低纹波LED驱动电源数字控制策略研究

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LED(Light Emitting Diode)光源正全方位快速的向大功率照明领域拓展,与之相匹配的长寿命、低纹波、高效率数字化驱动电源技术成为研究热点。AC-DC两级拓扑结构能兼顾多种性能指标的优化设计,是大功率LED驱动电源的主流形式之一。本论文选择Boost PFC和高转换效率不对称半桥(Asymmetrical Half-Bridge,AHB)变换器构成的两级LED恒流源为研究对象。对AHB LED恒流源的离散时间小信号建模方法、自适应数字预测电流模式控制算法和自适应数字低频纹波补偿控制算法等关键技术进行研究。论文内容及创新点如下:1.AHB LED恒流源离散时间小信号建模方法研究。离散时间小信号建模方法已成功应用于Buck、Boost、Flyback等变换器,但对于四阶AHB变换器鲜有研究。本文针对数字控制环路延迟和高频混叠等因素引起模型误差的问题,提出了数字电流模式控制AHB LED恒流源的离散时间小信号建模方法。在充分考虑寄生参数、环路延迟、采样效应和负载效应等因素的基础上,建立了该恒流源的离散小信号模型,并采用一阶泰勒展开式对复指数矩阵进行近似计算。仿真和实验表明,所建立的离散时间小信号模型能够更加准确地描述AHB LED恒流源的谐振峰值、高频动态特性和数字环路延迟特性,非常适合用于高频数字控制器的设计。2.AHB LED恒流源自适应数字预测电流模式控制算法研究。数字预测电流模式控制算法能有效减小周期延迟对变换器数字控制性能的影响,但应用于AHB变换器时存在丢失占空比理论计算公式过于复杂的问题。为此,本文首先基于零电压开关(Zero Voltage Switching,ZVS)谐振电感电流推导了ZVS丢失占空比的简便估算方法;再利用该估算方法形成了基于前沿调制的数字预测峰值电流模式控制(Digital Predictive Peak Current mode Control,DPPCC)算法、基于后沿调制的数字预测准谷值电流模式控制(Digital Predictive Quasi-Valley Current mode Control,DPq VCC)算法和基于双边调制的数字预测准均值电流模式控制(Digital Predictive Quasi-Average Current mode Control,DPq ACC)算法;并通过工程标定实现了算法的自适应能力。仿真和实验表明,所提出的三种预测控制算法均能有效克服数字环路延迟对控制性能的影响,使AHB LED恒流源在整个调光范围内的动静态性能指标都得到了显著提升。3.AHB LED恒流源自适应数字低频纹波补偿控制算法研究。无电解化设计能有效延长Boost-AHB LED恒流源的寿命并提高其可靠性,但同时也存在输出低频二次纹波电流过大的问题。针对该问题,本文提出了基于数字预测电流模式的自适应低频纹波补偿控制算法。首先,在深入分析AHB LED恒流源低频纹波传输特性的基础上,给出了低频二次纹波的最优占空比补偿曲线;然后,以构造该最优补偿曲线为标准,对单闭环控制的AHB LED恒流源,就模拟经典前馈、模拟双前馈和自适应数字前馈等低频纹波补偿控制技术进行了比较研究;最后,在全面分析电流模式低频纹波补偿控制特性的基础上,深入研究了所提出的基于数字预测电流模式的自适应低频纹波补偿控制算法。仿真和试验表明,所提出的自适应数字低频纹波补偿控制算法能根据输入平均电压、输入纹波电压和负载的变化,在整个调光范围内自适应减小流经LED的低频纹波电流,光源闪烁百分比均优于IEEE Std.1789-2015 NOEL标准的要求。
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