0 引言

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

    LED恒流電源的負載調整率一般可以達到0.03%~0.05%/V，但這對于負載調整率要求較高的應用環(huán)境還是不夠的。負載調整率與穩(wěn)態(tài)誤差有著密切關系，通過減小穩(wěn)態(tài)誤差或者使穩(wěn)態(tài)誤差在負載變化時保持不變，可以實現(xiàn)較低的負載調整率^[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)實現(xiàn)，但是在反饋控制系統(tǒng)中，增大開環(huán)增益或者設置串聯(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，但卻增加了設計難度和成本，而且這只能改善原理性誤差，無法改善系統(tǒng)的實際性誤差^[8-10]。

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

1 Buck恒流變換器負載調整率的建模分析

1.1 Buck恒流變換器的負載調整率和穩(wěn)態(tài)誤差

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

    由式(1)和式(2)知道，當負載在ΔU_o的范圍內變化時，只要ΔI為零或者保持恒定，就可以消除負載調整率；實際只要使ΔI接近零或者基本保持不變就可以達到改善負載調整率的目的。

1.2 Buck恒流變換器負載調整率產生的原因

    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)路的設計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，而且會隨著負載的變化而變化。這些最終使得變換器產生一定的負載調整率。

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)…n_n(s)表示，這些擾動信號在輸出端的響應之和為Cn(s)。如圖1(b)所示，將n₁(s)、n₂(s)…n_n(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為C_n(s)，這樣只要取得C_n(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，改善負載調整率。

    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 負載電壓反饋的電感電流補償控制

2.1 峰值電流控制的Buck型負載調整率

    圖2為峰值電流控制Buck型LED驅動電源拓撲，由主功率電路和控制電路兩部分組成。主功率電路由輸入電壓源V_g、開關管T、電感L、輸出電解電容C和負載LEDs等組成。控制電路由采樣電阻R_s、PI補償器、零電流檢測器、比較器和RS觸發(fā)器等組成。

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

    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V_ref不變，控制信號V_c就不變，由等腰三角形的幾何原理容易得到輸出電流I_o是電感電流峰值I_Lpk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)結構圖如圖4所示，式(3)、式(4)是對應的傳遞函數(shù)，N(s)在輸出端的響應為C_n(s)，E_n(s)是系統(tǒng)在擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。

    對于Buck恒流變換器，輸出負載由額定負載減小時，輸出電流會稍有下降。其負載調整率可以通過圖5表示，該圖是在一個開關周期內的電感電流波形。設輸出額定電壓V_o是輸入電壓V_g的1/2，即占空比為1/2。當負載由額定值減小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I_Lpek的變化量為ΔI_L，則輸出電流I_o相應的偏移量為1/2ΔI_L。

2.2 負載電壓反饋的負載調整率

    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，本文提出了一種負載電壓反饋的電感電流補償控制方法，圖6是改進后的Buck恒流變換器拓撲，輸出電壓V_o經(jīng)電阻R_f1、R_f2分壓后的V_f作為峰值電流補償器的輸入信號，然后輸出V^′_c疊加到控制信號V_c上，補償電感電流的峰值，從而使輸出電流發(fā)生相應的改變，完成負載調整率的優(yōu)化。

    峰值電流補償信號V^′_c是輸出電壓的函數(shù)f(V_o)，對應的象函數(shù)為G_v(s)，如圖7所示，輸出負載電壓信號V_o(s)經(jīng)過G_v(s)輸出與擾動信號N(s)相反的-N(s)。

    峰值電流補償器給電感電流的峰值提供一個線性補償，當輸出負載減小，輸出電壓降低，此時輸出電流稍有上升，補償器則使電感電流的峰值關斷信號V_c相應下降，使輸出電流減小，補償了電感電流上升部分，使輸出電流更接近設定值，如圖8所示。

3 實驗結果

    為了驗證本文所提控制方法的正確性，制作了一臺200 W的實驗樣機，其參數(shù)為：輸入電壓V_g=400 V，輸出額定電壓V_o=200 V，設定輸出電流i_o=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是實測負載電流隨電壓變化數(shù)據(jù)，由此可以得到輸出電流隨負載電壓變化的擬合曲線I_o=f(V_o)。

    圖9和圖10分別是改進前后負載電流對比圖，改進后，在負載調整時輸出電流變化的幅度明顯減小，從而驗證了本文提出控制方法的正確性。

4 結論

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

    負載調整率屬于系統(tǒng)準確性的范疇，在本文提出的控制方法的基礎上通過合理的設計還可以繼續(xù)得到改善。本文控制策略可以應用到其他拓撲電路結構，特別適合應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1

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