《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Buck恒流變換器負(fù)載調(diào)整率的研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
李亦鳴1,魏金成1,郭筱瑛2,張煜楓1,賀金玉1,李 雍3,曹太強(qiáng)1
1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都610039;2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,四川 攀枝花617000; 3.國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司,河南 鄭州450000
摘要: 針對傳統(tǒng)LED電源存在負(fù)載調(diào)整率差的問題,采用了一種基于輸出電壓反饋的電感電流補(bǔ)償控制策略,用負(fù)載電壓信號補(bǔ)償負(fù)載調(diào)整引起的輸出電流偏差。對影響B(tài)uck恒流拓?fù)湄?fù)載調(diào)整率的因素進(jìn)行了理論分析,結(jié)合工程應(yīng)用數(shù)據(jù),優(yōu)化了負(fù)載調(diào)整率的控制策略。最后在一臺200 W恒流LED電源樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,負(fù)載調(diào)整率從0.03%/V降到了0.01%/V,驗(yàn)證了所提控制方法的正確性,達(dá)到了優(yōu)化負(fù)載調(diào)整率的效果。
中圖分類號: TM714
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.175180
中文引用格式: 李亦鳴,魏金成,郭筱瑛,等. Buck恒流變換器負(fù)載調(diào)整率的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(10):167-170.
英文引用格式: Li Yiming,Wei Jincheng,Guo Xiaoying,et al. Research on load regulation of Buck constant current converter[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(10):167-170.
Research on load regulation of Buck constant current converter
Li Yiming1,Wei Jincheng1,Guo Xiaoying2,Zhang Yufeng1,He Jinyu1,Li Yong3,Cao Taiqiang1
1.School of Electric Information,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2.School of Information and Electric Enaineerina,Panzhihua University,Panzhihua 617000,China; 3.Zhengzhou Power Supply Company,State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450000,China
Abstract: There is a problem of poor load regulation in traditional LED power supply. In this paper, a control strategy of inductor current compensation based on the output voltage feedback is used to compensate the output current deviation caused by the load adjustment with the load voltage signal. In this paper, the factors affecting the load regulation of Buck constant current topological are analyzed theoretically. Combined with analysis of engineering application data, the control strategy of load regulation is optimized. Finally, the control method is verified on a LED power supply of 200 watts. The load regulation rate was reduced from 0.03%/V to 0.01%/V, which verified the correctness of the control methodproposed and achieved the effect of optimizing the load regulation rate.
Key words : LED power supply;load regulation;inductance peak current

0 引言

    LED照明的廣泛應(yīng)用對LED驅(qū)動電源的性能提出了嚴(yán)格的要求,既要求有高功率因數(shù)和高轉(zhuǎn)換效率,也要求具有較高的輸出精度和良好的負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率是LED電源的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)[1-2],研究如何改善負(fù)載調(diào)整率具有重要的理論意義和工程價值。

    LED恒流電源的負(fù)載調(diào)整率一般可以達(dá)到0.03%~0.05%/V,但這對于負(fù)載調(diào)整率要求較高的應(yīng)用環(huán)境還是不夠的。負(fù)載調(diào)整率與穩(wěn)態(tài)誤差有著密切關(guān)系,通過減小穩(wěn)態(tài)誤差或者使穩(wěn)態(tài)誤差在負(fù)載變化時保持不變,可以實(shí)現(xiàn)較低的負(fù)載調(diào)整率[3-5]。減小電路穩(wěn)態(tài)誤差一般通過增大開環(huán)增益或者串聯(lián)積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn),但是在反饋控制系統(tǒng)中,增大開環(huán)增益或者設(shè)置串聯(lián)積分環(huán)節(jié)以消除或減小穩(wěn)態(tài)誤差的措施,必然導(dǎo)致降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性,甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[6-7];如果采用更為復(fù)雜的控制方法,雖然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但卻增加了設(shè)計(jì)難度和成本,而且這只能改善原理性誤差,無法改善系統(tǒng)的實(shí)際性誤差[8-10]。

    本文提出了一種基于負(fù)載電壓反饋的電感電流峰值補(bǔ)償策略,從輸出端采樣負(fù)載電壓信號經(jīng)補(bǔ)償裝置反饋到?jīng)Q定電感電流峰值的比較器正端,在負(fù)載變化引起輸出電流偏移的同時對負(fù)載電流進(jìn)行補(bǔ)償,這樣不影響電流內(nèi)環(huán)的功能,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性,同時又降低了負(fù)載調(diào)整率。

1 Buck恒流變換器負(fù)載調(diào)整率的建模分析

1.1 Buck恒流變換器的負(fù)載調(diào)整率和穩(wěn)態(tài)誤差

    負(fù)載調(diào)整率是指負(fù)載變化對電源輸出的影響,本文定義負(fù)載調(diào)整率為δ,對于恒流變換器有:

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    由式(1)和式(2)知道,當(dāng)負(fù)載在ΔUo的范圍內(nèi)變化時,只要ΔI為零或者保持恒定,就可以消除負(fù)載調(diào)整率;實(shí)際只要使ΔI接近零或者基本保持不變就可以達(dá)到改善負(fù)載調(diào)整率的目的。

1.2 Buck恒流變換器負(fù)載調(diào)整率產(chǎn)生的原因

    Buck恒流變換器是一個閉環(huán)控制系統(tǒng),電路的主功率器件——開關(guān)管、二極管都是非理想元件;輸出電流采樣電路的精確度也是有限的;控制芯片的精度具有一定的分散性;系統(tǒng)反饋控制環(huán)路的設(shè)計(jì)也要兼顧到電路的動態(tài)性能和穩(wěn)定性,這就使得電路必然存在穩(wěn)態(tài)誤差;另外系統(tǒng)的開環(huán)增益無法做到無窮大,而且會隨著負(fù)載的變化而變化。這些最終使得變換器產(chǎn)生一定的負(fù)載調(diào)整率。

1.3 Buck變換器在擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差建模

    系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都可能存在偏差或者受到擾動,如圖1(a)所示,將控制系統(tǒng)存在的擾動或者因器件精度等因素造成偏差的等效擾動用n1(s)、n2(s)…nn(s)表示,這些擾動信號在輸出端的響應(yīng)之和為Cn(s)。如圖1(b)所示,將n1(s)、n2(s)…nn(s)等效成一個擾動信號N(s)。由疊加原理,其輸出端的等效響應(yīng)為Cn(s),這樣只要取得Cn(s)的傳遞函數(shù),就可以根據(jù)擾動的輸出函數(shù)在系統(tǒng)的相應(yīng)位置施加一個相反的擾動信號-N(s),從而消除或者減小穩(wěn)態(tài)誤差,改善負(fù)載調(diào)整率。

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    其中R(s)是輸入傳遞函數(shù),C(s)是輸出傳遞函數(shù),G(s)是前向通道傳遞函數(shù),H(s)是反饋傳遞函數(shù)。

2 負(fù)載電壓反饋的電感電流補(bǔ)償控制

2.1 峰值電流控制的Buck型負(fù)載調(diào)整率

    圖2為峰值電流控制Buck型LED驅(qū)動電源拓?fù)洌芍鞴β孰娐泛涂刂齐娐穬刹糠纸M成。主功率電路由輸入電壓源Vg、開關(guān)管T、電感L、輸出電解電容C和負(fù)載LEDs等組成??刂齐娐酚刹蓸与娮鑂s、PI補(bǔ)償器、零電流檢測器、比較器和RS觸發(fā)器等組成。

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    電路工作在電感電流臨界連續(xù)導(dǎo)電模式(Boundary Conduction Mode,BCM),圖3是其控制波形。電路的工作過程如下:在每個開關(guān)周期開始時刻,零電流檢測器檢測到電感L的電流到零點(diǎn),輸出一個高電平使RS觸發(fā)器置位,Q端輸出高電平,開關(guān)管T導(dǎo)通,二極管D關(guān)斷,電感電流iL由零線性增大,電流采樣電阻Rs上的電壓Vs也線性增大,當(dāng)Vs上升至控制電壓Vc時,比較器翻轉(zhuǎn),觸發(fā)器復(fù)位,Q端輸出低電平,T關(guān)斷,D導(dǎo)通,Vs線性減小,直到電感電流再次到零點(diǎn),開始重復(fù)下一個開關(guān)周期。

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    如果圖2電路是個理想無靜差系統(tǒng),由于電路工作在BCM模式,只要給定參考信號Vref不變,控制信號Vc就不變,由等腰三角形的幾何原理容易得到輸出電流Io是電感電流峰值ILpk的1/2。

    將系統(tǒng)所受擾動以及因器件精度等非線性因素引起的誤差等效為N(s),則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,式(3)、式(4)是對應(yīng)的傳遞函數(shù),N(s)在輸出端的響應(yīng)為Cn(s),En(s)是系統(tǒng)在擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。

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    對于Buck恒流變換器,輸出負(fù)載由額定負(fù)載減小時,輸出電流會稍有下降。其負(fù)載調(diào)整率可以通過圖5表示,該圖是在一個開關(guān)周期內(nèi)的電感電流波形。設(shè)輸出額定電壓Vo是輸入電壓Vg的1/2,即占空比為1/2。當(dāng)負(fù)載由額定值減小1/2時,由于電路輸出電流恒定,輸出電壓也減小1/2,占空比降為1/4,此時電感電流峰值ILpek的變化量為ΔIL,則輸出電流Io相應(yīng)的偏移量為1/2ΔIL。

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2.2 負(fù)載電壓反饋的負(fù)載調(diào)整率

    針對2.1節(jié)中峰值電流控制的Buck恒流變換器存在的問題,本文提出了一種負(fù)載電壓反饋的電感電流補(bǔ)償控制方法,圖6是改進(jìn)后的Buck恒流變換器拓?fù)?,輸出電壓Vo經(jīng)電阻Rf1、Rf2分壓后的Vf作為峰值電流補(bǔ)償器的輸入信號,然后輸出Vc疊加到控制信號Vc上,補(bǔ)償電感電流的峰值,從而使輸出電流發(fā)生相應(yīng)的改變,完成負(fù)載調(diào)整率的優(yōu)化。

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    峰值電流補(bǔ)償信號Vc是輸出電壓的函數(shù)f(Vo),對應(yīng)的象函數(shù)為Gv(s),如圖7所示,輸出負(fù)載電壓信號Vo(s)經(jīng)過Gv(s)輸出與擾動信號N(s)相反的-N(s)。

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    峰值電流補(bǔ)償器給電感電流的峰值提供一個線性補(bǔ)償,當(dāng)輸出負(fù)載減小,輸出電壓降低,此時輸出電流稍有上升,補(bǔ)償器則使電感電流的峰值關(guān)斷信號Vc相應(yīng)下降,使輸出電流減小,補(bǔ)償了電感電流上升部分,使輸出電流更接近設(shè)定值,如圖8所示。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為了驗(yàn)證本文所提控制方法的正確性,制作了一臺200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其參數(shù)為:輸入電壓Vg=400 V,輸出額定電壓Vo=200 V,設(shè)定輸出電流io=1.000 A,主功率電感L=620 μH,輸出濾波電容C=220 μF,輸出濾波電感L=150 μH。

    表1是實(shí)測負(fù)載電流隨電壓變化數(shù)據(jù),由此可以得到輸出電流隨負(fù)載電壓變化的擬合曲線Io=f(Vo)。

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    圖9和圖10分別是改進(jìn)前后負(fù)載電流對比圖,改進(jìn)后,在負(fù)載調(diào)整時輸出電流變化的幅度明顯減小,從而驗(yàn)證了本文提出控制方法的正確性。

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4 結(jié)論

    本文研究了Buck恒流變換器的負(fù)載調(diào)整率,建立了研究負(fù)載調(diào)整率的模型,詳細(xì)分析了恒流變換器負(fù)載調(diào)整率產(chǎn)生的原因,提出了一種基于負(fù)載電壓反饋的電感電流峰值補(bǔ)償策略;最后通過理論建模分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,采用本文提出的控制策略,輸出電流的偏移量明顯減小,負(fù)載調(diào)整率從0.03%/V降到了0.01%/V。

    負(fù)載調(diào)整率屬于系統(tǒng)準(zhǔn)確性的范疇,在本文提出的控制方法的基礎(chǔ)上通過合理的設(shè)計(jì)還可以繼續(xù)得到改善。本文控制策略可以應(yīng)用到其他拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu),特別適合應(yīng)用在電流輸出精度要求高的場合。

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作者信息:

李亦鳴1,魏金成1,郭筱瑛2,張煜楓1,賀金玉1,李  雍3,曹太強(qiáng)1

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都610039;2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,四川 攀枝花617000;

3.國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司,河南 鄭州450000)

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