LED驅(qū)動器輸出紋波電壓的計算

1、導致LED頻閃的LED驅(qū)動器輸出電壓紋波的計算西安電子科技大學王水平 王 鐳西北工業(yè)大學胡民浩陜西唐華能源有限公司 高輝徐萬俊喬曉濤【摘要】本文對中小功率LED驅(qū)動器電路進行了理論上的等效，遵循電感兩端的電流不 能突變和電容兩端的電壓不能突變的原則，從電容充放電電流的觀點出發(fā)推導出了中小功率 LED驅(qū)動器輸出電壓紋波的計算公式。通過計算公式從理論上找出了減小導致LED頻閃的LED 驅(qū)動器輸出電壓紋波的有效方法，為解決LED頻閃問題奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：LED頻閃，LED驅(qū)動器，電壓紋波，PWM控制器，DC-DC變換器Calculation of LED driveroutput voltag

2、e ripple in led strobeXi,an University of Electronic Science and TechnologyWang shuiping Wang leiXiDian UniversityAbstract In this paper, medium-power LED driver circuit equivalent in theoretically , followed the principle that current of across inductor and voltage across the capacitor can not be m

3、utated ,viewpoint which charge and discharge current from the capacitor deduced medium power LED driver output voltage ripple formula. Though calculation find out reduce LED Strobe in theoretically that LED driver output voltage ripple is an effective way to solve the problem of LED strobe laid a th

4、eoretical foundation.Keywords: LED strobe, LED drivers, LED light failure, voltage ripple, PWM controller1引言LED以自己獨有的能耗低、壽命長、光效高等優(yōu)點作為新一代光源將取代傳統(tǒng)的白熾燈、 熒光燈、HID燈、金鹵燈等光源是不可置疑的，但是解決LED頻閃、光衰、眩光，以及降低 LED的成本等問題一直是LED上游產(chǎn)品和下游產(chǎn)品的研發(fā)者們努力攻克的難題LED上游產(chǎn) 品的研發(fā)者們通過提高光效、解決散熱途徑和散熱材料的方法已將LED光衰降低到實用化產(chǎn) 品的程度，通過二次配光已將LED眩光問題徹底解

5、決。LED頻閃問題則是LED下游產(chǎn)品的研 發(fā)者們應(yīng)該解決的問題，也就是如何抑制和降低LED驅(qū)動器輸出電壓的紋波。2中小功率LED驅(qū)動器的等效電路【1】中小功率LED驅(qū)動器不管是隔離式還是非隔離式一般均采用降壓式DC/DC變換器電路結(jié) 構(gòu)，其等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路中的PWM控制與驅(qū)動電路均采用對應(yīng)于降壓式DC/DC 變換器的控制與驅(qū)動IC來完成，電流/電壓取樣反饋控制信號處理電路將輸出給LED負載的 電流和電壓信號采樣后經(jīng)過處理輸入給？咖控制與驅(qū)動IC，從而形成以電流為主，電壓為 輔的雙控制模式反饋環(huán)路，使LED負載始終工作在恒功率狀態(tài)。圖1中小功率LED驅(qū)動器的等效電路3輸出電壓紋波國的

6、計算從中小功率LED驅(qū)動器的等效電路圖中就可以看出，輸出濾波電容C兩端的電壓實際上 就等于LED驅(qū)動器輸出電壓u。那么該濾波電容C兩端電壓的變化量實際上就是我們所要 計算的LED驅(qū)動器的輸出電壓紋波值。從圖2所示的電容兩端電壓u （即輸出電壓u） 的波形圖中就可以看出，在功率開關(guān)V導通期間（t =）的時間內(nèi)，輸入電源要承擔一邊 向負載LED提供能量的任務(wù)，一邊又要向濾波電容C提供充電的任務(wù)，經(jīng)過on到t的時 間后濾波電容C充電充至與輸入電壓u.相等的值時，功率開關(guān)V截止，濾波電gC這段時間 、.1、 、，.、 內(nèi)充電電壓的變化量應(yīng)為AU ；從t時刻功率開關(guān)V開始截止直到t時刻這段時間內(nèi)功率開

7、關(guān)V 一直處于截止狀態(tài)，這段時間內(nèi)儲能電感L和濾波電容C 一起共同承擔為負載LED提供 能量的任務(wù)，電容兩端電壓不斷下降，經(jīng)過toN到%匕的時間后下降到u ,再經(jīng)過m到OfI圖2 LED驅(qū)動器的等效電路中個點時序波形的時間后，功率開關(guān)V開始導通，濾波電容C兩端電壓下降到最小值，設(shè)M到tOF的時間內(nèi)濾波電容C兩端電壓的變化量為叫2，那么就有：、U =* +AU（1）AU的計算從圖2所示的Ic、Il和Uc（Uo）的波形中可以看出，（1）設(shè)t = to時，功率開關(guān)V開始導通，濾波電容C開始充電，其兩端的電壓UC開始上升，此時濾波電容C兩端的電壓具有最小值。當濾波電容C的充電一直維持到經(jīng)過t （t =

8、 t -1）的時間后，功率開關(guān)V開始截止。在這段時間的t /2到t期間內(nèi)濾波電容C兩端電壓的變化值A(chǔ)U取決于濾波電容器C的充電電流Ic和充電時間（tN-toN，故AUoi為olAU =h.dto1C C、N/2（2）從圖1中可以得到：七=七+ I。i = i -1，而i =【U -dt =U -U) dt，并且當t=t時電感C L oL L L L io1電流為最大值，t=t2時電感電流為最小值，因此就有1U - U) dt -1- U) t +1-1L i oo L i o LMIN o（3）ILAXUi- U ( r U - U TL o t-o)+ IL0 = 1 L o 4ON + I

9、L0（4）（5）(6)Ln” % (t 2-。+ IL 0由于流過儲能電感L的平均電流就等于負載電阻Rl上流過的電流I。，因此就有LAX LMIN2把式（4）、式（5）和式（6）都代入式（3）中，就可以得到電容器的充電電流iC的計算公 式為： TOC o 1-5 h z iC=l u u） t - Ull 箱（7）然后把式（7）代入式（2）中便可以求得AU為olAU =工 ItoN 工（U - U）. t - Uo t dt =【 Uo tON tOFF（8）ol C t , L i o 2L off c8LrON / 2（2） AU 2的計算AUo2也就是濾波電容C從原有的電壓U。繼續(xù)下降向

10、負載LED放電，一直放到t2時刻， 濾波電容C上的電壓下降到最小值，也就是在功率開關(guān)V截止的一半時間內(nèi)濾波電容；上電 壓的降低量AU為o2au 2 =【h：+d2（9）fON(10)(11)在功率開關(guān)V截止期間，即tOFF （t2 -ti）期間，負載Rl所需的能量由儲能電感L通過續(xù) 流二極管VD供給，因此可以得到下列的方程：u =-叫由此可以得到o dtiL =-L j U - dt = -U t + ILMAX（12）將式（11）代入 = iL -Io中就可以得到功率開關(guān)V在截止期間內(nèi)濾波電容C中的電流的表 達式為：L【LMAXI。（13）同理，把式、式和式（6）分別代入式（中，消去（Ilm

11、ax -Io E得到:1C 2L “OFFL *最后將式（13）代入式就可以算出七為:-1 j fOFF /2一 C 0U U2L off _ L *-dt =o OFFC8L（14）（3）輸出電壓紋波AU的計算將式（8）和式（14）代入式（1）中就可以計算出濾波電容C兩端電壓的紋波值A(chǔ)U。為:AU AU +AUoo1o2-1-U t t -1U t 2o ON OFF+ o OFFC|_8LJC8L1 U t t 1 U t 2 o ON OFF + o offC 8LC8LU t()（15）（16）o OFF Y + t 8C LON OFFUooFF，T Uo tOFF 8CL8CLf1

12、 fl - U 8C L U i /從式（15）和式（16）中就可以看出，要降低LED驅(qū)動器輸出電壓紋波值，除了與輸出 電壓U。和輸入電壓U,有關(guān)以外，增大儲能電感L的電感量和濾波電容C的容量是必不可少 的，降低功率開關(guān)V的工作周期時間（即提高功率開關(guān)V的工作頻率f）也能收到同樣的效 果。此外，占空比D越大輸出電壓的紋波就會越小，（越大或者越小，輸出電壓的紋 波就會越?。┮簿褪潜M量避免使LED驅(qū)動器工作在輸入和輸出過壓過量的工作狀態(tài)。當然， 在降低LED驅(qū)動器輸出電壓紋波AU的過程中，要利弊兼顧，要綜合考慮性能價格比。不 能一味的追求輸出電壓紋波AU越低越好，應(yīng)考慮LED驅(qū)動器的使用環(huán)境、輸入

13、條件和輸 出要求；還應(yīng)考慮降低輸出電壓紋波AU。以后，LED驅(qū)動器的造價、體積和重量都要相應(yīng)的 增加和增大。因此應(yīng)在綜合考慮各種因素和條件的基礎(chǔ)上選擇最佳值。4實際上真正的輸出電壓紋波上面所計算出來的AUo只是降壓型DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動器輸出電壓紋波 中由于開關(guān)頻率所引起的輸出電壓紋波值，但是實際上真正的輸出電壓紋波除了以上所計算 的這兩部分以外，還應(yīng)該包括電網(wǎng)工頻電壓紋波和高頻功率轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的寄生電壓紋波，如 圖3所示。圖中T1是電網(wǎng)工頻電壓紋波的半周期時間（一般為電網(wǎng)工頻電壓的半周期時間）， T2是高頻功率轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的寄生電壓紋波的周期時間（一般為變換器的開關(guān)周期時間）。(

14、e).圖-6圖3 LED驅(qū)動器輸出端的工頻電壓紋波和開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波波形（1）工頻電壓紋波當所設(shè)計的LED驅(qū)動器直接接220V/50Hz的交流電網(wǎng)時，經(jīng)全波整流、濾波后，形成 100Hz的脈動直流電壓作為其輸入供電電壓U.。該輸入直流脈動電壓U.中的脈動成分經(jīng)過 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)后，雖然被大大地衰減了，但仍有少量殘留部分在輸出電壓U：中，因此就在輸出 3 電壓中形成了電網(wǎng)工頻電壓紋波。要想減小這種殘留在輸出電壓中的電網(wǎng)工頻電壓紋波，就 必須增大LED驅(qū)動器輸入端一次濾波電容的容量和功率變換電路的負載動態(tài)響應(yīng)速度。（2）開關(guān)轉(zhuǎn)換寄生電壓紋波對于任何一種晶體管和二極管，從導通到截止或者從截止到導通的轉(zhuǎn)換過程都

15、需要一定 的轉(zhuǎn)換時間。如圖4所示，當功率開關(guān)V從截止轉(zhuǎn)向?qū)〞r，雖然續(xù)流二極管VD上的電壓 已經(jīng)反向偏置，但是由于該二極管VD中少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，二極管中流動著的電流不 可能立即被關(guān)斷，只有經(jīng)過一段時間后才能真正地處于截止狀態(tài)。這段時間被稱為二極管的 反向截止時間。在這段時間內(nèi)二極管呈現(xiàn)低阻抗，于是輸入電壓通過功率開關(guān)V、續(xù)流二極 管VD可以形成一個非常大的電流，這個電流通過回路中的分布電容就會引起一個較大的高 頻阻尼振蕩，它經(jīng)過平滑濾波以后寄生在輸出電壓中的殘留部分就形成了所謂的開關(guān)轉(zhuǎn)換電 壓紋波。此外，當功率開關(guān)V從導通轉(zhuǎn)向截止的瞬間，儲能電感L由于自感作用（電感中電 流不能突變）就會

16、發(fā)生極性顛倒，但續(xù)流二極管VD由于從截止轉(zhuǎn)向?qū)ㄐ枰欢ǖ幕謴?fù)時 間，此時儲能電感L上的反向電動勢便可升得很高，反映到輸出端同樣會形成開關(guān)轉(zhuǎn)換電壓 紋波。減小開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓通?？梢圆捎靡韵氯N方法：采用導通時間快、恢復(fù)時間短的肖特基二極管或快恢復(fù)二極管作為續(xù)流二極管。如圖4所示，在續(xù)流二極管VD兩端并聯(lián)一個阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，電容C1的容量主要取 決于開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率。一般情況下當開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率在20kHz100kHz的范圍內(nèi)時，電容C的取 值范圍應(yīng)為0.00220.01呻，電阻R的阻值一般取110Q。這樣一來，就可以將由于續(xù)流 二極管恢復(fù)時間所導致的開關(guān)轉(zhuǎn)換電壓紋波吸收到最小程度。像圖4所示的那樣，在

17、續(xù)流二極管VD的引線中串一電感量很小的電感L1，實際應(yīng) 用中有時就在續(xù)流二極管VD的管腳引線上穿一小磁環(huán)或小磁珠即可。利用電感上電流不能 突變的特性來抑制和緩沖續(xù)流二極管VD反向恢復(fù)期間內(nèi)的反向電流。圖4減小LED驅(qū)動器輸出端開關(guān)轉(zhuǎn)換寄生電壓紋波的電路5結(jié)論C通過分析，LED驅(qū)動器輸出電壓的紋波實際上包含三部分，第一部分為高頻轉(zhuǎn)換電壓紋 波，第二部分為高頻轉(zhuǎn)換寄生電壓紋波，第三部分為工頻電壓紋波。這三種電壓紋波中僅工 頻電壓紋波使LED產(chǎn)生的頻閃人眼睛能夠分辨出來，而高頻轉(zhuǎn)換電壓紋波和高頻寄生電壓紋 波也同樣會使LED產(chǎn)生頻閃，但是由于頻閃的頻率太高人眼睛是分辨不出來的。這兩部分電 壓紋波雖然產(chǎn)生的LED頻閃人眼睛分辨不出來，但是卻能嚴重影響LED的壽命、加劇LED 的光衰。因為LED的最佳工作狀態(tài)是恒流工作狀態(tài)，若高頻轉(zhuǎn)換電