0 引言

    當今人類面臨著嚴重的能源問題，而照明引起的能源損耗更是大的驚人。在此背景下，有著節能環保等諸多優點的LED在近些年發展迅速^[1]。LED的使用需要性能優良的驅動電源作為支撐，常用的LED驅動電源需要大的電解電容來降低輸出電流紋波，而電解電容是LED驅動電源中壽命最低的一個環節，其使用會大大降低整體的壽命，同時，也會引起功率因數的降低。

    針對此問題，不同學者提出了不同的方法來消除電解電容，但主要是基于兩個思想，其一，通過優化電路拓撲的控制策略以避免電解電容的使用；其二，通過改善電路的拓撲結構來消除電解電容。基于第一種思想，文獻[2-3]提出了通過向輸入端注入諧波電流以達到對電路參數進行優化，從而達到消除電解電容的目的；文獻[4]提出了利用PWM調光技術來改善輸出電流，可避免使用電解電容；文獻[5]提出了通過使用恒流調節器控制負載的功率，達到調節輸出電流穩定的目的。基于第二種思想，文獻[6-7]不但實現了消除電解電容的目的，同時很大程度提升了拓撲整體效率。

    本文提出一種非隔離式基于CUK電路的AC-DC LED驅動電源拓撲。具有以下優點：(1)具有很高的功率因數；(2)很長的使用壽命（未使用電解電容）；(3)輸入輸出能量平衡；(4)較小的輸出電流紋波。

1 電路結構分析

    所提出的LED驅動電源拓撲如圖1所示。基于分析做出以下假設：

    (1)輸入電壓V_g=V_msin(ω₁t)為一個理想的正弦波，V_m為輸入電壓幅值，ω₁=2πf，f為輸入電壓頻率；

    (2)假設電路穩態運行時所有元件都工作在理想狀態下；

    (3)MOSFET的開關頻率遠大于輸入電壓頻率，故在每個開關周期內可以視輸入電壓為恒定值；

    (4)電感L工作在電流斷續狀態；

    (5)電感L₀，電容C₀，電阻R_L可視為恒流源。

    單個開關周期內電路可分為四種工作狀態，工作波形如圖2所示。以下將對每個工作階段做具體分析。

    0-t₁階段：S₁接通S₂斷開，電感L處于充電過程，工作電路如圖3所示。

    t₁-t₂階段：S₁和S₂同時接通，電感L繼續充電至峰值，電容C開始對負載放電，工作電路如圖4所示。

    t₂-t₃階段，S₁斷開S₂接通，二極管D接通，V_g與L同時給電容C充電，工作電路如圖5所示。

    t₃-t₄階段，S₁和S₂同時斷開，二極管D接通續流，工作電路如圖6所示。

    根據工作波形以及四種工作狀態的分析可以得出輸出電壓為：

    圖7顯示了輸入功率，電容C儲存能量以及輸出功率等波形。輸入電壓以及輸入電流均為正弦波形，輸入功率頻率為二倍輸入電壓頻率。為了使輸出功率恒定，電容C上儲能波形頻率應與輸入功率相同，并且其幅值變化需要與輸入功率相對應，這樣可以使電容吸收大部分無功，使輸出功率保持恒定狀態，輸出電流為穩定直流，負載LED便可正常工作。

2 電路拓撲仿真

    使用LTspiceIV仿真軟件對該電路進行仿真，仿真實驗電路如圖8所示。首先進行開環仿真，以10 Ω電阻為負載，選擇不同的開關頻率及占空比，單個周期內控制S₁在0時刻導通，S₂延后于S₁導通，得到不同情況幾組波形如圖9所示。圖中，1為輸入電流，2為輸出電流，3為電容C電壓，4為輸入電壓。

    其次進行閉環仿真，以LED為負載，對輸出電流值進行采樣，與設定值進行比較，根據輸出電流變化控制開關管S₂的開通（單個開關周期內延后于S₁導通）。不同開關頻率及占空比下幾組仿真波形如圖10所示。圖中，1為輸入電流，2為輸出電流，3為電容C電壓，4為輸入電壓。

    通過幾組仿真波形可以看出，儲能電容C兩端電壓為二倍輸入電壓頻率，可得出其儲能值曲線變化趨勢與輸入功率相同。雖然輸出電流仍然存在一定程度的紋波，但是整體與期望的結果大致相同，說明了理論分析的正確性。閉環情況相較于開環情況輸出電流紋波更小（電流軸量程開環情況為閉環情況的10倍），并且更容易控制輸出電流值，對于電容充放電的控制更加方便。

3 實驗驗證

    基于仿真實驗的結果，搭建實驗平臺對該電路拓撲進行實驗驗證。采用閉環控制，分別以7.5 W（輸入電壓70 V）和10.5 W（輸入電壓11 V）進行實驗，實驗中，控制電路采用電流傳感器LA28-NP采樣流經L₂的電流，轉換成電壓信號之后通過比較器LM393與設定值進行對比，輸出PWM波控制MOS管S2的開斷，保證輸出電流恒定。實驗中使用的各個元件參數如下：MOSFET：47N60C3；二極管：HER504；電感L₁：1 mH；電感L₂：3 mH；電容C：1 μF；電容C₃：0.33 μF；負載：1.5 W LED燈珠若干。

    不同開關頻率及占空比下實驗波形如圖11所示，其中，1為輸入電流，2為輸出電流，3為電容C電壓，4為輸入電壓。

    實驗分別在70 V以及110 V下進行，以單個功率為1.5 W的LED模組作為負載，總功率分別為7.5 W和 10.5 W，輸出電流穩定，LED正常發光。根據以上實驗波形可以看出，電流存在一定紋波，但是紋波很小，在允許范圍之內，不影響LED正常發光，不會造成頻閃等問題。輸出電流易于控制，對于電容充放電的控制非常方便，電容功率變化與輸入功率相同，可吸收大部分無功，實現恒定功率輸出，保證LED正常工作。同時，輸入電壓與輸入電流基本保證同相位，功率因數非常高。

4 結論

    本文介紹了一種非隔離AC-DC LED驅動電源，其主要特點是：功率因數高、壽命長并且輸出電流紋波比較小。前文對電路的具體工作規律進行了分析，并且對電路進行了仿真實驗以及實物實驗，實驗結果與理論分析相匹配，驗證了該設計的正確性。未來工作將進一步優化電路結構，以完成更高電壓等級閉環實驗，達到更精確的要求。

參考文獻

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作者信息：

戴文桐，牟憲民，范永升

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連116024）