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(diǎn)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(shí)，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?；其二,，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,。基于第二種思想,，文獻(xiàn)[6-7]不但實(shí)現(xiàn)了消除電解電容的目的,，同時(shí)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(diǎn)：(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)：

    (1)輸入電壓V_g=V_msin(ω₁t)為一個理想的正弦波,，V_m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(yùn)行時(shí)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R_L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(shí)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。

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

    t₃-t₄階段，S₁和S₂同時(shí)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(fù)載LED便可正常工作,。

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(shí)驗(yàn)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(shí)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,。

    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,。

    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小（電流軸量程開環(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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    基于仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,，搭建實(shí)驗(yàn)平臺對該電路拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)恒定功率輸出,，保證LED正常工作,。同時(shí)，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(diǎn)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(shí)驗(yàn)以及實(shí)物實(shí)驗(yàn),，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相匹配,，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn),，達(dá)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(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連116024）