一类LED驱动电源的优化设计[1]

　　1 引言

　　LED具有光线质量高、功耗小、寿命长、绿色环保等优点，已在大屏幕色彩显示、LCD背光源、景观照明、室内装饰等领域得到广泛应用，并且在汽车照明、隧道照明、普通照明等领域的应用得到逐步推广。LED的伏安特性是非线性的，驱动电压非常小的波动能造成驱动电流比较大的变化;LED具有PN结负温度特性，LED温度升高会致使阀值电压减小，LED电流增大，LED发热，温度继续升高，LED最后损坏;LED的发光强度与流过其平均电流成正比，所以LED常采用恒流驱动的形式[1]。

　　目前LED常见的恒流驱动采用的方法是通过在大功率LED回路串联一个检测电阻来检测电流，或者通过电容两端电压来间接的反馈电流，实现对LED的恒流控制。无论哪种恒流驱动方法都需要反馈闭环控制，需要对控制回路进行设计，电路比较复杂，可靠性也会降低[2][3]。串联谐振变换器具有恒流特性，可以将其用于实现LED的开环恒流驱动。目前谐振电路在LED驱动电源中应用的不多。文献[4]是将谐振电路用于提供高频正弦波电压的电压源;文献[5][6]是通过串联谐振电路实现开环恒流。区别是文献[5]让串联谐振电路工作在电流断续状态，不需要电流采样，实现输出电流恒流，但电路工作在断续状态，开关频率小于谐振频率，电流峰值比较大，效率不高。文献[6]是让串联谐振电路工作在连续状态下，实现开环恒流。但是文献中的分析设计忽略了负载电压与输入电压的相位差，文中仅对部分参数进行设计。

　　带有功率因数校正(PFC)功能的两级LED驱动电路机构主要由前级BOOST结构实现PFC功能，并为后级提供稳定的400V的电压;后级为恒流驱动器。若后级能够开环实现恒流，会降低设计复杂程度，并能提高系统可靠性，为此文中将串联谐振电路用于此种结构的后级恒流驱动器中。电路工作在谐振电感电流连续状态，能实现开环恒流。文中对该电路进行分析，确定开环恒流的条件，并对变换器中的谐振参数、开关工作频率、变换器所能驱动的LED数目m以及变压器变比n的确定提供了依据。本文根据分析进行设计，并进行仿真与试验。

　　2 恒流源的分析

　　2.1 LED的等效模型

　　LED是PN结光电器件，其伏安特性具有非线性和单向导电性，在正向电压小于某一值时，电流非常小，不发光，当正向电压超过某一值后，正向电流随着正向电压的增加而迅速增加，LED的伏安特性模型可用式(1)表示[1]。

　　（1）

　　其中，Vturn-on为LED阀值电压，Rs为伏安特性曲线的斜率。由此可以得到如图1所示的LED的等效电路模型：

　　图1 LED等效电路模型

　　2.2 恒流源电路的等效电路

　　文中以半桥结构的串联谐振电路为例进行分析设计。谐振电路原理图如图2所示。图中n为变压器变比，m是LED数目，变压器只起隔离和传递能量的作用。

　　图2 谐振电路原理图

　　为简化分析，根据图2 将二次侧负载折算到变压器一次侧，得到谐振电路的简化电路图，如图3所示。

　　图3 谐振电路简化电路图

　　采用基波分析，可以得到输入电压的基波：

　　（2）

　　输入电压的基波有效值为：

　　 （3）

　　谐振电流的基波为：

　　 （4）

　　其中θ为谐振电流相对输入电压的相位差，IRMS为谐振电流基波有效值。LED等效电源的基波为：

　　（5）

　　由于LED等效电源的基波与谐振电流基波同相位，所以在计算IRMS时，可以用替代定理将LED用等效电阻RLED代替。

　　（6）

　　并且变压器激磁电感LM比较大，可以将简化电路等效，等效电路图如图4所示。

　　图4 谐振电路等效电路图

　　根据图4可以得到谐振电流基波有效值：

　　（7）

　　并且流过LED的平均电流为：

　　 （8）

　　所以根据表达式(6-8)，可以得到流过LED的平均电流：

　　（9）

　　其中：

　　根据表达式(9-11)，可以看出，若要实现流过LED的平均电流大于0，就需要满足：

　　（13）

　　并且若满足表达式(14-15)的情况下，若谐振频角频率ω0、输入电压Vin、隔离变压器变比n及谐振电感Lr固定，流过LED的平均电流值只与谐振电路的开关角频率相关。LED平均电流与开关频率的具体变化关系可以从图5看出。

　　图5 LED平均电流与开关频率的关系图

　　图5(a)中可以看出，在谐振角频率附近，随着LED数目的变化，LED平均电流值变化比较明显。图5(b)是图5(a)的局部放大图，从图中可以看出，在开关频率大于或低于谐振频率时，LED数目的变化对LED平均电流值的影响非常小。根据LED工作电流范围可以确定开关频率的选择范围。为此，可以将表达式(14)(15)视为串联谐振电路实现开环恒流的条件。