基于Saber的LED路灯驱动器的仿真研究，路灯常见问题

随着全球能源危机漫延,节能环保成为关注新焦点[1]。上世纪80年代,半导体技术飞速发展,发光二极管(Light Emitting Diode,LED)逐步取代了传统照明设备,成为市场上新鲜血液[2]。随着产品不断升级,传统的白炽灯、荧光灯则显得更加逊色,LED优势突出,具有体积小、能耗小、寿命长、反应速度快等特点 [3-5]。LED照明事业飞速前进,意味着设计出稳定高效的LED电源成为首要任务。同时LED电源的使用寿命成为限制LED发展首要因素[6]。

2 大功率LED驱动器理论分析

2.1 工作原理

设计的80W LED驱动器,输入为220V、50Hz的工频电,前级过整流电路将交流电整流为脉动直流,作为升压式功率因数校正(power factor correction,PFC)的输入电源,通过PFC控制器实现功率因数校正。后级直流/直流采用半桥式隔离变换器,具有软开关功能,实现恒流输出。驱动器结构框图如图1所示。

2.2 PFC功率因数校正电路

驱动器功率因数过低,将使输入电压、电流相位不同步,会向电网中注入大量的电流谐波从而污染电网。这些谐波对电源本身亦会产生负面影响：如效率低、设备过热、影响系统可靠性等。前级控制电路使用L6562芯片进行功率因数校正。通过滤波后,输入电流与电压保持同相位,功率因数提高,谐波大量减少,减小了对电网污染。

本文取最小开关频率fmin=40KHZ,为保证在宽电压范围和满载下电路仍工作在临界导通模式下,按公式(1)选择电感,升压电感L≤0.376mH,故L=700mH。在电网频率为50Hz,使输出电压峰值小于15V,根据公式(2)解得C≥74μF,取100μF/450V的电容。

其中：η为驱动器的效率,Vp为输入电压峰值,Vout为输出电压,Pout为输出功率,fmin为最小开关频。

其中：f为电网频率,△vDC-pp为输出滤波电容上电压的峰值。

2.3 LLC谐振电路及同步整流

LLC谐振变换器作为直流/直流部分主要控制电路,相较其他转换器优势突出,可满足在全负载变换范围内实现零电压开关工作,效率高。在大功率LED驱动器应用中,输出整流二极管两端导通压降较大,导致整流二极管功率消耗突出。而应用同步整流技术能有效提高驱动器整体效率,降低整流二极管能损。该部分采用芯片NCP4305对同步整流进行控制,芯片通过对变压器两个次级绕组上的电压采样,分别给两个MOS管SR1和SR2提供驱动信号,因此该部分需两个NCP4305对MOS管进行控制,基于同步整流的LLC谐振变换电路如图2所示。

欲求谐振参数,先根据电压增益和工作频率要求,得到参数：励磁电感Lm和谐振电感Lr的比值k,品质因数Q。公式(3)为电压增益与工作频率关系函数,对Q值进行选取,在谐振频率范围内,使得谐振频率点的增益大于电路工作的最低增益,所以选择最高时的电压增益。

其中：fn为归一化频率,Ln为谐振电感Lr与励磁电感Lm的比值,Q为品质因数。

经计算Q取0.3,根据LLC变换器各参数的关系,进而得到谐振网络等效阻抗为389Ω,谐振电容Cr=15.15nF,谐振电感Lr=206μH,励磁电感LM=1.442mH。

3 仿真分析

3.1 驱动电路中PFC电路及LLC谐振电路仿真分析

仿真模型选择交流220V作为输入电压,经过全桥整流后的输入电压以及经过功率因数校正后的电流波形如图3所示,经过PFC电路校正后,使输入电压与输入电流保持同相位,PFC达到0.98以上,符合预期设计要求。

PFC端输出电压波形如图4所示。根据电压和电流波形反映出该驱动电路具有较快的动态响应,经过0.2秒后,前级输出电压稳定大约为400V,纹波较小,输出电流平稳并没有出现尖波,波形整体输出趋势平稳。

图5所示为LLC变换电路输出部分同步整流电压和电流。同步整流后输出电压电流波形平稳,响应速度快,输出电压12.8V、电流6.2A,满足设计要求。

图6为负载扰动图。为了验证驱动器的抗扰动效果,将负载等效电阻的变化代替LED负载出现变化。设定当t=10ms时,驱动电路工作在80%负载情况下;当t=30ms时,驱动电路工作在满载情况下;当t=50ms时,驱动电路工作额定负载情况下。这样设计的目的是为了验证驱动电路抗负载扰动的能力,并且观察驱动器在出现扰动时能否迅速恢复正常,能否恒流驱动LED。图7所示为当负载发生扰动时,该驱动器的输出情况。