电流平方控制的有源纹波补偿型LED驱动电源

摘要

照明类的能源消耗约占全球能源消耗的20％，因此利用新型的照明可以实现电能的节约，减少二氧化碳的排放量。LED照明的使用，提供了节能减排的新方式。
　　LED照明作为一种固态光源，需要进行低压直流驱动。驱动电源的工作稳定性决定了LED照明的发光质量以及正常使用寿命。在驱动电源中，由于元器件的充放电作用，输出电流中存在交流分量，即电路中存在纹波，纹波使通过LED照明的电流出现波动，非恒直流驱动，对LED发光的可靠性产生影响。选择滤波电容即可对电路中的纹波进行过滤吸收，稳定电源的输出电流量，但是滤波电容的滤波效果依赖于内部电解质，随着使用周期的延长，作用在LED的电流一部分转换为热能，温度升高，加速了滤波电容的电解质损耗，缩短滤波电容的滤波能力以及工作寿命。因此为了确保LED的使用时间，需要新的电路拓扑结构替代滤波电容的作用，实现LED照明的长寿命，实现能源的节约。
　　针对以上问题，本文利用三极管与积分器构成的电路，输出与电源中纹波幅值相同，相位相反的波形，对纹波进行补偿，实现LED的直流驱动。同时引入电流控制与斜坡补偿信号，提高电源的抗干扰能力。实现以上设计的主要工作有：
　　（1）利用LED照明的电学、光学以及热学特性，对比分析了几种不同的驱动方式，选择合理的驱动方式，令LED的驱动电流恒为直流，保证LED的发光稳定。
　　（2）分析了在电感电流连续的情况下，Buck变换器的工作原理，介绍小信号状态空间建模方法，利用该方法建立降压变换器的交流小信号模型，求出电路对应的传递函数。在反馈环节中，对比分析了电压反馈与电流反馈的优缺点，根据LED的伏安特性，选择电流反馈更适合驱动LED照明。同时分析了驱动电源中电解电容工作原理以及影响电解电容工作时间的因素。
　　（3）在电流反馈模式下，选择结构简单的峰值电流控制，由于峰值电流控制中的电压外环与LED自身的负温度效应形成恶性循环，导致LED过热，降低使用时间，因此采用输出电流采样环节替代原系统中的电压反馈环节，同时为了实现对平均电流和峰值电流的双重控制，在电感峰值电流采样环节中引入积分环节，提高了驱动电源对电流的调制能力，建立了电路在CPM下的小信号模型，求出对应传递函数，得到改进后峰值电流控制的传递函数框图。
　　（4）提出了新的电路结构，对系统纹波进行补偿。利用PNP型三极管和积分环节实现对电感的采样以及对纹波量的补偿，结合电路中的三端口器件模型，建立了有源纹波补偿电路的传递函数图，分析了当输入量和参考量分别受到扰动时，输出电流恒定不变。
　　（5）利用电子电子仿真软件Multisim10对电流平方控制的有源纹波补偿型LED驱动电源进行模拟实验，对比分析电感波形，纹波补偿波形以及输出波形，利用PNP型三极管构成的补偿电流能够实现纹波的全补偿，利用元件焊接进行整机实验，进一步验证控制方法与补偿电路的工作情况。利用补偿电路可以完全替代驱动电源中的滤波电容作用，并且补偿的效果优于滤波的效果，同时降低了设计驱动电源的容积，实现微型化设计，为LED的广泛使用奠定基础。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 大功率LED驱动电源发展与拓扑结构

1.3 本文的主要工作

第二章 LED照明特性与驱动方式概述

2.1 LED 照明特性概述

2.2 LED照明的连接与驱动方式概述

2.3 本章小结

第三章 Buck变换器工作方式分析

3.1 Buck 变换器的拓扑结构及工作原理

3.2 Buck变换器的动态建模分析

3.3 Buck 变换器的调制环节

3.4 Buck 变换器反馈控制环节

3.5 Buck 变换器中的电解电容介绍

3.6 本章小结

第四章 基于Buck型电流平方峰值电流控制的LED驱动电路研究

4.1 传统峰值电流模式

4.2 电流平方峰值电流控制的电流拓扑结构

4.3 电感电流的斜坡补偿

4.4 电流内环传递函数分析

4.5 电流平方峰值电流控制电路传递函数框图

4.6 本章小结

第五章 有源纹波补偿Buck型LED驱动电路研究

5.1 有源纹波补偿电路的实现

5.2有源纹波补偿电路的工作原理

5.3 有源纹波补偿电路模型及分析

5.4 电流平方控制的有源纹波补偿环节电路设计

5.5 本章小结

第六章 系统电路仿真与实验结果分析

6.1 仿真电路设计

6.2 仿真结果分析

6.3 实验电路设计

6.4 实验调试及结果分析

6.5 本章小结

第七章 结 论

致谢

参考文献

作者介绍

攻读硕士期间研究成果