有源紋波補償BUCK型LED驅動(dòng)電路設計

傳統BUCK 電路采用LC 濾波，電路穩態(tài)工作時(shí)，輸出電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成。當驅動(dòng)LED 時(shí)，紋波電壓將引起較大的LED 紋波電流。增大濾波電容可減小LED 的紋波電流。但是，電容容量的增大，導致電源體積和重量增加，影響電源的小型化和集成化，更重要的是，電解電容成為限制LED 驅動(dòng)電源壽命的主要因素。在LED 照明應用環(huán)境下，電解電容的壽命不超過(guò)10 000 h，與LED 的長(cháng)壽命( 100 000 h 左右) 難以匹配。文獻分析了開(kāi)關(guān)電源的平均無(wú)故障時(shí)間，指出電解電容的性能直接決定了電路的可靠性，在設計電源驅動(dòng)器的時(shí)候應該有針對性地減少電解電容的使用。電解電容的有效工作壽命在很大程度上取決于環(huán)境溫度以及通過(guò)等效串聯(lián)阻抗的紋波電流導致的溫升。溫度過(guò)高致使電解電容電解質(zhì)逐漸耗盡，使得其性能下降。

　　本文提出一種有源紋波補償BUCK 型LED 驅動(dòng)電路。該電路無(wú)需使用大容量電解電容，所需要的小容量電容可以采用能量密度較小的新型長(cháng)壽命電容，利用有源補償技術(shù)抑制輸出紋波電流。由于取消電解電容的使用，可以使電路壽命增長(cháng)，穩定性提高，便于集成，電路易小型化。

　　一、有源紋波補償BUCK 電路

　　電路如圖1 所示。電路結構以BUCK電路為主，取消電解電容濾波，用輔助線(xiàn)性電路對電感紋波電流進(jìn)行補償。圖中由開(kāi)關(guān)管V、電感L、LED 燈組、續流二極管VD 組成主電路; 晶體管VT 為輔助補償電路。

　　圖1 有源紋波補償BUCK 電路拓撲圖

　　設主電路電感電流iL和晶體管VT 的集電極電流iC分別為：

　　式中，IL和IC分別是電感電流和的集電極電流的直流分量; ir和ic分別為它們的交流分量( 紋波電流) 。

　　當ic = - ir時(shí)，輸出電流為：

　　通過(guò)LED 的電流iO為恒定直流，如圖2 所示，實(shí)現了對電感紋波電流的全補償。

　　式中，Ip和IPP分別是電感電流的上峰值和電感紋波電流的峰峰值。

　　圖2 電感電流補償示意圖

　　LED 燈組為n 個(gè)大功率LED 串聯(lián)連接，UO =nUF為L(cháng)ED 燈組壓降; UF為單個(gè)LED 的導通壓降。

　　晶體管VT 的損耗為：

　　在保證晶體管VT 的集射電壓大于其飽和壓降( VCE≥VCES) 的條件下，調整占空比D ( 如D 取值范圍為85% ～ 95%) ，可使集射電壓足夠小。同時(shí)，控制集電極瞬時(shí)電流iC的最小值近似為零，則IC最小。因此，晶體管VT 的損耗為最小，可提高驅動(dòng)電源的效率。

　　二、紋波補償的實(shí)現

　　1. 紋波電流檢測

　　根據電感元件的電壓與電流關(guān)系：

　　可以通過(guò)觀(guān)測電感兩端的電壓來(lái)檢測紋波電流，如圖3 所示。圖3 中檢測電路由運算放大器A1、電阻R 及電容C 組成差分積分電路。假設各元器件均為理想元器件則：

　　即：

　　圖3 紋波電流檢測補償原理圖

　　uo1( t) 是與電感紋波電流成正比的函數，比例系數為：

　　A1采用單電源供電，uo1≥0，在紋波電流為正峰值時(shí)uo1 = 0 有：

　　式中：

　　所以：