1、 智 能 控 制 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应用课 程 名 称 智能控制及其在电力系统中的应用 专 业 电 气 工 程 研 究 生 姓 名 学 号 任 课 教 师 姓名 2017 年 6 月 26 日0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 13W，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。
2、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
3、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
4、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1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。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。图 1
5、LED 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
6、 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2制为开关模式，即采用 PWM 控
7、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
8、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 Q1,2N，均流时的平均电流为 ILED，对应的均流占空比分别为 D1,2N。NLEDII.21由上式可知，PWM 均流保证了平均电流相等，但对导通电流 I1,2N 并未加以控制。U O 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 2 PWM 均流调制的 LED 驱动电路3图 3 N 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
9、会引起 LED 电流的很大改变，因此，U O 决定了 LED 支路导通电流的大小，U O 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， 导 通 电 流 ）（ 导 通 电 压输 出 光 流 明）发 光 效 率 （ Wlm/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
10、 LED 工作在推荐电流值对应的导通电压和，使得 I1,2N 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4五、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 Q1,2N 和一个采样电阻 RS，u G1,2N 驱动 Q1,2N，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ui1,2N。ui 1,2N 经过峰值电流检测电路，得到各自的最小导通电流 uP1,2N。u iMIN 与电流
11、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ui1,2NuP1,2N，运放输出高电平，二极管导通，CP 充电，直至 ui1,2N=uP1,2N，二极管截止。RP 用来释放电流尖峰或者干扰信号能量，保证 uP1,2N 不受干扰信号或者电流尖峰影响，通常为几 k，并不影响 uP1,2N。图 6 峰值电流检测电路5uP1,2N 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。 min.2,1i NpFMINuUUF 易随温度变化而
12、变化,应取较大的放大系数 k 使，FNpu.2,1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，PMNpUumin.2,1LEDSFSFIRE IkRIkU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
13、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、u i2, ,uiN，经过 Rf 和 Cf 构成的低通滤波器，将其PWM 信号滤成平均量 uavgi1,2N，然后与均流基准信号 UiSHARE1,2N 构成均流电流环，调制生成不同占空比的驱动信号 uG1,2N，驱动均流开关管 Q1,2N 对于低通滤波器来说，R f 和 Cf 需满足频率要求，即 SHAREfrCRf216PWM 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、u i2,.,uiN，经过 Rf 和 Cf 构成的低通滤波器，将其 PWM 信号滤
14、成平均量 uavgi1,2N，然后与均流基准信号 UiSHARE1,2N构成均流电流环，调制生成不同占空比的驱动信号 uG1,2N，驱动均流开关管Q1,2N。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 NDIMSLEFiREkRU.212.NiSHA1， 根据上式，可以方便设计 PWM 均流和调光在同一电路的实现。
