针对一种用串联谐振变换器实现LED开环恒流的方案,本文提出了一种较为完备的优化设计方法。文中通过对串联谐振变换器开环工作状态的等效分析,确定开环恒流条件和谐振参数与开关频率的选择依据,以及LED数目、变压器变比与恒流误差之间的关系,为LED数目及变压器变比的优化选择奠定了理论基础。
3 恒流源的设计
串联谐振电路实现电流开环恒流,需要选择电路工作频率,设计电路参数。
3.1谐振参数的选择
串联谐振电路谐振频率确定后,要选择谐振电感与电容的值,可作如下分析[6],串联谐振电路图如图6所示。
图6 串联谐振电路图
其中谐振角频率:
为减小RLED对谐振频率的影响,并且在一个开关周期内电流幅值指数衰减比较小,可以得到:
根据表达式(21),可以选择谐振参数。仿真、实验时LED的额定等效电阻为:RLED=108.3Ω,设计的谐振变换器的谐振频率为:ω0=100kHz,所以根据表达式(21),选择谐振电感为:Lr=0.77mH,谐振电容为:Cr=3.3nF。
3.2 工作频率的选择
串联谐振开关频率高于或低于谐振频率时,其输出电流具有恒流特性。当开关频率小于谐振频率时,开关管为零电流关断,开通为硬开通。要实现零电流开通,需要在开关管上串联饱和电感,但是这会增加电源体积,并且在开关频率小于谐振频率时,电感的谐振电流畸变比较大。当开关频率大于谐振频率时,开关管为零电压开通,关断时硬关断。在开关管并联吸收电容,可以实现开关的管的零电压关断[7][8][9],相对串联饱和电感,更容易实现,并且谐振电流的畸变比较小,并且高频会减小变换器体积,所以选择开关频率大于谐振频率。 谐振变换器的谐振频率取:f0=100kHz,根据表达式(9-12),可以得到,要实现0.3A的恒流,变换器的开关频率可以为:f1=5.92×104Hz,f2=1.69×105Hz。如图7所示,开关频率小于谐振频率时,谐振电流的畸变比较严重。实验选择谐振变换器的开关频率为:f=1.69×105Hz。
图7 谐振电感电流波形
3.3 LED数目m对恒流误差的影响
首先定义恒流误差ΔI为:LED数目m变化前后平均电流差值的绝对值。根据表达式(14)(15),可以看出,LED数目对恒流误差影响比较大。将图5(b)再进行局部放大可以得到如图8所示,从图就中可以比较明显的看出,m值越大,LED平均电流的恒流误差就越大。为此,实现开环恒流的变换器在一定恒流误差范围下驱动的LED数目是有限的。
图8 n=1时,LED平均电流与LED数目的关系
3.4 隔离变压器的设计
隔离变压器主要起隔离传递能量的作用,激磁电感不参与谐振,固激磁电感应该远大于电路的谐振电感。仿真与实验的电路设计的谐振电感为:Lr=0.77mH,所以将变压器的激磁电感设计为Lm=10mH。根据表达式(9-12)可以得到n=0.5时,LED平均电流与LED数目的关系图,如图9所示。
图9 n=0.5时,LED平均电流与LED数目的关系图
对比图(8)(9)可以看出,相同LED数目m下,变压器变比n减小,恒流误差减小。为此,在保证恒流误差比较小的情况下,可以通过减小变压器变比n来增加变换器所能驱动的LED的数目m。但是,在相同功率下,变压器变比n越小,其二次侧匝数越多,变压器体积变大,并且变压器变比n越小,开关频率也越小,同样会增大变换器的体积。所以变压器的变比n要根据恒流误差要求和LED数目m来合理选择。
4 实验结果
实验时驱动电源输入电压为:Vin=400V,LED型号为:SEOUL-X42180,并且Vturn-on=2.6V,Rs=1.5Ω,LED工作电流:IF=300mA,恒流误差为:ΔImax<5mA,LED数目为:m=10。根据前面分析,谐振电路的谐振角频率选取为:ω0=6.28×105rds/s,谐振频率为:f0=100kHz,Lr=0.77mH,Cr=3.3nF,谐振变换器的开关频率为: f=1.69×105Hz,变压器变比n=1。实验结果如图10(a)、10(b)所示。从图10(a)、10(b)中可以看出,LED数目m由5变为10,LED两端电压变为原来的2倍,但是流过负载的电流基本不变,保持恒流。
图10 谐振变换器输出电流与电压波形
5 结论
本文将串联谐振电路用于LED的级联供电机构中,实现开环恒流,减小了整体设计的复杂度。文中确定了串联谐振电路实现开环恒流的条件,确定了串联谐振电路参数的选择依据,分析了LED数目m与变压器变比n对恒流效果的影响,为m与 n合理选择提供了依据,仿真与实验验证了优化设计的正确性。
编辑:Cedar
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