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境還是不夠的。負載調整率與穩態誤差有著密切關系，通過減小穩態誤差或者使穩態誤差在負載變化時保持不變，可以實現較低的負載調整率^[3-5]。減小電路穩態誤差一般通過增大開環增益或者串聯積分環節實現，但是在反饋控制系統中，增大開環增益或者設置串聯積分環節以消除或減小穩態誤差的措施，必然導致降低系統的穩定性，甚至造成系統不穩定^[6-7]；如果采用更為復雜的控制方法，雖然可以保證系統的穩定性，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補償裝置反饋到決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的功能，保證了系統的穩定性和快速性，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態誤差

    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控制系統，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；系統反饋控制環路的設計也要兼顧到電路的動態性能和穩定性，這就使得電路必然存在穩態誤差；另外系統的開環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態誤差建模

    系統的每個環節都可能存在偏差或者受到擾動，如圖1(a)所示，將控制系統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，就可以根據擾動的輸出函數在系統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態誤差，改善負載調整率。

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

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觸發器等組成。

    電路工作在電感電流臨界連續導電模式（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，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)，則系統的傳遞函數結構圖如圖4所示，式(3)、式(4)是對應的傳遞函數，N(s)在輸出端的響應為C_n(s)，E_n(s)是系統在擾動作用下的穩態誤差。

    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，從而使輸出電流發生相應的改變，完成負載調整率的優化。

    峰值電流補償信號V^′_c是輸出電壓的函數f(V_o)，對應的象函數為G_v(s)，如圖7所示，輸出負載電壓信號V_o(s)經過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據，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據驗證，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。

參考文獻

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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.國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州450000）