基于频率跟踪的LED 数控恒流驱动电源设计*

刘沅玲，王金莉

(长春光华学院电气信息学院，吉林 长春 130033)

LED 也叫发光二极管，是一种可以将电能直接转换成光的固体半导体元件。LED 具有发光效率高、寿命长、节能、色彩多样、环保、低能耗等特点，在许多场合都得到了广泛应用[1]。LED 的应用越来越广泛，给整个LED 行业带来了无限的发展空间，为了适应各种LED 光源的需求，采用了许多不同的驱动方式。

LED 驱动电源是将电力网络转化为适用于LED 发光器件特性的电流或电压的转换器，LED 驱动电源必须具有高效率、过电压保护、体积小、使用方便等优势。LED 光源是恒流型的，需要配备恒流型的驱动电路，但若LED 恒流型电源的恒定电流精度不高，且电流精度易受到环境的影响，LED 光源的衰减和故障率极高，甚至会在充电的一刹那就会报废，因此，对LED 恒流驱动电源进行研究具有较高的现实意义。

针对LED 驱动电源的设计问题，国内外已经得到了一些较好的研究成果。付贤松等[2]提出了基于PID 算法的高精度LED 数控恒流驱动电源设计方法。在驱动电源的设计过程中，选用AC-DC 稳压变换器和DC-DC 恒流变换器结合的两级驱动方案，引入PID 算法，设计高精度可调光LED 开关恒流驱动器。张立娟等[3]提出了基于宽范围输入的高效LED 驱动电源的设计方法。通过对功率因数、电能使用效率和电网污染的重要作用进行分析，并结合驱动电源系统架构、控制电路完成电源设计。黄玉水等[4]提出了基于电流型五电平DC-DC 电路的LED 驱动电源设计方法。利用该方法设计的电源寿命得以延长，还能实现高输入功率因数和恒流驱动LED 负载。Urso 等[5]介绍了射频振荡器电源模块的设计方法。为了保持射频振荡的光谱纯度，首先根据振荡器电源推进因子和振荡器优值(Filter Oscillator Mixer，FOM)评估对电源电压的噪声和纹波的要求。然后利用这些规范设计和评估模拟低压差稳压器(Low-Dropout Regulator，LDO)和开关电容DC-DC 转换器的功率效率。

从上述的LED 数控恒流驱动电源的研究情况来看，LED 常见驱动电源类型包括单级反激式LED驱动电源、无电解电容LED 驱动电源等，然而上述驱动电源在实际的应用过程中存在明显的供电不稳定情况。为了解决现有驱动电源存在的上述问题，引入频率跟踪技术。

频率跟踪是防止保护装置误动的一项重要措施，使得发生器具有自动调节频率的性能。在LED数控恒流驱动电源的优化设计过程中，通过频率跟踪技术的应用，以期能够提高电源的驱动效果，进而提高LED 设备的工作稳定性。

1 LED 数控恒流驱动电源元件与电路设计

为保证优化设计的LED 数控恒流驱动电源能够按照控制要求驱动LED 设备，实现LED 的开启、关闭以及调光功能，分别从驱动电源硬件设备和驱动程序两个方面进行优化。从硬件结构方面来看，LED 驱动电源包括输入保护电路、整流电路等部分。输入保护电路具有过电压和过电流保护功能。EMI 滤波器可以有效地降低电力系统的噪声，增强电力系统的抗干扰性和可靠性。整流电路将AC 电源变换成DC，并输入有源PFC。主动PFC 电路改善了功率因数，并对谐波进行了抑制。具体的LED数控恒流驱动电源总体结构如图1 所示。

图1 LED 数控恒流驱动电源总体结构图

根据LED 设备的工作原理，连接驱动电源的相关电路，以达到输出恒流驱动信号的目的。

1.1 变压器

变压器是LED 数控恒流驱动电源中的电压调节装置，其基本工作内容包括:升压、降压以及稳压三个部分，变压器在升压驱动状态下的运行电路如图2 所示。

图2 升压变压器运行原理图

从图2 中可以看出，LED 数字控制恒电流驱动的变压器装置包括:晶体管VT、蓄能电感L、升压二极管VD、滤波电容器C等元件。控制该晶体管的基极信号循环的接通和断开。在升压状态下，通过接通三极管，将电能储存到电感上，使电感电流呈直线上升，并以左侧“+”和右侧的“-”表示，负荷是由电容提供的。在关断晶体管的情况下，感生电流要降低，感生电位在左边是“-”右边是“+”，电感电位和输入的电压重叠，从而使二极管VD 处于接通状态，一起给负荷提供电力，并对电容器C进行充电，由此将驱动电源DC 低压转换为DC 高压。升压变压器的反向操作即可实现驱动电源的降压控制，在变压器执行升压或降压任务时，内部电路本身调节电流，从而增加限流电阻的压降，从而降低电压的波动幅度，达到稳压的目的。

1.2 电磁干扰滤波器设计

电磁干扰滤波器对接入驱动电源中的电网噪声起到了很好的抑制作用，可以提升LED 数控恒流驱动电源的抗干扰性能和稳定性能。图3 表示的是电磁干扰滤波器的内部结构。

图3 电磁干扰滤波器内部结构图

电磁干扰滤波器包括两个输入、两个输出和一个接地端口，在使用时，外壳必须与地面连接。C1、C2、C3和C4是滤波电容，L是共模电感。在共模干扰存在的情况下，由于线圈绕组方向一致，在耦合后电感量增加，也就是增加感抗值，从而对共模信号进行抑制。在提高额定电流时，应加大电感线圈以适应更高的电流，并通过适当提高电感量来降低其低频衰减。C1、C2通常使用膜电容，以过滤串模干扰，C3、C4中点接地，以抑制共模干扰，降低漏电流。在上述滤波结构的基础上，在输入端位置上保险丝的功能是在电路发生短路或大电流时切断，保护后端的电路，而温敏电阻则会使整个驱动电源产生“软启动”，当滤波器运行温度过高时，直接断开保险丝，避免高温下元器件的损坏。

1.3 LED 多路恒流电路

LED 恒流电路采用恒流控制环、限压控制环，保证LED 灯的稳定电流，并能有效地控制输出的电压，保证LED 灯的均匀和长期可靠照明。其中，精确电压调节器TL431 和运算放大器LM358 构成恒流限压控制电路，LM358 具有两个单独的高增益运算放大器，其中IC1A 用于电流环路，IC1B 用于电压环路。TL431 将分压信号送入IC1A 的同相输入端，并将该电压信号用作电流环路的参考信号。在电流取样信号超出参考信号的情况下，由光电耦合器PC817 中的LCD 进行反馈，通过INV 针输入到AP1661 芯片中，经过内部对比，调整COMP 电压，改变PWM 信号的占空比，控制变压器次级电流，从而实现恒流输出。

1.4 箝位电路设计

在LED 开关电源中，无论何时MOSEFT 功率转换器从接通变为断开，都会在该开关管的该线圈上产生一个峰值[6]。为避免MOS 管发生故障。需要在MOS 管上增设漏极钳制保护电路，以钳制和吸收尖峰电压。箝位电路的连接情况如图4 所示。

图4 箝位电路图

在MOS 开关管关闭的瞬间，将变压器内的电能充入电容器，再由电阻器将其耗尽，以有效地抑制脉冲电压。

1.5 输入保护电路

LED 数控恒流驱动电源在工作过程中，难免会发生过流或过压等一系列的问题，保护电路的设计直接关系到驱动电源的安全运行，因此针对过压和过流两种情况设计具体的保护电路。比较实时电流和电压与设置的正向输入阈值，然后将输出信号与光耦合器TLP521 相连接[7]。在出现过流或过压问题时，电流值或电压值高于设置阈值，此时比较器输出低电平，触发最高的中断级别，触发最高中断级使得整个电源停止工作。

1.6 频率跟踪电路

图5 表示的是LED 数控恒流驱动电源中频率跟踪电路的优化设计结果。

图5 频率跟踪电路图

图5 中，CD4046 表示的是数字锁相环。在实际的频率跟踪过程中，实时电流和电压通过电流转换为方波，将转换后的信号输入到相位比较器中，输出相位误差信息。将低通滤波器的输出结果作为压控振荡器的控制电压，确定驱动电源振荡频率的具体取值，使得电压与电流在同一相位。若共振频率发生偏移，则在电压与电流间产生新的相位差，在共振频率向左漂移时，控制电压处于较低水平，使振荡频率下降，而在共振频率向右漂移的情况下，该控制电压是高电平，从而提高频率值，使得电压与电流的相位再次同步。

1.7 LED 调光控制电路

LED 调光控制电路的设计目标是使LED 开启/关闭，采用单片机作为LED 调光控制器，将调光开关和LED 灯以并联的形式进行连接，在调光开关断开时，LED 灯处于开启状态，在调光开关打开时由于短路而关闭。该方法采用按键的方式，将PWM 控制信号输入到单片机上，并将按键电路与单片机的管脚相连，在按下按钮时，输出的电压就会被单片机识别，并进行相应的处理[8]。该电路在检测到VCC 的异常时，通过单片机的接口进行中断，并将其存储在FLASH 中，在下一次LED 灯开启时，单片机会首先读取FLASH 的数据，然后输出相应的亮度。

1.8 功率放大电路

采用正弦波信号发生器作为频率源，将其输出的信号直接放大给LED 终端，因此要尽量保证信号波形的完整性，必须选择线性功率放大器。选择OPA541 型号的功率放大器，LED 驱动电源组成元件的布置应尽可能接近功率放大器的电源引脚。由于供电电压高，输出电流大，所以在设计时要尽量避开低电压线路，防止出现波形失真和寄生振荡。

除了上述LED 数控恒流驱动电源元件和电路外，电源开关管、LED 数控恒流输出电路、功率因数校正电路等部分均沿用传统电源对应部分，并利用优化电路连接元件设备。

2 LED 数控恒流驱动电源驱动程序设计

2.1 设置LED 数控恒流驱动电源运行参数

LED 数控恒流驱动电源中变压器的运行参数包括输入功率、侧电感量、电流密度、运行限值等，其中输入功率参数的计算公式如下:

式中:Pout为变压器的额定输出功率值，η表示的是变压器的工作效率。侧电感量和电感储能量参数的设置结果可以表示为:

式中:变量IR表示的是变压器的额定电流，f为变压器设备的工作频率，计算得出的LP和W对应的是侧电感量和电感储能量。当电源开关管闭合时，变压器所承受的关断电压是由整流侧的输入电压来计算的，并考虑到一次侧漏感会引起的电压峰值，取10%的裕量，变压器所承受的最大电压为:

式中:变量Ud表示的是变压器逆变电路的额定电压值。同理可以得出变压器其他工作参数的计算结果，并根据电压值和电流值的限制，对变压器内的磁芯、线圈结构进行调整。LED 数控恒流驱动电源的整流输出模块应具有正向压降低、反向漏电流小、方向恢复时间短等特性，设置整流输出电路工作电压和电流的约束条件如下:

式中:Vout和Iout表示整流输出电路的峰值电压和电流，VPK_MAX为反向峰值电压。按照上述方式分别计算LED 数控恒流驱动电路中所有组成元件与电路的工作参数，并将其导入到电源驱动程序中。

2.2 校正LED 数控恒流驱动电源功率因数

LED 数控恒流驱动电源的功率因数反映了其有效功率和总功耗的关系。其计算公式如下:

式中:P和S分别为电源的有功功率和视在功率，UValid和IValid分别对应的是有效输入电压和电流值，φ为相角。从式(5)中可以看出，功率因数数值等于电压和电流相位差的余弦值[9]。当正弦波不发生畸变时，由于电感和电容负载的影响，会造成直流电压的相位畸变和交流电压波形自身的畸变，畸变后的功率因数可以表示为:

式中:I1和In分别为基波分量和第n次谐波分量，φ1代表相移角度。此时MOS 管开始生成PWM 信号，在一段时间内，如果MOS 管的接通时间不变，则可以维持该电感器的峰值电流波形，使得驱动电源输出的电流与输入电压相位相等，达到提高功率因数校正的目的。

2.3 利用频率跟踪技术控制电源工作频率

利用频率跟踪电路，比较输入、输出信号相位，得到相位差信号，将输入和反馈的输出信号与相位进行比较，得到相位差信号，利用滤波器将相位差信号中的谐波分量输入到压控振荡器中，谐波频率分量及其过滤过程可以表示为:

式中:fn为电源工作频率，m为工作频率的衰减量。通过实时相位差信号的读取，实现LED 数控恒流驱动电源工作频率的跟踪。压控振荡器可以用电压来控制电压工作频率的输出，因此压控振荡器校正了滤波后的频率，在此基础上，在需要增加驱动信号的频率时，该微控制器输出一个3.3 V 的高电压，在需要降低该驱动信号的频率时，该微控制器输出一个0 V 的低电平[10]。在微控制器的输出高压时，其电容会被充电，并且在电容上，也就是信号产生电路的压控振荡部的输入电压，使驱动信号的频率提高，在微控制器的输出为低压时，降低了电容，也就是信号产生电路的压控振荡部件的输入电压，由此降低了驱动信号的频率，根据实时频率的跟踪结果实现电源频率的调节与控制。

2.4 LED 数控恒流驱动控制的实现

LED 数控恒流驱动任务可以分为开启/关闭和调光两个部分，在LED 设备的开启/关闭过程中，电源输出驱动信号，驱动电流的输出结果可以表示为:

式中:t和t0分别表示的是驱动信号的响应时间和生成时间，ω代表驱动电源的运行角速度，该参数的具体取值由工作频率决定，而Vdrive和Lm分别为驱动电压和电感值[11]。按照上述开启/关闭驱动方式，在LED 多路恒流电路和程序的约束下，实现LED设备的平稳驱动控制。另外，LED 调光数控恒流驱动控制的过程如图6 所示。

图6 LED 调光任务数控恒流驱动流程图

在电源元件、电路以及驱动程序的协同工作模式下，实现LED 数控恒流驱动控制，完成LED 数控恒流驱动电源的设计。

3 性能测试实验分析

为了测试基于频率跟踪的LED 数控恒流驱动电源的驱动性能，设计性能测试实验，详细介绍实验采用的样机和条件，完成LED 数控恒流驱动电源控制程序的设计，执行多个驱动任务，并通过与预期结果的比对，证明优化设计的驱动电源是否达到设计效果。

3.1 制作LED 数控恒流驱动电源样机

根据电路的设计结果，对其进行校验，确认电路不存在短路情况，然后才能进行恒流驱动电源硬件电路的焊接。在独立调试LED 数字控制恒流驱动电源时，首先采用低电压源，并对关键点的电压进行检测。将LED 数字控制恒电流驱动的电源和LED器件结合在一起。图7 为LED 数控恒流驱动电源样机的制作结果。

图7 LED 数控恒流驱动电源样机实物图

驱动电源样本硬件调试结果显示正常后，进行驱动程序的调试，保证驱动程序能够在硬件环境中正常运行。在软件的调试中，可以利用示波器、逻辑分析仪、万用表等仪器，对某一具体的部位进行逻辑状态的测试和分析。

3.2 准备LED 驱动任务样本

根据LED 数控恒流驱动电源的驱动方式，分别从LED 设备启动和调光两个方面设置实验的驱动任务样本，其中部分样本的准备情况如表1 所示。

表1 部分LED 驱动任务数据表

将表1 中的所有驱动任务转换成控制信号量，存储在实验环境中。

3.3 设置电源驱动性能测试指标

此次实验分别从恒流控制性能和驱动性能两个方面进行测试，其中恒流控制性能的量化测试指标为电源输出电流的波动系数，其数值结果为:

式中:Ii和分别为第i个电源驱动电流信号和电流平均值，n为输出的驱动电流信号量，计算得出电流波动系数越高，说明设计电源的电流输出越不平稳。另外电源驱动性能的测试指标为驱动效率，其数值结果为:

式中:Uout、Uin、Iout和Iin分别对应的是电源电压和电流的输入值和输出值，计算得出η的值越大，说明电源的驱动效率越高。

3.4 驱动性能测试过程与结果分析

选择PH25 型号的LED 设备作为实验的研究对象，将该设备分别与制作的电源样机以及示波器连接在一起，方便同步显示驱动结果。同时启动LED 数控恒流驱动电源的组成元件和电路，将准备的驱动任务数据导入到驱动电源中，得出执行结果，如图8 所示。

图8 LED 设备驱动任务执行结果

由于优化设计的LED 数控恒流驱动电源应用了频率跟踪技术，为了体现出优化设计电源的性能优势，设置未应用频率跟踪技术的驱动电源作为实验对比项。通过驱动任务的运行示波器显示电源的输出驱动电流，如图9 所示，CH2 表示输入通道，Time 表示时间，纵向的“2”表示探针波形。

图9 频率跟踪前后驱动电源输出电流波形图

通过相关数据的提取以及式(9)的计算，得出不同方法应用下LED 驱动电源输出电流的波动系数。对比方法采用文献[4]提出的无电解电容高压大功率LED 驱动电源设计方法。测试结果如表2 所示。

表2 驱动电源恒流波动系数测试结果

通过平均值计算可以得出应用频率跟踪技术后驱动电源电流波动系数的平均值为0.084，明显低于文献方法。由此证明研究提出的基于频率跟踪的LED 数控恒流驱动电源的电流稳定性更高。另外，电源驱动效率的测试结果，如表3 所示。

表3 电源驱动性能测试结果

将表3 中的数据代入到式(10)中，可以得出文献[4]所设计电源和本研究设计驱动电源的平均驱动效率分别为46.05%和88.03%，由此可见，基于频率跟踪的LED 数控恒流驱动电源的驱动效率更高。

4 结束语

恒流驱动电源中元器件的参数值受到内外部因素的干扰会造成电源输出电流的波动，因此，LED路灯恒流驱动电源输出电流的稳定性和各路频率一致性均影响着整个照明系统的可靠性。针对此问题，提出基于频率跟踪技术的LED 数控恒流驱动电源优化设计方案，以确保LED 设备接收电流信号的平稳程度，延长LED 的寿命。由实验测试结果可知，应用频率跟踪技术后，LED 数控恒流驱动电源的电流波动系数得到有效降低，驱动效率更高，说明所设计电源可用于实际生产，为智能控制提供一种新型研发思路。