有源紋波補(bǔ)償BUCK型LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)BUCK 電路采用LC 濾波，電路穩(wěn)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(dāng)驅(qū)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(dǎo)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(qū)動(dòng)電源壽命的主要因素。在LED 照明應(yīng)用環(huán)境下，電解電容的壽命不超過10 000 h，與LED 的長壽命( 100 000 h 左右) 難以匹配。文獻(xiàn)分析了開關(guān)電源的平均無故障時(shí)間，指出電解電容的性能直接決定了電路的可靠性，在設(shè)計(jì)電源驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候應(yīng)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)境溫度以及通過等效串聯(lián)阻抗的紋波電流導(dǎo)致的溫升。溫度過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(bǔ)償BUCK 型LED 驅(qū)動(dòng)電路。該電路無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壽命電容，利用有源補(bǔ)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，穩(wěn)定性提高，便于集成，電路易小型化。

　　一、有源紋波補(bǔ)償BUCK 電路

　　電路如圖1 所示。電路結(jié)構(gòu)以BUCK電路為主，取消電解電容濾波，用輔助線性電路對電感紋波電流進(jìn)行補(bǔ)償。圖中由開關(guān)管V、電感L、LED 燈組、續(xù)流二極管VD 組成主電路; 晶體管VT 為輔助補(bǔ)償電路。

　　圖1 有源紋波補(bǔ)償BUCK 電路拓?fù)鋱D

　　設(shè)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(dāng)ic = - ir時(shí)，輸出電流為：

　　通過LED 的電流iO為恒定直流，如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)了對電感紋波電流的全補(bǔ)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(bǔ)償示意圖

　　LED 燈組為n 個(gè)大功率LED 串聯(lián)連接，UO =nUF為LED 燈組壓降; UF為單個(gè)LED 的導(dǎo)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(diào)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(qū)動(dòng)電源的效率。

　　二、紋波補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

　　1. 紋波電流檢測

　　根據(jù)電感元件的電壓與電流關(guān)系：

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

　　即：

　　圖3 紋波電流檢測補(bǔ)償原理圖

　　uo1( t) 是與電感紋波電流成正比的函數(shù)，比例系數(shù)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：