《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CUK電路無電解電容的AC-DC LED驅(qū)動電源設(shè)計
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
戴文桐，牟憲民,，范永升
大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院,，遼寧 大連116024
摘要： 為提高LED驅(qū)動電路的使用壽命并優(yōu)化其整體性能，提出了一種新型的基于CUK電路的非隔離型AC-DC電路拓?fù)?。該拓?fù)渫ㄟ^在基本的CUK電路上增加一個MOSFET來實現(xiàn),。可實現(xiàn)高功率因數(shù)并消除電解電容。對于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析,，并且使用LTspiceIV軟件對其進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)的仿真,，最后通過帶載實驗來證實分析的正確性。
關(guān)鍵詞： LED驅(qū)動電源 Cuk電路 AC-DC
中圖分類號： TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式： 戴文桐,，牟憲民,，范永升. 基于CUK電路無電解電容的AC-DC LED驅(qū)動電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，
43(10)：153-156.
英文引用格式： Dai Wentong,，Mu Xianmin，F(xiàn)an Yongsheng. A non-isolation electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver based on CUK converter[J].Application of Electronic Technique,，2017,，43(10)：153-156.
A non-isolation electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver based on CUK converter
Dai Wentong，Mu Xianmin,，F(xiàn)an Yongsheng
School of Electrical Engineering,，Dalian University of technology，Dalian 116024,，China
Abstract： In order to improve the lifespan of the LED driver and optimize its overall performance,，this paper presents a novel non-isolated AC-DC converter based on CUK converter. The topology is implemented by adding a MOSFET to the basic CUK converter. In this paper，the structure is analyzed in detail and the LTspiceIV software is used on the open loop and closed loop simulation. Finally,，the correctness of the analysis is verified by experiment.
Key words : LED drive,；CUK converter；AC-DC

0 引言

    當(dāng)今人類面臨著嚴(yán)重的能源問題,，而照明引起的能源損耗更是大的驚人,。在此背景下，有著節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點的LED在近些年發(fā)展迅速[1],。LED的使用需要性能優(yōu)良的驅(qū)動電源作為支撐,，常用的LED驅(qū)動電源需要大的電解電容來降低輸出電流紋波，而電解電容是LED驅(qū)動電源中壽命最低的一個環(huán)節(jié),，其使用會大大降低整體的壽命,，同時，也會引起功率因數(shù)的降低,。

    針對此問題,，不同學(xué)者提出了不同的方法來消除電解電容，但主要是基于兩個思想,，其一,，通過優(yōu)化電路拓?fù)涞目刂撇呗砸员苊怆娊怆娙莸氖褂茫黄涠?，通過改善電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來消除電解電容,?；诘谝环N思想，文獻(xiàn)[2-3]提出了通過向輸入端注入諧波電流以達(dá)到對電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,，從而達(dá)到消除電解電容的目的,；文獻(xiàn)[4]提出了利用PWM調(diào)光技術(shù)來改善輸出電流，可避免使用電解電容,；文獻(xiàn)[5]提出了通過使用恒流調(diào)節(jié)器控制負(fù)載的功率,，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電流穩(wěn)定的目的?；诘诙N思想,，文獻(xiàn)[6-7]不但實現(xiàn)了消除電解電容的目的，同時很大程度提升了拓?fù)湔w效率,。

    本文提出一種非隔離式基于CUK電路的AC-DC LED驅(qū)動電源拓?fù)?。具有以下?yōu)點：(1)具有很高的功率因數(shù)；(2)很長的使用壽命（未使用電解電容）,；(3)輸入輸出能量平衡,；(4)較小的輸出電流紋波。

1 電路結(jié)構(gòu)分析

    所提出的LED驅(qū)動電源拓?fù)淙鐖D1所示,?；诜治鲎龀鲆韵录僭O(shè)：

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    (1)輸入電壓Vg=Vmsin(ω1t)為一個理想的正弦波，Vm為輸入電壓幅值,，ω1=2πf,，f為輸入電壓頻率；

    (2)假設(shè)電路穩(wěn)態(tài)運行時所有元件都工作在理想狀態(tài)下,；

    (3)MOSFET的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓頻率,，故在每個開關(guān)周期內(nèi)可以視輸入電壓為恒定值；

    (4)電感L工作在電流斷續(xù)狀態(tài),；

    (5)電感L0,，電容C0，電阻RL可視為恒流源,。

    單個開關(guān)周期內(nèi)電路可分為四種工作狀態(tài),，工作波形如圖2所示,。以下將對每個工作階段做具體分析,。

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    0-t1階段：S1接通S2斷開，電感L處于充電過程,，工作電路如圖3所示,。

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    t1-t2階段：S1和S2同時接通，電感L繼續(xù)充電至峰值,，電容C開始對負(fù)載放電,，工作電路如圖4所示,。

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    t2-t3階段，S1斷開S2接通,，二極管D接通,，Vg與L同時給電容C充電，工作電路如圖5所示,。

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    t3-t4階段,，S1和S2同時斷開，二極管D接通續(xù)流,，工作電路如圖6所示,。

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    根據(jù)工作波形以及四種工作狀態(tài)的分析可以得出輸出電壓為：

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    圖7顯示了輸入功率，電容C儲存能量以及輸出功率等波形,。輸入電壓以及輸入電流均為正弦波形,，輸入功率頻率為二倍輸入電壓頻率。為了使輸出功率恒定,，電容C上儲能波形頻率應(yīng)與輸入功率相同,，并且其幅值變化需要與輸入功率相對應(yīng)，這樣可以使電容吸收大部分無功,，使輸出功率保持恒定狀態(tài),，輸出電流為穩(wěn)定直流，負(fù)載LED便可正常工作,。

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2 電路拓?fù)浞抡?/strong>

    使用LTspiceIV仿真軟件對該電路進(jìn)行仿真,，仿真實驗電路如圖8所示。首先進(jìn)行開環(huán)仿真,，以10 Ω電阻為負(fù)載,，選擇不同的開關(guān)頻率及占空比，單個周期內(nèi)控制S1在0時刻導(dǎo)通,，S2延后于S1導(dǎo)通,，得到不同情況幾組波形如圖9所示。圖中,，1為輸入電流,，2為輸出電流，3為電容C電壓,，4為輸入電壓,。

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    其次進(jìn)行閉環(huán)仿真，以LED為負(fù)載,，對輸出電流值進(jìn)行采樣,，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)輸出電流變化控制開關(guān)管S2的開通（單個開關(guān)周期內(nèi)延后于S1導(dǎo)通）,。不同開關(guān)頻率及占空比下幾組仿真波形如圖10所示,。圖中,，1為輸入電流，2為輸出電流,，3為電容C電壓,，4為輸入電壓。

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    通過幾組仿真波形可以看出,，儲能電容C兩端電壓為二倍輸入電壓頻率,，可得出其儲能值曲線變化趨勢與輸入功率相同。雖然輸出電流仍然存在一定程度的紋波,，但是整體與期望的結(jié)果大致相同,，說明了理論分析的正確性。閉環(huán)情況相較于開環(huán)情況輸出電流紋波更?。娏鬏S量程開環(huán)情況為閉環(huán)情況的10倍）,，并且更容易控制輸出電流值，對于電容充放電的控制更加方便,。

3 實驗驗證

    基于仿真實驗的結(jié)果,，搭建實驗平臺對該電路拓?fù)溥M(jìn)行實驗驗證。采用閉環(huán)控制,，分別以7.5 W（輸入電壓70 V）和10.5 W（輸入電壓11 V）進(jìn)行實驗,，實驗中，控制電路采用電流傳感器LA28-NP采樣流經(jīng)L2的電流,，轉(zhuǎn)換成電壓信號之后通過比較器LM393與設(shè)定值進(jìn)行對比,，輸出PWM波控制MOS管S2的開斷，保證輸出電流恒定,。實驗中使用的各個元件參數(shù)如下：MOSFET：47N60C3,；二極管：HER504；電感L1：1 mH,；電感L2：3 mH,；電容C：1 μF；電容C3：0.33 μF,；負(fù)載：1.5 W LED燈珠若干,。

    不同開關(guān)頻率及占空比下實驗波形如圖11所示，其中,，1為輸入電流,，2為輸出電流，3為電容C電壓,，4為輸入電壓,。

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    實驗分別在70 V以及110 V下進(jìn)行,，以單個功率為1.5 W的LED模組作為負(fù)載,，總功率分別為7.5 W和 10.5 W,，輸出電流穩(wěn)定，LED正常發(fā)光,。根據(jù)以上實驗波形可以看出,，電流存在一定紋波，但是紋波很小,，在允許范圍之內(nèi),，不影響LED正常發(fā)光，不會造成頻閃等問題,。輸出電流易于控制,，對于電容充放電的控制非常方便，電容功率變化與輸入功率相同,，可吸收大部分無功,，實現(xiàn)恒定功率輸出，保證LED正常工作,。同時,，輸入電壓與輸入電流基本保證同相位，功率因數(shù)非常高,。

4 結(jié)論

    本文介紹了一種非隔離AC-DC LED驅(qū)動電源,，其主要特點是：功率因數(shù)高、壽命長并且輸出電流紋波比較小,。前文對電路的具體工作規(guī)律進(jìn)行了分析,，并且對電路進(jìn)行了仿真實驗以及實物實驗，實驗結(jié)果與理論分析相匹配,，驗證了該設(shè)計的正確性,。未來工作將進(jìn)一步優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，以完成更高電壓等級閉環(huán)實驗,，達(dá)到更精確的要求,。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

戴文桐,，牟憲民，范永升

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院,，遼寧 大連116024）

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