关于基于CUK电路无电解电容的AC-DC LED驱动电源的设计

0 引言

当今人类面临着严重的能源问题，而照明引起的能源损耗更是大的惊人。在此背景下，有着节能环保等诸多优点的LED在近些年发展迅速[1]。LED的使用需要性能优良的驱动电源作为支撑，常用的LED驱动电源需要大的电解电容来降低输出电流纹波，而电解电容是LED驱动电源中寿命最低的一个环节，其使用会大大降低整体的寿命，同时，也会引起功率因数的降低。

针对此问题，不同学者提出了不同的方法来消除电解电容，但主要是基于两个思想，其一，通过优化电路拓扑的控制策略以避免电解电容的使用；其二，通过改善电路的拓扑结构来消除电解电容。基于第一种思想，文献[2-3]提出了通过向输入端注入谐波电流以达到对电路参数进行优化，从而达到消除电解电容的目的；文献[4]提出了利用PWM调光技术来改善输出电流，可避免使用电解电容；文献[5]提出了通过使用恒流调节器控制负载的功率，达到调节输出电流稳定的目的。基于第二种思想，文献[6-7]不但实现了消除电解电容的目的，同时很大程度提升了拓扑整体效率。

本文提出一种非隔离式基于CUK电路的AC-DC LED驱动电源拓扑。具有以下优点：(1)具有很高的功率因数；(2)很长的使用寿命（未使用电解电容）；(3)输入输出能量平衡；(4)较小的输出电流纹波。

1 电路结构分析

所提出的LED驱动电源拓扑如图1所示。基于分析做出以下假设：

(1)输入电压Vg=Vmsin(ω1t)为一个理想的正弦波，Vm为输入电压幅值，ω1=2πf，f为输入电压频率；

(2)假设电路稳态运行时所有元件都工作在理想状态下；

(3)MOSFET的开关频率远大于输入电压频率，故在每个开关周期内可以视输入电压为恒定值；

(4)电感L工作在电流断续状态；

(5)电感L0，电容C0，电阻RL可视为恒流源。

单个开关周期内电路可分为四种工作状态，工作波形如图2所示。以下将对每个工作阶段做具体分析。

0-t1阶段：S1接通S2断开，电感L处于充电过程，工作电路如图3所示。

t1-t2阶段：S1和S2同时接通，电感L继续充电至峰值，电容C开始对负载放电，工作电路如图4所示。

t2-t3阶段，S1断开S2接通，二极管D接通，Vg与L同时给电容C充电，工作电路如图5所示。

t3-t4阶段，S1和S2同时断开，二极管D接通续流，工作电路如图6所示。

根据工作波形以及四种工作状态的分析可以得出输出电压为：

图7显示了输入功率，电容C储存能量以及输出功率等波形。输入电压以及输入电流均为正弦波形，输入功率频率为二倍输入电压频率。为了使输出功率恒定，电容C上储能波形频率应与输入功率相同，并且其幅值变化需要与输入功率相对应，这样可以使电容吸收大部分无功，使输出功率保持恒定状态，输出电流为稳定直流，负载LED便可正常工作。

2 电路拓扑仿真

使用LTspiceIV仿真软件对该电路进行仿真，仿真实验电路如图8所示。首先进行开环仿真，以10 Ω电阻为负载，选择不同的开关频率及占空比，单个周期内控制S1在0时刻导通，S2延后于S1导通，得到不同情况几组波形如图9所示。图中，1为输入电流，2为输出电流，3为电容C电压，4为输入电压。

其次进行闭环仿真，以LED为负载，对输出电流值进行采样，与设定值进行比较，根据输出电流变化控制开关管S2的开通（单个开关周期内延后于S1导通）。不同开关频率及占空比下几组仿真波形如图10所示。图中，1为输入电流，2为输出电流，3为电容C电压，4为输入电压。

通过几组仿真波形可以看出，储能电容C两端电压为二倍输入电压频率，可得出其储能值曲线变化趋势与输入功率相同。虽然输出电流仍然存在一定程度的纹波，但是整体与期望的结果大致相同，说明了理论分析的正确性。闭环情况相较于开环情况输出电流纹波更小（电流轴量程开环情况为闭环情况的10倍），并且更容易控制输出电流值，对于电容充放电的控制更加方便。

3 实验验证

基于仿真实验的结果，搭建实验平台对该电路拓扑进行实验验证。采用闭环控制，分别以7.5 W（输入电压70 V）和10.5 W（输入电压11 V）进行实验，实验中，控制电路采用电流传感器LA28-NP采样流经L2的电流，转换成电压信号之后通过比较器LM393与设定值进行对比，输出PWM波控制MOS管S2的开断，保证输出电流恒定。实验中使用的各个元件参数如下：MOSFET：47N60C3；二极管：HER504；电感L1：1 mH；电感L2：3 mH；电容C：1 μF；电容C3：0.33 μF；负载：1.5 W LED灯珠若干。

不同开关频率及占空比下实验波形如图11所示，其中，1为输入电流，2为输出电流，3为电容C电压，4为输入电压。

实验分别在70 V以及110 V下进行，以单个功率为1.5 W的LED模组作为负载，总功率分别为7.5 W和 10.5 W，输出电流稳定，LED正常发光。根据以上实验波形可以看出，电流存在一定纹波，但是纹波很小，在允许范围之内，不影响LED正常发光，不会造成频闪等问题。输出电流易于控制，对于电容充放电的控制非常方便，电容功率变化与输入功率相同，可吸收大部分无功，实现恒定功率输出，保证LED正常工作。同时，输入电压与输入电流基本保证同相位，功率因数非常高。

4 结论

本文介绍了一种非隔离AC-DC LED驱动电源，其主要特点是：功率因数高、寿命长并且输出电流纹波比较小。前文对电路的具体工作规律进行了分析，并且对电路进行了仿真实验以及实物实验，实验结果与理论分析相匹配，验证了该设计的正确性。未来工作将进一步优化电路结构，以完成更高电压等级闭环实验，达到更精确的要求。