中心議題：

• 有源紋波補償BUCK電路
• 有源紋波補償的實現
• 有源紋波補償LED驅動電路仿真與分析

解決方案：

• 紋波電流檢測
• 紋波補償實現
• 輸出電流計算

傳統BUCK 電路采用LC 濾波，電路穩態工作時，輸出電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成。當驅動LED 時，紋波電壓將引起較大的LED 紋波電流。增大濾波電容可減小LED 的紋波電流。但是，電容容量的增大，導致電源體積和重量增加
，影響電源的小型化和集成化，更重要的是


，電解電容成為限製LED 驅動電源壽命的主要因素。在LED 照明應用環境下，電解電容的壽命不超過10 000 h，與LED 的長壽命( 100 000 h 左右) 難nan以yi匹pi配pei。文wen獻xian分fen析xi了le開kai關guan電dian源yuan的de平ping均jun無wu故gu障zhang時shi間jian
，指zhi出chu電dian解jie電dian容rong的de性xing能neng直zhi接jie決jue定ding了le電dian路lu的de可ke靠kao性xing，在zai設she計ji電dian源yuan驅qu動dong器qi的de時shi候hou應ying該gai有you針zhen對dui性xing地di減jian少shao電dian解jie電dian容rong的de使shi用yong。電dian解jie電dian容rong的de有you效xiao工gong作zuo壽shou命ming在zai很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu環huan境jing溫wen度du以yi及ji通tong過guo等deng效xiao串chuan聯lian阻zu抗kang的de紋wen波bo電dian流liu導dao致zhi的de溫wen升sheng。溫wen度du過guo高gao致zhi使shi電dian解jie電dian容rong電dian解jie質zhi逐zhu漸jian耗hao盡jin，使shi得de其qi性xing能neng下xia降jiang。

本文提出一種有源紋波補償BUCK 型LED 驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)。該(gai)電(dian)路(lu)無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)大(da)容(rong)量(liang)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)，所(suo)需(xu)要(yao)的(de)小(xiao)容(rong)量(liang)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)較(jiao)小(xiao)的(de)新(xin)型(xing)長(chang)壽(shou)命(ming)電(dian)容(rong)，利(li)用(yong)有(you)源(yuan)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)抑(yi)製(zhi)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)。由(you)於(yu)取(qu)消(xiao)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)的(de)使(shi)用(yong)
，可(ke)以(yi)使(shi)電(dian)路(lu)壽(shou)命(ming)增(zeng)長(chang)，穩(wen)定(ding)性(xing)提(ti)高(gao)，便(bian)於(yu)集(ji)成(cheng)
，電(dian)路(lu)易(yi)小(xiao)型(xing)化(hua)。

一
、有源紋波補償BUCK 電路

電路如圖1 所示。電路結構以BUCK電路為主
，取消電解電容濾波
，用輔助線性電路對電感紋波電流進行補償。圖中由開關管V、電感L
、LED 燈組
、續流二極管VD 組成主電路; 晶體管VT 為輔助補償電路。

圖1 有源紋波補償BUCK 電路拓撲圖

設主電路電感電流iL和晶體管VT 的集電極電流iC分別為：

式中
，IL和IC分別是電感電流和的集電極電流的直流分量; ir和ic分別為它們的交流分量( 紋波電流) 。

當ic = - ir時，輸出電流為：

通過LED 的電流iO為恒定直流，如圖2 所示
，實現了對電感紋波電流的全補償。
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式中，Ip和IPP分別是電感電流的上峰值和電感紋波電流的峰峰值。

圖2 電感電流補償示意圖

LED 燈組為n 個大功率LED 串聯連接，UO =nUF為LED 燈組壓降; UF為單個LED 的導通壓降。

晶體管VT 的損耗為：

在保證晶體管VT 的集射電壓大於其飽和壓降( VCE≥VCES) 的條件下，調整占空比D ( 如D 取值範圍為85% ～ 95%) ，可使集射電壓足夠小。同時，控製集電極瞬時電流iC的最小值近似為零，則IC最小。因此，晶體管VT 的損耗為最小，可提高驅動電源的效率。

二
、紋波補償的實現

1. 紋波電流檢測
根據電感元件的電壓與電流關係：

可以通過觀測電感兩端的電壓來檢測紋波電流，如圖3 所示。圖3 中檢測電路由運算放大器A1、電阻R 及電容C 組成差分積分電路。假設各元器件均為理想元器件則：

即：

圖3 紋波電流檢測補償原理圖[page]

uo1( t) 是與電感紋波電流成正比的函數，比例係數為：

A1采用單電源供電，uo1≥0，在紋波電流為正峰值時uo1 = 0 有：

式中：

所以：

2. 紋波補償實現
由於電源電壓Ud可能因外界因素波動，所以由A2組成減法電路消除因Ud變化引起的iC變化，根據電路可知：

式中，UDZ為二極管壓降，其值等於PNP 晶體管VT 的射極E 與基極B 之間的壓降。電路選擇參數使uo1 = 0 時晶體管VT 處於微導通狀態，iC≈0
，晶體管VT 的補償電流為：

將uo1代入iC:

設定比例係數為：

若選擇電路元器件參數使得k = 1，則iC = - ir，實現了電感紋波電流的全補償。

3. 輸出電流計算
當k = 1 時，晶體管T 補償電流為

電感電流為：

所以電路輸出電流為：

因此，通過LED 的電流為直流，其值為IP。
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三
、仿真與分析

1. 仿真參數設置
采用PSIM 軟件對所提出的紋波補償電路進行仿真實驗
，根據以上分析，仿真參數設置如下表所示。

表1 仿真參數設置表

LED 采用歐司朗半導體照明公司生產的額定功率PW = 5 W 的大功率LED， 型號為LC—WW5AP

，其導通壓降為3. 0 ～ 3. 6 V，典型驅動電流為1. 4 A
，燈組采用三個大功率LED 串聯連接。

單個LED 仿真模型如圖4 所示，其中VD 為理想二極管，VDZ為理想單向擊穿二極管，RLED為LED等效串聯阻抗。仿真中設定單向擊穿二極管VDZ兩端電壓為： UD = 3. 0 V，設定等效串聯阻抗為： RLED = 0. 35 Ω。

圖4 大功率LED 模型圖控製電路采用傳統峰值電流控製，設定參考電壓Ur = 10. 5 V; 電壓采樣係數ku = 0. 8; 電流采樣係數為ki = 1; 誤差放大器放大倍數設為1; 時鍾頻率fs = 200 kHz; 占空比為0. 1。該電路占空比D > 0. 5，需要斜坡補償。根據斜坡補償原則：所選定斜坡上升斜率m>-m2/2
，其中m2為電感電流下降斜率。選定鋸齒波幅值為0. 8 V、頻率為200 kHz。

根據以上參數設置可得到電感上峰值電流為IP = 1. 4 A，輸出電壓UO = 10. 5 V。仿真電路圖如圖5 所示。

圖5 仿真電路圖[page]

2. 仿真分析
電感電流波形如圖6 所示
，根據圖6 可以看出電感電流上峰值為IP = 1. 4 A，驗證了控製電路參數設置的正確性。電感紋波電流峰峰值為IPP =0. 14 A
，可得電感電流直流分量為IL = 1. 33 A。

若電路不采用紋波補償電路，則通過LED 電流為電感電流，紋波電流峰峰值為0. 14 A，使得LED發光不穩定。根據補償電流波形可以看出其上峰值為0. 14 A
，所以可以得到直流分量為IC = 0. 07A。對比iL波形和iC波形可以看出ic = - ir。通過LED 的電流為iO = IL + IC = IP = 1. 4 A
，為恒定直流，補償電流將電感紋波電流完全補償，驗證了結論的正確性。

圖6 完全補償波形圖

四、結束語

本文針對電解電容體積大，影響電路整體布局，不利於電路集成和小型化且其壽命難以與LED changshoumingxiangpipeidengwenti，tichucaiyongyouyuanbuchangdianluduidianganwenbodianliujinxingbuchangdefangfa。gaidianluquxiaodianjiedianronglvbo，caiyongxianxingjingtiguanbuchangdianganwenbodianliu，fangfajiandan、易於實現，而且補償效果好，輸出電流恒定。仿真結果證實了該拓撲結構的有效性。