LED驱动电源控制策略研究分析

刘水红

362502197912300627

摘要：为实现大功率LED驱动电源宽范围调光，需要解决LLC谐振变换器轻载下增益失调问题。结合恒定频率变占空比非对称脉宽调制(APWM)控制的LLC谐振变换器存在可以降压控制区域的特点，提出分段混合控制新型调光策略。重载时，LLC谐振变换器采用脉冲频率调制(PFM)控制;轻载时，LLC谐振变换器则采用占空比小于0．5的APWM控制。搭建了一台额定输出功率1440W，输出电压30～48V的大功率LED驱动电源样机，实验表明样机调光范围宽、调光速度快，轻载时电流纹波小、工作稳定，验证了所提策略的正确有效性。

关键词：LED驱动电源；控制策略；研究分析

引言

随着照明技术发展，将LED照明方案应用在实践中成为大势所趋，相关设备具有功耗低、效率高、使用寿命长的优势。照明设备的功率转换器中需要使用电容，以往受到技术限制，多采用电解电容，虽然取得一定效果，但是存在较多故障，如电容失效，此外，电解电容的寿命较短，大部分寿命在5000h，成为照明设备发展的瓶颈。鉴于此，研究人员决定将无电解电容应用在驱动电源中，以达到提高效率、降低功耗与成本的目标，同时采取补偿控制策略，确保输出功率恒定。

1国内外研究现状

为兼顾多个性能指标的优化设计，科研工作者对AC-DCLED驱动电源进行了大量的研究。现对该驱动电源的拓扑结构、小信号建模、数字控制和低频纹波补偿等关键核心技术的研究现状进行综述。对比分析各技术方案对性能指标的影响及其发展趋势，以明确本论文的研究内容与技术路线。

1.1 LED驱动电源拓扑结构研究

开关型AC-DCLED驱动电源常由整流、滤波、功率因数校正（PowerFactorCorrection,PFC）和功率转换（PowerConvert,PC）等电路组成。按照不同的分类方法，可将其分为隔离型和非隔离型，单级和多级等拓扑结构。非隔离型具有成本低廉的优势，隔离型则具有变压、多路输出及电气隔离的特点。单级拓扑将PFC和PC集中在一个DC-DC变换器实现，具有体积小、成本低、转换效率高等优点，常用于中小功率LED驱动。多级拓扑则将各功能电路分别实现，能更好兼顾多项性能指标的优化设计，更适合用于对大功率LED光源进行驱动。

1.2 LED驱动电源建模技术研究

为了采用反馈控制理论设计一个稳定且动态性能好、稳态误差小、抗干扰能力强的LED驱动电源，应首先获取LED负载和DC-DC变换器的实际动态特性，该动态LED近似等效模型研究LED负载特性可以用指数关系进行准确的描述，然而，非线性的指数函数难以用于数字计算和仿真。为此，学者们对其近似模型进行了大量研究，主要包括DUR（Diode,VoltageandResistance）串联模型、多分支等效模型和泰勒级数模型等。DUR串联模型采用理想二极管、理想电压源和理想电阻的串联电路进行等，该模型能准确描述LED光源的正向导通特性，但在低于10mA的非线性区域存在较大误差，常用于照明亮度较高且对过渡过程要求较低的照明领域。

2新型混合控制策略调光

基于上述APWM控制的电压增益曲线特性，提出利用APWM控制电压增益小于1降压的区域作为LLC谐振变换器轻载时调光的控制，即基于LLC谐振变换器的大功率LED驱动电源宽范围调光，采用新型的分段混合控制策略。当LLC谐振变换器调光输出电流(或负载电流)较大，大于设定值时，变换器采用常用的PFM变频模式控制(占空比固定为0．5)，通过调整开关频率实现输出电流调整;当LLC谐振变换器调光输出电流(或负载电流)小于设定值时，或者达到开关频率上限，变换器工作在轻载，则采用APWM恒频变占空比(开关频率固定)，通过调整开关占空比实现输出电流调整。综合考虑变换器工作频率范围、效率，以及调光电流范围，两种控制模式切换的开关频率设定在两倍谐振频率，或者轻载电流或功率达到20%满载电流或功率时。

3未来研究重点

研究表明，运用前馈控制+自适应反馈的ARC、RCC，既能够满足低频波纹补偿要求，又具有良好的可靠性以及动态性。但考虑到自适应算法的运用难度较大，加之ARC和RCC的流程相对复杂，目前，相关技术多用于功率未超过100W的驱动电源，未来应围绕以上技术在大功率电源中的运用展开研究。

3.1实现主动补偿

现阶段，ARC补偿效果较易受到传递函数、采样精度以及控制策略的影响，调光范围内的补偿效果往往无法达到预期。要想实现ARC补偿，关键要做到能量平衡，即：通过半周期平衡的方式，对ARC加以控制。该方法强调以基准占空比为依托，根据波纹变化周期及规律，对脉动能量加以控制，由此达到能量平衡的目的。

3.2规范技术指标

以大功率光源所提出的要求为依据，对技术指标进行调整。考虑到该光源并未对调光极差、调整时间和静态误差提出严格要求，因此，对其进行设计期间，可酌情放宽指标要求，将重心放在可靠性、低频波纹以及使用寿命上，在保证设计效果满足要求的前提下，对设计难度与整体成本加以控制。

3.3做到同步传输

对APFC进行分析可知，滤波电容所形成高频波纹电压，极易使串联电阻温度大幅提升，进而造成电阻失效、可靠性降低或使用寿命缩短的问题。鉴于此，研究人员提出了以下解决策略：以能量同步传输为依托，尽量确保APFC脉动能量可在同一时间到达DC-DC，经过降压处理后，再转移至输出滤波电容。虽然出于优化变换器功能的考虑，该策略并不能保证能量传输完全同步，但仍然可以起到控制高频脉动能量的作用，在延长寿命方面具有重大意义。

3.4优化数学模型

作为典型的非线性函数，LED负载特性极易被温度所影响，控制设计难度较大。在很长一段时间内，各国学者均致力于近似模型的研究，并先后提出了包括热电模型、DUR模型在内的多种近似模型，其中，由电阻、二极管以及电压源共同组成的DUR，可对导通段、截止段情况进行如实反映，现已成为对驱动电源进行设计的关键一环。LED驱动电源通常为多级拓扑，本文所讨论无电解电容具有控制难度小、转换率高以及结构简单的优点，但受带宽限制，在低频纹波补偿方面所能取得效果十分有限。考虑到该拓扑计算量相对较大，难以获得详细且精确的表达式，未来，研究人员应当重点关注信号离散化，综合考虑延迟控制、寄生参数还有高频混叠等要素，在此基础上确定更符合实际情况的模型。

3.5实现自适应PID

研究表明，数字驱动电源具有极为突出的优势，但其控制性能有一定概率被模型精度、高速采样所影响，要想解决该问题，关键是要引入自适应控制策略，通过优化控制算法及电流预测的方式，使变换器所具有闭环性能得到大幅提升。实验证实，基于状态观测器法对电流进行预测，通常可以取得事半功倍的效果，因此，未来应将研究重心转向以下几方面：其一，对该方法所具有快速性、预测精准度及收敛性进行优化。其二，准确把握自适应PID对相关元件的鲁棒性、静态与动态性能所带来积极影响，通过大量学习，对工作点参数加以确定。其三，深入研究调光梯度，在查表法的辅助下，对工作点所对应传递函数加以确定。综上，虽然该策略离线学习量较大，但能够有效减少运行计算量，使工程效果最大程度接近预期。

结语

由于LED光源正全方位快速地向大功率乃至超大功率照明领域拓展，与之相匹配的长寿命、低纹波、高效率数字化驱动电源技术成为研究热点。AC-DC两级拓扑结构能兼顾多种性能指标的优化设计，是大功率LED驱动电源的主流形式之一。本论文围绕大功率无电解电容低纹波Boost-AHBLED恒流源的数字化控制技术进行研究，并在AHBLED恒流源的离散时间小信号建模、自适应数字预测电流模式控制和自适应数字低频纹波补偿控制等方面取得了一定的研究成果。

参考文献

[1]邹学军,鞠耀武,尤晓波,等.LED驱动电源中压敏电阻的失效分析与改善对策[J].光源与照明,2022(4):54-56.

[2]杨明杰,廖建彬.一种基于重复控制的无电解电容LED驱动电源[J].机电工程技术,2021,50(12):68-70+161.

[3]付贤松,秦坤.基于PID算法的高精度LED数控恒流驱动电源设计[J].电子器件,2021,44(4):844-848.

[4] 马伟中．基于 LLC 谐振变换器的大功率LED驱动电源的研究［D］．杭州: 杭州电子科技大学，2017．