LED驱动器输出纹波电压的计算-正式

导致LED频闪的LED驱动器输出电压纹波的计算西安电子科技大学王水平王镭西北工业大学胡民浩陕西唐华能源有限公司高辉徐万俊乔晓涛【摘要】本文对中小功率LED驱动器电路进行了理论上的等效，遵循电感两端的电流不能突变和电容两端的电压不能突变的原则，从电容充放电电流的观点出发推导出了中小功率LED驱动器输出电压纹波的计算公式。通过计算公式从理论上找出了减小导致LED频闪的LED驱动器输出电压纹波的有效方法，为解决LED频闪问题奠定了理论基础。关键词：LED频闪，LED驱动器，电压纹波，PWM控制器，DC-DC变换器CalculationofLEDdriveroutputvoltagerippleinledstrobeXi'anUniversityofElectronicScienceandTechnologyWangshuipingWangleiXiDianUniversity【Abstract】Inthispaper,medium-powerLEDdrivercircuitequivalentintheoretically,followedtheprinciplethatcurrentofacrossinductorandvoltageacrossthecapacitorcannotbemutated,viewpointwhichchargeanddischargecurrentfromthecapacitordeducedmediumpowerLEDdriveroutputvoltagerippleformula.ThoughcalculationfindoutreduceLEDStrobeintheoreticallythatLEDdriveroutputvoltagerippleisaneffectivewaytosolvetheproblemofLEDstrobelaidatheoreticalfoundation.Keywords：LEDstrobe，LEDdrivers，LEDlightfailure，voltageripple，PWMcontroller1引言LED以自己独有的能耗低、寿命长、光效高等优点作为新一代光源将取代传统的白炽灯、荧光灯、HID灯、金卤灯等光源是不可置疑的，但是解决LED频闪、光衰、眩光，以及降低LED的成本等问题一直是LED上游产品和下游产品的研发者们努力攻克的难题。LED上游产品的研发者们通过提高光效、解决散热途径和散热材料的方法已将LED光衰降低到实用化产品的程度，通过二次配光已将LED眩光问题彻底解决。LED频闪问题则是LED下游产品的研发者们应该解决的问题，也就是如何抑制和降低LED驱动器输出电压的纹波。2中小功率LED驱动器的等效电路【1】中小功率LED驱动器不管是隔离式还是非隔离式一般均采用降压式DC/DC变换器电路结构，其等效电路结构如图1所示。电路中的PWM控制与驱动电路均采用对应于降压式DC/DC变换器的控制与驱动IC来完成，电流/电压取样反馈控制信号处理电路将输出给LED负载的电流和电压信号采样后经过处理输入给PWM控制与驱动IC，从而形成以电流为主，电压为辅的双控制模式反馈环路，使LED负载始终工作在恒功率状态。1234ABCD4321DCBA220V/50Hz整流滤波电路VPWM控制与驱动电路电流取样反馈控制RlR1VdLCUbUceUlIcIlIdIcUiIoUc/UoEMC滤波电路信号处理图1中小功率LED驱动器的等效电路3输出电压纹波oU的计算从中小功率LED驱动器的等效电路图中就可以看出，输出滤波电容C两端的电压实际上就等于LED驱动器输出电压oU。那么该滤波电容C两端电压的变化量实际上就是我们所要计算的LED驱动器的输出电压纹波值oU。从图2所示的电容两端电压CU（即输出电压oU）的波形图中就可以看出，在功率开关V导通期间（01ttt）的时间内，输入电源要承担一边向负载LED提供能量的任务，一边又要向滤波电容C提供充电的任务，经过2/ONt到ONt的时间后滤波电容C充电充至与输入电压iU相等的值时，功率开关V截止，滤波电容C这段时间内充电电压的变化量应为1oU；从1t时刻功率开关V开始截止直到2t时刻这段时间内功率开关V一直处于截止状态，这段时间内储能电感L和滤波电容C一起共同承担为负载LED提供能量的任务，电容两端电压不断下降，经过ONt到2OFFt的时间后下降到oU，再经过2OFFt到OFFt1234ABCD4321DCBAUUb0tIIl0tIId0tIIc0tUUce0tt0t1t2UUc/Uo0t△U01△U02TtONtOFF图2LED驱动器的等效电路中个点时序波形的时间后，功率开关V开始导通，滤波电容C两端电压下降到最小值，设2OFFt到OFFt的时间内滤波电容C两端电压的变化量为2oU，那么就有：tON21oooUUU（1）（1）1oU的计算从图2所示的IC、IL和UC（UO）的波形中可以看出，设0tt时，功率开关V开始导通，滤波电容C开始充电，其两端的电压UC开始上升，此时滤波电容C两端的电压具有最小值。当滤波电容C的充电一直维持到经过)(01ttttONON的时间后，功率开关V开始截止。在这段时间的2/ONt到ONt期间内滤波电容C两端电压的变化值1oU取决于滤波电容器C的充电电流IC和充电时间)2/(ONONtt，故1oU为ONONttCodtiCU2/11（2）从图1中可以得到：OCLIii，oLCIii，而dtUULdtULioiLL11，并且当t=t1时电感电流为最大值，t=t2时电感电流为最小值，因此就有oLMINoiooiCIItUULIdtUULi11（3）0001LONoiLoLMAXItLUUIttLUUiI（4）0012LOFFoLoLMINItLUIttLUI（5）由于流过储能电感L的平均电流就等于负载电阻RL上流过的电流Io，因此就有2LMINLMAXoIII（6）把式（4）、式（5）和式（6）都代入式（3）中，就可以得到电容器的充电电流Ci的计算公式为：OFFooiCtLUtUULi21（7）然后把式（7）代入式（2）中便可以求得1oU为LttUCdttLUtUULCUOFFONottOFFooioONON812112/1（8）（2）2oU的计算2oU也就是滤波电容C从原有的电压oU继续下降向负载LED放电，一直放到t2时刻，滤波电容C上的电压下降到最小值，也就是在功率开关V截止的一半时间内滤波电容C上电压的降低量2oU为2/21OFFONONtttCodtiCU（9）在功率开关V截止期间，即)(12tttOFF期间，负载RL所需的能量由储能电感L通过续流二极管VD供给，因此可以得到下列的方程：dtdiLULo（10）由此可以得到LMAXooLItLUdtULi1（11）将式（11）代入oLCIii中就可以得到功率开关V在截止期间内滤波电容C中的电流的表达式为：oLMAXoCIItLUi（12）同理，把式（4）、式（5）和式（6）分别代入式（12）中，消去（oLMAXII）后得到：tLUtLUioOFFoC2（13）最后将式（13）代入式（9）就可以算出2oU为：2/0228121OFFtOFFooOFFooLtUCdttLUtLUCU（14）（3）输出电压纹波oU的计算将式（8）和式（14）代入式（1）中就可以计算出滤波电容C两端电压的纹波值oU为：（15）（16）从式（15）和式（16）中就可以看出，要降低LED驱动器输出电压纹波值，除了与输出电压oU和输入电压iU有关以外，增大储能电感L的电感量和滤波电容C的容量是必不可少的，降低功率开关V的工作周期时间（即提高功率开关V的工作频率f）也能收到同样的效果。此外，占空比D越大输出电压的纹波就会越小，（ONt越大或者OFFt越小，输出电压的纹波就会越小）也就是尽量避免使LED驱动器工作在输入和输出过压过量的工作状态。当然，在降低LED驱动器输出电压纹波oU的过程中，要利弊兼顾，要综合考虑性能价格比。不能一味的追求输出电压纹波oU越低越好，应考虑LED驱动器的使用环境、输入条件和输出要求；还应考虑降低输出电压纹波oU以后，LED驱动器的造价、体积和重量都要相应的增加和增大。因此应在综合考虑各种因素和条件的基础上选择最佳值。4实际上真正的输出电压纹波上面所计算出来的oU只是降压型DC/DC变换器电路结构的LED驱动器输出电压纹波中由于开关频率所引起的输出电压纹波值，但是实际上真正的输出电压纹波除了以上所计算的这两部分以外，还应该包括电网工频电压纹波和高频功率转换所产生的寄生电压纹波，如图3所示。图中T1是电网工频电压纹波的半周期时间（一般为电网工频电压的半周期时间），T2是高频功率转换所产生的寄生电压纹波的周期时间（一般为变换器的开关周期时间）。iooOFFoOFFoOFFONOFFoOFFoOFFONoOFFoOFFONooooUULCTUfLCtULCTtUttLCtULtUCLttUCLtUCLttUCUUU1888881818181222211234ABCD4321DCBA(e).图1-6UtT1T2图3LED驱动器输出端的工频电压纹波和开关转换纹波波形（1）工频电压纹波当所设计的LED驱动器直接接220V/50Hz的交流电网时，经全波整流、滤波后，形成100Hz的脉动直流电压作为其输入供电电压iU。该输入直流脉动电压iU中的脉动成分经过稳压调节后，虽然被大大地衰减了，但仍有少量残留部分在输出电压oU中，因此就在输出电压中形成了电网工频电压纹波。要想减小这种残留在输出电压中的电网工频电压纹波，就必须增大LED驱动器输入端一次滤波电容的容量和功率变换电路的负载动态响应速度。（2）开关转换寄生电压纹波对于任何一种晶体管和二极管，从导通到截止或者从截止到导通的转换过程都需要一定的转换时间。如图4所示，当功率开关V从截止转向导通时，虽然续流二极管VD上的电压已经反向偏置，但是由于该二极管VD中少数载流子的存储效应，二极管中流动着的电流不可能立即被关断，只有经过一段时间后才能真正地处于截止状态。这段时间被称为二极管的反向截止时间。在这段时间内二极管呈现低阻抗，于是输入电压通过功率开关V、续流二极管VD可以形成一个非常大的电流，这个电流通过回路中的分布电容就会引起一个较大的高频阻尼振荡，它经过平滑滤波以后寄生在输出电压中的残留部分就形成了所谓的开关转换电压纹波。此外，当功率开关V从导通转向截止的瞬间，储能电感L由于自感作用（电感中电流不能突变）就会发生极性颠倒，但续流二极管VD由于从截止转向导通需要一定的恢复时间，此时储能电感L上的反向电动势便可升得很高，反映到输出端同样会形成开关转换电压纹波。减小开关转换纹波电压通常可以采用以下三种方法：①采用导通时间快、恢复时间短的肖特基二极管或快恢复二极管作为续流二极管。②如图4所示，在续流二极管VD两端并联一个阻容吸收网络，电容C1的容量主要取决于开关转换频率。一般情况下当开关转换频率在20kHz～100kHz的范围内时，电容C的取值范围应为0.0022～0.01µF，电阻R的阻值一般取1～10Ω。这样一来，就可以将由于续流二极管恢复时间所导致的开关转换电压纹波吸收到最小程度。③像图4所示的那样，在续流二极管VD的引线中串一电感量很小的电感L1，实际应用中有时就在续流二极管VD的管脚引线上穿一小磁环或小磁珠即可。利用电感上电流不能突变的特性来抑制和缓冲续流二极管VD反向恢复期间内的反向电