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基于三态Zeta的升降压型LED驱动电路

2024-06-23 来源:爱问旅游网
第8卷第4期 深圳信息职业技术学院学报 Jom,1ml of Shenzhen]nslihde of h1f0rmation Technology V()1.8 NO.4 DP 201O 文章编号:1672—6332(2010)04—0031—05 [信息技术理论研究】 基于三态Zeta的升降压型LED驱动电路 陆治国,祝万平,吴春军 (重庆夫, 输配电装备及系统安伞 新技术国家重点试验室,重庆市,400044) 摘要:对一种改进型r/ ta变换器拓扑引入了三态开关电路,使得原有@q ̄41-在得到同降压型驱动电源一样的高 动态性能的同时,也使系统获得了更好的稳定性,并降低了对元件参数的依赖程度。运用PslM软件对系统闹环进行了 仿真验证。 关键词:geta变换器;三态开关;稳定性;仿真 中图分类号: FN624 文献标识码:A 光电子产业是本世纪具有代表性的丰导产业 犁变换器中 于右半平 零点增加的90。滞后相位 “量进行滞环控制,且滞环 之一。科技的不断发展也使得发光二极管(Light— 使控制器不能直接埘输fEmitting Diofl ,I ET))的功率在不断地增大,并在 控制是一种变频控制,频率改变给滤波器设计带来 照明领域得到了广泛应用。LED具有体积小、寿 麻烦,也限制了它的应用。文献 中将电感电流纹 占_I定导通U,Tl ̄J(Constant 命长、抗振动性强、驱动电乐低、反应速率快、耗 波叠加到输 电压上再进行【电少、发热少、色彩纯度高等优点…,发展潜力巨 On—Time,COT)控制,在一定条件下,可以避了f相 大一其需要专用的驱动电源才能正常 r作。除_『可 位滞后问题,但仔在稳态误差,加人误差积分电路 a ̄ 靠性、效能、过流过 保护、体积成本等常规设 后动态性能有所下降:文献 提 的改进 Zet计 素,I,ED在设计驱动电源还需要注意:(1) 应采用串联连接:(3)LEDN"3散热= 降压型LED变换器中,提 了一种被动式的限制电 L1的振 I,EI)'JE动电源应为 流源。(2)LED的连接方式 感电流iL1谐振幅度的方法,其效果是使得i幅等于其稳态直流分量ILl,然后通过电感L1和电 LEDI ̄Y电气特性决定 r它的发光亮度及色温依 容C的参数p 配,为保证后级电路的稳定 [作,限 6] 赖于流过的电流强度,Ⅱ易受温度变化的影响,而 制电容电压vc的振幅,幅效果有限=本文对文献[ ̄f升降 其端电压!J!『J有很强的离散忤,因此,LED驱动模式 所提 的变换器加以改进,提 了i态Ze1更适合采用电流控制模式,链接方式也常采用串联 压型LED驱动电路。基于一态Zeta变换器的升降压 保留了改进型Zela电路可在一定条件下避开Bo()st环 链接,在直流供电环境下,D(:一DC电感式开关变 恒流电源配合COT控制和恰当的电感电流控制不仅 换器效率高,适合应用于中、人功率场合 0: DC—DC变换器常用的电流控制方式主婴有峰 节右半平 零点问题,无需补偿电路,动态响应速 l0i ̄,定性和 值电流、平均电流、滞环控制等。文献 中应用峰 度非常快等优点外还可以获得非常良好f值电流控制没计了LED驱动电源,但其需要进行 动态性能一 谐波补偿,结巾勾复杂一文献 中将滞环摔制应用 LED ̄.动电路中,无需补偿电路,得到较好的动态 性能,但它们均J、 用在降压型变换器中,而在升 [收稿日期】2010一10—14 [基金项目】最厌ff fLI然 i学雎金资助坝f=1 [作者简介】H,liff,lI (1963一). (汉),蓖庆人,博}= 2改进型Zeta变换器工作模态 网1为改进 Zeta主电路拓扑,由陶可知,电路 32 深圳信息职业技术学院学报 第8卷 是在Zeta变换器的基础【二做出了改进:在电感u线 值。电感L2 ̄f1]用储能向负载供电,io逐渐下降,到 路上加入二极管VD,阻止电感电流反向流动;舍去 T28 ̄ ̄达到谷值。iLl、io变化趋势相同,而与vc变 输出电容,使负载直接与变换器的输出电感L2串 化趋势相反。 联。由于加入二极管Dr,电感电流iI 1的工作模态 2.2改进型Zeta变换器DCM下的3个工作模态 可能在电流连续模式(CCM) ̄II电流断续模式(DCM), 而io为输出电流,由控制电路可使其始终T 作在电 (1)T0~T1时刻:与CCM下一致 (2)T1~T213 ̄ ̄0:开关S断开、S 导通,VD 流连续模式(CCM),本节针XqiL1的工作模式来 正偏导通,电感L1对电容C充电,iL1逐渐减小, 确定电路_L作在CCM还是DCM。 \、 + 、 R0 、、 图1改进型Zeta变换器 Fig.1 Improved Zeta converter  l『  i I一 一一一_\ / //J、、 // 了—、、f, ■—、 I  I■ ■\ I/一\ I/,/, \ / 、 //一, 、 ,I  I1 【I j  『J I —-—— —— —— ——1 I I I I 2.1 CCM波形 图2_2 D(:M波形 Fig.2.1 Waveforms of CCM Fig.2.2 Waveforms of DCM 2.1改进型Zeta变换器CCM下的2个工作模态 (1)TO~T1时刻:开关S导通,s 断开,VD正 偏导通,电源vinX ̄电感L1进行补充能量,电流i L l逐渐升高,fIJT1时达到峰值。电源vin和电容电压 vC叠加起来对电感L2补充磁能,同时供电给负载, 电感电流io逐渐上升, ̄:IjT1时刻达到峰值;电容C向 负载端放电,vc逐渐降低,到Tl时刻达到谷值。i L 1、io变化趋势相同,而与vC变化趋势相反。 2 T1~T2fl ̄,0:开关S断开、S 导通,VD 正偏导通,电感L1对电容C充电,iI 1逐渐减小, 到T2时刻达到谷值;vC逐渐升高,到T2时刻达到峰 到T2时刻减小为零;vC逐渐升高,到T2时刻达到峰 值。电感L2 ̄I]用储能向负载供电,i2逐渐下降。 iLl、io变化趋势相同,而与vC变化趋势相反。 (3)T2~T3 开关S断开、S 导通,VD反 偏截止,iL1为零,停止向电容充电,vc保持不 变。电感L2 ̄I]用储能向负载供电,io逐渐下降,到 T3时亥0达到谷值。 3三态Zeta结构 改进型Zeta变换器虽然在Zeta变换器上增加了 二极管Dr后在COT控制模式下能够稳定运行,但它 只是一种被动式的限制电感电流i,.,谐振幅度的方 法,其效果是使得i 的振幅等于其稳态直流分量 ,¨,然后通过电感,J『和电容C的参数匹配,限制电 容电压 的振幅以保证后级电路的稳定工作,效果 有限。本文提 的i态Zeta电路为主动式限定i,,的 振幅,将电感并联附加开关电路引入改进[ ̄JZeta变 换器,得到三态Zeta变换电路,其电路结构如图2 所示,其在改进型Zeta变换器的基础上增加了二极 管D 及S ,二极管D 及S 在串联后与电感lJ1并联。 \\ 、\R \、 图3三态Zeta变换器 Fig.3 Tri—slate Zeta eonverler 附加的开关S,与电感 ,并联,在主开关S关断 期间的某个时段导通,电感 ,将停止释放能量,电 感电流i 保持不变(实际电路存在线路损耗会有所 第4期 陆治国,祝万平,吴春军:基于 态zeta的升降压型LED驱动电路 . . 33 减小),而电容电压 也会由于电感 ,对其充电的 0 O 0 O O 停止而保持不变(实际电路会因损耗而减小)。但 输出电流的变化不受其影响。D 韵作用是防止开关 S导通时电源短路。关键波形如图4所示。 l I } 1// 、 。。。。-、 一 / }\ \ ,、\  I一一 ~~~一、。 ~— ~~~_\\,, 。 I  II I I 图4三态Zeta变换器的关键波形 Fig.4 Key waveforms of Tri—state Zeta converter 设主开关 的占空比为D1=( 一To)/(r ̄一to), 附加开关s 的占空比为 =( 一 )/( 一r0),s和 同时关断时段的占空比为D2=( 一r ̄)/(r3一To), 则有 + +D3=l。由伏秒平衡可得 f D = D: I( -4- 一 )D =Vo(1一D ) (1) 由电荷平衡可得 , D =I,,D, (1) 由式1.1推出变换器输入输 电压变比M为 n M= = D, rD +D,)‘ 一  (1) 可见M由D,和 两个占空比决定,即南S和S 的 开关状态决定。与传统的Zeta变换器相比,电容电 压稳态值与D,相关,将不再等于输出电压稳态值。 输出电流,¨与电感电流,l,的关系也与D,有关。 加入附加开关S 使系统变成二态电路,目的是 控制电感电流i 。而改进型Zeta变换器的升降压恒 流驱动电路仅采样了输出电流i, 一个状态变量,而 用二极管D 来被动调整另外两个状态变量i,.,和 就控制角度讲不符合最优控制规律。三态Zeta电路 则可以通过S 来控制 ,且不影响主开关占空比与 输出电流的控制关系,因此搭配后级COT控制将能 保证更好的动态性能。为实现对 的控制,需要增 加电感电流采样电路和比较器以及开关管驱动电 路,完整的系统电路结构如图3.3所示。 图5控制系统结构图 Fig.5 Structure of control system 电感电流参考值i 的设定对系统的工作状态 影响很大。当 /J、于传统Zeta变换器电感电流 稳 态值,『,时, 、VC和占空比d都包含谐波振荡成分。 ,振幅会受 艮制变为 ,一, ,而不再是只加入 二极管D 时的, 。可见,i态Zeta电路结构下, i 、UC的振幅可以进一步减小,从而改善系统稳定 性。当i 大于,¨时,系统工作在■态状态下,按 照上述三态Zeta的稳态分析可知,i…VC将不存在 谐振,各个状态变量的稳态值将变成如式1所示的 关系。其中,为了改善附加开关的开关损耗和电容 电压耐压过高的问题,可以采取前馈输入电压反馈 输出电压进行运算来确定电感电流参考值i, , ,即 今 = (1) 带入式1.1、式1.2可得 = ,IL,= r与zeta变 换器时的稳态值一致。 4仿真与分析 下面通过对系统进行仿真来进一步分析其丁 作方式。仿真电路如图4.1所示,仿真软件采用 PSIM,仿真参数根据设计要求, ,取250 ,J,取 850 H,C取100 F,尺 取1Q,尺l、尺2、R。 取 1 ,C。 取20nF,LED导通电压取12V,R£肋取 3 ,Iref] ̄O.7A。为使电路正常T作,增加了最 34 深圳信息职业技术学院学报 第8卷 小关断时间控制电路,设定开关最小关断时问为 0.5gs。 图6仿真电路图 Fig.6 Simulale cir(・uil 图7为设置不同电感电流参考值, 时,各变 量波形 :此时输人电压为l5、_?图中左边为 , 1, --0tt ̄,i V 和 。的波形,图右边为 =0.5AH ̄iL1 、 c和 。的波形 可见, =0.5A时,l’L1振幅变为 1.15—0.5=0.55A,1,c的振幅在0.22V以内: 1 00一一一 一————r————…一一0 90 r—————— —…一一一…一] 朔0 60}g■■ ■■ 一 一 ‘ ~啪00 60}  80■■■_■●lI: I| 0 一30 I ……—— —■ lI'__ _— _l_三:: j。J 0 54 0 -~一一~ ~一 一~~:…… ~ ~~一~— 一 1 001 2 001 3 001 4 00I 5 0D1 6 001 7 00 T』me(ms1 图7 IL、、一P、In波形 Fig.7 WmPfOFHI ̄,ofIL1.、一r and 10 No.1 图8 示, 1 =lA时 ,』l、vC和 。的波形。各变量 的稳态波形与图3.2桐吻合 。的稳态值卜升到1/0.7 倍输入电压,约为21.4V 2 00 一一一 ‘ 一一……一一’…一一 1 40 r…一_一 ._ --—-・・-一 3引.. |_ ll l。。¨. __10__l_l 0 50} w- f 1 1 0} …t 一- r r- /r 0 00 l…一……一…一…一…t 1 00 j一 一--- 一一 0 50 L—————— 一 一~.…一一 …一一 0 90【一一一——一,一一一一 J 图8 ILl、V lf)波形2 Fig.8 al eformg c)tIL andIoNo,.2 9分别展示了该系统在输入扰动、参考值扰 动和负载扰动时的动态性能,其中 £l :1A。 I、 ㈡ l ■■ 臻; ■—0 ●●・ ● 。∞ = ‘ 0 00一 ■■ 帻』 一一ll。。 8—_■拳 20 00 3S 00 40 00 S0 00 60 00 70 00 1 0 00 20 00 40 00 60。。∞00  10 00 ∞∞ 30 O0 州 50 00 IIffle Im I I…m01 ¨…ms{ 图9 V(-、Io、Vin波形3 Fig.9 W|1、 I ̄foFIIlS c,f Vc.1o and Vin No.3 5结论 本文提 了一种 ■态Zeta变换器,使之应用于 LED的驱动,配合COT控制和恰当的电感电流控制 可使系统获得非常良好的稳定性和动态性能:对改 进型Ze!a电路的] 作模态进行了分析,推 了■态 Zeta电路的输入输 电 比,得到了其在COT控制 下各相关变量的振幅相对于改进 Zeta变换器可进 一步减小的结论。通过PSIM仿真,验证了i态Zeta 变换器良好的稳定性。 参考文献(References) 【1 J郝金刚.梁春军,刘淡宁,等.LED产业分析报 l J1. 现代 示,2006 f3):9—16. HA()Jingang.T IAN( ChtI1ljlll1.LIt J Danning. t a1.LED industD analysis repc,rtlJl Modern DLspho.2006(3):9—16. fin( h_『1PsP1 [2]黎 ,周雒维.高亮度LED 动器慨述IJ I.电气心用, 第4期 2007 f61:1 1—15. 陆治国,祝万平,吴春军:基于_二态Zeta的升降压型LED驱动电路 35 constant on lime('o111rolled boosl“}llverler【C】∥IEEE International Symposium Cireuil s and Sy stems,2008: L1 Ping,ZHOU Luowei.Overview of high—brighmess LED driver【J1.Electrical Applications,2007(6):1 1—1 5.(in Chinese) 2206—2209. a变换器的】 I1=I) 动电路[J j.低 【6] 陆治同,王强.基于Zet压电器,2010(10):35—39. LU Zhiguo.WANG Qiang.LED(1ri、Pr J)aged on zeta converter[J].Low l ̄ltage Apparatu8.2010 f101:35—39. ey R.B..A new(!onlinnons—time model for(!Ill’rent— 【7】 Ridlnlode control with constant frequency,constant on—lime.alld 【3]张春红,冯永建,郑鹏峰.大功率LED驱动器设计…. 厦门大学学报:自然科学版,2009(1):61—64. ZHANG Chunhong,FENG Yongjian,ZHENG Peng ̄ng. Design of high-power LED driver[J].J Xiamen Universit) Natural Science Ed,2009(1):61—64.(in Chinese) 【4】谢治中,丁扣宝,何杞鑫.滞环电流控制的大功率 LED恒流驱动芯片设计[JJ.同体电子学研究与进展, 2009(2):106—109. constant off-time,in CCM and DC M I A J.Power Ele(':troni( Specialists Conference,IEEE,1 990:382—389. j应用电路…] l【8J 周志敏,周纪海,纪爱华.LED照明技术卜电子工业 版社,2009.5:1—28. ZHOU Zhimin,ZHOU Jihai.Jl Aihua.LED Lighting XIE Zhizhnng,DIN(;Koubao,HE Qixing.Design of a z’esis—eurrent control high—power LED driver using hvste .technique[J].Research&Progress D,Solid State Electronics, 2009(2):106-109. [5]XU X R,WU X B,YAN X L.A quasi fixed frequency一 Technology and Appli ̄’ation Circuit【MJ.Electronic Indusl ̄ Press.2009.5:l一28 Buck-boost LED driver circuit based on tri-state Zeta LU Zhiguo.ZHU Wanping.WU Chunjan (State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology. Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China) Abstract:This paper introduces a three—state switch circuit into a modified Zeta converter topology,s()not only the modiied topology obtains a high dynamic performance witfh the buck drive power,but also the syslem gets a bette ̄’ stability,and reduces the dependence of device parameters.The system closed loop was simulated and verified based onPSIM. Keywords:Keywords:Zeta converter;three-state switch;stability;simulation 【责任编辑:高潮】 

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