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基于軟開關(guān)技術(shù)的單開關(guān)LED驅(qū)動電路研究

文檔作者：李丹張代潤楊林文檔來源：四川大學(xué)電氣信息學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月11日
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研究與開發(fā)
58 2017年第12期
基于軟開關(guān)技術(shù)的單開關(guān)LED 驅(qū)動電路研究
李 丹 張代潤 楊 林
（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610000）
摘要 本文給出了一種應(yīng)用于LED 驅(qū)動場合的單開關(guān)軟起動boost 電路。電路包含兩個串聯(lián)
諧振電路，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電流開通和關(guān)斷，降低開關(guān)損耗，從而大幅提高驅(qū)動電路的效率。
本文提出的驅(qū)動電路能夠提供恒定的輸出電流，且不受輸出電壓波動的影響，因此該驅(qū)動電路非
常適合于LED 驅(qū)動。平均輸出電流與開關(guān)頻率、諧振電容及輸入電壓有關(guān)，而不受輸出電壓波動
的影響。因此，對于特定的輸出電流，該驅(qū)動電路的開關(guān)頻率和占空比是恒定的，這也使得控制
電路非常簡單，非常適合于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求高的場合。本文給出了一種12V/60V 驅(qū)動電路的仿真
結(jié)果，以驗證該電路的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：LED 驅(qū)動電路；諧振電路；零電流起動；開關(guān)損耗；軟開關(guān)
Study on LED Driving Circuit with Single Switch
based on Soft-switch Technique
Li Dan Zhang Dairun Yang Lin
(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610000)
Abstract This paper presented a new boost circuit based on soft-switch technique for LED
driving applications. The driving circuit consists of only one switch and several other components. The
main switch turns on or off under ZCS conditions, which results in high efficiency. This driving circuit
can offer constant average output current independent of output voltage variations, and is especially
suitable for LED driving uses. The average output current is related to the switching frequency, input DC
voltage and resonant capacitor. For one specific LED driving circuit, the constant average output current
corresponds to specific switching frequency, input DC voltage and Duty, and this makes it simple to
design the control system. Fewer components needed in the circuit mean less cost, which is really
important for both the manufacturers and customers.
Keywords：LED driving circuit; resonant circuit; zero current switch; switching loss; softswitching
全球電能需求持續(xù)增長，其中照明用電占全球
電能需求的20%[1-3]。以低能消耗方式滿足更多的照
明需求，照明設(shè)計工作中的照明效率則至關(guān)重要[4]。
LED（發(fā)光二極管陣列）擁有高效率、高亮度、長
壽命周期、快速響應(yīng)及高度集成、可選顏色多等很
多優(yōu)秀特性，可以滿足高效率照明的需求，近些年
已經(jīng)開始取代了傳統(tǒng)照明長期使用的熒光燈和白熾
燈，得到了愈加廣泛的應(yīng)用。此外，LED 結(jié)構(gòu)中不
需使用水銀和其他有害化學(xué)成分，也使得其在應(yīng)用
過程中不會污染環(huán)境，在綠色照明趨勢下，這是一
個非常重要的優(yōu)勢[5-8]。
LED 照明的密度取決于流過其中的電流，因此，
控制流過LED 燈串的電流是非常必要的。而且，恒
定電流有利于消除LED 中的頻閃，50Hz 的頻閃通
常容易造成眼部疲勞及其他的傷害。與線性控制電
源相比較，開關(guān)電源驅(qū)動LED 燈串時可以提供更高
的效率、功率密度和更高的控制精度，因此，是一
種更為理想的選擇。
近年來，出現(xiàn)了很多基于多種不同拓?fù)潆娐返?
LED 驅(qū)動電路，主要是通過設(shè)計輸出電流恒定的驅(qū)
動電路和獨(dú)立輸出電流和獨(dú)立輸出電壓的驅(qū)動電
路。在文獻(xiàn)[9]中，作者提出了一種基于buck 驅(qū)動電
研究與開發(fā)
2017 年第12 期 59
路的LED 驅(qū)動電路。這種buck 驅(qū)動電路通過一個
開關(guān)管具有高功率因數(shù)、高效率和低諧波電流的特
性。然而這種驅(qū)動電路是硬開關(guān)模式，其開關(guān)損耗
較高。文獻(xiàn)[10-11]分別給出了一種用于LED 驅(qū)動的
高效率、低功耗硬開關(guān)buck 電路和boost 電路。文
獻(xiàn)[12]提出了一種高效率變壓器低諧振buck 驅(qū)動電
路，通過斷續(xù)導(dǎo)通模式實現(xiàn)了功率因數(shù)校正和調(diào)光
的目的，然而，這種驅(qū)動電路所需元器件較多。文
獻(xiàn)[13]中對應(yīng)用于LED 驅(qū)動的現(xiàn)有斬波電路（Cuk，
SEPIC 和buck-boost）進(jìn)行了比較分析。
本文給出了一種無頻閃單開關(guān)軟起動諧振LED
驅(qū)動電路，其控制電路也比較簡單。在串聯(lián)諧振支
路上，開關(guān)動作于電感電流為零時刻，因此開關(guān)管
的開關(guān)損耗降低了，進(jìn)而提高了驅(qū)動電路效率。該
電路工作時，其占空比和頻率是恒定的。本文也給
出了理論分析和仿真結(jié)果。
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
本文所提出的LED 驅(qū)動電路工作在升壓模式，
該驅(qū)動電路的優(yōu)點是可以維持輸出電流穩(wěn)定，適合
用于LED 驅(qū)動（如圖1 所示）。
圖1 LED 驅(qū)動電路拓?fù)?
該驅(qū)動電路包含一個單向開關(guān)S，輸出電容Co，
串聯(lián)諧振支路L1 和C1，傳輸電感L3 和一個電感值
較大用來給諧振電容C1 放電的電感L2。輸入為恒定
直流電壓，輸出電容Co 足夠大可認(rèn)為輸出電壓為恒
定值。因為L2 電感值很大，在一個開關(guān)周期內(nèi)流過
其中的電流可視為恒定，因此，在等效電路中可將
L2 視為一個電流值較小的恒流源。在一個開關(guān)周期
內(nèi)將驅(qū)動電路的工作過程分為3 個階段（其穩(wěn)態(tài)工
作波形如圖2 所示）。
1）第一階段。假設(shè)在第一段開始之前，流過
L1、L3 的電流為零，電容C1 兩端電壓Vc1 等于?V1。
所以在t1 時刻，主開關(guān)管S 在零電流狀態(tài)下開通，
一個LC 諧振電路（L1 和C1）形成并且向C1 充電。
在C1 充電過程中，在半個諧振周期內(nèi)流過L1 的電
流會先增大然后減小。當(dāng)流過了L1 的電流降為零時，
C1 電壓達(dá)到最大，第一階段結(jié)束（如圖3 所示）。
圖2 驅(qū)動電路穩(wěn)態(tài)工作波形
圖3 第一階段
2）第二階段。在t2 時刻，S 在零電流狀態(tài)下關(guān)
斷，二極管D 在零電流狀態(tài)下導(dǎo)通。另一個LC 諧
振電路（L1、C1 和L3）形成并給電容C1 放電，使電
容C1 上儲存的能量傳輸?shù)捷敵龆?。與第一階段相
似，在半個諧振周期內(nèi)輸出電流會先增大然后降低。
電容C1 放電至其電壓值達(dá)到?V2。當(dāng)流過二極管的
電流為零時第二階段結(jié)束（如圖4 所示）。
圖4 第二階段
3）第三階段（如圖5 所示）。在t3 時刻，二極
管D 在零電流狀態(tài)下關(guān)斷，此時只有輸出電容Co 向
負(fù)載提供能量。電容C1 會通過電感L2 繼續(xù)放電，
直至電容C1 上的電壓值達(dá)到?V1，此時第三階段結(jié)束。
研究與開發(fā)
60 2017年第12期
圖5 第三階段
2 電路工作原理
為了分析驅(qū)動電路的穩(wěn)態(tài)工作過程，需要在一
個開關(guān)周期內(nèi)做出幾個假設(shè)。
1）所有半導(dǎo)體器件均為理想器件。
2）L2 電感值很大，流過L2 的電流在一個開關(guān)
周期內(nèi)可視為恒定的。
3）L1 和C1 之間的諧振要比L1、C1 和L3 之間的
諧振更快，以保證滿足零電流開關(guān)的條件，所以L3
電感值要比L1 大。
4）L1 和C1 之間的諧振頻率大于開關(guān)頻率。
如前所述，在第一階段之前，所有電流均達(dá)到
零且諧振電容C1 電壓等于?V1。當(dāng)開關(guān)管開通時，
諧振電容C1 被充電至2Vs+V1。此時，開關(guān)管在零電
流條件下關(guān)斷，二極管D 在零電流條件下導(dǎo)通，因
此，儲存在諧振電容C1 中的能量將會通過諧振的方
式傳輸至輸出端。
當(dāng)二極管導(dǎo)通時，電容會被放電至其電壓值為
2Vout?2Vs?V1。因此：
2Vout ? 2Vs ?V1 = ?V2 （1）
L1 和C1 之間的諧振持續(xù)半個諧振周期T1/2，L1、
C1 和L3 之間的諧振持續(xù)半個諧振周期T2/2。最后一
個階段的持續(xù)時間等于T3。因此：
1
2 1
2
3 2
3 4 3
2
2
T t t
T t t
T t t
? = ? ???
= ? ??
? = ?
（2）
分別對電感應(yīng)用伏秒平衡原理和對電容應(yīng)用充
電平衡原理，可以得到
1 2 3
s out ( 1 2 )
2 2 2
T T T V +V = V +V （3）
s 1 out 2 2
out 2
2
2 2
π 2 2
V V V T T I T I
Z
+ ?
? ? = ? ? （4）
式中，T 為開關(guān)周期；Iout 為平均輸出電流；Z2 可由
下式得到
3
2
1
L
Z
C
= （5）
由式（1）和式（3）可以得到
s 1 s out 1 s
1
( 2 ) ( 2 )
2
V T T V T T
V
T
? + +
= （6）
第三階段滿足下式：
2 3
2 1
1
I T
V V
C
= ? （7）
由式（3）、式（4）、式（6）和式（7）可以得到
1 1 2 1
out s s 3
3 3 3
2 ( )
C T T C I V V T T
T T T TT
? + + ? = ? ? = +
? ?
（8）
由上式可知，平均輸出電流不受輸出電壓波動
的影響，只受開關(guān)頻率、電容C1 和輸入電壓的影響。
因此，如果輸入電壓、開關(guān)頻率和電容C1 不變，驅(qū)
動電路將會輸出恒定的平均電流，可視為恒流源。
這種特性使得該驅(qū)動電路非常適合驅(qū)動LED。
3 實驗結(jié)果與分析
為了驗證以上對驅(qū)動電路的分析，進(jìn)行了基于
Pspice 軟件的仿真實驗。輸入電壓為12V，開關(guān)頻
率為83kHz。其他元件的參數(shù)見表1。
表1 電路元件參數(shù)
元件 試樣說明
C1/nF 68
L1/μH 13
L2/mH 0.5
L3/μH 200
圖6 給出了驅(qū)動電路的Pspice 仿真模型，該驅(qū)
動電路輸出電壓為60V，輸出功率為20W，輸出電
流接近于300mA。
圖6 驅(qū)動電路仿真模型
圖7 給出了開關(guān)驅(qū)動電壓Vp 及相應(yīng)的輸入電流
iin 波形。如圖所示，當(dāng)驅(qū)動電壓為高電平時，輸入
研究與開發(fā)
2017 年第12 期 61
電流從零開始增大，因此，當(dāng)開關(guān)管開通時，零電
流條件得到滿足。同樣，當(dāng)驅(qū)動電壓脈沖關(guān)斷時，
輸入電流達(dá)到零，因此，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，零電流
條件得到滿足。由于開關(guān)管開通和關(guān)斷時，流過其
中的電流都恰好達(dá)到零，因此開關(guān)管的開關(guān)損耗幾
乎為零。
圖7 輸入電流和開關(guān)驅(qū)動電壓
圖8 為二極管電流iD 和電壓VD 波形。如圖所
示，二極管導(dǎo)通和關(guān)斷都恰好發(fā)生在零電流的條
件下。
圖8 二極管電流和電壓
圖9 所示為諧振電容C1 的電壓VC1 波形。如果
第一段初始電壓為?V1，該電容將會被充電至2Vs+
V1。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電容C1 會被放電至2Vout?2Vs?
V1，C1 所儲存的能量傳輸?shù)捷敵龆恕?
圖9 電容C1 電壓
圖10 給出了輸出電流io 的波形，輸出電壓Vo
為60V，濾波電容的濾波作用，使輸出電壓波形幾
乎無紋波。同理，輸出電流也達(dá)到了300mA，而且
隨著驅(qū)動電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作階段，輸出電流也穩(wěn)定
在300mA。
圖10 輸出電壓和輸出電流
4 結(jié)論
LED 需要恒定電流來驅(qū)動，而且要求流過LED
的電流不受電壓波動影響，本文給出了這種單開關(guān)
軟起動諧振LED 驅(qū)動電路。通過實現(xiàn)零電流起動的
方式提高了驅(qū)動電路的工作效率。該驅(qū)動電路能夠
提供不受輸出電壓波動所影響的恒定平均輸出電
流。同時，該驅(qū)動電路所需的元器件較少，較為經(jīng)
濟(jì)，因此特別適合于LED 驅(qū)動應(yīng)用。本文最后給出
的仿真結(jié)果也驗證了該前面對該驅(qū)動電路的理論
分析。
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作者簡介
劉 沖（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為電網(wǎng)電能質(zhì)量。
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作者簡介
李 丹（1987-），男，四川省成都市人，碩士研究生，主要從事電
力電子技術(shù)與特種電源研究工作。

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