用于汽车照明系统的LED驱动研究-硕士论文

重庆大学 硕士学位论文 用于汽车照明系统的LED驱动研究 姓名：王强 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：陆治国 2010-05 中文摘要 I 摘 要 现阶段发光二极管（Light-Emitting Diode）的应用日趋普遍。LED 灯具具有强于传 统光源的若干优势，随着 LED 功率不断提高，高亮度的 LED 灯具有着取代传统照明灯 具的趋势，应用潜力非常大。在车载照明领域 LED 灯具也有这广泛的应用，目前主要 用在车内的各种仪表盘背光灯、指示灯、阅读灯、装饰彩灯等和车外的高位刹车灯上。 虽然只是小功率应用，但相信随着 LED 制造技术的不断提高，未来不久，大功率的车 外侧灯、尾灯、日间行车灯甚至头灯都将采用 LED。大功率 LED 的驱动电源研究显得 迫切而具有挑战。目前的 LED 直流驱动电路中性能最强、效率最高的是电感式开关变 换电路。此前这些直流变换器被普遍应用在稳压电源中，而 LED 因其特殊的光电特性 需要高稳定的恒流电源来作驱动，因此需要对各种 DC-DC 变换器进行调整和优化。 本文针对汽车照明系统的用电环境， 分成三部分设计和分析了不同电压结构的驱动 电源。在降压型驱动电源中利用输出电流受电感电流直接控制的特性，选择了最简单快 速的固定导通时间控制策略进行控制，获得了良好稳态精度和动态性能。在升压型驱动 电源中采用三态开关技术消除了右半平面零点的不利影响， 配合固定导通时间单周期控 制、开关切换控制和电感电流调节器，获得了精确的输出平均电流和较快的动态响应以 及很高的稳定裕度。在升降压型驱动电源中提出改进的 Zeta 变换器拓扑，结合固定导 通时间控制策略和一定的元件参数匹配规律， 可以得到同降压型驱动电源一样的高动态 性能。另外，在改进的 Zeta 变换器基础上引入三态开关电路，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。 随后还提出了若干适用本文所提出的控制策略的 升降压电路拓扑，进行了稳态分析和简要介绍。以上各部分驱动电源都通过仿真和部分 实验验证了理论分析的正确性。 关键词关键词：发光二极管驱动，固定导通时间控制，固定导通时间单周期控制，三态开关切 换控制 英文摘要 III ABSTRACT Nowadays, the application of Light-Emitting Diode (LED) is widely. LED lamps have lots of advantages comparing with traditional lamps. Along with the increase of LEDs power, high light LED lamps have a great potential to replace traditional light source. In the area of automobile light source, LED lamps are also used widely as back light lamps, pilot lamps, reading lamps, color lamps etc. inside cars and high side stop lamps. Although it is a low power grade application, but in the near future, we believe that LED lamps will be used as sidelights, taillights, daytime running lamps so much as headlights with improved product technique of LED. The research of high power LED driver circuit comes avid and challengeable. The most powerful and efficient direct current LED driver circuit is the inductor switch converter recently. At a early time these DC-DC converters were used as voltage regulators normally, but now, LEDs special photoelectric characteristic requires a constant current source with high stability as its driver. So we need to modulate and optimize varied DC-DC converters firstly. This paper aims at the surroundings of automobile light system, divided into three parts, designs and analyses drivers with different voltage structures. In the Buck converter system, the simplest and fastest control method constant on-time (COT) control mode is chosen to obtain good steady precision and dynamic performance because that the output current is controlled by inductor current directly. In the Boost converter system, a Tristate switch technique is used to eliminate the right half plane (RHP) zeros disadvantage influence. Cooperating with constant on-time one-cycle control mode, switch exchange control mode and inductor current regulator, this system obtains accurate average output current and fast dynamic performance and a large stability margin. In the Boost-buck converter system, a advanced Zeta converter topology is provided to get high dynamic performance as Bucks with constant on-time control strategy and definite components matching rules. On the side, based on the advanced Zeta converter a Tristate switch circuit is added, which could make the system obtain better stability and reduce the dependence of components parameters. Farther more, this paper provides series of Boost-buck converter topologies, analyses steady performance and makes a simple introduce. These novel converters can also use the control strategy supplied in the paper. All of the departments are emulated by PSIM and some of them 重庆大学硕士学位论文 IV are proved by the experiment circuits. Keywords：LED driver, Constant on-time control, Constant on-time one-cycle control, Tristate switch exchange control 1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 从上个世纪以来，人类社会的飞速发展导致自然资源被大量开采，能源危机、温室 效应和生态环境日益恶化的种种压力也随之而来， 改变人类的能源获取方式以及提高能 源利用率已经成为当今社会的共识。 电能是能源传输和利用的普遍形式，从某种意义上讲，节电就等于节能。在世界电 力的使用结构中，照明用电约占总用电量的 19%1，在我国照明用电约占全国总用电量 的 12%2，而且我国每年的照明用电增速（保守估计）大约为 5%。从上面的数据我们 可以看出，虽然因各国经济发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明 耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。 照明节能问题也就成了各国政府及专业 人员必须面对的棘手问题。 发光二极管（Light Emitting Diode，简称 LED）的问世为解决照明的能源节约问题 找到了一个突破口。特别是大功率白色光 LED，因其与传统光源相比具有天然的优越 性，受到越来越多的青睐。超高亮度白光 LED 的出现开拓了一个全新的照明技术领域， 带来了经济增长的新契机3,4。 1.2 LED 的发展 1.2.1 LED 的发展史 1882 年，爱迪生发明了电灯（白炽灯） ，标志了人造光源的诞生。人造光源经历了 白炽灯（第一代） 、荧光灯（第二代） 、气体放电灯（第三代）和 20 世纪 60 年代开始出 现并在 90 年代获得突破的第四代照明光源发光二极管5。 白炽灯工作原理是灯泡中的钨丝通电后受热激发灯泡中的气体而发光，其体积小， 成本低，显色性好，色温低（偏暖） ，启动性能好，工作电压范围宽，便于调节。但其 发光效率较低，寿命也较短。 气体放电灯的发光原理是利用两电极间的气体受电子激发而发光。 荧光灯即属于低 压气体放电灯，是目前室内照明的主要光源。它的光效较高，寿命较长，显色性好，色 温范围宽。但亮度可调性不如白炽灯方便。 高压气体放电灯也叫高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物 灯等。 这些灯光效高、 显色性好、 发光集中， 广泛应用于大型场所照明和车用照明领域。 LED 的发展经历了三个阶段。20 世纪 60 年代末，在砷化镓（GaAs）基体上使用 重庆大学硕士学位论文 2 磷化物发明了第一个可见的红光 LED，发光效率仅为 0.11lm/W（流明每瓦）6。70 年 代中期，磷化镓（GaP）被使用，LED 可发出灰白绿黄光。80 年代早期到中期使用砷 化镓磷化铝（AlP）制造了第一代高亮度的 LED。1993 年日本在蓝光 LED 技术获得突 破7。1998 年白光 LED 研发成功，它以氮化镓（GaN）蓝光为核心，配合添加三价铈 离子(Ce3)的钇铝石榴石（YAG）黄色荧光粉制成8。利用这种技术可以制造出任何颜 色的可见光甚至纯紫外光等不可见光9。 1.2.2 LED 在汽车照明中的应用前景 汽车用灯包含汽车内部仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯、各种车内照 明灯等和外部刹车灯、车尾雾灯、侧灯、转向灯、泊车灯、倒车灯以及白天行车灯和头 灯等。一直以来，汽车的刹车灯、转向信号灯、倒车灯及车尾雾灯都采用 21W 至 27W、 亮度为 280 至 570 流明的钨丝灯泡。车尾灯、泊车灯、车侧显示灯以及转向信号闪灯则 采用4W至10W、 亮度为40至130流明的钨丝灯泡。 最大的汽车头灯则采用高亮度 （35W 可发出 3200 流明）的高压气体放电灯（HID） 。 除了头灯其余几乎都是小功率的白炽 灯，驱动电压为 12V；HID 则透过精密安定器，将 12V 电力瞬间提升为 23000V，激发 管内的氙气电子游离，形成超强的电弧发光10。 1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于 LED 反应速度快，可以及早提 醒司机刹车，减少汽车追尾事故。在发达国家，使用 LED 制造的中央后置高位刹车灯 已成为汽车的标准件。此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都逐渐使用 LED 替代传统光源。 有关方面推断，未来几年汽车 LED 灯的发展将是迅速的。在我国汽车 LED 灯近几 年将会达到每年 10 亿元的产值，5 年后每年产值将会是 30 亿元。据权威工业研究机构 NanoMarkets 和 CIR 的推算， 全球 LED 的市场总销售额 2010 年将达到 108 亿美元， 2013 年会高达 174 亿美元。按照 2005 年所占的份额 14%推算，2010 年和 2013 年全球汽车 用 LED 的产值将是 15 亿和 24 亿美元。2004 年全球乘用车产量 4000 万辆，2010 年预 计达到 6000 万辆，每辆汽车按使用 150 只(HBLED)计算，则需要 100 亿只 HBLED 灯。 生产 HBLED 的两个大公司海拉公司（Hella）和法雷奥公司（Valeo）估计，到时候每 只 HBLED 价格 0.1 英镑，总市值为 10 亿英镑。未来几年汽车用 LED 灯拥有一个不可 等闲视之的巨大市场11,12,13。 1.3 LED 的结构与特性 1.3.1 LED 的结构 发光二极管的基木结构是一块电致发光的半导体材料14， 由引线导电， 采用环氧树 1 绪论 3 脂密封，起到保护内部芯线的作用，并形成透镜，进行聚光。LED 结构如图 1.1 所示： 图 1.1 LED 结构示意图 Fig.1.1 Illustration of LEDs configuration LED 的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和 N 型 半导体接触部位形成 PN 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数 载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的 二极管叫发光二极管。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压） ，电流从 LED 阳极流向阴极，半导体晶体就会发出紫外到红外不同颜色的光。 1.3.2 LED 的光电特性 由于 LED 本质上是一种半导体二极管，其发光原理是基于能量激发使得电子跃迁 形成光子辐射发光，它的发光亮度由流过 PN 结的正向电流决定，而不是以端电压来衡 量的。 I-V 特性是 LED 的主要电气参数， 它反映了发光二极管端电压与正向导通电流之间 的关系。与普通二极管相似，发光二极管的 I-V 特性仍然表现出强烈的非线性和单向导 电特性，其数学关系式为16 ) 1( / = KTqV SF F eII （1.1） 式（1.1）中 S I 为饱和导通电流， F V为正向电压， F I为正向电流。 当正向电压低于某个阈值（开启电压）时，外加电场尚未克服少数载流子扩散形成 的势垒电场，内阻很大，正向电流几乎为零，LED工作在正向死区。不同LED的开启 重庆大学硕士学位论文 4 电压阈值各不相同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。当 正向电压高于开启电压后，正向电流与正向电压呈指数关系。正向电压的小幅增加都会 引起正向电流的巨大增幅。此时LED工作在正向工作区，正向电流与正向电压之间可 以近似看作呈线性关系。图1.2显示了LED的I-V特性曲线。 正向死区 反向死区 正向工作区 （近似线性区） 0 F I F V 图 1.2 LED 的 I-V 特性曲线 Fig.1.2 I-V characteristic curve of LED 图1.3是Lumileds公司生产的Luxeon Star型LED的实测特性曲线15。 0100200300400 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 正向电流 F I（mA） 相对光通量 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.00.51.01.52.02.5 3.03.54.0 正向电压（V） 正向电流（mA） F V 图 1.3 Luxeon Star 在常温下的光通量与 IF曲线以及 I-V 曲线 Fig.1.3 Luxeon Stars curves of Flux to IF and I-V in normal temperature 同普通二极管一样，LED也具有反向死区和反向击穿现象，其电气参数与二极管 基本相同。 LED的光通量与流过它的正向导通电流相关但不是线性关系，电流越大，光通量 1 绪论 5 会越大，但增幅会减弱，为获得一定的光通量，需固定导通电流的大小；LED发出光 线的波长（色调）与流过它的正向导通电流的大小相关，电流越大，波长越短；LED 发出光线的波长与环境温度有关， 温度越高， 波长越长；LED的PN结具有负温度系数， 温度越高，势垒电势越低，如果采用限流措施，在恒定的正向电压下，导通电流会越来 越大，造成更大的发热，而损坏元件。图1.4显示了LED的温度和光电特性。 CTamb=20 CTamb= 25 CTamb= 85 环境温度 相对强度 1 2 0 波长 peak 02004006008001000 467 475 471 波长（nm） 正向电流 F I（mA） 蓝光 图 1.4 LED 的温度特性和光电特性曲线 Fig.1.4 LEDs characteristic curves of temperature to color and IF to color 图1.5显示了LED的使用寿命与温度的关系17，从图中可以看到LED的使用寿命 受工作温度的影响，工作温度越高，使用寿命越短，需要特别注意LED的发热问题。 从图中还可以看出LED额定亮度随着工作时间增加而下降。 使用寿命 （小时） 相对光通量 图 1.5 LED 的使用寿命与温度的关系 Fig.1.5 The relationship of LED and temperature 1.3.3 LED 的特点 由于LED独特的物理结构和光电特性， 相对于传统光源具有众多不可比拟的优点， 尤其应用在汽车照明领域，主要表现在以下几个方面。 重庆大学硕士学位论文 6 寿命长，坚固抗震。LED是半导体元件，寿命在10万小时以上。与白炽灯不同， 没有玻璃、钨丝等易损可动部件，耐冲击不易破碎。 体积小，重量轻。LED属于固体光源，体积十分小巧，便于设计轻薄紧凑的灯 具，多个LED亦可灵活组合，灯具外形多变。 高效，节能。LED发光效率高达80%以上，能耗极低。 色彩鲜艳，光色纯净。颜色饱和度达到130%全彩色，光谱集中，纯度高。 环保。LED属于绿色光源，不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。其废弃物 可回收，污染小。 点亮速度快，响应时间短。汽车信号灯是LED光源应用的一个重要领域，由于 LED响应速度快（只有60纳秒） ，特别适合用于汽车灯具的光源。目前已广泛用作汽 车的高位刹车灯，有效减少汽车追尾事故的发生。 平面发光，指向性强。LED不同于点光源的全方位均匀散射发光，由于透镜的 聚光作用，指向性更强，照度更高。 显色性好。LED产生的白光色温更接近太阳光，有利于被照射物的真实颜色反 映，对人眼分辨物体有很大帮助。 表1.1显示了市场上的大功率白光LED与传统光源的对比。 表 1.1 市场上大功率白光 LED 与传统光源的性能比较18 Table 1.1 Power white light LEDs in market compare with traditional light source 光源类型 光效 （lm/W） 显色指数（Ra）寿命（h） 价格 （$/1000lm） 50W白炽灯 15 100 1000 0.5 40W荧光灯 70100 7090 20000 0.5 15W节能灯 5570 82 10000 510 400W高压钠灯 100130 7080 20000 12 现有水平2570 75 20000 100200 发展目标150 80 100000 26倍 1.1倍 5 倍 50100 倍 尽管LED拥有很多优势，但目前它的一些性能指标仍然不足，包括功率较低、光 1 绪论 7 效不足、发热大、造价偏高等，限制了它的应用。另外，LED受制造工艺和材料的差 异影响，不同厂家、不同型号、不同批次的LED个体的光电特性差异比较明显，甚至 同一批次出产的LED也存在差异。表现为在同一正向电压下导通电流不同，在同一正 向电流下驱动电压不同。图1.6显示了这种离散性。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2.83.03.23.43.63.8 正向电流（mA） 正向电压 F V（V） A类随机样本 B类随机样本 图 1.6 LED 电气特性的离散性19 Fig.1.6 The scatterance of LEDs electrical characteristics 1.4 汽车照明系统的用电环境 自1911年起，汽车采用铅蓄电池作为起动、照明、点火3项功能的电源。起初汽 车蓄电池担负的能量供应很小，所以仅使用低电压低电流低功率的6V系统。现代汽车 用电设备不断增加，用电量激增。为提高汽车再启动能力，还会使汽车在启动时刻依靠 蓄电池供电发动（相当于电动车） ，蓄电池的供电负担明显加重，目前使用的12V蓄电 池已经不堪重负，综合考虑用电安全与生产技术要求，新的汽车蓄电池电压等级被定在 36V带一个充电电压在42V的交流发电机形成36/42V系统。汽车蓄电池最初用6V， 用了50年，由6V转变为12V，前后也用了25 年，现在正处在从12V转向36V的阶 段20,21。 蓄电池为直流供电，但其输出电压并不能保证高精度的稳定，目前小轿车常用的 12V系统的典型工作电压范围在9V至16V之间，而大型车辆的24V系统的典型工作 电压范围在18V至32V之间。在一些特殊的使用环境中，汽车蓄电池的供电电压还会 有更大范围的波动，比如在汽车的冷启动和负载跌落运行时（如图1.7所示）22。在冷 启动时蓄电池输出电压可能会跌至6V。负载跌落主要发生在引擎工作时电池断开供应 时，可能会使得12V系统的输入电压陡升到35至42V，24V系统可能会攀升到50至 60V。因此，考虑各种因素下汽车蓄电池的供电范围应确定在12V系统为6V至42V， 重庆大学硕士学位论文 8 24V系统为12V至60V。可见对于车载照明灯具而言，面临的是一个宽电压范围的供 电电源。 Us/V t/s 12V 3-8V 5-9.5V 5ms15ms 50ms100ms1-10ms 图 1.7 蓄电池冷启动输出电压波形 Fig.1.7 Cold cranking output voltage waveform of battery 1.5 LED 的驱动现状研究 1.5.1 LED 驱动电源设计要点 LED需要专用的驱动电源才能正常工作。除了可靠性、效能、过流过压保护、热 保护、体积成本等常规设计要素，针对LED的以上特性在设计驱动电源时还需要注意 以下几点： LED驱动电源应为恒流源。恒定电压驱动无法准确控制其光通量、发光波长， 并且由于负温度系数的原因，恒定电压会导致导通电流不断升高而损坏LED。 LED的连接方式应采用串联连接。串联连接可以保证每个LED流过相同的正向 电流，从而得到很好的发光一致性，也可免疫温度变化造成的电流竞争，起到限流保护 作用。并联连接一定要增加均流措施。 LED的散热问题。由于温度不仅对LED的发光效果有影响，更重要的是对元件 的安全工作影响很大，尤其对于大功率LED而言，散热是目前制约其发展的一大难题。 1.5.2 LED 驱动电源研究现状16 现有的LED驱动电路主要有电阻限流电路、 线性稳流电路、 电容式DC-DC开关电 路和电感式DC-DC开关电路等。以下分别做简要介绍。 电阻限流电路 电阻限流电路是最简单的驱动电路，它由负载串联一个限流电阻构成。当输入电压 升高时，负载电流变大，在电阻上会产生较大的压降，使负载两端的电压降低。电阻限 流调节方式对电流的调节能力有限，调节精度很低，性能较差。同时，该电路是靠在电 阻上消耗部分功率来达到平衡输出的作用，效率很低。电阻限流电路适用于小功率、精 1 绪论 9 度要求不高的场合。 线性稳流电路 线性稳流电路（线性调节器）是利用工作在线性区的功率三极管或MOSFET作为 可调电阻来调整输出，实现恒流作用的。线性调节器由于有了反馈控制，可以得到精确 的输出， 但其调节原理依然是利用耗能元件的能耗平衡输入与输出的能量落差来实现输 出稳定的，其效率同样不高，比较适用于小功率场合。 电容式开关变换器 电容式开关变换电路（电荷泵）通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实 现电压变换，采用电容来储存和传递能量，无需电感。电荷泵的输出电压范围有限，只 能按级别阶跃跳变，其调整能力是通过后端串上线性调节器实现的，其自身损耗主要来 自电容器的等效串联电阻（ESR）和开关管的开关损耗和导通电阻Rdson的损耗，但算 上后端线性调节器的损耗来看，电荷泵的效率也不是很高，比较适用于小功率场合。 电感式开关变换器 电感式DC-DC开关变换电路是能量变换中效率最高的一种电路结构，一般可达 75%以上，有时甚至可以超过90%，特别适用于大功率LED的驱动。它依靠开关在两 种电路结构间的高速切换，将能量在各器件间存储和转移来得到所需的输出，其损耗仅 限于器件和线路损耗，没有专门的耗能元件平衡能量，有着很高的能量转换效率23。 表1.2总结了各驱动方式的优缺点。 表 1.2 各种驱动电路的比较 Table 1.2 Comparation of driving circuits 驱动电路 优点 缺点 电阻限流 成本较低，结构简单 电流会随正向电压的变动而变化， 效率 较低，电阻会耗散热能 线性调节器 结构简单 效率较低，驱动电路会耗散热能 电荷泵 无需电感，体积小，低EMI 辐射，低噪声 效率较低，电路较复杂 电感式开关变换器 效率较高 电路复杂，体积大，成本高，EMI辐射 和噪声高 1.6 课题的研究意义和内容 LED灯以其优异的性能成为举世瞩目的未来光源，在汽车照明中的运用是大势所 重庆大学硕士学位论文 10 趋，具有广阔的发展空间和市场潜质。研究高亮白光LED灯的驱动，有助于提升我们 国家在汽车照明领域的竞争力。高亮白光LED的驱动技术也可以借鉴到其它领域的 LED驱动研究中，有助于推进LED的广泛应用，在节能、环保方面体现出特有的价值， 具有广泛的现实意义。 由于LED独特的电气特性，LED的普遍使用必定伴随着开关电源的广泛应用。本 文拟针对直流开关变换器中降压、升压和升降压三种类型的变换器拓扑进行研究与改 进，采用新的控制方式使之成为适合LED运行的高性能驱动电源。论文的主要工作如 下： 采用状态空间平均法对降压、升压以及升降压型LED驱动电路进行分析，建立 各结构的稳态和小信号模型。 在对各种电流控制模式进行分析的基础上， 引入固定导通时间 （COT） 控制模式， 并针对Buck型变换器设计采用该控制模式的降压型LED驱动电源， 对其稳态和动态性 能进行分析，并进行仿真和实验验证。 针对Boost型变换器电路特殊的右半平面零点问题，引入三态Boost电路模型， 采用固定导通时间单周期控制模式，设计升压型LED驱动电源，对其进行稳态和动态 性能分析，并作仿真验证。 针对升降压型变换器提出改进的Zeta电路，和新型的Boost-Buck电路，配合固 定导通时间控制模式，设计升降压型和升压型LED驱动电源，对其进行稳态和动态性 能分析，并作仿真和实验验证。 4 升降压型 LED 驱动电源 11 2 降压型 LED 驱动电源 目前汽车蓄电池电压有12V和24V等级， 今后会有36V等级， 而大功率LED的正 向电压在3V至4.5V之间。 目前单颗1W的LED发光亮度可以达到100lm，3W的LED 可以达到180lm，多数照明用灯（不包括头灯、白天行车灯、高位刹车灯等）只需单颗 LED即可满足应用需求。 针对这种低输出电压等级的应用环境， 驱动主电路可采用Buck 变换器来实现。本章将对降压型LED驱动电源进行分析与设计。 2.1 降压型 Buck 变换电路的工作原理 非隔离型直流变换器按照电路结构和功能不同，可以分为降压型、升压型和升降压 型电路， 其中降压型Buck电路在开关电源中的应用十分广泛， 相应技术已经十分成熟。 图2.1显示了Buck电路用作LED驱动的主电路连接方式。 输入电压源 in v 经过开关 S后与二极管阴极相连，二极管阳极接地，后端接入LC低通滤波网络，随着开关的有 序导通与关断， 输出电压 o v 给负载供电。 之所以称作降压型变换器是因为在这个结构之 下，始终有 ino vv +=+ 21 （3.29） 电感电流稳态值 L I在6V输入电压时为)(25. 26/1875. 0A=， 在12V输入电压时为 )(125. 112/1875. 0A=， 设电感电流切换参考值AII LLref 2+=， 则 Lref I在3.125A4.25A 之间。开关频率设定在100KHz，可知周期sTs10=。 电感电流纹波 1L i、 2L i分别为 L v ti in onL = 1 ， L vv ti ino offL = 2 （3.30） 重庆大学硕士学位论文 48 带入式（3.15）可得 L v fv vv i in so ino L = 1 ， L vv fv vv Ti ino so ino sL =)( 2 （3.31） 由式（3.31）推出，当输入电压为12V时，纹波比 LL Ii/ 1 最大，此时LTi sL /4 max1 =； 当输入电压为6V时，纹波比 LL Ii/ 2 最大，此时LTi sL /4 max2 =。而 L I最小为1.125A， 由此可得电感最小值为HL8 .177%)20125. 1/(104 min =。 导通时间控制器参数设定 由式（3.15）和式（3.17）可知 sCR RR R T onons 10 21 2 = + = （3.32） 设=KRRRon1 21 ，nFCon20=可满足条件。 功率损耗 设仿真时所有元件均为理想元件，对驱动系统而言忽略其它元件上的功率损耗，仅 考虑采样电阻上的功率损耗，则有Wpsens5625. 0175. 0 2 =，总输出功率为 Wpo5 .131875. 0=，则效率%8 .955 .13/ )5625. 05 .13(=。 输出电容的参数确定 输出电容纹波峰峰值 C v为 = on t ref on refC I C t dti C v 0 1 （3.33） 输出电流参考值为0.75A，由式（3.15）可知导通时间最大值发生在最小输入电压时， ston67. 618/10)618( max =，输出电流最大纹波峰峰值 maxo i为0.15A，所以电容 的最小值为FC12.1145. 0/75. 067. 6 min =。 3.4.2 仿真与分析 本节采用电力电子专用仿真软件PSIM（6.0版） 对升压型LED驱动电路进行仿真。 电路中各元件及导线均为理想元件。 根据3.4.1节分析，L取H200，C取50 F， sens R 取1， 1 R、 2 R、 on R取K1， on C取nF20，LED导通电压取15V， LED R取3。设开 关切换参考值 Lref I和电流调节器参考值 Lref I 分别为 2+= ref in o Lref I v v I，1+= ref in o Lref I v v I 为使电路正常工作，增加了最小关断时间控制电路，设定开关最小关断时间为 s5 . 0。仿真电路图如图3.12所示，仿真时钟精度为100纳秒。 4 升降压型 LED 驱动电源 49 图3.12 仿真电路图 Fig.3.12 Simulate circuit 图3.13显示了电路在输入电压为6V时，电感电流和输出电流的稳态波形。可以看 到，输出电流的平均值 o i为0.75A，证明该电路可以得到满足需要的稳态输出电流。电 感电流波形如前述分析所示，两个开关轮流导通。在6V输入时开关切换律 Lref I取 A25. 426/1875. 0=+。 图3.13 6V输入时稳态波形 Fig.3.13 Static state waveform with 6V input voltage 图3.14显示了12V输入时的响应波形。通过输入电压前馈设定的 Lref I在输入电压 为12V时下降到A125. 3212/1875. 0=+， 而输出电流继续保持在平均值0.75A附近的。 重庆大学硕士学位论文 50 图3.14 12V输入时稳态波形 Fig.3.14 Static state waveform with 12V input voltage 图3.15显示了输入电压做大信号扰动（6V到12V）和小信号扰动（9V到9.5V） 对输出电流的影响，可以看到输出电流抗输入电压小信号扰动的能力是非常强的，输出 电流平均值始终跟随参考值保持不变， 加上导通时间控制器对频率的稳定作用连输出电 流纹波的变化幅度也非常小。而在输入电压作大信号变动时，输出电流有较大波动，因 为此时电感电流稳态值增大， 电流调节器使系统短暂的放弃对输出的控制而优先调整电 感电流到位，然后再恢复对输出的控制。电感电流上升时间受电感大小决定，输出电流 的调整时间则受输出滤波环节的时间常数决定。 图3.15 输入跳变时的波形 Fig.3.15 Waveform with step up and down of input voltage 4 升降压型 LED 驱动电源 51 图3.16显示了输入电压为9V时，输出参考值 ref I发生阶跃变化（0.750.5A）时 的响应波形。可以看到输出电流跟随参考值变化的波形是一个典型的一阶环节，与理论 分析吻合，其响应速度受输出电容与负载电阻限制，在满足纹波要求的前提下，减小电 容可以得到更快的输出响应。 图3.16 参考值跃变时的波形 Fig.3.16 Waveform with step up and down of reference current 图3.17显示了输出电压突变时的响应波形。可以看到由于输出电容的存在输出电 流在突变后按指数曲线逐渐回复到参考值附近，仍然显示出一阶惯性环节的变化特性。 响应速度受电容大小与负载电阻大小影响。 图3.17 负载变化时的波形 Fig.3.17 Waveform with step up and down of load voltage 图3.18显示了不同输入电压下的开关频率值，可以看到，经过导通时间控制器的 重庆大学硕士学位论文 52 调整后，开关频率基本保持恒定。由于导通时间信号的产生电路存在一定误差，所以当 前仿真电路的开关频率维持在79KHz左右。 60 70 80 90 6789101112 图3.18 频率与输入电压的关系 Fig.3.18 Relationship between frequency and input voltage 3.5 本章小结 本章介绍了基于Boost变换器的升压型LED驱动电源的设计原理和性能分析。首 先分析了Boost变换器的工作原理与动态性能，讨论了Boost变换器右半平面零点对设 计闭环带来的困扰，随后提出用Tristate Boost电路来解决RHP零点问题。在分析了 Tristate Boost电路的原理特性后提出了COT单周期控制、开关切换控制和电感电流调 节器内环控制组成的控制策略，该控制策略无需为电路设计环路补偿网络，通过这样的 控制方式可以使整个系统变为一阶电路，使系统稳定工作并具有较好的动态性能。由于 Boost变换器的输出电容不能去掉，其负载变化和参考值变化时的动态性能显示了强的 一阶特性，调整速度需视输出电容和负载电阻的时间常数而定，并不是最优效果，但其 依旧具有很好的抗输入电压扰动能力。本章最后对驱动电路进行了仿真验证，结果证明 了理论分析的正确性。基于Boost变换器设计的升压型LED驱动电路受拓扑结构的约 束，只适用于需要多颗LED串联运行的高输出电压等级的应用场合。 4 升降压型 LED 驱动电源 53 4 升降压型 LED 驱动电源 在车载照明系统的应用中，供电电源为汽车蓄电池，其供电电压由于汽车所处环境 及运行状态的不同而有较大范围的变化。 论文第二章与第三章分别设计了只能用于低输 出电压和高输出电压等级的LED驱动电源，它们都因电路拓扑的约束而局限了应用范 围。本章将结合前两章电路的特点，设计适用于全电压范围的LED驱动电源，使其能 更灵活的应用在汽车照明LED灯的驱动中。为设计通用的驱动电路，考虑在升降压型 变换器拓扑的基础上进行恒流源改造。 4.1 升降压型变换电路的工作原理 升降压型变换器的种类有很多，电路结构如图4.1所示。其基本思路是将Buck变 换器与Boost变换器作一定方式的组合以获得降压和升压双重功能。 由于升降压型变换 器拥有Buck和Boost两种基本电路，因此具有两种电路的优缺点，考虑到LED恒流源 驱动的特性，需要选择一种适合的电路拓扑进行设计。Buck-boost虽然元件很少，但其 升压和降压结构结合非常紧密， 电路设计将会直接面对Boost一族特有的右半平面零点 问题，而无从利用Buck变换器电感电流即为输出电流的优点，对输出电流直接进行控 制。Cuk变换器可以做到输入输出电流均连续，但其输出电压为负，不利于车载系统的 电路整合。SEPIC变换器输出端必须接输出电容，否则输出电流是断续的。Zeta变换器 输入电流不连续，但输出电容可以省略，且为正电压输出，比较适合作为驱动电源的主 电路。下面将着重分析Zeta变换器的工作原理和特性45。 in v in v （a）Buck-boost 变换器 （b）倒向 Buck-boost 变换器 （a）Buck-boost converter （b）Noninverting Buck-boost converter 重庆大学硕士学位论文 54 in v in v in v （c）Cuk 变换器 （d）SEPIC 变换器 （e）Zeta 变换器 （c）Cuk converter （d）SEPIC converter （e）Zeta converter 图 4.1 升降压变换器 Fig.4.1 Buck-boost converter 4.1.1 Zeta 变换器的工作原理 考虑到恒流源应用场合，去掉Zeta变换器的输出电容，重新画出Zeta变换器的电 路结构如图4.2所示。 in v o v 1 L 2 L C C v o i 1L i o R S S 图 4.2 Zeta 变换器 Fig.4.2 Zeta converter 由于输出电流要求稳定连续，所以针对电感 1 L的电流 1L i是否连续可以将变换器分 为两种不同的工作模式，即电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM） 。以下分析 Zeta变换器工作在CCM的情形。在CCM下，电路在一个开关周期内经历了两个开关 状态，分别为开关S导通（ 10 TT ）和开关S关断（ 21 TT ） ，其中开关 S 与S互补工作， 如图4.3所示，此时电路中的各变量波形如图4.4所示。 4 升降压型 LED 驱动电源 55 in v S 1 L C LED o i 1L i o v 2 L C v S S i in v S 1 L C LED C v o i 1L i o v 2 L S S i （a）T0-T1 时电路结构 （b）T1-T2 时电路结构 （a）Circuit structure in T0-T1 （b）Circuit structure in T1-T2 图 4.3 Zeta 变换器的两个开关状态 Fig.4.3 Two switching states of Zeta converter 10 TT ：开关S导通，输入电压 in v连接到电感 1 L两端，电源向电感 1 L充电，开关 S 断开， 输入电压叠加电容电压 C v向输出电感 2 L和负载供电。 电感电流 1L i和输出电流 o i逐 渐增大，到 1 T时刻上升到最高，两电感端电压极性已标于图4.3（a）中。电容C由于向 负载供电使 C v逐渐减小，到 1 T时刻下降到最低。 21 TT ：开关S断开，开关 S 导通，电感 1 L由于电流供应切断产生反向电动势， 1 L 向电容C充电， 1L i逐渐减小而 C v逐渐增大，电感 1 L端电压极性如图4.3（b）所示。由 于开关 S 导通使电感 2 L失去电源供应而产生反向电动势向负载供电，oi逐渐减小， 到 2 T 时刻降到最低。 开关 S 导通时 S 的电流 S i 为1L i与 o i的和，断开时为零。 S 1L i S i C v t 1 T 2 T 0 T 0 0 0 0 o i 0 图 4.4 Zeta 变换器的关键波形 Fig.4.4 Key waveforms of Z