双环式降压LED驱动电源

刘沅玲 王金莉 贾文超

（长春光华学院电气信息学院，长春 130000）

LED照明在不同场合得到广泛的应用，作为清洁绿色的照明灯具，LED的使用寿命长达10万h，需要低压直流进行驱动，因此LED自身优势的体现与驱动电源的选择紧密相连[1-2]。本文选用双环式的峰值电流控制电路作为驱动电源的主电路，提高LED发光的稳定性[3]。

1 驱动电路的选择

LED照明的工作原理和半导体二极管的工作原理类同，需要低压直流进行驱动，因此LED照明无法直接接入到用电环境中，而是需要独立的驱动电源作为LED照明的供电电源，根据供电电流有交直流之分，驱动电路分为交流驱动电路和直流驱动电路[4]。

1）交流LED驱动电路

交流 LED驱动电路的电源一般来自于电网供电，由于LED低压恒流的性质，因此需要将交流电进行整流滤波后才能输入到LED照明中，根据电路结构交流驱动电路又可分为变压器降压式和电容降压式[5]。

如图1所示，利用降压式变压器对电网电压进行降压，通过桥式电路整流后作为LED照明的输入电压，能够保证LED两端电压符合额定数值，LED能够正常照明[6]；如图 2所示，在电容式降压中，采用全桥式对电网电压降压，LED的电压需要精确进行精确控制，因此在电容式降压电路中电容的容量选择尤为重要，同时不同容量的电容在电路中的损耗不一致，电容式降压电路的推广应用得到了质疑。

图1 变压器式降压

图2 电容式降压

2）直流LED驱动电路

为了保证LED照明的低压恒流驱动，可以选择在驱动电路中串入电阻用来控制输入 LED的电压值，如图3所示，但是电路中的电阻会对电能产生消耗，因此在对于LED发光强度要求不高的场合适合选用串电阻的驱动方式，电路结构简单[7]。

图3 串电阻驱动电路

在一些对LED发光强度要求较高的场合，一般采用开关变换式的驱动电路，如图4所示为降压型开关电路，通过开关管的导通和关闭会，电感不断的进行充电和放电，改变开关管的占空比即可调节降压的比例，实现输出电压低于输入电压[8]。

图4 降压型开关电路

除了降压型的开关电路之外，通过调整开关管、电容和电感在电路中不同的位置及作用，还能够得到升压型开关电路、升降压都能实现的开关电路等多种电路形式[9]。根据低压恒流驱动要求，本文驱动电源主电路选用的是降压式开关电路。

2 双环式峰值电流工作原理

由于 LED照明的负温度效应与峰值电流电路中的电压反馈环节相互影响[10]，造成LED使用寿命缩短，因此将电压环利用采集输出电流的反馈环节替代，能够稳定LED照明的正常发光。如图5所示，对采样电阻R3两端的电压进行采集，对采集到的电流信号进行差分比较后将结果进行积分，此时电路可以对电感电流的峰值电流和平均电流同时进行控制，当开关管的占空比调制超过50%时，电路中存在次谐波振荡，并且次谐波的振荡会随着工作周期的变长而变大，LED照明的发光会存在闪烁，缩短LED照明的使用寿命。为了解决次谐波振荡，在差分信号的一端输入一定的斜坡信号对次谐波振荡进行补偿，叠加后的信号作为比较器的正端输入；输出电流信号利用差分电路进行采集，与 PWM阈值信号进行叠加作为比较器的负端输入。当比较器通过比较，输出高电位，将触发锁存器工作，开关管导通；当输出为低电位时，锁存器翻转，开关管关断，等待下一个周期，锁存器才能恢复初始状态。

3 斜坡补偿的实现

在开关管导通和关闭过程中、脉冲的占空比超过50%时，驱动电路中存在次谐波振荡，影响输入的LED电流。为了解决LED发光因次谐波振荡的存在而闪烁的问题，在积分环节中输入一定斜坡进行补偿，经过积分信号和斜坡信号的叠加可以实现对PWM比较器的调制，使LED发光稳定，保证了发光效率和使用寿命[11]。

如图6所示为电感两端的电流检测信号，检测信号中占空比超过50%，没有斜坡信号的叠加，第k+1个周期，电感电流的波动量为

式中，M1为电感电流在高电平输入时的上升斜率；M2为电感电流在低电平输入时下降斜率。

图5 双环式峰值电流电路拓扑结构

由式（2）分析可得，当M2＞M1时，a＞1，D＞50%，系统中的波动斜率逐渐变大，输出量的稳定性降低，将会影响LED的正常照明；当M2＜M1时，a＜1，D＜50%，系统中的波动量为零，可使输出稳定。

图6 D＞50%无补偿时的电感电流波形

为了令系统在占空比超过50%的时候输出量依然稳定，在输出信号中叠加斜坡信号[12]，如图7所示，MC为斜坡信号的斜率，因此式（2）变为

图7 D＞50%有补偿时的电感电流波形

4 双环式降压LED驱动电源的设计与仿真

如图8所示，为双环式降压LED驱动电源的仿真电路图，所采用的是 12V的工作电源和 110kHz的工作频率，输出为两个串联的LED照明，LED照明的额定电流为350mA，因此负载电流即输出电流为IO=0.35A。

仿真系统采用的是IN公司推出的Multisim仿真软件，驱动电源的核心芯片采用的是UC3842，工作频率最高为500kHz，并且该芯片能够提供斜坡补偿信号，满足设计要求。

图8 双环式降压LED驱动电源

图9 占空比超过50%，无补偿

图10 占空比超过50%，有补偿

通过仿真可得补偿前后的波形图，如图9所示，为系统中占空比超过50%并无斜坡信号的系统输出波形，在前几周期中，输出波形基本保持恒定，但随着周期的变化，输出波形逐渐产生震荡，导致LED发光闪烁。

如图10所示，为系统占空比超过50%且有斜坡信号叠加的波形，在叠加斜坡信号后，随着周期的变化，输出量恒定，保证LED发光的质量，提高驱动电源的稳定性。

5 结论

将峰值电流控制中的电压反馈环节利用输出电流反馈环节替换，解决了温度与电压之间的恶性循环问题，但是出现当占空比超过50%时，系统震荡随周期逐渐变大，将严重影响LED的正常发光，因此在积分环节中叠加斜坡信号进行补偿。通过对双环式降压LED驱动电源电路的模拟仿真，证实设计正确。在斜坡补偿信号的叠加极大地改善了驱动电源输出的稳定性，保证了LED照明的正常工作。