基于Boost拓扑独立光伏LED路灯高效率驱动电路设计

章建军，徐代升，赵铭杰，张宏怡

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；2.福建省光电技术与器件重点实验室， 福建 厦门 361024)

引言

发光二极管(LED)是一种高效的固态光源，太阳能是一种清洁的绿色能源，将LED技术和太阳能技术结合，开发独立光伏LED路灯照明产品可以进一步实现节能减排[1]。独立光伏LED驱动电路采用储能电池供电。储能电池电压越高，通常质量和体积就越大，成本也越高，为了提高独立光伏照明产品性价比，一般都采用电压较低的储能电池给LED供电。因此实际应用时，为了实现低压输入高压输出，需要用到boost变换电路。

针对如何提高LED驱动电路工作效率的问题，人们已开展了一些研究。文献[2]中提出了Boost电路输入输出电压比对LED驱动电路效率的影响，保证输出功率不变，调节输入电压输入电流，并观察电路效率的变化；文献[3]中提出了一种无采样电阻的LED照明驱动电路，通过MOSFET的导通电阻RDS(ON)做为峰值电流采样电阻，减少了外围电路元器件所占用的空间，同时降低了驱动电路的功率损耗；文献[4]中提到一种将反馈信号差分放大以减小反馈电阻阻值，从而降低驱动电路损耗，提高驱动电路效率的方法。但是以上文献均没有考虑LED负载的串并方式及功率对驱动电路效率的影响。

实践表明，在独立光伏LED驱动电路中，整个电路系统的工作效率，不仅与Boost电路参数性能有关，也和负载LED灯头的构成方式有关。本文通过分析Boost电路功率损耗的有关因素，并结合考虑负载LED灯头在不同串并方式与不同功率条件下对电路工作状态变化的影响，提出优选独立光伏LED驱动电路设计参数并优化其设计方案，从而开发出了整体效率高稳定性好的独立光伏LED驱动电路。

1 独立光伏LED路灯驱动电路

1.1 驱动电路结构及原理

LED是一种特殊的半导体，当电流流入半导体的PN结，自由电子和空穴结合就可以释放光能即可发光，LED的亮度取决于它的前向电流[5]。在伏安特性曲线上，LED的电压电流关系是一条陡峭的曲线，并且LED的动态电阻很小，所以当LED的电压有一个很小的波动时，其电流可能有一个很大的变化，而这个变化有可能超过其额定工作电流，从而导致损坏LED灯。为了保证LED在工作时亮度始终保持不变，必须维持它的工作电流保持不变，因此恒流驱动电源是保证LED正常稳定工作的必要条件。恒流驱动LED灯头工作的电路结构框图如图1所示。

图1 独立光伏LED恒流驱动电路结构框图Fig.1 Block diagram of independent photovoltaic LED constant current driving circuit

现有独立光伏LED驱动电路常常采用低电压输入，经过boost电路升压至LED负载工作电压，实现低电压输入高电压输出驱动LED正常工作。因为给LED负载供电的储能电池在工作时电压是不断变化的，所以驱动电路设计具有输入电压范围较宽的特点。为了独立光伏LED驱动电路负载工作的稳定性和高效性，应用恒流方式驱动LED负载，恒流芯片是整个驱动电路的核心。设计采用的恒流芯片是VAS1350,外接MOS管，通过采样电路与芯片内部的比较电路控制开关管的开断，形成电流的闭环控制，从而在LED工作过程实现恒流驱动。

LED恒流驱动电路原理图如图2所示，直流电压经过输入滤波电容C1与恒流芯片的VCC引脚相连，L1、Q1、VD1、C2构成Boost拓扑结构，芯片TOFF引脚与地之间连接一个电阻用于设置MOS最短关断时间，引脚ADJ是芯片的调光控制引脚，引脚OPV连接两个分压电阻用于输出过电压保护，GATE引脚用于MOS开关管的驱动，R5、R4是两个采样电阻。CS引脚通过连在MOS源级与地之间的电阻R5来设置电感峰值电流，FB引脚通过连在输出负极与地之间的采样电阻来控制MOS的开启条件。

图2 LED恒流驱动电路原理图Fig.2 Schematic design of LED constant current driving circuit

上电时，芯片GATE门控制MOS导通，电感L1的电流线性增加，CS引脚电压上升，当CS引脚的电压上升到芯片设置的峰值电压VCSTH时，GATE引脚电压置0，MOS管关断，此后电感电流降低，FB引脚上的电压降低，直到FB引脚电压低于芯片设置的阈值电压VFBTH时，MOS管再次开启，如此反复重复以上过程。芯片各引脚电压以及电感电流波形如图3所示。外部给出的PWM是一个电压信号，是由外部单片机给出的，通过改变这个PWM信号的占空比改变芯片ADJ引脚的电压值，从而改变FB和CS引脚的阈值电压VFBTH和VCSTH,完成调光过程。当Vadj<0.5 V时，芯片关闭，ADJ引脚悬空时，VCSTH=0.24 V,VFBTH=0.31 V,当Vadj直流信号在0.5～0.24 V范围内变化时，CS引脚的阈值VCSTH从50 mV到0.24 V范围内变化，FB引脚的阈值VFBTH从65 mV到0.31 V范围内变化。

图3 芯片各引脚及电感电流波形Fig.3 Chip pins and inductor current waveforms

1.2 Boost电路工作原理

Boost电路是独立光伏LED驱动电路中最重要的组成部分，其拓扑结构如图2所示，主要由电源E、开关管Q、电感L、电容C、负载R构成。

图4 Boost拓扑电路结构Fig.4 Boost topological circuit structure

当开关管Q导通时，Boost工作等效电路图如图5(a)所示,开关管Q相当于一根导线，二极管D防止电容C对电源放电，相当于断路，电源E给电感L充电，电源E发出能量，电感L吸收能量，并以磁能的方式存储，由于输入的是直流电，电感电流线性增加。与此同时，电容C释放能量给负载R供电。

当开关管Q断开时，等效电路图如图5(b)所示，此时开关管Q断路，二极管D导通，根据换路定理，在换路瞬间，电感电流不能突变，电感中的能量由磁能转化为电能向外慢慢释放，和电源E一起给电容和负载R供电。当负载R上的输出电压等于电感电压和电源电压之和，停止供电，此后如果负载R上的电压开始下降，则由电容C给负载R供电以维持负载上的输出电压保持不变。

图5 Boost电路工作等效电路Fig.5 Boost circuit working equivalent circuit

设输入电压为Ue，输出电压为Uo，电感两端电压为UL，流过电感的电流为IL。在开关管导通状态，电路工作在ton期间电源给电感充电，根据电感VCR和基尔霍夫电压定律(KVL)有

(1)

(2)

式中ΔI为电感上电流变化量，则有

(3)

当脉冲信号处于低电平状态时，开关管Q截止，电路工作在toff期间。根据闭合电路KVL可得

UL+Ue=Uo

(4)

(5)

则有

(6)

由式(3)、式(5)可知

ton×Ue=toff×(Uo-Ue)

(7)

(8)

定义周期T和脉冲信号占空比D为

T=ton+toff

(9)

(10)

则式(8)可化简为

(11)

1.3 Boost电路性能表征

1)电路损耗。Boost升压电路是一种常见的开关直流变换电路，是通过开关的导通和关断控制电感与电容中能量的存储与释放，实现升压。当电路工作在CCM(电流连续模式)[6]下，受到控制信号的作用，开关管会在导通与截止之间频繁切换，电路中的损耗不可忽视。开关管导通状态下，输入电源给电感充电，二极管截止，电路中的损耗主要是开关管和电感上的损耗，其中开关管上的损耗主要受开关管导通电阻和开关管高频特性的影响。电感中的损耗分为两个部分，电感上的铜损和铁损[7]，铜损与电感的绕线电阻有关，铁损是由涡流引起的，主要与开关频率有关。开关管关断状态下，电感与输入电源同时给负载和电容供电，二极管正向导通，电路中的损耗主要是电感和二极管上的损耗，其中二极管上的损耗主要受正向导通电压影响。

2)电路稳定性。稳定性也是Boost电路重要的性能指标。升压变换电路是一个动态电路，在工作过程中，会受到各种扰动，导致电路中各元器件两端的电压和电路中的电流会产生波动。Boost电路实际应用于独立光伏LED驱动电路中，其稳定性是驱动电路正常工作的必要条件。如果Boost电路稳定性不好，可能导致驱动电路的负载LED灯头出现频闪甚至直接不亮。影响Boost电路稳定性的因素有开关管的工作频率、电感电容大小的选取、电路中的交流小信号成分以及器件发热等，按照电路特性合理的配置元器件参数、增加滤波电路、PCB合理布局以及增强元器件的散热功能等，都是保证电路系统工作时更加稳定输出所必须加以考虑的。

2 电路参数及性能评估

2.1 电路参数确定

独立光伏LED路灯产品常常采用低电压输入，再经过升压达到负载的工作电压，基于太阳能电池板的配置，文中选择用直流12 V做为驱动电路的标称输入电压值；又依据LED灯头的性能参数，选取输出电压最大24 V，输出功率最大36 W。

1)占空比计算。为了保证LED灯头工作电压最大可以达到24 V,根据Boost电路输入输出与占空比的关系有

(12)

2)峰值检测电阻RCS。输入平均电流取决于升压倍数和所设置的输出平均电流，设LED驱动电路的效率为90%，则有

(13)

输入峰值电流Iavg(IN)采用极端情况计算，在输入电压最小，输出电压和输出电流最大时，输入峰值电流为输入平均电流的1.5倍，即

Ipeak(IN)=Iavg(IN)×1.5=5 A

(14)

又因为输入峰值电流Ipeak(IN)与峰值检测电阻RCS的关系为

(15)

式中VCSTH为芯片CS引脚阈值电压，则峰值检测电阻为

(16)

3)反馈电阻RFB。FB引脚通过检测与LED负载串联电阻RFB的电压来控制输出电流，形成电流闭环控制，则输出电流可表示为

(17)

式中VFBTH为芯片FB引脚阈值电压，则有

(18)

4)设置最短关断时间的对地电阻R2。如果MOS断开时间过长，电容又不够大时，在断开期间，电容给负载LED灯头供电不足，不足以维持LED正常稳定工作，因此需在TOFF引脚对地串一个电阻R2来设置一个最短关断时间，设置最短关断时间为1 s，则有

TOFF(MIN)=40×10-12×R2

(19)

R2=25 kΩ

(20)

5)工作频率及电感选择。工作频率的选择关系到LED驱动电路的稳定性，如果频率设的过低，可能使得LED输出电压纹波变大，频率设的过高又可能增加MOS管上的功率损耗。根据芯片手册上给出的工作频率的要求，设芯片的工作频率为100 kHz，则周期为10μs，占空比为50%，所以TOFF约为5μs，大于最短关断时间TOFF(MIN),满足要求。

由图3可知，电感电流连续，系统工作在连续模式CCM下，在一个周期内电感电流的变化量为0，即TON时刻电感电流的增加量与TOFF时刻电感电流的减少量相等，有

ΔIL(0+)=ΔIL(0-)=IRIPPLE=

2×(Ipeak(IN)-Iavg(IN))=3.34 A

(21)

式中ΔIL(0+)为电感电流增加量，ΔIL(0-)为电感电流减少量，IRIPPLE为电感纹波电流。由电感VCR可知，

(22)

在TON时刻有

VIN-Iavg(IN)×(RL+RDS(ON)+RCS)

(23)

在TOFF时刻有

VOUT+VD-VIN-Iavg(IN)×RL

(24)

式中RL为电感的绕线电阻，RDS(ON)为MOS管的导通电阻，VD为二极管正向导通电压。算得电感值约为31 H，考虑到开关频率对系统的影响，取电感值为47 H。

6)电容的选择。由电容VCR有

(25)

(26)

式中ΔU为输出电压纹波，设为36 mV，算得电容为208.3 μF，考虑输出电压纹波，取电容值220 μF。

2.2 电路性能评估

1)电路损耗计算及占比。MOS管在理想状态下是没有损耗的，但是在实际情况下，在MOS导通时，存在一个导通电阻RDS(ON),因此在实际情况下MOS管的导通损耗为

(27)

式中IOUT为输出电流，D为输入输出占空比。

事实上，当恒流驱动电路的工作频率大于或等于100 kHz时，MOS管上还有另一个损耗，随着频率的增加而增加，这个损耗可表示为

IOUT×(Tr+Td)×fs

(28)

式中Qgs为MOS栅-源电荷，Vgs为MOS驱动电压，fs为工作频率，VIN为输入电压，Tr和Td是MOS管导通和关断所需要的时间。

因此在高频率的工作情况下，MOS上总消耗为

(29)

代入数据得

PS=1.52×23×10-3×0.5+26×10-9×

10-9×100×103≈0.17W

(30)

由式(29)可知，MOS管的开关损耗与它自身的导通电阻和工作频率有关系，应选择导通电阻尽量小的MOS管，还要考虑MOS管的高频特性。电路中选择的是一个N沟道场效应管IRF3710。通过计算在负载最大电压和最大功率的情况下(下面的损耗都是在负载功率最大情况下计算得到)，MOS上的消耗为0.17 W，约占总功率的0.47%。

电感在LED恒流驱动电路起能量的存储和转移作用时，铜损Pc和铁损Pi为

(31)

假设电感上的铁损等于铜损，代入数据可得

PL=1.52×0.26×2≈1.17 W

(32)

由式(31)可知，电感上的功率损耗与它自身的绕线内阻和工作频率有关，选择47 μH的绕线电感，代入数据计算电感上的功率消耗约为1.17 W,占总功率的3.25%。

在升压驱动电路中，当MOS管导通时，二极管起到隔离的作用，一部分是电感的储能过程，另一部分是电容对负载的放电过程，所以二极管上几乎没有损耗。在MOS关断状态下，二极管正向导通，电流流过二极管给负载供电，有

PD=IOUT×VD×(1-D)

(33)

代入数据可得：

PD=1.5×0.7×0.5≈0.525 W

(34)

VD为二极管的导通电压，由式(33)可知，二极管上的功率损耗与导通电压和占空比有关，在满足设计要求的情况下选择最小的占空比有助于减小系统的损耗。电路中选择肖特基二极管SS56，正向导通电压低，且反向恢复时间极短，带入数据计算的到二极管上的功率消耗为0.525 W,因为电路中放了两个二极管增强电流能力，所以二极管在电路中的功率消耗约占总功率的2.9%。

通过计算可以发现，在负载为最大功率36 W情况下，电路中主要功率消耗器件包括开关管、电感、二极管消耗的功率约为2.39 W，占负载功率的6.62%小于10%，所以前面假设电路效率为90%成立。

2)稳定性仿真。升压变换器的输出电压高于输入电压，在Multisim[8]中给Boost电路建模如图3所示。输入电压为直流12 V，开关管Q1是一个N沟道MOS管IRF3710，D1是一个肖特基二极管SS56，V是一个振幅和频率可调的方波发生器，可驱动MOS管的导通与截止，XSC1是一个双踪示波器，可观察电压波形，U1是一个电压表。

图6 Boost电路仿真模型Fig.6 Boost circuit simulation model

以12 V直流为输入电压，脉冲信号占空比为50%，频率为10 kHz时输出电压仿真波形为图7(a)；占空比为50%，频率为100 kHz时输出电压波形为图7(b)；占空比为40%，频率为10 kHz时的输出电压波形如图7(c)所示；占空比为40%，频率为100 kHz时的仿真波形如图7(d)所示。图中横坐标代表时间，单位是ms，纵坐标代表电压，单位是V。通道A是脉冲信号波形，通道B是输出电压波形。当占空比为50%时，达到稳态后，输出电压稳定在24 V，当占空比为40%，达到稳态后，输出电压稳定在20 V,满足式(11)中输入电压、输出电压和占空比之间的关系。脉冲的频率对输出电压波形的影响使得系统达到稳态的时间不同，并且输出电压纹波不同，脉冲频率为10 kHz时，输出电压纹波较大，而100 kHz工作频率下，电压纹波较小。仿真实验结果表明，Boost电路具有稳定的输出，能够满足独立光伏LED驱动电路的设计需要。

图7 Boost电路稳定性仿真结果Fig.7 Simulation results of Boost circuit stability

3 驱动电路整体工作效率的实验研究

为了验证独立光伏LED驱动电路设计方案的可行性，并测试负载的功率和串并联方式对驱动电路效率的影响，结合上述参数的计算以及功率损耗的分析，选择合适的元器件，搭建了如图8所示的实验样机。输入DC12 V用数字电源实现，控制核心为前面所述研制的LED驱动板，实验结果用LED指示，灯板采用单颗为1 W的LED灯珠串并联组合而成。将已焊好单颗灯珠的铝基板整齐的排列在一块大铝板上，并用导热硅脂将排列整齐的LED铝基板粘在大铝板上，这样制作的LED灯板具有如下两个优点：①可以随意更改LED灯板的串并联组合，用一块灯板就可以做多组测试，方便实验。②具有良好的散热性，保证LED灯在工作时不受温度的影响，使得测试的结果更加精确。

图8 实验样机照片Fig.8 Photographs of experimental prototype

针对独立光伏LED驱动电路设计指标，从输入12 V到最大输出24 V的升压过程，因此分别测试了负载串联从5串到8串、并联从7并到9并驱动电路的工作效率；并测试了负载在不同串并方式下，负载功率分别为10 W、20 W、30 W驱动电路的工作效率。实验测试数据主要有输入电压、输入电流、输出电压和输出电流，并通过计算得到系统的工作效率，实验测试的结果如表1～表3所示，所有实验数据取小数点后两位有效数字。

表1 负载为10 W系统工作情况

表2 负载为20 W系统工作情况

表3 负载为30 W系统工作情况

上述实验结果表明，优选了电路元件参数的Boost电路，随着负载LED并联颗数的增加，输入电流几乎保持不变，输入电压稍有一点点波动，似乎对整个驱动电路的工作效率影响也不大。具体来说，如果负载并联较多，在负载灯板上的线损将会增加，这种情形下整个驱动电路的效率降低；串联LED颗数对系统的效率也有一定的影响，并联颗数相同的情况下，串联颗数小，整个驱动电路的效率更高。另外，在负载LED串并颗数相同情况下，负载总功率小，电路整体工作效率高，比如负载为10 W时，5串灯头的驱动电路工作效率可以达到92.42%，而8串时却降低到88.05%。因此在设计LED灯头时，一旦Boost电路和驱动电路优选参数确定后，LED串联颗数较少时有助于提高驱动电路的工作效率。同时在比较不同功率负载下整体电路的工作效率时发现，尽管负载额定功率为10 W、20 W、30 W时系统的工作效率都很高，但负载功率为30 W较接近Boost电路最大输出功率36 W时，对于全部串并形式测试，发现电路整体工作效率高，均可达到90%以上。

4 结论

本文基于Boost拓扑提出了独立光伏LED路灯驱动电路设计方案，并依据负载LED的性能要求给出了Boost电路的优选参数，在此基础上分析了电路中功率损耗因素以提高电路工作效率方法，给出了电路稳定性仿真结果。选择合适的元器件搭建实验样机，通过实验对驱动电路的整体工作效率进行了测试。实验结果表明，给出的独立光伏LED驱动电路在工作过程中LED灯头无频闪，驱动电路系统具有高稳定性和高效率，尤其在负载功率为30 W时，全部测试表明驱动电路整体工作效率在90%以上。电路设计的研究相关成果实际应用与独立光伏LED照明产品效果卓越。