刘沅玲 王金莉 贾文超
(长春光华学院电气信息学院,长春 130000)
LED照明在不同场合得到广泛的应用,作为清洁绿色的照明灯具,LED的使用寿命长达10万h,需要低压直流进行驱动,因此LED自身优势的体现与驱动电源的选择紧密相连[1-2]。本文选用双环式的峰值电流控制电路作为驱动电源的主电路,提高LED发光的稳定性[3]。
LED照明的工作原理和半导体二极管的工作原理类同,需要低压直流进行驱动,因此LED照明无法直接接入到用电环境中,而是需要独立的驱动电源作为LED照明的供电电源,根据供电电流有交直流之分,驱动电路分为交流驱动电路和直流驱动电路[4]。
1)交流LED驱动电路
交流 LED驱动电路的电源一般来自于电网供电,由于LED低压恒流的性质,因此需要将交流电进行整流滤波后才能输入到LED照明中,根据电路结构交流驱动电路又可分为变压器降压式和电容降压式[5]。
如图1所示,利用降压式变压器对电网电压进行降压,通过桥式电路整流后作为LED照明的输入电压,能够保证LED两端电压符合额定数值,LED能够正常照明[6];如图 2所示,在电容式降压中,采用全桥式对电网电压降压,LED的电压需要精确进行精确控制,因此在电容式降压电路中电容的容量选择尤为重要,同时不同容量的电容在电路中的损耗不一致,电容式降压电路的推广应用得到了质疑。
图1 变压器式降压
图2 电容式降压
2)直流LED驱动电路
为了保证LED照明的低压恒流驱动,可以选择在驱动电路中串入电阻用来控制输入 LED的电压值,如图3所示,但是电路中的电阻会对电能产生消耗,因此在对于LED发光强度要求不高的场合适合选用串电阻的驱动方式,电路结构简单[7]。
图3 串电阻驱动电路
在一些对LED发光强度要求较高的场合,一般采用开关变换式的驱动电路,如图4所示为降压型开关电路,通过开关管的导通和关闭会,电感不断的进行充电和放电,改变开关管的占空比即可调节降压的比例,实现输出电压低于输入电压[8]。
图4 降压型开关电路
除了降压型的开关电路之外,通过调整开关管、电容和电感在电路中不同的位置及作用,还能够得到升压型开关电路、升降压都能实现的开关电路等多种电路形式[9]。根据低压恒流驱动要求,本文驱动电源主电路选用的是降压式开关电路。
由于 LED照明的负温度效应与峰值电流电路中的电压反馈环节相互影响[10],造成LED使用寿命缩短,因此将电压环利用采集输出电流的反馈环节替代,能够稳定LED照明的正常发光。如图5所示,对采样电阻R3两端的电压进行采集,对采集到的电流信号进行差分比较后将结果进行积分,此时电路可以对电感电流的峰值电流和平均电流同时进行控制,当开关管的占空比调制超过50%时,电路中存在次谐波振荡,并且次谐波的振荡会随着工作周期的变长而变大,LED照明的发光会存在闪烁,缩短LED照明的使用寿命。为了解决次谐波振荡,在差分信号的一端输入一定的斜坡信号对次谐波振荡进行补偿,叠加后的信号作为比较器的正端输入;输出电流信号利用差分电路进行采集,与 PWM阈值信号进行叠加作为比较器的负端输入。当比较器通过比较,输出高电位,将触发锁存器工作,开关管导通;当输出为低电位时,锁存器翻转,开关管关断,等待下一个周期,锁存器才能恢复初始状态。
在开关管导通和关闭过程中、脉冲的占空比超过50%时,驱动电路中存在次谐波振荡,影响输入的LED电流。为了解决LED发光因次谐波振荡的存在而闪烁的问题,在积分环节中输入一定斜坡进行补偿,经过积分信号和斜坡信号的叠加可以实现对PWM比较器的调制,使LED发光稳定,保证了发光效率和使用寿命[11]。
如图6所示为电感两端的电流检测信号,检测信号中占空比超过50%,没有斜坡信号的叠加,第k+1个周期,电感电流的波动量为
式中,M1为电感电流在高电平输入时的上升斜率;M2为电感电流在低电平输入时下降斜率。
图5 双环式峰值电流电路拓扑结构
由式(2)分析可得,当M2>M1时,a>1,D>50%,系统中的波动斜率逐渐变大,输出量的稳定性降低,将会影响LED的正常照明;当M2<M1时,a<1,D<50%,系统中的波动量为零,可使输出稳定。
图6 D>50%无补偿时的电感电流波形
为了令系统在占空比超过50%的时候输出量依然稳定,在输出信号中叠加斜坡信号[12],如图7所示,MC为斜坡信号的斜率,因此式(2)变为
图7 D>50%有补偿时的电感电流波形
如图8所示,为双环式降压LED驱动电源的仿真电路图,所采用的是 12V的工作电源和 110kHz的工作频率,输出为两个串联的LED照明,LED照明的额定电流为350mA,因此负载电流即输出电流为IO=0.35A。
仿真系统采用的是IN公司推出的Multisim仿真软件,驱动电源的核心芯片采用的是UC3842,工作频率最高为500kHz,并且该芯片能够提供斜坡补偿信号,满足设计要求。
图8 双环式降压LED驱动电源
图9 占空比超过50%,无补偿
图10 占空比超过50%,有补偿
通过仿真可得补偿前后的波形图,如图9所示,为系统中占空比超过50%并无斜坡信号的系统输出波形,在前几周期中,输出波形基本保持恒定,但随着周期的变化,输出波形逐渐产生震荡,导致LED发光闪烁。
如图10所示,为系统占空比超过50%且有斜坡信号叠加的波形,在叠加斜坡信号后,随着周期的变化,输出量恒定,保证LED发光的质量,提高驱动电源的稳定性。
将峰值电流控制中的电压反馈环节利用输出电流反馈环节替换,解决了温度与电压之间的恶性循环问题,但是出现当占空比超过50%时,系统震荡随周期逐渐变大,将严重影响LED的正常发光,因此在积分环节中叠加斜坡信号进行补偿。通过对双环式降压LED驱动电源电路的模拟仿真,证实设计正确。在斜坡补偿信号的叠加极大地改善了驱动电源输出的稳定性,保证了LED照明的正常工作。