

1 数字式LED开关电源的设计原理

在对数字式LED开关电源设计的过程中，先给出变压器一次绕组上的电流表达式，得到初级绕组和次级绕组的匝数比，获取LED开关电源变压器各绕组的匝数比，给出辅助绕组匝数与次级绕组匝数的比值，计算出变压器初级电感感量，利用该电感感量完成对数字式LED开关电源的设计。具体的步骤如下：

假设，由[Lp]代表变压器初级绕组的电感量；[Vde]代表初级绕组两端的电压；在驱动信号为高电平时，[Np]代表开关电源一次绕组，当[Np]上的电流线性上升时，则利用式（1） 给出[Np]上的电流表达式：

[ip=VdctonLpNp] （1）

式中[ton]代表MOS管的导通时间。

假设，由[is]代表次级绕组[Ns]上的电流；[isk]代表次级绕组上的峰值电流；[uout]代表输出电压；[toff]代表MOS管[Q1]的有效关断时间；[Ls]代表次级绕组的电感量，则利用式（2）得到初级绕组和次级绕组的匝数比：

[NsNp=ufNf?Nsufmin×iskipkNs?isuoutLstoff×Q1] （2）

式中：[uf]代表两端的电压表述方程；[Nf]代表辅助线圈；[ufmin]代表电感的电学特性；[ipk]代表电流的峰值电流。

假设，[uoutmax]代表输出功率最大时的输出电压，[uinmax]代表初级绕组上的最小输入电压，则利用式（3）获取LED开关电源变压器各绕组的匝数比：

[Nfisk=uinmax?Aeuinmax?uoutmax?ipk?dI?J?Lp] （3）

式中：[Ae]代表磁芯的横截面积；[d]代表线径；[I]代表电流值；[J]代表电流密度；[Lp]代表初级绕组的电感电量。

假设，[iskipk]代表次级电流峰值[isk]和初级电流峰值[ipk]的关系，则利用式（4）得到辅助绕组匝数与次级绕组匝数的比值：

[NfNs=iskipk?ton×tofff?D?ι??P] （4）

式中：[f]代表电源IC 的工作频率；[D]代表MOS驱动信号的占空比；[ι]代表法拉第电磁感应定律；[?P]代表磁芯材质。

假设，[?]代表电源芯片的最大值；[μ]代表损耗分配因子，则利用式（5）计算出变压器初级电感感量：

[μ?c=μ???j?θr?α?] （5）

式中：[?j]代表损耗分配因子；[θr]代表电容的容差；[α?]代表副边绕组峰值电流。

假设，[Np]代表变压器[TI]原边绕组的匝数，则利用式（6） 完成对数字式LED开关电源的设计：

[εe=TI?k??P?μ?cNp] （6）

综上所述可以说明，利用数字式LED开关电源设计原理可以设计LED开关电源。

2 高压动态测量下的LED开关电源优化设计

2.1 开关电源特征参量的提取

在对数字式LED开关电源优化设计的过程中，利用二阶格型陷波器构建LED驱动的供电信号解析模型，给出驱动补偿系数，得到LED开关电源特征参量。具体的步骤如下：

假设，[zt]代表电源驱动信号；[xt]代表电源驱动信号模型的实部；[yt]代表电源驱动信号的固有模态函数；[at]代表系统融合参量；[eiθt]代表驱动电路可调电压。则利用式（7）计算[zt]：

[zt=eiθt×xtyt?at] （7）

假设，[PN]代表数字式宽频最大功率；[LN]代表传输数据的时间；[UN]代表LED的电容滤波；[mN]代表电阻隔离。则利用式（8）得到LED开关电源的最优发射功率：

[?F?PN=EN?PNLN?mN?UN] （8）

假设，[v]代表驱动的速度；[β]代表传播常数。则利用式（9）给出电源载波值动态失真补偿方程：

[C2=vβ] （9）

利用给定的[β]代表传播常数，提取LED开关电源的特征参量，利用式（10）表述：

[kp=krur+k?u?+kzuzfrur+βuz] （10）

式中：[krur]代表LED开关电源[ur]轴最小工作电源电压；[k?u?]代表初级的漏感能量；[fr]代表特征参量在[ur]轴的分量。

假设，[k0]代表沿[ur]轴分量的初始值；[n]代表信号滤波的数量。则利用式（11）获取LED开关电源正常控制模式下的状态：

[TL=n?ark0?urV0] （11）

式中[V0]代表外部电阻的比值。

综上所述可以说明，在对数字式LED开关电源优化设计过程中，利用二阶格型陷波器构建LED驱动的供电信号解析模型，给出驱动补偿系数，得到LED开关电源特征参量，计算出LED开关电源正常控制模式下的状态，为实现对数字式LED开关电源优化设计奠定了基础。

2.2 基于功率校正的数字式LED开关电源设计

在对数字式LED开关电源优化设计过程中，以2.1节获取的LED开关电源正常控制模式下的状态[TL]为依据，利用LLC谐振半桥的控制芯片设计出电感[L]与开关频率关系，给出输入电压最低，电路峰值最大时的电感方程，获取变压器实际匝比，计算出变压器电感电量各绕组的线径，完成对数字式LED开关电源的设计。具体的步骤如下：

假设，[Uin_ms]代表输入电压的有效值；[Uo]代表PFC输出电压；[fsw_min]代表最低开关频率。利用式（12）得到电感[L]与开关频率的关系：

[L=U2in_msUo-2Uin_ms2fsw_minUoPoηTL] （12）

式中：[Po]代表输出功率；[η]代表效率。

在选取LED开关电源的芯片时，要保障在最恶劣的情况下输入电压最低，电路峰值最大时也不会饱和，利用式（13）给出其电感方程：

[LIp=NAeΔB] （13）

式中：[ΔB]代表磁感的工作范圍；[Ae]代表磁性等效截面积；[N]代表电感线圈匝数。

假设，[U′in]和[U′o]分别代表输出与输入的等效基波分量；[Lr]代表变压器漏感；[Lp]代表变压器初级电感量，则利用式（14）获取等效的电路增益函数：

[??=Lp?k，QMPKU′in?U′o?Uo_ fr×Lr，Lp] （14）

式中：[MPK]代表电路所需的最大增益；[Uo_fr]代表最大输出电压和谐振点输出电压；[k]和[Q]代表变压器的电感匝数和峰值最大电流。

分析式（13）可以得出，峰值增益是[k]和[Q]的函数，在选取[k]和[Q]时，其峰值增益需要满足电路最大的增益范围，利用式（15）计算峰值增益：

[MPK=Mmax?Mfrk?Q×Uo_max] （15）

式中：[Mmax]代表电路所需最大增益；[Mfr]代表谐振点增益；[Uo_max]代表最大输出电压。

假设，[Np_min]代表变压器初级最少匝数；[Bm]代表磁芯最大不饱和磁感应强度。则利用式（16）得到变压器实际匝比：

[na=nk+1kNp_min?Bm] （16）

假设，[Κp]代表开关电源的电流有效值，则利用式（17）获取线圈的线径和电流值的密切关系：

[?γ=Κp?na???LIp] （17）

利用式（16）计算的结果为依据，可以完成对数字式LED开关电源优化设计。

3 实验仿真证明

为了证明提出的基于高压动态测量下的数字式LED开关电源设计的有效性，需要进行一次实验，在Matlab/Simulink软件环境下搭建高压动态测量下的数字式LED开关电源设计实验仿真平台。实验数据来源于3台420 W的LED开关电源样机，如图1所述。

3.1 不同方法的LED开关电源设计的有效性

分别采用本文所提动态激光调节方法和基于反激式方法进行数字式LED开关电源设计，比较两种不同方法获取电路峰值增益和输出电流有效值设定值，利用对比的结果衡量不同方法进行LED开关电源设计的有效性，对比结果见图2，图3。

分析图2和图3可以得出，利用本文所提动态激光调节方法进行数字式LED开关电源设计的综合有效性要优于反激式方法进行数字式LED开关电源设计的综合有效性，这主要是因为在利用本文方法进行数字式LED开关电源设计时，先融合二阶格型陷波器组建LED驱动的供电信号解析模型，得到LED开关电源最优发射功率，给出电源载波值动态失真补偿方程，提取开关电源特征参量，从而保障本文所提动态激光调节方法进行数字式LED开关电源设计的综合有效性。

3.2 不同方法的LED开关电源能耗和负载均衡性对比

分别采用本文所提动态激光调节方法和基于反激式方法进行数字式LED开关电源设计，比较两种不同方法进行LED开关电源设计的能耗和负载均衡性，对比结果见图4，图5。

从图4和图5中可以说明，利用本文所提动态激光调节方法设计数字式LED开关电源的整体优越性要高于反激式方法进行数字式LED开关电源设计的整体优越性，这是由于在利用本文所提动态激光调节方法设计数字式LED开关电源时，给出输入电压最低，电路峰值最大时的电感方程，获取变压器实际匝比，计算出变压器电感电量各绕组的线径，大幅度提升了本文所提动态激光调节方法设计数字式LED开关电源的整体优越性。

4 结 语

针对采用传统方法进行LED开关电源设计时，无法适应激光调节的动态性，存在LED开关电源设计可靠性差的问题。本文提出一种基于高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。实验仿真结果证明，所提方法设计精度较高，可以有效地延长LED开关电源的使用寿命。

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