LED驅(qū)動(dòng)器輸出紋波電壓的計(jì)算

1、導(dǎo)致LED頻閃的LED驅(qū)動(dòng)器輸出電壓紋波的計(jì)算西安電子科技大學(xué)王水平 王 鐳西北工業(yè)大學(xué)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(dòng)器電路進(jìn)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(diǎn)出發(fā)推導(dǎo)出了中小功率 LED驅(qū)動(dòng)器輸出電壓紋波的計(jì)算公式。通過計(jì)算公式從理論上找出了減小導(dǎo)致LED頻閃的LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dú)有的能耗低、壽命長、光效高等優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(dòng)器輸出電壓的紋波。2中小功率LED驅(qū)動(dòng)器的等效電路【1】中小功率LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路均采用對應(yīng)于降壓式DC/DC 變換器的控制與驅(qū)動(dòng)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(fù)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(dòng)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(fù)載始終工作在恒功率狀態(tài)。圖1中小功率LED驅(qū)動(dòng)器的等效電路3輸出電壓紋波國的

6、計(jì)算從中小功率LED驅(qū)動(dòng)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(shí)際上 就等于LED驅(qū)動(dòng)器輸出電壓u。那么該濾波電容C兩端電壓的變化量實(shí)際上就是我們所要 計(jì)算的LED驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通期間（t =）的時(shí)間內(nèi)，輸入電源要承擔(dān)一邊 向負(fù)載LED提供能量的任務(wù)，一邊又要向?yàn)V波電容C提供充電的任務(wù)，經(jīng)過on到t的時(shí) 間后濾波電容C充電充至與輸入電壓u.相等的值時(shí)，功率開關(guān)V截止，濾波電gC這段時(shí)間 、.1、 、，.、 內(nèi)充電電壓的變化量應(yīng)為AU ；從t時(shí)刻功率開關(guān)V開始截止直到t時(shí)刻這段時(shí)間內(nèi)功率開

7、關(guān)V 一直處于截止?fàn)顟B(tài)，這段時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能電感L和濾波電容C 一起共同承擔(dān)為負(fù)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(shí)間后下降到u ,再經(jīng)過m到OfI圖2 LED驅(qū)動(dòng)器的等效電路中個(gè)點(diǎn)時(shí)序波形的時(shí)間后，功率開關(guān)V開始導(dǎo)通，濾波電容C兩端電壓下降到最小值，設(shè)M到tOF的時(shí)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(jì)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(shí)，功率開關(guān)V開始導(dǎo)通，濾波電容C開始充電，其兩端的電壓UC開始上升，此時(shí)濾波電容C兩端的電壓具有最小值。當(dāng)濾波電容C的充電一直維持到經(jīng)過t （t =

8、 t -1）的時(shí)間后，功率開關(guān)V開始截止。在這段時(shí)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(shí)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(dāng)t=t時(shí)電感C L oL L L L io1電流為最大值，t=t2時(shí)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(chǔ)能電感L的平均電流就等于負(fù)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(jì)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(jì)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(fù)載LED放電，一直放到t2時(shí)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(shí)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(fù)載Rl所需的能量由儲(chǔ)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(dá)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(jì)算將式（8）和式（14）代入式（1）中就可以計(jì)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(dòng)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(chǔ)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(shí)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(huì)越小，（越大或者越小，輸出電壓的紋 波就會(huì)越?。┮簿褪潜M量避免使LED驅(qū)動(dòng)器工作在輸入和輸出過壓過量的工作狀態(tài)。當(dāng)然， 在降低LED驅(qū)動(dòng)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(jià)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(dòng)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(dòng)器的造價(jià)、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(shí)際上真正的輸出電壓紋波上面所計(jì)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(dòng)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(shí)際上真正的輸出電壓紋波除了以上所計(jì)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(shí)間（一般為電網(wǎng)工頻電壓的半周期時(shí)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(shí)間（一般為變換器的開關(guān)周期時(shí)間）。(

14、e).圖-6圖3 LED驅(qū)動(dòng)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(dāng)所設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器直接接220V/50Hz的交流電網(wǎng)時(shí)，經(jīng)全波整流、濾波后，形成 100Hz的脈動(dòng)直流電壓作為其輸入供電電壓U.。該輸入直流脈動(dòng)電壓U.中的脈動(dòng)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(dòng)器輸入端一次濾波電容的容量和功率變換電路的負(fù)載動(dòng)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(dǎo)通到截止或者從截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程都

15、需要一定 的轉(zhuǎn)換時(shí)間。如圖4所示，當(dāng)功率開關(guān)V從截止轉(zhuǎn)向?qū)〞r(shí)，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(chǔ)效應(yīng)，二極管中流動(dòng)著的電流不 可能立即被關(guān)斷，只有經(jīng)過一段時(shí)間后才能真正地處于截止?fàn)顟B(tài)。這段時(shí)間被稱為二極管的 反向截止時(shí)間。在這段時(shí)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(gè)非常大的電流，這個(gè)電流通過回路中的分布電容就會(huì)引起一個(gè)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(dāng)功率開關(guān)V從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止的瞬間，儲(chǔ)能電感L由于自感作用（電感中電 流不能突變）就會(huì)

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(shí) 間，此時(shí)儲(chǔ)能電感L上的反向電動(dòng)勢便可升得很高，反映到輸出端同樣會(huì)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(dǎo)通時(shí)間快、恢復(fù)時(shí)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(gè)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(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率在20kHz100kHz的范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)間所導(dǎo)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(shí)際應(yīng) 用中有時(shí)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(dòng)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(dòng)器輸出電壓的紋波實(shí)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(huì)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(yán)重影響LED的壽命、加劇LED 的光衰。因?yàn)長ED的最佳工作狀態(tài)是恒流工作狀態(tài)，若高頻轉(zhuǎn)換電