2023年8月2日发(作者：)

第３４卷第３期　吉首大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｓｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．３４　ＮＯ．３　Ｍａｙ　２０１３　２０１３年５月　文章编号：１００７—２９８５（２０１３）０３　００３９—０６　基于多环控制的Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ　型ＬＥＤ驱动系统设计　李勇智，王　玲，黄何平　（湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南长沙４１００８２）　摘要：在ＯＣＣ（Ｏｎｅ　Ｃｙｃｌｅ　Ｃｏｎｔｒｏ１）控制Ｂｕｃｋ￣Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动的基础上提出一种多环控制策略，设计了Ｂｕｃｋ—　Ｂｏｏｓｔ型高效ＬＥＤ照明驱动系统．重点阐述多环控制策略原理，建立系统模型，并分析了控制系统相关性能．系统仿真表明，　新型多环控制系统具有功率因数高、输出阻抗低、动态性能好等性能，达到了预期目标．　关键词：ＬＥＤ照明；Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ；多环控制；小信号模型；功率因数　中图分类号：ＴＰ３１１；ＴＭ４６４　文献标志码：Ａ　ＬＥＤ照明具有节能、高效、寿命长、环保等特点，是从白炽灯、荧光灯到高压气体放电灯之后的又一场　照明光源革命［】］，也是“绿色照明”理念和半导体发光技术相结合的产物Ｌ２］．ＬＥＤ照明的发展对消费类电　子、汽车电子、信息产业及光电子产业产生很大的推动作用，ＬＥＤ照明的兴起已是２１世纪照明消费产品　的大势所趋　］，ＬＥＤ照明驱动控制系统的高效性、快速响应性、高功率因数、稳定性等对该系统工作性能　与设计提出了更高的要求．　常用的ＯＣＣ控制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动如图１所示，其响应速度快，跟随控制能力和抗输入　扰动能力较强，但由于滤波器性能的动态特性，整个驱动系统的输出电压波形会受到外界因素干扰，从而　降低了驱动变换器的动态性能［４］．　图１　ＯＣＣ控制Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动　ＬＥＤ驱动系统工作原理　为了提高Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型驱动系统的功率因数和动态性能，在ＯＣＣ控制策略的基础上，提出了一种新　＊收稿日期：２０１３—０４—１１　基金项目：湖南省教育厅科学研究重点资助项目（１２Ｃ１１６８）　作者简介：李勇智（１９８８一），男，湖南常德人，湖南师范大学硕士研究生，主要从事开关电源、ＬＥＤ驱动、芯片设计及通　信与信息技术处理等研究　通讯作者：王玲（１９６２一），女，湖南师范大学物理与信息科学学院教授，博导，主要从事现代网通信技术和噪声电子　学研究．　４０　吉首大学学报（自然科学版）　第３４卷　型多环控制方法，设计出多环控制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动系统，如图２所示．与ＯＣＣ控制Ｂｕｃｋ—　Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动相比，结构上主要增加了由电压微分器、增益Ｋ　及加法器组成的环路和ＯＣＣ控　制的Ｋ　，Ｋ　这２条环路，故称为多环控制．　图２　多环控制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动　在图２中，交流输入电压为　，经过二极管整流后得到电压“　．开关管Ｑ由ＲＳ触发器控制，在时钟脉　冲上升沿到来时，ＲＳ触发器的同相端给开关管１个高电平，开关管导通．输出电压“　经过采样得到１个电　压信号Ｋ　“。，该电压与参考电压信号　共同输送给误差放大器．“　经过电压补偿得到信号Ｕ　之后再输　送给比较器的反相端．电压信号　。经过采样得到的信号Ｋ。“。再输送给加法器的１个输入端，加珐器的另　一个输入端是输出电压经过微分器、增益Ｋ　后的电压信号Ｋ　“　，加法器的输出端接到带复位开关的积分　器上，积分器的输出端　与比较器的同相端相连，当积分电压信号‰　上升到补偿后的电压信号／．ｇ　后，　比较器输出高电平，ＲＳ触发器复位，同相端输出低电平，开关管断开，反相端输出高电平，使复位积分器复　位清零，直到下一个时钟脉冲到来，开关管再次导通．　２　ＬＥＤ驱动系统模型　２．１主电路小信号模型　采用状态空间平均法嘲为Ｂｕｃｋ～Ｂｏｏｓｔ型大功率ＬＥＤ照明驱动主电路建模，取电感电流、电容电压为　状态变量，输入输出电压分别为输入输出状态变量．Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动主电路空间状态平均方　程为　１一Ｄ　Ｏ　ｄ／ｌｉＬ＼　１一Ｄ　）一　Ｍ。Ｌ　１　．　ｆＤ　１　Ｃ　Ｒ　Ｌ　ＥＤＣ　Ｕ　ｒ】一（Ｏ　其中：ｉ　为电感电流；Ｕ　、为电容电压；Ｕ．　为输入电压；“。为输出电压；Ｄ为导通占空比．对各相关变量施加　小信号扰动，去除二阶小信号部分，采用拉普拉斯变换可得传递函数为：　一　ｉ　Ｌ（ｓ）　—　一ＲＬＥＤＣＤｓ＋Ｄ　Ｒ—ＬＣｓ　ｅ＋Ｌｓ＝４－（ＲＬＥＤ—－－２ＲＤ＋ＲＩ．ｅＤＤ　ｅ）’　ＬＥＤＬｅＤ（Ｒ　ＬＥＤＣｓ＋Ｄ＋１）Ｕ　Ｇ　一　ｉＬ（ｓ）　一　—ｄ（ｓ）　／￣ＬＥＤＬＣ（１－－Ｄ）—ｓ　２＋Ｌ（１－－Ｄ）ｓ＋Ｒ　Ｌ　）（ｒ　Ｄ　ＲＩ　ＥＤＤ　一ＲＩ　ＥＤＤ　Ｇ　。一　“ｉ　（　）　—Ｒ　ＬＥＤＬＣｓ￣＋Ｌｓ＋（Ｒ　ＬｅＤ－－２ＲＬＥＤ　＋ＲＬＥＤＤ　）’　Ｇ　。＝：：　［ＬＤｓ—Ｒ１．ＥＵ（１一Ｄ）　］Ｕ　Ｒ　ＬＥＤＬＣ（１一Ｄ）。５。＋Ｌ（１一Ｄ）。Ｓ＋Ｒ　ＪＥＤ（１一Ｄ）　‘　，第３期　李勇智，等：基于多环控制的Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ驱动系统设计　４１　根据上述传递函数可以画出Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型　ＬＥＤ照明驱动系统主电路小信号模型如图３所示．　钯（　）　２．２多环控制小信号模型　图２冲的微分器由电阻Ｒ　、电容Ｃ　构成，则有　Ｕｉｎ（Ｓ）　（　）　ｄ（　。一“　）　一　——　一’　“　一　Ｊ＿ｆ　（Ｋ　。＋Ｋ　“　）ｄ￡，　图３　Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ型驱动器主电路小信号模型　其中：　为电压微分器的输出电压；　。为输出电压；　ｉ　为积分电压；Ｔｉ　为积分时间；ｄ为导通占空比；Ｔｓ　为时钟脉冲周期；Ｕ。为反馈电压；Ｋ。，Ｋ　为２条环路的增益．令Ｔ　＝＝＝Ｔｓ，当开关管Ｑ导通时，反馈电压　。等于输入整流电压Ｕ。　，并且当积分器的输出电压信号Ｕ　等于电压补偿器的输出“印时，比较器发生翻　转，输出高电平，Ｒｓ触发器复位，开关管Ｑ断开，ＲＳ触发器的反相端使得带复位开关积分器复位清零，则　Ｕｉ　ｔ一（Ｋ　ｉ　＋Ｋ　Ｕ　）ｄ＝＝＝　．　（１）　对（１）式中的基本变量取小信号扰动，去２阶小信号部分，采用拉普拉斯变换可得　３（ｓ）＝－－缸㈤＋　㈥一　器　，，　其中　Ｄ一　一　，Ｆ￣ｐ－－　一　：　一　．　多环控制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动系统控制环节小信号模型如图４所示．　２．３系统模型　结合Ｂｕｃｋ～Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动系统主电路小信号模型和多环控制小信号模型，可以得到多环控　制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｆ型ＬＥＤ照明驱动系统模型如图５所示．　）ｄ（ｓ）　玉ｉ　）　‰（　）　筑　）　图４　多环控制小信号模型　图５　多环控制Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动系统模型　运用梅森公式嗍化简可得输入输出传递函数为　Ｇ胁：　一面Ｇｉｏ　ＦｉｎＧｄｏＬ，“ｆｏ　－●　＿　—　一　一０一，，　（２）ＬＺ　　ｉｎ（　）　一ｊ＇ｏ￣．ｒｄｏ　从（２）式可以看出，即使输入电压有一个较大的扰动，输出电压也不会受到影响，即多环控制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ　型ＬＥＤ照明驱动系统有较强的抗输入干扰能力．多环控制Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型ＬＥＤ照明驱动系统的控制输出传　递函数和系统环路增益函数分别为：　，、　。（５）　（１＋Ｒ６Ｃ６ｓ）［ＬＤｓ—Ｒ（１一Ｄ）。］　（　）　Ｋ　（１＋Ｒ６Ｃｂｓ）［－ＲＬＣ（１一Ｄ）　ｓ。＋Ｌ（１一Ｄ）。ｓ＋Ｒ（１一Ｄ）　］＋Ｋ，ＤＲ６Ｃ６ｓ［ＬＤｓ—Ｒ（１一Ｄ）　］’　Ｇ　一Ｋ　Ｇ　Ｇ　一　－　ｔ　五＝　≠　号　嬖　暑　Ｉ＿　ｉ　了石ｊｉ二　．　４４　吉首大学学报（自然科学版）　第３４卷　参考文献：　ＴＳＡＯ　Ｊ　Ｙ．Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ：Ｌａｍｐｓ，Ｃｈｉｐｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｏｒ　Ｔｏｍｏｒｒｏｗ［Ｊ３．ＩＥＥＥ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００９，　２０（３）：２８—３７．　２］　ＭＥＨＴＡ　Ｒ，ＤＥＳＨＰＡＮＤＥ　Ｄ，ＫＵＬＫＡＲＮＩ　Ｋ．ＬＥＤｓ—Ａ　Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ＥＪ］．　ＩＥＥＥ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００８（９）：１—５．　［３］　廖志凌，阮新波．半导体照明工程的现状与发展趋势［ｊ］．电工技术学报，２０１１，２１（９）：１０６—１１１．　［４］　ＨＷＵ　Ｋ，ＣＨＯＵ　Ｓ．Ａ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｂａｌａｎｃｉｎｇ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　ＬＥＤ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ［ｊ］．ＩＥＥＥ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　２０１２，１６（２）：１６—１９．　Ｅ５］　裴云庆，杨　旭，王兆安．开关稳压电源的设计和应用［Ｍ］．北京ｌ机械工业出版社，２０１１；８７—９Ｏ．　［６］　黄　坚．自动控制原理及其应用［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００８：３８—４６　ｆ７］　浦锡锋，王宏华．基于ＭＡＴＬＡＢ的单周期控制ＰＦＣ　Ｂｏｏｓｔ变换电路建模与仿真ＥＪ］．电气技术与自动化，２００７，６３（６）：　】４５一】４７．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｂｕｃｋ－－Ｂｏｏｓｔ　ＬＥＤ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉ－・Ｌｏｏｐ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＬＩ　Ｙｏｎｇ—ｚｈｉ，ＷＡＮＧ　Ｌｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｈｅ—ｐｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｕｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｕｌｔｉ—ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯＣＣ（Ｏｎｅ　Ｃｙｃｌｅ　Ｃｏｎｔｒｏ１）一ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｂｕｃｋ—　Ｂｏｏｓｔ　Ｊ　ＥＤ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｄｒｉｖｅｒ。ａｎｄ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ　ＬＥＤ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｄｒｉｖｅｒ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ　ｓｔｕｄｉｅｓ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｅｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｏｖｅｌ　ｍｕｌｔｉ—　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ，ｌｏｗ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｇｏａ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ；Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ；ｍｕｌｔｉ—ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｍａｌｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｅｌ；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　（责任编辑　陈炳权）