LED驱动器输出纹波电压的计算

1、导致LED频闪的LED驱动器输出电压纹波的计算西安电子科技大学王水平 王 镭西北工业大学胡民浩陕西唐华能源有限公司 高辉徐万俊乔晓涛【摘要】本文对中小功率LED驱动器电路进行了理论上的等效，遵循电感两端的电流不 能突变和电容两端的电压不能突变的原则，从电容充放电电流的观点出发推导出了中小功率 LED驱动器输出电压纹波的计算公式。通过计算公式从理论上找出了减小导致LED频闪的LED 驱动器输出电压纹波的有效方法，为解决LED频闪问题奠定了理论基础。关键词：LED频闪，LED驱动器，电压纹波，PWM控制器，DC-DC变换器Calculation of LED driveroutput voltag

2、e ripple in led strobeXi,an University of Electronic Science and TechnologyWang shuiping Wang leiXiDian UniversityAbstract In this paper, medium-power LED driver circuit equivalent in theoretically , followed the principle that current of across inductor and voltage across the capacitor can not be m

3、utated ,viewpoint which charge and discharge current from the capacitor deduced medium power LED driver output voltage ripple formula. Though calculation find out reduce LED Strobe in theoretically that LED driver output voltage ripple is an effective way to solve the problem of LED strobe laid a th

4、eoretical foundation.Keywords: LED strobe, LED drivers, LED light failure, voltage ripple, PWM controller1引言LED以自己独有的能耗低、寿命长、光效高等优点作为新一代光源将取代传统的白炽灯、 荧光灯、HID灯、金卤灯等光源是不可置疑的，但是解决LED频闪、光衰、眩光，以及降低 LED的成本等问题一直是LED上游产品和下游产品的研发者们努力攻克的难题LED上游产 品的研发者们通过提高光效、解决散热途径和散热材料的方法已将LED光衰降低到实用化产 品的程度，通过二次配光已将LED眩光问题彻底解

5、决。LED频闪问题则是LED下游产品的研 发者们应该解决的问题，也就是如何抑制和降低LED驱动器输出电压的纹波。2中小功率LED驱动器的等效电路【1】中小功率LED驱动器不管是隔离式还是非隔离式一般均采用降压式DC/DC变换器电路结 构，其等效电路结构如图1所示。电路中的PWM控制与驱动电路均采用对应于降压式DC/DC 变换器的控制与驱动IC来完成，电流/电压取样反馈控制信号处理电路将输出给LED负载的 电流和电压信号采样后经过处理输入给？咖控制与驱动IC，从而形成以电流为主，电压为 辅的双控制模式反馈环路，使LED负载始终工作在恒功率状态。图1中小功率LED驱动器的等效电路3输出电压纹波国的

6、计算从中小功率LED驱动器的等效电路图中就可以看出，输出滤波电容C两端的电压实际上 就等于LED驱动器输出电压u。那么该滤波电容C两端电压的变化量实际上就是我们所要 计算的LED驱动器的输出电压纹波值。从图2所示的电容两端电压u （即输出电压u） 的波形图中就可以看出，在功率开关V导通期间（t =）的时间内，输入电源要承担一边 向负载LED提供能量的任务，一边又要向滤波电容C提供充电的任务，经过on到t的时 间后滤波电容C充电充至与输入电压u.相等的值时，功率开关V截止，滤波电gC这段时间 、.1、 、，.、 内充电电压的变化量应为AU ；从t时刻功率开关V开始截止直到t时刻这段时间内功率开

7、关V 一直处于截止状态，这段时间内储能电感L和滤波电容C 一起共同承担为负载LED提供 能量的任务，电容两端电压不断下降，经过toN到%匕的时间后下降到u ,再经过m到OfI图2 LED驱动器的等效电路中个点时序波形的时间后，功率开关V开始导通，滤波电容C两端电压下降到最小值，设M到tOF的时间内滤波电容C两端电压的变化量为叫2，那么就有：、U =* +AU（1）AU的计算从图2所示的Ic、Il和Uc（Uo）的波形中可以看出，（1）设t = to时，功率开关V开始导通，滤波电容C开始充电，其两端的电压UC开始上升，此时滤波电容C两端的电压具有最小值。当滤波电容C的充电一直维持到经过t （t =

8、 t -1）的时间后，功率开关V开始截止。在这段时间的t /2到t期间内滤波电容C两端电压的变化值AU取决于滤波电容器C的充电电流Ic和充电时间（tN-toN，故AUoi为olAU =h.dto1C C、N/2（2）从图1中可以得到：七=七+ I。i = i -1，而i =【U -dt =U -U) dt，并且当t=t时电感C L oL L L L io1电流为最大值，t=t2时电感电流为最小值，因此就有1U - U) dt -1- U) t +1-1L i oo L i o LMIN o（3）ILAXUi- U ( r U - U TL o t-o)+ IL0 = 1 L o 4ON + I

9、L0（4）（5）(6)Ln” % (t 2-。+ IL 0由于流过储能电感L的平均电流就等于负载电阻Rl上流过的电流I。，因此就有LAX LMIN2把式（4）、式（5）和式（6）都代入式（3）中，就可以得到电容器的充电电流iC的计算公 式为： TOC o 1-5 h z iC=l u u） t - Ull 箱（7）然后把式（7）代入式（2）中便可以求得AU为olAU =工 ItoN 工（U - U）. t - Uo t dt =【 Uo tON tOFF（8）ol C t , L i o 2L off c8LrON / 2（2） AU 2的计算AUo2也就是滤波电容C从原有的电压U。继续下降向

10、负载LED放电，一直放到t2时刻， 滤波电容C上的电压下降到最小值，也就是在功率开关V截止的一半时间内滤波电容；上电 压的降低量AU为o2au 2 =【h：+d2（9）fON(10)(11)在功率开关V截止期间，即tOFF （t2 -ti）期间，负载Rl所需的能量由储能电感L通过续 流二极管VD供给，因此可以得到下列的方程：u =-叫由此可以得到o dtiL =-L j U - dt = -U t + ILMAX（12）将式（11）代入 = iL -Io中就可以得到功率开关V在截止期间内滤波电容C中的电流的表 达式为：L【LMAXI。（13）同理，把式、式和式（6）分别代入式（中，消去（Ilm

11、ax -Io E得到:1C 2L “OFFL *最后将式（13）代入式就可以算出七为:-1 j fOFF /2一 C 0U U2L off _ L *-dt =o OFFC8L（14）（3）输出电压纹波AU的计算将式（8）和式（14）代入式（1）中就可以计算出滤波电容C两端电压的纹波值AU。为:AU AU +AUoo1o2-1-U t t -1U t 2o ON OFF+ o OFFC|_8LJC8L1 U t t 1 U t 2 o ON OFF + o offC 8LC8LU t()（15）（16）o OFF Y + t 8C LON OFFUooFF，T Uo tOFF 8CL8CLf1

12、 fl - U 8C L U i /从式（15）和式（16）中就可以看出，要降低LED驱动器输出电压纹波值，除了与输出 电压U。和输入电压U,有关以外，增大储能电感L的电感量和滤波电容C的容量是必不可少 的，降低功率开关V的工作周期时间（即提高功率开关V的工作频率f）也能收到同样的效 果。此外，占空比D越大输出电压的纹波就会越小，（越大或者越小，输出电压的纹 波就会越小）也就是尽量避免使LED驱动器工作在输入和输出过压过量的工作状态。当然， 在降低LED驱动器输出电压纹波AU的过程中，要利弊兼顾，要综合考虑性能价格比。不 能一味的追求输出电压纹波AU越低越好，应考虑LED驱动器的使用环境、输入

13、条件和输 出要求；还应考虑降低输出电压纹波AU。以后，LED驱动器的造价、体积和重量都要相应的 增加和增大。因此应在综合考虑各种因素和条件的基础上选择最佳值。4实际上真正的输出电压纹波上面所计算出来的AUo只是降压型DC/DC变换器电路结构的LED驱动器输出电压纹波 中由于开关频率所引起的输出电压纹波值，但是实际上真正的输出电压纹波除了以上所计算 的这两部分以外，还应该包括电网工频电压纹波和高频功率转换所产生的寄生电压纹波，如 图3所示。图中T1是电网工频电压纹波的半周期时间（一般为电网工频电压的半周期时间）， T2是高频功率转换所产生的寄生电压纹波的周期时间（一般为变换器的开关周期时间）。(

14、e).图-6图3 LED驱动器输出端的工频电压纹波和开关转换纹波波形（1）工频电压纹波当所设计的LED驱动器直接接220V/50Hz的交流电网时，经全波整流、滤波后，形成 100Hz的脉动直流电压作为其输入供电电压U.。该输入直流脉动电压U.中的脉动成分经过 稳压调节后，虽然被大大地衰减了，但仍有少量残留部分在输出电压U：中，因此就在输出 3 电压中形成了电网工频电压纹波。要想减小这种残留在输出电压中的电网工频电压纹波，就 必须增大LED驱动器输入端一次滤波电容的容量和功率变换电路的负载动态响应速度。（2）开关转换寄生电压纹波对于任何一种晶体管和二极管，从导通到截止或者从截止到导通的转换过程都

15、需要一定 的转换时间。如图4所示，当功率开关V从截止转向导通时，虽然续流二极管VD上的电压 已经反向偏置，但是由于该二极管VD中少数载流子的存储效应，二极管中流动着的电流不 可能立即被关断，只有经过一段时间后才能真正地处于截止状态。这段时间被称为二极管的 反向截止时间。在这段时间内二极管呈现低阻抗，于是输入电压通过功率开关V、续流二极 管VD可以形成一个非常大的电流，这个电流通过回路中的分布电容就会引起一个较大的高 频阻尼振荡，它经过平滑滤波以后寄生在输出电压中的残留部分就形成了所谓的开关转换电 压纹波。此外，当功率开关V从导通转向截止的瞬间，储能电感L由于自感作用（电感中电 流不能突变）就会

16、发生极性颠倒，但续流二极管VD由于从截止转向导通需要一定的恢复时 间，此时储能电感L上的反向电动势便可升得很高，反映到输出端同样会形成开关转换电压 纹波。减小开关转换纹波电压通常可以采用以下三种方法：采用导通时间快、恢复时间短的肖特基二极管或快恢复二极管作为续流二极管。如图4所示，在续流二极管VD两端并联一个阻容吸收网络，电容C1的容量主要取 决于开关转换频率。一般情况下当开关转换频率在20kHz100kHz的范围内时，电容C的取 值范围应为0.00220.01呻，电阻R的阻值一般取110Q。这样一来，就可以将由于续流 二极管恢复时间所导致的开关转换电压纹波吸收到最小程度。像图4所示的那样，在

17、续流二极管VD的引线中串一电感量很小的电感L1，实际应 用中有时就在续流二极管VD的管脚引线上穿一小磁环或小磁珠即可。利用电感上电流不能 突变的特性来抑制和缓冲续流二极管VD反向恢复期间内的反向电流。图4减小LED驱动器输出端开关转换寄生电压纹波的电路5结论C通过分析，LED驱动器输出电压的纹波实际上包含三部分，第一部分为高频转换电压纹 波，第二部分为高频转换寄生电压纹波，第三部分为工频电压纹波。这三种电压纹波中仅工 频电压纹波使LED产生的频闪人眼睛能够分辨出来，而高频转换电压纹波和高频寄生电压纹 波也同样会使LED产生频闪，但是由于频闪的频率太高人眼睛是分辨不出来的。这两部分电 压纹波虽然产生的LED频闪人眼睛分辨不出来，但是却能严重影响LED的寿命、加剧LED 的光衰。因为LED的最佳工作状态是恒流工作状态，若高频转换电