基于软开关技术的单开关LED驱动电路研究

李 丹 张代润 杨 林

（四川大学电气信息学院，成都 610000）

基于软开关技术的单开关LED驱动电路研究

李 丹 张代润 杨 林

（四川大学电气信息学院，成都 610000）

本文给出了一种应用于LED驱动场合的单开关软起动boost电路。电路包含两个串联谐振电路，能够实现开关管的零电流开通和关断，降低开关损耗，从而大幅提高驱动电路的效率。本文提出的驱动电路能够提供恒定的输出电流，且不受输出电压波动的影响，因此该驱动电路非常适合于LED驱动。平均输出电流与开关频率、谐振电容及输入电压有关，而不受输出电压波动的影响。因此，对于特定的输出电流，该驱动电路的开关频率和占空比是恒定的，这也使得控制电路非常简单，非常适合于经济性指标要求高的场合。本文给出了一种12V/60V驱动电路的仿真结果，以验证该电路的正确性和有效性。

LED驱动电路；谐振电路；零电流起动；开关损耗；软开关

全球电能需求持续增长，其中照明用电占全球电能需求的20%[1-3]。以低能消耗方式满足更多的照明需求，照明设计工作中的照明效率则至关重要[4]。LED（发光二极管阵列）拥有高效率、高亮度、长寿命周期、快速响应及高度集成、可选颜色多等很多优秀特性，可以满足高效率照明的需求，近些年已经开始取代了传统照明长期使用的荧光灯和白炽灯，得到了愈加广泛的应用。此外，LED结构中不需使用水银和其他有害化学成分，也使得其在应用过程中不会污染环境，在绿色照明趋势下，这是一个非常重要的优势[5-8]。

LED照明的密度取决于流过其中的电流，因此，控制流过LED灯串的电流是非常必要的。而且，恒定电流有利于消除LED中的频闪，50Hz的频闪通常容易造成眼部疲劳及其他的伤害。与线性控制电源相比较，开关电源驱动LED灯串时可以提供更高的效率、功率密度和更高的控制精度，因此，是一种更为理想的选择。

近年来，出现了很多基于多种不同拓扑电路的LED驱动电路，主要是通过设计输出电流恒定的驱动电路和独立输出电流和独立输出电压的驱动电路。在文献[9]中，作者提出了一种基于buck驱动电路的LED驱动电路。这种buck驱动电路通过一个开关管具有高功率因数、高效率和低谐波电流的特性。然而这种驱动电路是硬开关模式，其开关损耗较高。文献[10-11]分别给出了一种用于LED驱动的高效率、低功耗硬开关buck电路和boost电路。文献[12]提出了一种高效率变压器低谐振buck驱动电路，通过断续导通模式实现了功率因数校正和调光的目的，然而，这种驱动电路所需元器件较多。文献[13]中对应用于LED驱动的现有斩波电路（Cuk，SEPIC和buck-boost）进行了比较分析。

本文给出了一种无频闪单开关软起动谐振LED驱动电路，其控制电路也比较简单。在串联谐振支路上，开关动作于电感电流为零时刻，因此开关管的开关损耗降低了，进而提高了驱动电路效率。该电路工作时，其占空比和频率是恒定的。本文也给出了理论分析和仿真结果。

1 拓扑结构

本文所提出的LED驱动电路工作在升压模式，该驱动电路的优点是可以维持输出电流稳定，适合用于LED驱动（如图1所示）。

图1 LED驱动电路拓扑

该驱动电路包含一个单向开关S，输出电容Co，串联谐振支路 L1和 C1，传输电感 L3和一个电感值较大用来给谐振电容C1放电的电感L2。输入为恒定直流电压，输出电容Co足够大可认为输出电压为恒定值。因为L2电感值很大，在一个开关周期内流过其中的电流可视为恒定，因此，在等效电路中可将L2视为一个电流值较小的恒流源。在一个开关周期内将驱动电路的工作过程分为3个阶段（其稳态工作波形如图2所示）。

1）第一阶段。假设在第一段开始之前，流过L1、L3的电流为零，电容C1两端电压Vc1等于-V1。所以在t1时刻，主开关管S在零电流状态下开通，一个LC谐振电路（L1和C1）形成并且向C1充电。在 C1充电过程中，在半个谐振周期内流过 L1的电流会先增大然后减小。当流过了L1的电流降为零时，C1电压达到最大，第一阶段结束（如图3所示）。

图2 驱动电路稳态工作波形

图3 第一阶段

2）第二阶段。在t2时刻，S在零电流状态下关断，二极管D在零电流状态下导通。另一个LC谐振电路（L1、C1和L3）形成并给电容C1放电，使电容 C1上储存的能量传输到输出端。与第一阶段相似，在半个谐振周期内输出电流会先增大然后降低。电容 C1放电至其电压值达到-V2。当流过二极管的电流为零时第二阶段结束（如图4所示）。

图4 第二阶段

3）第三阶段（如图5所示）。在t3时刻，二极管D在零电流状态下关断，此时只有输出电容Co向负载提供能量。电容 C1会通过电感 L2继续放电，直至电容C1上的电压值达到-V1，此时第三阶段结束。

图5 第三阶段

2 电路工作原理

为了分析驱动电路的稳态工作过程，需要在一个开关周期内做出几个假设。

1）所有半导体器件均为理想器件。

2）L2电感值很大，流过 L2的电流在一个开关周期内可视为恒定的。

3）L1和C1之间的谐振要比L1、C1和L3之间的谐振更快，以保证满足零电流开关的条件，所以L3电感值要比L1大。

4）L1和C1之间的谐振频率大于开关频率。

如前所述，在第一阶段之前，所有电流均达到零且谐振电容 C1电压等于-V1。当开关管开通时，谐振电容C1被充电至2Vs+V1。此时，开关管在零电流条件下关断，二极管D在零电流条件下导通，因此，储存在谐振电容C1中的能量将会通过谐振的方式传输至输出端。

当二极管导通时，电容会被放电至其电压值为2Vout-2Vs-V1。因此：

L1和C1之间的谐振持续半个谐振周期T1/2，L1、C1和L3之间的谐振持续半个谐振周期T2/2。最后一个阶段的持续时间等于T3。因此：

分别对电感应用伏秒平衡原理和对电容应用充电平衡原理，可以得到

式中，T为开关周期；Iout为平均输出电流；Z2可由下式得到

由式（1）和式（3）可以得到

第三阶段满足下式：

由式（3）、式（4）、式（6）和式（7）可以得到

由上式可知，平均输出电流不受输出电压波动的影响，只受开关频率、电容C1和输入电压的影响。因此，如果输入电压、开关频率和电容C1不变，驱动电路将会输出恒定的平均电流，可视为恒流源。这种特性使得该驱动电路非常适合驱动LED。

3 实验结果与分析

为了验证以上对驱动电路的分析，进行了基于Pspice软件的仿真实验。输入电压为 12V，开关频率为83kHz。其他元件的参数见表1。

表1 电路元件参数

图6给出了驱动电路的Pspice仿真模型，该驱动电路输出电压为60V，输出功率为20W，输出电流接近于300mA。

图6 驱动电路仿真模型

图7 给出了开关驱动电压Vp及相应的输入电流iin波形。如图所示，当驱动电压为高电平时，输入电流从零开始增大，因此，当开关管开通时，零电流条件得到满足。同样，当驱动电压脉冲关断时，输入电流达到零，因此，当开关管关断时，零电流条件得到满足。由于开关管开通和关断时，流过其中的电流都恰好达到零，因此开关管的开关损耗几乎为零。

图7 输入电流和开关驱动电压

图 8为二极管电流 iD和电压 VD波形。如图所示，二极管导通和关断都恰好发生在零电流的条件下。

图8 二极管电流和电压

图9 所示为谐振电容C1的电压VC1波形。如果第一段初始电压为-V1，该电容将会被充电至 2Vs+V1。当开关管关断时，电容C1会被放电至2Vout-2Vs-V1，C1所储存的能量传输到输出端。

图9 电容C1电压

图 10给出了输出电流 io的波形，输出电压Vo为 60V，滤波电容的滤波作用，使输出电压波形几乎无纹波。同理，输出电流也达到了300mA，而且随着驱动电路进入稳态工作阶段，输出电流也稳定在300mA。

图10 输出电压和输出电流

4 结论

LED需要恒定电流来驱动，而且要求流过LED的电流不受电压波动影响，本文给出了这种单开关软起动谐振LED驱动电路。通过实现零电流起动的方式提高了驱动电路的工作效率。该驱动电路能够提供不受输出电压波动所影响的恒定平均输出电流。同时，该驱动电路所需的元器件较少，较为经济，因此特别适合于LED驱动应用。本文最后给出的仿真结果也验证了该前面对该驱动电路的理论分析。

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Study on LED Driving Circuit with Single Switch based on Soft-switch Technique

Li Dan Zhang Dairun Yang Lin
(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610000)

This paper presented a new boost circuit based on soft-switch technique for LED driving applications. The driving circuit consists of only one switch and several other components. The main switch turns on or off under ZCS conditions, which results in high efficiency. This driving circuit can offer constant average output current independent of output voltage variations, and is especially suitable for LED driving uses. The average output current is related to the switching frequency, input DC voltage and resonant capacitor. For one specific LED driving circuit, the constant average output current corresponds to specific switching frequency, input DC voltage and Duty, and this makes it simple to design the control system. Fewer components needed in the circuit mean less cost, which is really important for both the manufacturers and customers.

LED driving circuit; resonant circuit; zero current switch; switching loss; softswitching

李 丹（1987-），男，四川省成都市人，硕士研究生，主要从事电力电子技术与特种电源研究工作。