Boost型无频闪谐振降压式LED驱动电源分析与设计.docx

? ? Boost型无频闪谐振降压式LED驱动电源分析与设计 ? ? 刘文菡，刘雪山，贺明智，周 群，孙 曼 （四川大学电气工程学院，成都 610044） 高亮度发光二极管（high brightness LED）以其光效高、色域宽、寿命长、体积小等优点，被广泛用于替代传统的冷阴极荧光灯和白炽灯[1-2]。为减少电力电子设备对电网的谐波污染，GB/T14549-93 《电能质量公用电网谐波》、欧盟IEC61000-3-2 Class C等标准对电力电子设备输入电流的各次谐波提出了限制要求[3]。因此，研究具有功率因数校正PFC（power factor correction）的LED 驱动电源具有重要意义。 近年来，体积小、效率高的高功率因数单级LED 驱动电源逐渐进入人们的视野。传统的单级Buck PFC 变换器具有开关管电压应力低、效率高以及降压变换的特点，非常适于非隔离型场合。但当输入电压低于输出电压时，输入电流会出现死区，导致功率因数降低，难以达到IEC61000-3-2 Class C 的规定，尤其是当输出电压较高的应用场合[4-5]。传统的单级Buck-Boost PFC 变换器可同时实现升压和降压变换，还具有固有的电流整形能力、成本低的特点。但是，与Buck 和Boost PFC 变换器相比，当开关管关断时，Buck-Boost PFC 变换器的所有输出能量均来自于主电感存储的能量，导致Buck-Boost PFC 变换器的电磁兼容性差、效率低、电流和电压应力高[6]。传统的单级Boost PFC 变换器具有效率高、输入电流纹波低、电磁兼容性好以及具有输入电流整流能力的特点，是PFC 应用中最受欢迎的变换器拓扑结构，特别是当主电感电流工作在临界导通模式时。但是，Boost PFC 变换器只能实现升压变换输出，在一定程度上限制了其作为单级功率变换器的应用范围[7-8]。此外，这3 种PFC变换器的输出电压中含有较大的二倍频纹波，对于一些需要高质量、高精度、低输出纹波供电的应用，这三种单级非隔离式变换器难以满足要求，而且作为LED 驱动电源时还会导致频闪，对人类健康带来一定的影响[9-10]。因此，为了消除LED 频闪，通常需要在单级PFC 变换器后级联DC-DC 变换器以消除二倍频纹波[11]。整合式Boost-Flyback LED 驱动电源通过单个开关管将前级Boost PFC 变换器与后级Flyback DC-DC 变换器进行级联整合，利用一个控制回路实现高功率因数和低电流纹波输出，但其中间储能电容的电压过高会影响电路的性能[12]。二次型Boost 变换器利用单个开关管将前级Boost PFC变换器与后级Boost DC-DC 变换器进行整合，具有高功率因数、低电流纹波输出以及低电压应力的特点[13]。但二次型Boost 变换器的输出电压必须至少高于输入电压的峰值，在一定程度上限制了其应用范围，例如作为LED 驱动电源的使用。在交流输入（200～240 V）功率变换器中，二次型Boost PFC 变换器的输出电压会达到400 V 以上，这使得二次型Boost PFC 变换器主要作为前级变换器使用。 本文基于二次型Boost 变换器提出一种Boost型无频闪谐振降压式LED 驱动电源，利用一个开关管将二次型Boost 变换器与一个谐振网络级联整合。搭建了一台84 W 的实验样机，对该LED 驱动电源理论分析的正确性和可行性进行验证。 1 电路结构 图1 为本文提出的LED 驱动电源的电路及其控制回路。功率回路由整流桥Dbridge、输入滤波电感Lf、输入滤波电容Cf、励磁电感L1及L2、储能电容CB、开关管S1、续流二极管Di（i=1，2，6）、谐振电容Cri（i=1，2）和二极管Dj（j=3，4，5）及谐振电感Lr组成的谐振网络、输出二极管Do、输出电容Co、LED负载以及采样电阻Rs组成。 图1 Boost 型无频闪谐振降压式LED 驱动电源及其控制回路Fig.1 Flicker-free resonant step-down LED driver based on Boost topology and its control loop 该LED 驱动电源采用电压快环控制回路实现低纹波恒流输出控制。控制环路中，误差放大器EA1 将输出信号vrs和控制回路参考电压Vref进行比较并得到误差电压ve。比较器CMP1 将ve与锯齿波信号进行比较并得到复位信号vre。输出电流iLED被调整为Vref/Rs，实现恒流输出。当S1关闭时，锯齿波发生器复位至0；当RS 触发器的置位端子为高电平时，锯齿波发生器将被置位。RS 触发器置位端子的输入信号是电感L2的零电流检测ZCD（zero current dete