中心議題：
- 有源紋波補償BUCK電路
- 有源紋波補償的實現
- 有源紋波補償LED驅動電路仿真與分析
解決方案：
- 紋波電流檢測
- 紋波補償實現
- 輸出電流計算
傳統(tǒng)BUCK 電路采用LC 濾波，電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成。當驅動LED 時，紋波電壓將引起較大的LED 紋波電流。增大濾波電容可減小LED 的紋波電流。但是，電容容量的增大，導致電源體積和重量增加，影響電源的小型化和集成化，更重要的是，電解電容成為限制LED 驅動電源壽命的主要因素。在LED 照明應用環(huán)境下，電解電容的壽命不超過10 000 h，與LED 的長壽命( 100 000 h 左右) 難以匹配。文獻分析了開關電源的平均無故障時間，指出電解電容的性能直接決定了電路的可靠性，在設計電源驅動器的時候應該有針對性地減少電解電容的使用。電解電容的有效工作壽命在很大程度上取決于環(huán)境溫度以及通過等效串聯(lián)阻抗的紋波電流導致的溫升。溫度過高致使電解電容電解質逐漸耗盡，使得其性能下降。
本文提出一種有源紋波補償BUCK 型LED 驅動電路。該電路無需使用大容量電解電容，所需要的小容量電容可以采用能量密度較小的新型長壽命電容，利用有源補償技術抑制輸出紋波電流。由于取消電解電容的使用，可以使電路壽命增長，穩(wěn)定性提高，便于集成，電路易小型化。
一、有源紋波補償BUCK 電路
電路如圖1 所示。電路結構以BUCK電路為主，取消電解電容濾波，用輔助線性電路對電感紋波電流進行補償。圖中由開關管V、電感L、LED 燈組、續(xù)流二極管VD 組成主電路; 晶體管VT 為輔助補償電路。
圖1 有源紋波補償BUCK 電路拓撲圖
設主電路電感電流iL和晶體管VT 的集電極電流iC分別為：
式中，IL和IC分別是電感電流和的集電極電流的直流分量; ir和ic分別為它們的交流分量( 紋波電流) 。
當ic = - ir時，輸出電流為：
通過LED 的電流iO為恒定直流，如圖2 所示，實現了對電感紋波電流的全補償。
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式中，Ip和IPP分別是電感電流的上峰值和電感紋波電流的峰峰值。
圖2 電感電流補償示意圖
LED 燈組為n 個大功率LED 串聯(lián)連接，UO =nUF為LED 燈組壓降; UF為單個LED 的導通壓降。
晶體管VT 的損耗為：
在保證晶體管VT 的集射電壓大于其飽和壓降( VCE≥VCES) 的條件下，調整占空比D ( 如D 取值范圍為85% ～ 95%) ，可使集射電壓足夠小。同時，控制集電極瞬時電流iC的最小值近似為零，則IC最小。因此，晶體管VT 的損耗為最小，可提高驅動電源的效率。
二、紋波補償的實現
1. 紋波電流檢測
根據電感元件的電壓與電流關系：
可以通過觀測電感兩端的電壓來檢測紋波電流，如圖3 所示。圖3 中檢測電路由運算放大器A1、電阻R 及電容C 組成差分積分電路。假設各元器件均為理想元器件則：
即：
圖3 紋波電流檢測補償原理圖[page]
uo1( t) 是與電感紋波電流成正比的函數，比例系數為：
A1采用單電源供電，uo1≥0，在紋波電流為正峰值時uo1 = 0 有：
式中：
所以：
2. 紋波補償實現
由于電源電壓Ud可能因外界因素波動，所以由A2組成減法電路消除因Ud變化引起的iC變化，根據電路可知：
式中，UDZ為二極管壓降，其值等于PNP 晶體管VT 的射極E 與基極B 之間的壓降。電路選擇參數使uo1 = 0 時晶體管VT 處于微導通狀態(tài)，iC≈0，晶體管VT 的補償電流為：
將uo1代入iC:
設定比例系數為：
若選擇電路元器件參數使得k = 1，則iC = - ir，實現了電感紋波電流的全補償。
3. 輸出電流計算
當k = 1 時，晶體管T 補償電流為
電感電流為：
所以電路輸出電流為：
因此，通過LED 的電流為直流，其值為IP。
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三、仿真與分析
1. 仿真參數設置
采用PSIM 軟件對所提出的紋波補償電路進行仿真實驗，根據以上分析，仿真參數設置如下表所示。
表1 仿真參數設置表
LED 采用歐司朗半導體照明公司生產的額定功率PW = 5 W 的大功率LED， 型號為LC—WW5AP，其導通壓降為3. 0 ～ 3. 6 V，典型驅動電流為1. 4 A，燈組采用三個大功率LED 串聯(lián)連接。
單個LED 仿真模型如圖4 所示，其中VD 為理想二極管，VDZ為理想單向擊穿二極管，RLED為LED等效串聯(lián)阻抗。仿真中設定單向擊穿二極管VDZ兩端電壓為： UD = 3. 0 V，設定等效串聯(lián)阻抗為： RLED = 0. 35 Ω。
圖4 大功率LED 模型圖控制電路采用傳統(tǒng)峰值電流控制，設定參考電壓Ur = 10. 5 V; 電壓采樣系數ku = 0. 8; 電流采樣系數為ki = 1; 誤差放大器放大倍數設為1; 時鐘頻率fs = 200 kHz; 占空比為0. 1。該電路占空比D > 0. 5，需要斜坡補償。根據斜坡補償原則：所選定斜坡上升斜率m>-m2/2，其中m2為電感電流下降斜率。選定鋸齒波幅值為0. 8 V、頻率為200 kHz。
根據以上參數設置可得到電感上峰值電流為IP = 1. 4 A，輸出電壓UO = 10. 5 V。仿真電路圖如圖5 所示。
圖5 仿真電路圖[page]
2. 仿真分析
電感電流波形如圖6 所示，根據圖6 可以看出電感電流上峰值為IP = 1. 4 A，驗證了控制電路參數設置的正確性。電感紋波電流峰峰值為IPP =0. 14 A，可得電感電流直流分量為IL = 1. 33 A。
若電路不采用紋波補償電路，則通過LED 電流為電感電流，紋波電流峰峰值為0. 14 A，使得LED發(fā)光不穩(wěn)定。根據補償電流波形可以看出其上峰值為0. 14 A，所以可以得到直流分量為IC = 0. 07A。對比iL波形和iC波形可以看出ic = - ir。通過LED 的電流為iO = IL + IC = IP = 1. 4 A，為恒定直流，補償電流將電感紋波電流完全補償，驗證了結論的正確性。
圖6 完全補償波形圖
四、結束語
本文針對電解電容體積大，影響電路整體布局，不利于電路集成和小型化且其壽命難以與LED 長壽命相匹配等問題，提出采用有源補償電路對電感紋波電流進行補償的方法。該電路取消電解電容濾波，采用線性晶體管補償電感紋波電流，方法簡單、易于實現，而且補償效果好，輸出電流恒定。仿真結果證實了該拓撲結構的有效性。
