1、 智能控制及其在電力系統中的應用 課 程 名 稱 智能控制及其在電力系統中的應用 專 業 電氣工程 研 究 生 姓 名 學 號 任課教師姓名 2017年 6月26日高光效可獨立調光的LED均流電路一、研究背景LED光源具有光效高和壽命長的特點，因此被廣泛應用在家用、商業和工業等領域1。目前市場上大部分LED光源的單片封裝功率為13W，這是由于大功率的單片封裝難以解決其散熱問題。因此，在大部分照明場合，如液晶背光源，街燈及普通照明等，需要同時使用多個LED光源才能滿足照明強度要求，并且多個LED光源同時工作時，必須滿足亮度均勻。而LED的輸出光頻譜、發光效率與LED的驅動電流直接相關，為滿足亮度

2、均勻要求，需保證流過每只LED的電流相等。最簡單的方法是將多個LED燈串聯連接，但串聯連接的可靠性低，當任意一燈損壞時，整個LED支路無法工作，且串聯個數有限，LED支路電壓通常為幾十伏，不超過安全電壓限值。因此，大部分LED照明采用LED串并聯相結合的方式。LED是半導體器件，其伏安特性符合指數關系，即電壓的微小變化會造成電流的顯著變化。LED導通電壓除了受驅動電流影響，還受工作溫度、時間及個體差異的影響。當多個LED支路并聯于同一電壓源時，由于導通電壓存在差異，每個LED支路中的電流并不完全相等，電流大的支路的LED燈易發生光衰、老化加速甚至熄滅，降低了LED燈的壽命和可靠性。二、LED的

3、特性簡介目前LED的單片封裝的功率一般是1-3W，大部分LED照明燈具采用LED串并聯相結合的方式，驅動方式采用恒流驅動方式，必須保證流過每只LED的電流相等來滿足照明亮度均勻。LED是半導體器件，其伏安特性符合指數關系，電壓的微小變化會造成電流的顯著變化。雖然單顆LED的功率不斷提高，但在上述大功率LED照明領域，仍需采用多顆LED串聯、并聯或串并聯組合。基于下述原因，LED宜采用恒流驅動已形成共識：1）LED的光通量、亮度等光度學指標與流過LED的平均電流基本呈線性關系；2）LED的正向電壓與正向電流呈指數關系，很小的電壓波動會導致電流出現較大波動；3）由于LED制造等的分散性，在正向電流

4、相同的條件下，正向電壓存在較大差異，甚至達到30%以上。LED串聯可保證流過每個LED的正向電流相等，但太多的LED串聯導致其驅動電壓過高、可靠性降低，LED導通電壓除了受驅動電流影響，還受工作溫度、時間及個體差異的影響。當多個LED支路并聯于同一電壓源時，由于導通電壓存在差異，每個LED支路中的電流并不完全相等，電流大的支路的LED燈易發生光衰、老化加速甚至熄滅，降低了LED燈的壽命和可靠性。圖1 LED伏安特性曲線三、研究現狀為了解決不均流問題，可給每個LED支路提供獨立的電壓源，每條支路電流由單獨的變換器控制，電壓源幅值等于LED導通壓降，由LED電流和LED本身的特性決定，支路間互不影

5、響，保證電流一致性。但該方法結構復雜，每個LED支路需要獨立的電流控制和驅動電路，增加了成本。為簡化均流電路結構，可采用自均流的電路拓撲來驅動LED。如：利用輸出整流前的交流電流正負半周的電流相等的原理，自動實現均流。然而，這種方法需要將開關周期變為原來的兩倍，增大了濾波器。另外，根據電磁耦合理論，采用耦合電感或變壓器可實現電流自動均衡。但耦合元件的寄生參數影響了控制精度，且隨著LED支路的增加，耦合電感的個數及電路的復雜程度呈指數倍增加。從功率變換結構上看，采用同一個電壓源供電的結構是最簡單的，但一個公共電壓無法匹配不同壓降的LED支路，因此需要額外的器件來吸收電壓源與LED導通壓降間的差異

6、。在LED支路上串聯電容，當每條支路的電容阻抗遠大于該支路所有LED燈的等效內阻之和時，電流可實現自動平衡。由于引入電容會增加無功功率，因此需要選用電流應力更大的功率器件。在線性調制器的基礎上加入了一種自適應的控制方法，自適應調整LED支路電壓，減小線性電流調制器上的壓降，從而減小其損耗。為進一步減小損耗，可以將線性調節器控制為開關模式，即采用PWM控制，通過調整每條支路開關器件的占空比，可以方便的實現電流平衡，該方式也被廣泛應用于LED調光場合。然而，LED的發光效率與LED導通電流有關，只考慮平均電流的PWM均流控制沒有考慮其對LED發光效率的影響。為提高LED燈的發光效率，本文介紹一種最

7、小導通電流幅值反饋的PWM均流策略，在脈寬調制(PWM)均流的基礎上，通過最小電流幅值反饋，調整LED支路供電電壓的大小，使得LED并聯支路中存在至少一條支路的均流占空比為1，其他支路的占空比盡可能大，提高LED光源的發光效率。另外，此電路在不增加額外電路和控制的基礎上，可同時精確調光。 四、PWM均流下的LED發光效率優化PWM均流的核心思想是通過調節每條支路的占空比使得其平均電流相等，如圖所示，N條LED支路并聯連接于同一電壓源Uo，每條支路串聯連接一只均流開關管Q1,2.N，均流時的平均電流為ILED，對應的均流占空比分別為D1,2.N。由上式可知，PWM均流保證了平均電流相等，但對導通

8、電流I1,2.N并未加以控制。UO應不小于任一支路的導通電壓和，才能保證所有支路的LED導通。圖2 PWM均流調制的LED驅動電路圖3 N條LED直流電流示意圖LED是非線性半導體器件，其典型的伏安特性如圖3所示，在近似線性區內，導通電壓的微小變化會引起LED電流的很大改變，因此，UO決定了LED支路導通電流的大小，UO增大會造成急劇增大。圖4給出了LED輸出光通量與驅動電流之間的關系，當工作在圖3中的近似線性區內時，LED的導通電壓變化相比于電流變化很小，可近似為恒定。此時，圖4中曲線的斜率可近似反映出發光效率與導通電流之間的關系，當增大時，斜率下降，這是由于電流增大引起發熱所影響的。因此，

9、LED一般工作在器件手冊推薦的電流值，如CREEXER白光系列的LED，推薦電流為350mA。相應地，UO應盡量接近LED工作在推薦電流值對應的導通電壓和，使得I1,2.N接近推薦電流值，保證LED具有高的發光效率。圖4 典型的LED輸出光通量與導通電流關系曲線五、最小導通電流幅值反饋的功率控制策略圖5最小導通電流幅值反饋的功率環控制電路上圖給出了采用最小導通電流反饋控制的PWM均流電路的功率控制電路，每條支路連接均流開關管Q1,2.N和一個采樣電阻RS，uG1,2.N驅動Q1,2.N，LED支路電流經過RS采樣后，通過運算放大器放大k倍，得到的瞬時電流信號ui1,2.N。ui1,2.N經過峰

10、值電流檢測電路，得到各自的最小導通電流uP1,2.N。uiMIN與電流環基準信號UiREF分別連接電流環運放的兩個端口，構成PI環調節其輸出，隨后與PWM鋸齒波信號相交截，得到DPOWER調整LED驅動電路的輸出UO。當ui1,2.N>uP1,2.N，運放輸出高電平，二極管導通，CP充電，直至ui1,2.N=uP1,2.N，二極管截止。RP用來釋放電流尖峰或者干擾信號能量，保證uP1,2.N不受干擾信號或者電流尖峰影響，通常為幾k，并不影響uP1,2.N。圖6峰值電流檢測電路uP1,2.N各自連接二極管的陰極，其陽極連接于同一點，通過電阻和輔助源UCC構成最小電流幅值檢測電路。UF易隨溫

11、度變化而變化,應取較大的放大系數k使，這樣可以忽略UF由溫度變化造成的壓降變化對均流精度的影響。要使得發光效率高，N條LED支路中至少存在一條支路的占空比為1。假設第M條支路DM=1，則其導通電流最小，設為，此時，該支路的LED導通壓降之和最大，則，因此，只需設置UiREF滿足上式，LED驅動電路就可輸出自調整的UO，保證各條LED支路以最優光效輸出。6、 平均電流反饋的均流控制策略LED主功率電路控制采用導通電流反饋，而PWM均流控制的是平均電流，因此每條LED支路需要單獨的平均電流反饋控制環路，如圖8所示。圖6中采樣后的瞬時電流信號ui1、ui2,¼,uiN，經過Rf和Cf構成的

12、低通濾波器，將其PWM信號濾成平均量uavgi1,2.N，然后與均流基準信號UiSHARE1,2.N構成均流電流環，調制生成不同占空比的驅動信號uG1,2.N，驅動均流開關管Q1,2.N對于低通濾波器來說，Rf和Cf需滿足頻率要求，即PWM均流控制的是平均電流，因此每條LED支路需要單獨的平均電流反饋控制環路，圖中采樣后的瞬時電流信號ui1、ui2,.,uiN，經過Rf和Cf構成的低通濾波器，將其PWM信號濾成平均量uavgi1,2.N，然后與均流基準信號UiSHARE1,2.N構成均流電流環，調制生成不同占空比的驅動信號uG1,2.N，驅動均流開關管Q1,2.N。Rf和Cf需滿足頻率要求，這種無法達到LED光效的最優輸出，可以用于LED的調光控制。PWM調光具有光色穩定等優點，已被廣泛應用在LED調光應用中，但增加了額外的控制電路和成本。在本