文獻標識碼: 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.
0 引言
當今人類面臨著嚴重的能源問題,,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)化電路拓撲的控制策略以避免電解電容的使用;其二,,通過改善電路的拓撲結(jié)構(gòu)來消除電解電容,。基于第一種思想,,文獻[2-3]提出了通過向輸入端注入諧波電流以達到對電路參數(shù)進行優(yōu)化,,從而達到消除電解電容的目的;文獻[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[5]提出了通過使用恒流調(diào)節(jié)器控制負載的功率,達到調(diào)節(jié)輸出電流穩(wěn)定的目的,?;诘诙N思想,文獻[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撲整體效率,。
本文提出一種非隔離式基于CUK電路的AC-DC LED驅(qū)動電源拓撲。具有以下優(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)動電源拓撲如圖1所示,。基于分析做出以下假設(shè):
(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,。
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,。
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開始對負載放電,,工作電路如圖4所示。
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,。
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,。
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:
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,負載LED便可正常工作,。
2 電路拓撲仿真
使用LTspiceIV仿真軟件對該電路進行仿真,,仿真實驗電路如圖8所示。首先進行開環(huán)仿真,,以10 Ω電阻為負載,,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時刻導通,,S2延后于S1導通,,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,。
其次進行閉環(huán)仿真,以LED為負載,,對輸出電流值進行采樣,,與設(shè)定值進行比較,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。
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撲進行實驗驗證,。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。
實驗分別在70 V以及110 V下進行,,以單個功率為1.5 W的LED模組作為負載,,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)律進行了分析,,并且對電路進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,,達到更精確的要求,。
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作者信息:
戴文桐,牟憲民,,范永升
(大連理工大學 電氣工程學院,,遼寧 大連116024)