文 献 综 述
- 研究背景和意义
随着传统能源日益紧张，环境污染日趋严重，节能和环保已成为各个国家在发展中重视的话题。照明用电是全球总用电量中占比较大的一部分，因此发展高效节能的照明光源成为重要的议题。LED作为第4代光源，具有高效，高亮度，体积小和无污染等优势，在工业生产以及日常生活有广泛的应用，正逐渐取代白炽灯、荧光灯等传统照明光源，成为新一代高效绿色照明光源。LED由于其特殊的伏安特性，使其对电流的变化较为敏感，而且容易受到温度等环境因素的影响，因此研发出高效稳定的LED驱动电源具有重要的意义。
本课题拟通过采用英飞凌ILD8150设计LED驱动电源，ILD8150是一款80 V DC-DC转换器IC，专为驱动高功率LED而设计。对于接近安全超低电压(SELV)限制的应用，它可提供高安全电压裕度。其作为降压式LED驱动器专为普通照明应用中的LED而设计，使用高边集成开关，平均电流高达1.5 A。其多种性能和保护功能为专业LED照明提供了理想的选择。本课题结合ILD8150的性能，满足LED的驱动要求，设计一款高效率可调光，具有过压保护、过温保护等保护功能的LED驱动电源。
- 国内外研究现状
- LED的拓扑结构
LED驱动电路的DC-DC拓扑可分为非隔离型和隔离型两种。非隔离型拓扑有降压型（buck）拓扑、升压型（boost）拓扑、升降压型（buck-boost）拓扑，Cuk拓扑和Sepic拓扑。隔离型拓扑有正激式（forward）拓扑、反激式（flyback）拓扑和半桥型拓扑。随着LED驱动电路的发展，研究人员已开发出改进的拓扑结构，在文献[1]中，针对反激式拓扑中的高频变压器，采用超微晶磁芯进行变压器的设计，大大缩减变压器体积，进而减小了整个LED驱动电源的体积，提高了整个电源的电能转换效率和输出电流恒流稳压精度。文献[2]提到，带有恒定升压电感的传统单级PFC反激式拓扑无法同时满足在低压时的线电流谐波规格和在高压时的实际最大的大容量电容器电压水平（即小于450 V），为了解决这一问题，研究人员提出了一种带可变升压电感的单级PFC反激式拓扑，即在高压时具有高升压电感以限制大容量电容器电压，以及低压时具有较低的升压电感，以确保DCM操作，从而以相对较高的效率实现高功率因数和低THD。
为了减少对电网的谐波电流污染，LED驱动电路必须具备功率因数校正（PFC）功能。PFC变换器可分为两级方案和单级方案，两级方案是：前级功率因数校正(PFC)变换器，后级直流／直流(DC／DC)变换器。前级PFC变换器进行功率因数校正和直流母线电压的预稳压；后级单DC／DC变换器对直流母线电压进行进一步变换，驱动LED。单级方案是：仅经过单个DC／DC变换器，同时在DC／DC变换器中引入PFC，既实现功率因数校正又对LED进行驱动。例如，在文献[3]中，提出了一种基于boost拓扑和LLC谐振转换器的新型单级LED驱动器，boost和LLC这两个电路通过开关共享技术集成到了一起，电路结构如图1所示。文献[4]指出，两级结构输入功率因数高，输出特性好，但主电路结构复杂，成本高，装置体积大，电能经两次变换后系统效率得不到保证。而单级方案主电路结构简单，装置体积小，保证了系统效率，可靠性高，成本低，但驱动功率较大时，PFC效果不如两级方案。因此，在以成本为主要考虑因素的低功率照明应用中，选用单级方案，而两级方案一般用在大功率应用中。根据文献[5]和文献[6]得到，在实际应用中，在考虑电路工作的可靠性、效率、体积和性价比等因素的情况下，对较大功率的应用场合而言，比较常用的是工作于连续导通模式的升压式PFC拓扑；而对于较低功率场合应用，常采用工作于临界导通模式的升压或反激式PFC拓扑。随着对PFC变换器的研究，研究人员已提出更多改进的PFC方案，在文献[7]中，针对两级PFC方案，在后级采用一种宽电压输入的DC/DC 恒流驱动电路，允许前级电路输出电压有一定范围波动，从而前级采用隔离式无光耦原边反馈方式，节省了光耦、运算放大器等原件，提高了电路的可靠性，降低了电源成本并使其体积减小。对比文献[7]、[8]和[9]可得，虽然单级反激PFC变换器能够达到功率因数校正和输出恒流的目的且结构简单，但输出端必须使用大容量电解电容进行滤波从而降低输出电流纹波，然而，电解电容器的寿命与LED灯珠的寿命相差很大，电解电容是限制LED驱动器的主要因素，为此，文献[9]提出了一种去除电解电容的方案，即以反激式拓扑为基础，通过添加辅助绕组的方式将单功率传输路径构造成三传输路径的电路拓扑（如图2所示），不仅能去除驱动电路中的电解电容，而且能实现高功率因数和恒流驱动。
图1 （文献[12]）基于boost拓扑和LLC谐振转换器的单级LED驱动电路
图2 （文献[18]）基于flyback的三端口变换器
- LED的控制方案
根据电路对信号的处理方式，控制电路可分为模拟电路和数字电路，数字电路有单片机控制和DSP芯片控制。例如，在文献[10]中，研究人员利用电容、电阻、晶体管等组成PWM控制、调光控制和采样反馈等电路，而文献[11]则介绍了一种基于DSP芯片TMS320F2812的LED照明驱动控制系统。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，开关式的DC-DC电路的控制方式有脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和脉冲混合调制（PSW）。其中脉冲宽度调制（PWM）应用最多。同时，PWM控制又可分为电压控制式和电流控制式。根据采样反馈的电流的不同，电流控制式PWM又可分为峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制。对于采样反馈电路，除了采集输出电压、输出电流外，还有环境光检测电路、LED结温检测电路，根据外部光照和工作温度等外部条件调节LED驱动电路。在文献[12]提出的无线LED照明驱动系统中，控制电路通过光电池进行光照采集，对输出电流进行反馈调节以使输出稳压、恒流。在文献[13]中，针对功率达kW级的晶圆级LED，传统的温度控制不再适用，提出间接测温方案，即将晶圆级LED平均结温变化量的测量转换为对冷却液的变化量的测量，得到LED正向压降变化量与冷却液温度变化量的关系，通过控制LED正向压降的变化量来控制LED的结温。随着LED驱动器的发展，研究人员逐渐提出优化的控制方案，文献[14]提到，在PWM电流调制模式下，当驱动脉冲的占空比大于0.5时，系统会产生次谐波振荡现象，为此，研究人员提出在功率管的反馈采样信号加一斜波补偿量，使得在占空比大于0.5时，系统产生的扰动量可以逐渐衰减直至为零。为改善输出电流的精度和负载调整率，文献[15]提出了一种基于负载电压反馈的电感电流峰值补偿策略，既保证了系统的稳定性和快速性，又降低了负载调整率。
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