无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析
来源:好兔宠物网
第33卷第2期 2014年2月 电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy Vo1.33,No.2 Feb.2014 无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析 张 能,张 波,丘东元 (华南理工大学电力学院,广东广州510640) 摘要:LED具有的高效节能、长寿命、无污染等特性使其成为国家“绿色照明工程”的首选照明工 具。LED驱动电源要求具有可靠性高、寿命长等特性。寿命短且体积大的电解电容的应用不仅降 低了驱动电源的功率密度,而且严重限制了驱动电源的寿命,因此无电解电容LED驱动电路的研 究得到了越来越多的关注。本文比较详细地介绍了无电解电容技术的研究进展,包括这些技术的 具体实现方法和拓扑;讨论比较了这些技术的主要性能指标。 关键词:无电解电容;LED驱动电路;剖析 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1003—3076(2014)02-Oo44-08 1 引言 LED制造工艺以及制造材料发展迅猛,它在景 观照明、建筑装饰、电子产品背光等领域已经得到了 广泛应用。然而在普通照明以及路灯照明等领域, LED的应用还没有得到大规模的推广,其瓶颈主要 在于:一是LED发热量大,温升高,导致寿命缩短; 二是易损坏的电解电容在驱动电源中得到使用限制 了驱动电源的寿命,导致LED照明系统的寿命进一 步缩短。 本文分析了电解电容在LED驱动电源中的用 途,剖析了现有无电解电容LED驱动电源的研究技 术。本文第二部分比较了不同电容的寿命;第三部 分分析了电解电容在LED驱动电源中的作用;第四 部分介绍了避免使用电解电容的方法;结论在第五 部分给出。 2不同电容的预期寿命 表1比较了三种常见电容,即电解电容、聚酯电 容、陶瓷电容在环境温度为5O。C时的寿命、使用范 基于目前的LED绝大多数都是电流驱动型的 现状,本文在分析过程中只考虑电流型驱动LED。 对于此类型的LED,其光通量几乎与流过它的电流 围、相同电压等级条件下单位体积最大电容值等性 能。 表1 三种不同电容性能比较 Tab.1 Comparison among three types of capacitors 平均值成正比,然而电流越大其发热量也越大,温升 越高,会导致其寿命缩短,因此实际使用中,在保证 光通量足够大的同时,适当降低电流可以有效地提 高照明系统寿命。在进行系统设计的时候,综合分 析LED的光一电-热特性,可以在一定程度上解决上 述的第一个推广瓶颈。 针对第二个推广瓶颈,可以尝试在驱动电源中 应用新技术,避免使用电解电容。许多研究表明,通 过对电路拓扑进行改进或者使用新的控制方法,均 可实现LED驱动电源的无电解电容化,延长驱动电 参考表1可以发现,在相同条件下电解电容可 以达到的电容值最大,因此它们在电力电子系统中 得到了广泛应用。电解电容的预期使用寿命 为 : 源寿命,拓展LED的应用领域。 收稿日期:2013-04.08 基金项目:广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目(2010A081002004) 作者简介:张张能(1988一),男,湖北籍,硕士研究生,主要从事LED驱动电源研究; 波(1962一),男,福建籍,教授/博导,主要从事电力电子技术研究。 第2期 张 能,等:无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析 45 L。 =|已hM 21 .(1) 式中, 是额定电压和温度下的预期寿命;M 是电 压变化系数;T 是正常工作时的电容最高允许温 度;T。是电容工作时的实际温度。 根据式(1)可知,电解电容工作过程中,在最高 工作温度允许范围内,虽然当实际温度每降低10。c 时,其使用寿命将增加一倍。然而在LED照明领 域,实际温度一般会达到60。C以上,此时,电解电容 寿命只有10000h左右,与LED自身寿命差距悬殊。 因此,当电解电容在环境温度较高的场合应用时,它 将严重影响整个系统的寿命。 图1给出了不同电容随环境温度变化时的寿命 变化趋势。参考图1可知,从使用寿命及使用范围 方面考虑,聚酯电容是最佳选择。最常用的聚酯电 容为聚酯薄膜电容,它具有耗散因数低,适用范围合 适,允许通过大的交流电流等优点。 l oI} l0 10 《10 据 篓10 聪10 102 l0 l 0 20 40 60 80 100 环境温度/℃ 图1 不同电容寿命比较 Fig.1 Expected lifetime of three types of capacitors 3 电解电容在驱动电路中的作用分析 LED驱动电源大多数都是交流供电,因此需要 AC/DC、DC/DC两部分构成。根据美国能源之星 等标准的要求,驱动电源功率因数须高于0.9,因此 通常要加入功率因数校正(PFC)电路,常用的LED 驱动电源电路结构如图2所示。 设输入电压为: 口i (t)=V sin(tot) (2) 假设功率因数为1,则输入电流为: ii (£)=lmsin(tot) (3) 式中, 是输入电压的最大值;, 是输入电流的最 大值;to是输入电压的角频率。 由式(2)和式(3)可得瞬时输入功率为: ———■ 一 一 一 PFC +土,一 DC,DC LED 变换器 Il 变换器 负载 — 图2传统驱动电源电路结构 Fig.2 Schematic diagram of conventional LED driver Pi (t)= i (t)ii (t)=Vm, sin (tot) ,m【÷~ ] (4) 从式(4)中可以看出,瞬时输入功率由恒定功 率 , /2和变化功率 , COS(2tot)/2两部分组 成,平均值为: Pi : (5) 对于LED负载,导通后两端电压基本保持不 变,设为 。,用,。表示流过负载的电流,则输出功率 保持恒定,为: P。=Vo,。 (6) 比较式(4)和式(6)可知,LED驱动电源的瞬时 输入功率和输出功率并不相等,因此需要一个储能 元件来平衡输入输出功率,通常这个储能元件都是 电解电容。 图3给出了LED驱动电源电路中几个主要参 数的波形。从图中可以很清晰地看出在T/8~ 3I/8时间段内,输入功率一直大于输出功率,此时 电解电容吸收多余的能量,其两端电压上升。在 3T/8—5T/8时问段内,输入功率一直小于输出功 率,此时电解电容释放能量,其两端电压下降。 根据电容自身的储能特性,可以得到: AE=÷c( 一…一噍…) (7) 式中,AE表示电容吸收(或释放)的能量,即瞬时输 入功率与输出功率之间的差值;V 一 ( )表示 电容储能(或释放能量)过程中其两端的最大(最 小)值。 由式(7)可得: c= ㈩ 式中,△ = …一 表示电容两端电压纹 波;V。 =(V。一 + i )/2,表示电容两端电压 平均值。 根据前面的分析可知,只要对电路作适当改善, 减小电容值,即可在电路中用其他电容代替电解电 第2期 张 能,等:无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析 47 i_n1+3(t):Izsin60t+ Imsin(B60t) (13) 式中, 表示三次谐波相对于基波的标幺值。 随着输入电流的变化,输入功率也会发生相应 的变化: P.nl+3(t)=Vm, sin60t[sin60t+ sin(Btot)] (14) p。 nl+3 : —— 一 :2s。∞tsin ∞ Vsm 06t+ +』3 L(sl ’n 306t)]J J 0 (15) 此时,输入功率与输出功率差值为: t AE.+ =2P。I[1一 。+3]dt (16) 式中,t 表示pi:。+ 穿过1的时刻。将式(15)代人式 (16),可以得到: P AEl+3= [2sin60t 一2 sin260t +13 sin460t ] (17) r3T/8 结合AE=J [Pi (t)一P。]dt=P。/w,可以 得到: AE…=△E[sin60t 一 sin260t + 1 sin460t ] (18) 由式(18)可以发现,选择适当的 值,即可减 小输入功率与输出功率之间的差值,减小所需的电 容值。 在文献[4]的基础上,用类似的方法,文献[5] 又提出了向输入电流同时注入B次谐波和5次谐波 的方法,减小输出电流的峰均比。但是注入谐波的 幅值会影响系统的性能,文献[6]详细阐述了选择 合适的谐波幅值的方法。 实际上,除了可以向输入电流注入谐波以减小 输入功率与输出功率差值外,向输出电流注入谐 波 也能达到同样的目的。 向输出电流注入谐波后,可以使LED负载在输 入功率的最大值附近消耗更多能量,在输入功率最 小值附近消耗较少能量,以此减小输入功率与输出 功率之间的差值。 4.3用电感代替电解电容储能 对于电流驱动型LED,要求驱动电源输出恒定 电流,但通常用的PFC电路,属于恒压输出结构。 文献[8]利用对偶原理,用Buck电路作为PFC电 路,提出了用电感代替电解电容储能的电路拓扑,如 图5所示。该电路不仅结构简单,寿命长,还能通过 调节Buck电路的占空比方便地调节输出电流大小, 实现调光。但是由于采用电感作为储能元件,因此 电感的电感量很大,电感体积增大,驱动电源的体积 也相应增大,功率密度降低。基于上述特性,此拓扑 只适用于对可靠性要求较高且对体积要求较低的场 合。 _z-c _j I‘ 一 一 .. 一 / I I l图5文献[8]提出的拓扑 Fig.5 Topology proposed in ref.[8] 4.4增加辅助电路 文献[9]提出了如图6所示的电路拓扑。该拓 扑采用峰值电流控制,用数字控制实现自适应频率 变化。其最大特点是在输出端采用了Buck—Boost电 路结构。 I —— —— ●—— _—— 。—— _一 卜 r_ 图6文献[9]提出的拓扑 Fig.6 Topology proposed in ref.[9] 文献[10]提出了如图7所示的拓扑,该拓扑虽 然结构简单,但是需要严格的设计参数才能实现无 电解电容化。 Z r 一7 T j T l—_ —I1厂= ] l‘ I… f 图7文献[1O]提出的拓扑 Fig.7 Topology proposed in ref.[10] 结合LED的光.电.热原理…’ ,文献[13]提出 了如图8所示的电路拓扑,该拓扑完全由无源元件 构成,结构简单,对环境适应性强,可靠性高。但是 此电路拓扑由于需要电感具有较大的电感量,因此 48 电工电能新技术 第33卷 造成电源体积增大,功率密度降低。此电路中的填 谷电路与通常用于提高电路的功率因数的填谷电路 不同,它在电路中的作用是降低输出电压纹波,以此 减小输出滤波电感的体积。 —— 一 rrm 二 ’ / 、 I"--J I,/I I、 —— —— 二 图8文献[13]提出的拓扑 Fig.8 Topology proposed in ref.[1 3] 文献[13]作者在图8所示拓扑的基础上进行 改进,提出了一系列类似的电路拓扑,并将它们的性 能进行了比较¨ 。这类电路都具有体积大、功率密 度低的缺陷,只适合用在对体积要求低的场合。 文献[15]在文献[16]的基础上进行改进,提出 了如图9所示的电路。 图9文献[15]提出的拓扑 Fig.9 Topology proposed in ref.[1 5] 该电路在输出端采用twin-bus buck电路结构, 效率和功率因数都较高。 在图9所示拓扑的基础上,文献[15]作者进一 步提出了如图10所示的电路 。 图1O文献[17]提出的拓扑 Fig.10 Topology proposed in ref.[17] 该拓扑与图9拓扑相比,多了填谷电路结构。 加入填谷电路后,有效地阻断了低频谐波回路,并降 低了嵌入电容和输出二极管的电压应力。 通过将Boost电路和反激变换器结合在一起, 文献[18]提出如图11所示的电路拓扑。该电路设 计的理论基础为: 2P 式中,C为电容的容值,其中变化的参数为P。。可 以看出,当P 较小时,所需的电容值也相应变小。 因此,此电路拓扑只适用于很小功率的场合。 \/ \1 .. 一、,、n—一 J^y .Jl 1 1L_ ——【..—J 卜 L 图11文献[18]提出的拓扑 Fig.1 1 Topology proposed in ref.[18] 文献[19]提出了由功率因数校正、不对称半桥 和同步整流三级电路构成的电路拓扑。该拓扑不仅 具有电路输出电压低,输出电流大,不含低频纹波的 优势,而且在输入电压或者负载变化时,电路可以不 受干扰,保持正常工作。此外该拓扑还实现了软开 关,能量损耗小,效率可达90%以上。 文献[20]提出了一种适用于路灯照明的无电 解电容LED驱动电路拓扑结构。该拓扑采用三级 电路结构,其中第一级电路为常见的用Boost电路 构成的PFC电路,第二级为电子变压器,第三级为 TIBUCK电路。 除了上述方法之外,还可通过利用多个小电容 并联 ,避免使用大电解电容。 4.5添加功率解耦电路 除上述方法之外,利用功率解耦技术 也可以 实现无电解电容。根据前面的分析式(4),可得: Pi (t)=P。一P。COS(2tot) (20) 令 PD(t)=一P。COS(2tot) (21) 式中,P。(t)为功率解耦电路的功率。 则 P。 (t)=P。+P。(t) (22) 式(22)可以通过图12清晰地反映出来。功率 解耦电路添加方法有两种,如图13所示。文献 [22]提出了如图l4所示的电路拓扑。该拓扑在反 激变换器的输出端并联一个双buck-boost电路,实 现功率解耦。 文献[23]提出了如图l5所示的电路拓扑。 该拓扑在反激变换器的输入端加上功率解耦电 路。电路中开关管工作过程为:主关管Q 保持恒 第2期 张 能,等:无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析 49 L ,】 I ;;;y’ ,p.¨ 、一 ! , \/ \ 一 【-一 一;/ \ _J卜 卜 \ 『\l P。 \ / 一, \/ 、 图12功率关系图 图l4文献[22]提出的拓扑 Fig.1 2 Waveforms of different power Fig.14 Topology proposed in ref.[22] J _J ..—容 (a)并联功率结构电路后 图15文献[23]提出的拓扑 Fig.1 5 Topology proposed in ref.[23] 入功率小于输出功率时,开关管Q:工作,开关管Q, 一直导通。 (b)串联功率结构电路后 5 结论 图l3 添加功率解耦电路后的电路结构 Fig.1 3 Schematic diagram of driver with power 本文详细剖析了无电解电容LED驱动电源的 decoupling circuit 现有研究技术,并将上述新拓扑从电路结构复杂程 度、电路体积、功率因数、效率等方面进行了比较,如 定频率和恒定占空比工作。当输入功率大于输出功 表2所示;将上述通过减小AE和增大AV实现无电 率时,开关管Q 保持关闭,开关管Q,工作。当输 解电容的方法进行了比较,如表3所示。 表2不同新拓扑性能比较 Tab.2 Performance comparison of various topologies 50 电工电能新技术 第33卷 通过比较可以看出目前还没有一种完美的技术 2011,26(7):1820—1825. 实现LED驱动电源无电解电容化。向输入电流注 [7]Ni Jianjun,Zhang Fanghua,Yu Yijie,et a1.High power 入谐波的方法 虽然实现了无电解电容化,但是 降低了电路的功率因数。向输出电流注入谐波的方 法 虽然提高了电路的功率因数,但是其输出电流 为PWM波形,而用PWM波形电流驱动LED会降 低LED的发光效率 。不同新拓扑中,有的电路 虽然可靠性高,但是体积增大;有的电路虽然性能稳 定,但是只适用于小功率等级;有的电路效率高,但 是电路结构复杂。 在未来应用中,考虑到从控制电路角度出发,向 电路中注入电流谐波可能会对电网造成不可与之的 干扰,因此应该尽量寻求使用新电路拓扑实现LED 驱动电源的无电解电容化,功率解耦技术将在构造 无电解电容驱动电源过程中得到进一步应用。 参考文献(References): [1]Maddula S K,Balda J C.Lifetime of electrolytic capaci— tors in regenerative induction motor drives[A].PESC’ O5『C].2005.153.159. [2]Parler S G.Application guide:aluminum electrolytic ca. pacitors[ON].WWW.comell—dubilier.COB. [3]ENERGY STAR Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires[S].Washington,D.C.:U.S. Environmental Protection Agency and U.S.Department of Energy,2007. [4]Gu Linlin,Ruan Xinbo,xu Ming,et a1.Means of elimi— nating electrolytic capacitor in AC/DC power supplies for LED lightings[J].IEEE Transactions on Power Elec— tronics,2009,24(5):1399—1408. [5]Wang Beibei,Ruan Xinbo,Yao Kai.ct a1.A method of reducing the peak-・to・average ratio of LED current for e]ec・・ trolytic capacitor・less AC—DC drivers[j].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(3):592— 6O1. [6]Ruan Xinbo,Wang Beibei,Yao Kai,et a1.Optimum in— jected current harmonics to minimize peak—to—average ratio of LED current for electrolytic capacitor—less AC——DC drivers[J].IEEE Transactions on Power Electronics, factor,low voltage stress,LED driver without electrolytic capacitor[A].International Conference on Power Engi・ neering,Energy and Electrical Drives(POWERENG) [C].2011.1—6. [8]Qin Y x,Chung H S H,Lin D Y,et a1.Current source ballast for high power lighting emitting diodes without e— lectrolytic capacitor[A].IECON 2008[C].2008. 1968.1973. [9]Garcia J,Calleja A J,Corominas E L,et a1.Electronic driver without electrolytic capacitor for dimming high brightness LEDs[A].IECON 09[C].2009.3518・ 3523. [1O] Zhang Bo,Yang Xu,Xu Ming,et a1.Design of Boost— lfyback single—stage PFC conve ̄er for LED power supply without electrolytic capacitor for energy-storage[A]. IPEMC 09[C].2009.1668—1671. Hui S Y R,Qin Y x.A general photo-electro—thermal theory ofr LED systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(8):1967—1976. [12] Qin Y X,Hui S Y R.Comparative study on the structural designs of LED devices and systems based on the general photo—electro—thermal theory[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(2):507-513. [13] Hui S Y R,Li S N,Tao X H,et a1.A novel passive off- line light—emitting diode(LED)driver with long lifetime [A].APEC[C].2010.594 ̄00. [14] Chen W,Li S N,Hui S Y R.A comparative study on the circuit topologies for ofnine passive light—emitting diode (LED)drivers with long lifetime&high efficiency[A]. ECCE『C1.2010.724.730. [15] Ma Hongbo,Yu Wensong,Zheng Cong,et a1.A univer— sal-・input high power factor PFC pre--regulator without elec- trolytic capacitor for PWM dimming LED lighting applica- tion[A].ECCE[C].2011.2288—2295. [16]Schenk K,Cuk S.A single—switch single—stage active power factor corrector with high quality input and output [A].PESC’97[C].1997. [17] Ma Hongbo,Lai Jih Sheng,Feng Quanyuan,et a1.A no- vel valley・-ifll SEPIC・・derived power supply without electro・・ 第2期 张 能,等:无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析 51 lytic capacitors for LED lighting application[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(6):3057. 3071. 1ectrolytic capacitor—less AC~DC LED driver[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27 (11):4540-4548. [1 8]Li Yan Cun,Chen Chern Lin.Single—stage electrolytic. capacitors。free AC—to—DC LED driving circuit with high一 [23]Chen Wu,Hui S Y R.Elimination of an electrolytic aa. paeitor in AC/DC light—emitting diode(LED)driver with power・factor[A].APPEEC[C].2012.1-4. Arias M,Fernandez Diaz M,Lamar D G,et a1.High—ef- [19] iciency asymmetfrical half—bridge converter without elec— trolytic capacitor for low--output--voltage as--dc LED drivers high input power factor and constant output current[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(3): 1598一l607. [24]Simone Buso,Giorgio Spiazzi,Matteo Meneghini,et a1. Performance degradation of high-brightness light emitting [J].IEEE Transactions on Power Electronics.20 1 3.28 (5):2539-2550. Arias M,Lamar D G,Sebastian J,et a1.High—efficiency [2O] LED driver without electrolytic capacitor for street lighting diodes under DC and pulsed bias[J].IEEE Transactions on Device and Materials Reliability,2008,8(2):312— 322. [A].APEC[C].2012.1224.1231. Myunghyo Ryu,Jonghyun Kim,Juwon Back,et a1.New [21] multi—channel LEDs driving methods using current trans. [25] Krein P T,Balog R S.Cost-effective hundred・year life for single—phase inverters and rectifiers in solar and LED lighting applications based on minimum capacitance re- former in electrolytic capacitor—less AC—DC drivers[A]. APEC[C].2012.2361—2367. [22]Wang Shu,Ruan Xinbo,Yao Kai。et a1.A lficker—free e. quirements and a ripple power port[A].APEC[C]. 2009.620-625. Analysis of current research technology about LED driver circuit without electrolytic capacitor ZHANG Neng,ZHANG Bo,QIU Dong—yuan (School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 5 10640,China) Abstract:Abstact:Light-emitting diode(LED)has been the most promising lighting technology in the“Natipnal Green Lighting Project”for its distinct advantages such as high efifcacy,long lifespan and environmental friendli. ness.The LED driver requires some good characteristics such as high reliability,long lifetime in addition to high power density,high eficiency,high power factor and low cost.The electrolytic capaciftor with big size and short li— fespan used in the LED drives is not only reducing the driver’s power density,but also limiting the lifetime of the power supply.So,the drivers without electrolytic capacitor have attracted a lot of attention from both industry and academic areas.This paper introduces the progress of the study of the non-electrolytic capacitor technology in de- tail,including methods and topologies.Analyzing and comparing the key performance of these technologies are also presented. Key words:non-electrolytic capacitor;LED driver;analysis
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容