一种用于LED应用的新型无电容降压DC-DC变换器

抽象

在本文中，一个新的无电容器DC-DC转换器，提出了被用作发光二极管（LED）驱动器。的设计是基于LED的内部电容以取代平滑电容器的利用率。LED照明系统通常具有更好的照明，可以达到几十多个LED的多个LED。这样的配置可被用于放大的总内部电容，并因此最小化输出纹波。此外，开关频率被选择为使得最小纹波出现在输出端。该设计的功能实验证实，司机的工作效率，满负荷的85％。

1.简介

发光二极管(led)开始在许多照明应用中得到广泛应用。led正在取代荧光灯，因为led比荧光灯有优势。这些优点主要是功耗低，寿命长。然而，商用LED驱动器将LED照明系统的寿命限制在LED自身寿命的五分之一左右。驱动器寿命短的主要原因是输出端存在平滑电容。这是由于漏电在这个电容器，因此这导致退化的驱动器性能随时间。为了最大限度地延长LED系统的使用寿命，已经介绍了几种关于电解无电容LED驱动器的研究工作，并在[1-7]。在[1]中，使用电流注入的方法。在[2-7几种使用多个开关或使用共享开关技术的单级拓扑被提出。本文提出的大部分工作需要相对复杂的电源电路或电流控制技术来减小储能电容器的尺寸。这些拓扑导致更大的区域和更高的成本。在[[]中提出了一种新的无电容驱动器设计。8]。设计中使用的存储电容器和一个双绕组双电感。

本文的主要目的是建立在文献[得到的结果9]，并给出数学模型和实验结果，以验证设计的功能性。本文的其余部分组织如下2描述建议的设计。文中给出了数学分析和实验结果3。部分4总结了纸。

2.提出了设计

所提出的设计是基于在图中所示的公知的降压转换器1，其中输出电压是在负载电阻上的电压和。表示从控制电路产生的控制脉冲。DC输出电压由下式给出 哪里为MOS晶体管用于开关的漏源极电压，是电感器的电阻，为二极管压降，是控制脉冲的接通占空比，以及是脉冲的OFF占空比。

电感器和平滑电容器将平均通过脉冲造成负载涟漪。波纹电压会由占空比，开关频率，电感，平滑电容器ESR的内部电阻，且平滑电容器的值的影响。

假设线性模型和一个小的纹波电压的近似电压脉动由下式给出[10] 哪里开关频率是，是电感，是电感电阻上的电压，ESR是电容串联电阻。

所提出的设计图设计的修改版本1如图所示2，其中所述负载是发光二极管阵列，因为它是在所有可商购的LED灯的情况。LED阵列的内部电容将作为一个平滑电容器，如果适当的开关频率和占空比被选择，因此不需要外部平滑电容器。

3.数学分析和实验结果

3.1。数学分析

众所周知，在导通模式下的LED可使用电阻器和用于DC模式的理想二极管和电容器，并且在AC模式并联的电阻器被建模为示于图3(一个)和3 (b),分别。的阻力表示恒定的串联接触电阻和LED的准中性区电阻，表示在一定的直流电流的LED的小信号电阻，并且表示在一定直流电流下的扩散电容。在传导模式下,是它等于DC电流由热电压除以电导的倒数。这表明，随着直流电流的增加，电阻的值将会减少。此外，价值也就是电导的函数，并且它的值将随着电流的增加增加[11]。

参考图2， led间直流输出电压与in (1),取而代之的是。LED等效电路如图所示3在这个分析中使用。DC输出电压由下式给出 哪里是电感电阻。的价值取决于通过LED的电流，它可以从LED特性曲线如图所示4。很显然表单图4随着电流的增加，的值将会减少。

为了找到LED的有效电容，纹波电流由下式给出 哪里是流过电感的纹波电流。从图2和人物的模型3，输出电压纹波为 哪里和是扩散电容器的阻抗[10]。

合并（4）和（五)，输出电压纹波为 哪里。

重写（6）找到有效电容， 有效电容为不同频率的LED电流的函数的曲线图显示在图五。It is evident from the figure that the effective capacitance at 200 kHz is high since the impedance of the capacitance is much smaller than that of the dynamic resistance.

在AC模型的图形3，行为和给出的指示，随着DC电流增加时，波纹电压会下降，这是可以控制和影响纹波电压的另一个参数。这其实是由我们进行的实验结果的支持，它是在下一节解释。

它指出的值是重要的仅在强传导模式下随直流电流下线性变化[12]。然而，在开关buck变换器脉冲的关断期，LED内阻会吸走存储的电荷，输出电压会降低。如果关闭时间足够长，扩散电容的值会非常小，导致输出电压急剧下降，可能会导致LED灯闪烁。

3.2。实验结果

在图中所示的电路2被连接在使用离的现成组件来实验测试所提出的设计的实验室。使用的LED的是每包11个并联LED给出总共33个LED的3个系列包装的总和。输出电压加在LED封装测量。是所用的组分如下：is an inductor of 470 uH,是N-MOS功率晶体管BUZ71，is the switching control pulse with an amplitude of 10 V, and是硅快速开关二极管1N914。电感的串联电阻测量和它的价值大约是4Ω。假设交流电源经过整流，并提供一个叫做直流的输出with nominal voltage of 35 V. The LED’s图所示特性4已被用来提取的价值对于不同的直流电流值。

通过改变的占空比来研究电路的特性在三种不同的频率(100千赫、150千赫和200千赫)下，从18%到44%。最大占空比设置为44%，因为这个占空比可以产生最大的LED电流。直流输出和纹波电压如图所示6。如从该图可知，随着占空比的增加，直流输出电压增加。脉动电压随着频率的增加而降低。

从图6时，直流电压随占空比线性变化> 30％。此外，很显然的是，对于占空比大于30％时，误差小于3％。理论和实验结果之间的偏差显示于图7。它是从图中，一个设计人员应该选择切换脉冲的占空比为大于30％，以最小化错误和更高的频率以最小化的纹波电压明显。

如果整个LED的电压低于某一值，就没有扩散电容，LED的电压就会对数下降，造成如图所示的大误差7。这个值可以从每条曲线的膝盖处估计，也取决于正向电流，因为它取决于LED在传导区域的深度。数据8和9show the ripple voltage at 100 kHz with duty cycle of 18% and 40%, respectively. The nonlinearity is clearly shown in Figure8，其中所述断开时间段是足够长，以驱动LED弱传导区，而图的波纹9几乎是线性的。很显然，纹波是更高的占空比线性。

为了研究直流输出电压和纹波的变化，在40%占空比的固定条件下，频率由50khz扫到300khz，并测量输出。结果如图所示10。很显然，该脉动电压降低随着频率的增加和直流电压几乎是恒定的。纹波电压为直流电压的最小比例大约是1.4％，它可进一步通过增加频率被降低。

效率是LED驱动器的一个重要因素。通过测量不同频率下每个占空比的直流输出电压、输出电流、直流输入电压和输入电流来发现效率。实验结果如图所示11表明，平均效率为85％。效率可使用具有更小的内部电阻的电感器和与导通电阻小的晶体管被​​进一步改善。

因为在直流输出电压中的微小变化的，效率几乎没有随频率的变化来改变，如图12。效率的频率范围内的平均值为约88％。提高频率将进一步导致较小的纹波电压和更好的整合更小的组件。然而，增加开关频率将降低，因为对于轻负载[开关功率损耗的驱动装置的效率12]。至于LED照明应用，LED负载需要吸引高电流，特别是当使用无电容驱动。这是因为它是更好的使用许多平行LED为更高的LED电容总和，这给这种方法一个额外的优势。

4。结论

一种新的方法来设计无电容降压型DC-DC转换器进行开发和测试。所提出的单开关电路能够减少在一个紧凑的形式的纹波，并可以扩展到任何其它LED配置。该设计的数学模型，根据试验验证开发。驾驶员的效率是85％，我们预期寿命比现有的驱动器高得多，因为有在驱动器的切换路径中没有电容器。

相互竞争的利益

两位作者声明，他们没有相互竞争的利益。

致谢

作者要感谢阿卜杜勒-阿齐兹国王城提供的科学技术和财政支持(项目编号no。A-T-34-20)和KFUPM，以便使用所有设施进行这项研究。

参考文献

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版权

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