智能控制及在电力系统中的应用Word文档下载推荐.docx

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2017年6月26日

高光效可独立调光的LED均流电路

一、研究背景

LED光源具有光效高和寿命长的特点，因此被广泛应用在家用、商业和工业等领域[1]。

目前市场上大部分LED光源的单片封装功率为1~3W，这是由于大功率的单片封装难以解决其散热问题。

因此，在大部分照明场合，如液晶背光源，街灯及普通照明等，需要同时使用多个LED光源才能满足照明强度要求，并且多个LED光源同时工作时，必须满足亮度均匀。

而LED的输出光频谱、发光效率与LED的驱动电流直接相关，为满足亮度均匀要求，需保证流过每只LED的电流相等。

最简单的方法是将多个LED灯串联连接，但串联连接的可靠性低，当任意一灯损坏时，整个LED支路无法工作，且串联个数有限，LED支路电压通常为几十伏，不超过安全电压限值。

因此，大部分LED照明采用LED串并联相结合的方式。

LED是半导体器件，其伏安特性符合指数关系，即电压的微小变化会造成电流的显著变化。

LED导通电压除了受驱动电流影响，还受工作温度、时间及个体差异的影响。

当多个LED支路并联于同一电压源时，由于导通电压存在差异，每个LED支路中的电流并不完全相等，电流大的支路的LED灯易发生光衰、老化加速甚至熄灭，降低了LED灯的寿命和可靠性。

二、LED的特性简介

目前LED的单片封装的功率一般是1-3W，大部分LED照明灯具采用LED串并联相结合的方式，驱动方式采用恒流驱动方式，必须保证流过每只LED的电流相等来满足照明亮度均匀。

LED是半导体器件，其伏安特性符合指数关系，电压的微小变化会造成电流的显著变化。

虽然单颗LED的功率不断提高，但在上述大功率LED照明领域，仍需采用多颗LED串联、并联或串并联组合。

基于下述原因，LED宜采用恒流驱动已形成共识：

1）LED的光通量、亮度等光度学指标与流过LED的平均电流基本呈线性关系；

2）LED的正向电压与正向电流呈指数关系，很小的电压波动会导致电流出现较大波动；

3）由于LED制造等的分散性，在正向电流相同的条件下，正向电压存在较大差异，甚至达到30%以上。

LED串联可保证流过每个LED的正向电流相等，但太多的LED串联导致其驱动电压过高、可靠性降低，LED导通电压除了受驱动电流影响，还受工作温度、时间及个体差异的影响。

图1LED伏安特性曲线

三、研究现状

为了解决不均流问题，可给每个LED支路提供独立的电压源，每条支路电流由单独的变换器控制，电压源幅值等于LED导通压降，由LED电流和LED本身的特性决定，支路间互不影响，保证电流一致性。

但该方法结构复杂，每个LED支路需要独立的电流控制和驱动电路，增加了成本。

为简化均流电路结构，可采用自均流的电路拓扑来驱动LED。

如：

利用输出整流前的交流电流正负半周的电流相等的原理，自动实现均流。

然而，这种方法需要将开关周期变为原来的两倍，增大了滤波器。

另外，根据电磁耦合理论，采用耦合电感或变压器可实现电流自动均衡。

但耦合元件的寄生参数影响了控制精度，且随着LED支路的增加，耦合电感的个数及电路的复杂程度呈指数倍增加。

从功率变换结构上看，采用同一个电压源供电的结构是最简单的，但一个公共电压无法匹配不同压降的LED支路，因此需要额外的器件来吸收电压源与LED导通压降间的差异。

在LED支路上串联电容，当每条支路的电容阻抗远大于该支路所有LED灯的等效内阻之和时，电流可实现自动平衡。

由于引入电容会增加无功功率，因此需要选用电流应力更大的功率器件。

在线性调制器的基础上加入了一种自适应的控制方法，自适应调整LED支路电压，减小线性电流调制器上的压降，从而减小其损耗。

为进一步减小损耗，可以将线性调节器控制为开关模式，即采用PWM控制，通过调整每条支路开关器件的占空比，可以方便的实现电流平衡，该方式也被广泛应用于LED调光场合。

然而，LED的发光效率与LED导通电流有关，只考虑平均电流的PWM均流控制没有考虑其对LED发光效率的影响。

为提高LED灯的发光效率，本文介绍一种最小导通电流幅值反馈的PWM均流策略，在脉宽调制（PWM）均流的基础上，通过最小电流幅值反馈，调整LED支路供电电压的大小，使得LED并联支路中存在至少一条支路的均流占空比为1，其他支路的占空比尽可能大，提高LED光源的发光效率。

另外，此电路在不增加额外电路和控制的基础上，可同时精确调光。

四、PWM均流下的LED发光效率优化

PWM均流的核心思想是通过调节每条支路的占空比使得其平均电流相等，如图所示，N条LED支路并联连接于同一电压源Uo，每条支路串联连接一只均流开关管Q1,2..N，均流时的平均电流为ILED，对应的均流占空比分别为D1,2..N。

由上式可知，PWM均流保证了平均电流相等，但对导通电流I1,2..N并未加以控制。

UO应不小于任一支路的导通电压和，才能保证所有支路的LED导通。

图2PWM均流调制的LED驱动电路

图3N条LED直流电流示意图

LED是非线性半导体器件，其典型的伏安特性如图3所示，在近似线性区内，导通电压的微小变化会引起LED电流的很大改变，因此，UO决定了LED支路导通电流的大小，UO增大会造成急剧增大。

图4给出了LED输出光通量与驱动电流之间的关系，

当工作在图3中的近似线性区内时，LED的导通电压变化相比于电流变化很小，可近似为恒定。

此时，图4中曲线的斜率可近似反映出发光效率与导通电流之间的关系，当增大时，斜率下降，这是由于电流增大引起发热所影响的。

因此，LED一般工作在器件手册推荐的电流值，如CREEXER白光系列的LED，推荐电流为350mA。

相应地，UO应尽量接近LED工作在推荐电流值对应的导通电压和，使得I1,2..N接近推荐电流值，保证LED具有高的发光效率。

图4典型的LED输出光通量与导通电流关系曲线

五、最小导通电流幅值反馈的功率控制策略

图5最小导通电流幅值反馈的功率环控制电路

上图给出了采用最小导通电流反馈控制的PWM均流电路的功率控制电路，每条支路连接均流开关管Q1,2..N和一个采样电阻RS，uG1,2..N驱动Q1,2..N，LED支路电流经过RS采样后，通过运算放大器放大k倍，得到的瞬时电流信号ui1,2..N。

ui1,2..N经过峰值电流检测电路，得到各自的最小导通电流uP1,2..N。

uiMIN与电流环基准信号UiREF分别连接电流环运放的两个端口，构成PI环调节其输出，随后与PWM锯齿波信号相交截，得到DPOWER调整LED驱动电路的输出UO。

当ui1,2..N>

uP1,2..N，运放输出高电平，二极管导通，CP充电，直至ui1,2..N=uP1,2..N，二极管截止。

RP用来释放电流尖峰或者干扰信号能量，保证uP1,2..N不受干扰信号或者电流尖峰影响，通常为几kΩ，并不影响uP1,2..N。

图6峰值电流检测电路

uP1,2..N各自连接二极管的阴极，其阳极连接于同一点，通过电阻和辅助源UCC构成最小电流幅值检测电路。

UF易随温度变化而变化,应取较大的放大系数k使

，

这样可以忽略UF由温度变化造成的压降变化对均流精度的影响。

要使得发光效率高，N条LED支路中至少存在一条支路的占空比为1。

假设第M条支路DM=1，则其导通电流最小，设为，此时，该支路的LED导通压降之和最大，则

因此，只需设置UiREF满足上式，LED驱动电路就可输出自调整的UO，保证各条LED支路以最优光效输出。

6、平均电流反馈的均流控制策略

LED主功率电路控制采用导通电流反馈，而PWM均流控制的是平均电流，因此每条LED支路需要单独的平均电流反馈控制环路，如图8所示。

图6中采样后的瞬时电流信号ui1、ui2,¼

uiN，经过Rf和Cf构成的低通滤波器，将其PWM信号滤成平均量uavgi1,2..N，然后与均流基准信号UiSHARE1,2..N构成均流电流环，调制生成不同占空比的驱动信号uG1,2..N，驱动均流开关管Q1,2..N对于低通滤波器来说，Rf和Cf需满足频率要求，即

PWM均流控制的是平均电流，因此每条LED支路需要单独的平均电流反馈控制环路，图中采样后的瞬时电流信号ui1、ui2,...,uiN，经过Rf和Cf构成的低通滤波器，将其PWM信号滤成平均量uavgi1,2..N，然后与均流基准信号UiSHARE1,2..N构成均流电流环，调制生成不同占空比的驱动信号uG1,2..N，驱动均流开关管Q1,2..N。

Rf和Cf需满足频率要求，这种无法达到LED光效的最优输出，可以用于LED的调光控制。

PWM调光具有光色稳定等优点，已被广泛应用在LED调光应用中，但增加了额外的控制电路和成本。

在本文中，LED均流和调光均是控制其平均电流，因此，在PWM均流电路上可容易实现调光功能，无需增加任何器件。

在满载均流电流为ILED要求下，功率环控制仍然采用最小导通电流反馈控制，调整UO，使得各条支路满载时均流，且LED发光效率高。

均流环的基准信号需要根据调光要求来调整，假设调光要求分别为，主功率电流环基准和均流环基准需分别满足

根据上式，可以方便设计PWM均流和调光在同一电路的实现。