【摘要】提出一種將雙輸入Buck(TIBUCK)變換器應用于LED驅動器的方案，并詳細分析該電路的性能特點。該TIBUCK變換器采用電壓模式控制，由DSP作為控制核心，能夠很好地調節輸出電流，使LED工作在恒流狀態。仿真和實驗結果表明，TIBUCK變換器在降低開關管和二極管電壓應力的同時實現了對輸出電流的恒流控制，從而證明該變換器作為LED驅動器中的后級恒流部分是可行的。
關 鍵 詞 恒流; DSP; LED; TIBUCK變換器
在能源危機和全球氣候變暖日益嚴重的今天，節能與環保已經成為現今社會最為關心的問題之一[1]。照明作為消耗能源的重要方面之一，其耗電量在每個國家的發電總量中占有不可忽視的比重。LED開始進入照明領域，掀起了真正意義上的照明革命[2]。與傳統照明光源相比，LED光源具有發光效率高、有效壽命長、安全環保、易于維護等一系列優點[3]。因此，LED照明光源被稱為21世紀的新一代光源。LED照明作為一種高效、節能、環保、長壽命的照明光源，市場前景十分廣闊[4]。隨著LED照明受到越來越大的重視，LED行業發展的熱潮已經到來，LED產業必將全方位的發展。LED驅動器作為整個LED照明產業的一部分，也隨之成為了關注的熱點并迅速發展。
LED光源不是由220 V的交流市電供電，而是由3 V左右的低電壓驅動，所以必須要設計相應的變換電路以滿足不同LED組合對驅動器的要求。根據供電方式的不同，LED驅動器可以分為直流供電驅動器(DC/DC)和交流供電驅動器(AC/DC)。DC/DC驅動器適合于由蓄電池、太陽能電池等直流電源供電的情況；AC/DC驅動器適用于由市電供電的情況，如路燈照明、景觀照明等LED燈具[5]。
針對LED驅動器的研究主要有兩方面：1) 新型的電力電子電路結構簡化驅動器，集成雙降壓-升壓Buck電路提高功率因素[7]。文獻[8-9]的簡化電路用于顆LED燈珠，主要針對小功率LED，對于大功率LED電路就很難使用。2) 大功率的LED，一般大于20 W，主要研究去電解電容的分析[10-11]和各種結構的驅動電路[12-13]。
本文針對96 W的大功率LED組，由4組24 W的LED組成。大功率LED與小功率LED不同是電流更大，更容易電流波動。根據LED的伏安特性，當加在LED光源兩端的正向電壓高于LED的導通電時，微小的正向電壓變化將會引起正向電流較大的變化，因此LED驅動器采用恒流驅動策略。
本文提出將TIBUCK變換器應用于LED驅動器中，既可以作為直流電源供電的DC/DC變換器，也可以作為交流供電的后級DC/DC變換器，為LED負載提供恒定的電流。該TIBUCK變換器采用DSP芯片作為控制核心，以實現對流過LED負載的電流進行數字控制，使LED負載工作在最佳狀態。
1 TIBUCK變換器分析
TIBUCK變換器的電路結構如圖1所示，它是在Buck變換器的基礎上增加一路輸入信號構成，其作為電源的后置調節器具有以下優點[14]：1) 開關管和二極管所承受的電壓應力較低，低于輸入電壓和輸出電壓；2) 電路中的電感及電容取值可以很小，減小了整個電路的體積；3) 這種拓撲可以獲得較高的效率。
當TIBUCK變換器的輸出電感L被設計為工作
在電流連續模式(CCM)時，一個周期內電感L的平均狀態方程為：
high o low od( ) (1 )( )dL iD V V D V V Lt- + - - = (1)
式中，D為開關管Q的占空比。電路工作在穩定狀態時，有d /d 0 Li t= ，因此，由式(1)可得輸入電壓和輸出電壓的關系為：o high low low V = (V -V )D+V (2)
由上式可知，輸出電壓o V 在low V 和high V 之間變化，短路時o V 不能完全降為零，因此短路保護只能由前級電路來實現。而TIBUCK變換器多用于后級電路，所以當TIBUCK電路的電流超出調節范圍或輸出短路時，可以通過控制相關芯片關斷前一級電路，從而實現對驅動器及LED負載的保護。
由圖1可知，開關管所承受的最大電壓應力( Qmax V )和二極管所承受的最大電壓應力( Dmax V )為：Qmax Dmax high low V =V =V -V (3)
為了保證TIBUCK電路工作在電感電流連續模式，由文獻[7]可知，L的取值必須滿足：
2s ( 1)2 1RTLll->-(4)
式中， high low l =V /V ；R為輸出電阻；
s T 是開關周期。
當輸入電壓high V 和low V 接近時，開關管Q和二極管D所承受的電壓應力很小，電感L的取值也較小，同時TIBUCK變換器可以獲得較高的效率[15]。圖2所示為轉換后的TIBUCK變換器，在圖2a中，其輸入電壓分別轉換為high low V -V 和
low V ，輸出負載電阻和電容被分為兩部分，通過電阻的輸出電壓也被轉換為o low V -V 和
low V 。轉換后的電阻阻值為：
o low1oV VR RV-= (5)
low2oVR RV= (6)
由圖2a可知，兩個輸入電源中點的電壓和通過輸出電阻2 R 的電壓相等，因此，圖2a可以轉換為圖2b的結構。圖2b中，TIBUCK變換器等價于有一個點相連接的兩個變換器的組合。圖2b的上部分電路等效為一個BUCK電路，其輸入電壓為high low V -V ，輸出電壓為o low V -V ，負載為
1 R ；下部分電路的輸入和輸出電壓均為low V ，負載為2 R ，所以它的效率可以達到100%。因此，輸出功率2o o P =V / R可以分為以下兩部分：
1) 等效為圖2b下部分電路的輸出功率為1 P ，它的效率為B h ，則有：
o l o w o1(V V )VPR-= (7)
2) 等效為圖2b下部分電路的輸出功率為2 P ，其效率為100%，則有：
o low2VVPR= (8)
由式(7)和式(8)可知，當TIBUCK變換器的輸出功率o P 一定時，輸出電壓o V 越接近輸入電壓low V ，等效為BUCK電路部分的輸出功率1 P 就越小，輸出功率2 P 越大，而2 P 幾乎是無損耗的，因此，TIBUCK變換器可以獲得很高的效率：
1 2TB1 B 2 /P PP Phh+=+(9)
由以上分析可知，通過調節兩個輸入電壓之間的比例，即可使TIBUCK變換器獲得較高的效率。本文設計中，TIBUCK變換器的前級電路去掉了大容量的電解濾波電容，考慮到輸入電壓的變化范圍及LED路燈負載所需的驅動電流，選取TIBUCK電路的額定輸入電壓為：Vhigh = 60 V， low V = 30 V。
2 電感電流連續模式下TIBUCK變換器的小信號模型
控制環路作為開關電源中很重要的一部分，其設計與主電路的結構及參數選擇有著緊密的聯系。要實現對開關電源的穩定性分析，對其建立一個完整的小信號模型是有必要的。開關電源是一個非線性系統，用解析的方法建模只能近似建立其在穩態時的小信號擾動模型。而開關電源一般工作在穩態，因此根據小信號擾動模型設計的控制環路能夠滿足開關電源的性能要求[16]。下面將對電感電流連續模式下TIBUCK變換器的小信號模型進行分析。
電壓模式控制(VMC)方式僅采用單電壓環進行控制，比較簡單，易于實現，能夠滿足大多數情況下的性能要求[17]。本文設計的TIBUCK變換器采用電壓模式控制實現對輸出電流的控制，其電路如圖3所示。對流過LED的輸出電流進行采樣，經過數字PI算法由DSP實現對LED路燈驅動器的恒流控制。
為了得到TIBUCK變換器的小信號模型，由圖3可知：
f high lowV =V D+V (1- D) (10)
V V Lt- =
(11)oCddVI Ct= (12)
o o V = I R (13)
式中， f V 為輸出濾波器的輸入電壓； L I 為流過電感的電流； C I 為經過電容的電流； o I 為流過LED負載的輸出電流； R 為LED負載的等效電阻。由于電路中的各狀態變量總是圍繞穩態值波動，因此對式(10)～式(13)施加擾動信號可以得到：
f f high high low low V + v = (V + v )(D+ d)+(V + v )[1- (D+ d)](14)
L Lf f o od( )( ) ( )dI
iV v V v Lt++ - + = (15)
o oC Cd( )dV vI
i Ct++ = (16)
o o o o V + v = (I +i )R (17)
式(14)～式(17)分別由式(10)～式(13)的穩態值加上小信號波動值形成，其中小寫字母為對應信號的波動量。將式(10)～式(17)分別相減并省略掉兩個波動量的乘積可得：
f high low high low v = v D+ v (1-D) + (V -V )d (18)
Lf o Lddiv v L Lsit- = = (19)
oC oddvi C Csvt= = (20)
o o v = i R (21)
TIBUCK變換器作為后置調節器，其輸入電壓經過前級電路處理后得到，所以它的輸入電壓紋波的頻率相對于TIBUCK變換器的開關頻率很小，輸入電壓在開關頻率的頻帶范圍內可以看作是恒定的，即可假設high v = 0，low v = 0。聯立式(18)～式(21)，可得到輸出電流o i 和輸出濾波器的輸入電壓f v 以及輸出電流o i 和占空比d 的小信號傳遞函數分別為：
o fo2f1i viGv s LCR sL R - = =+ +(22)
oohigh low 21( ) i diG V Vd s LCR sL R - = = -+ +(23)
如圖3中的電壓模式控制環路所示，反饋信號采樣流經LED負載的輸出電流，可以得到占空比d 的小信號表達式為：ref omPI( )( ( ) )sd i KF s iV= - (24)式中，PI(s)為PI調節器；
m V 為三角波的峰值；ref i 為基準電流信號ref I 的波動量；K為電流傳感器的增益；F(s)為電流傳感器輸出信號的低通濾波器。聯立式(23)和式(24)可得系統的閉環傳遞函數為：o refhigh low 2orefm
high low 2PI( )( )PI( ) ( )( )i isV Vi s LCR
sL R Gi s F s KV V Vs LCR sL R--= = + ++ -+ +(25)
通過以上傳遞函數，可以設計合適的PI控制器以減小TIBUCK變換器輸出電流的紋波。
3 仿真及實驗結果分析
通過上述對TIBUCK變換器的分析，利用Matlab/Simulink對基于電壓模式控制的TIBUCK變換器進行了仿真，并分析了仿真結果。在仿真的基礎上，搭建了一臺樣機，對其進行調試，并分析了樣機的測試結果。
3.1 仿真結果分析
基于電壓模式控制的TIBUCK變換器的仿真模型如圖4所示，仿真電路的基本參數設定為：輸入電壓high V = 60 V，
low V = 30 V；輸出電流
o I = 0.6 A，輸出功率o P = 24 W，LED等效電阻R = 66 W；電感L = 80 mH，電容C =10 mF；開關頻率
s f =100kHz。由于TIBUCK變換器一般用于開關電源中的后置調節器，其輸入帶有一定的紋波，設定其輸入電壓的紋波為額定值的±5%，頻率為兩倍于工頻(50 Hz)的100 Hz。在仿真實驗中，用交流電源代替輸入電
壓的紋波。
TIBUCK變換器的輸入電壓波形如圖5所示，它們是在直流電源的基礎上增加一個交流電源構成的，從而模仿前級電路的輸出。圖5a為輸入電壓high V ，其波動范圍為57～62 V；圖5b為輸入電壓low V ，其波動范圍為28.5～31.5 V。
圖6所示為開關管Q和二極管D所承受的電壓應力波形。從波形圖中可以看出，它們所承受的最大電壓應力為兩路輸入電壓之差，電壓應力較小，因此可以選擇耐壓低、內阻小的開關管和正向導通電壓低的二極管，從而提高TIBUCK變換器的效率。
TIBUCK變換器的輸出電壓和電流波形如圖7所示，可以很好地處理前級電路帶來的紋波，輸出紋波較小。從圖7b可以看出，輸出電流穩定在0.6 A，且在0.02 A的范圍內上下波動，很好地控制了輸出電流的紋波，為LED負載提供了穩定的電流。
3.2 實驗結果分析
在理論分析及仿真的基礎上，完成了TIBUCK變換器的硬件電路設計。一個電路板上集成了4組TIBUCK變換器，可以分別驅動4路LED光源，如圖8所示，且能夠獨立的調節各路所需的電流，使其電流恒定。
TIBUCK變換器作為LED路燈驅動器的后級電路驅動LED路燈負載的效果如圖9所示，4組TIBUCK變換器分別驅動4路LED路燈負載，每一組的輸出功率為24 W。
TIBUCK變換器的兩組輸入電壓為前級電路的輸出電壓，分別為Vhigh = 60 V， low V = 30 V(由于整個驅動器都沒有使用電解電容，所以TIBUCK變換器輸入電壓有一定的波動)，電壓波形如圖10所示。
TIBUCK變換器的開關管Q和二極管D所承受的電壓Q V 和D V 的波形如圖11所示，其中CH1通道為二極管D所承受的電壓D V 的波形，CH2通道為開關管Q所承受的電壓Q V 的波形。從圖11中可以看出，它們所承受的最大電壓應力約為30 V，為兩路輸入電壓信號之差，電壓應力較小，與前面的理論分析和仿真結果一致。因此可以選用耐壓值較小的開關管和二極管，從而減小它們的損耗，提高整個變換器的效率。
本文實驗的波形是在負載為電阻的情況下測試的，因此將輸出電流轉換為電阻的電壓進行測試。TIBUCK變換器的輸出電壓波形如圖12所示。為了和LED路燈負載相匹配，測試所使用的電阻為65 W，輸出電壓的幅值約為40 V，有一定的紋波，在輸出電壓的10%之內。因此，TIBUCK變換器能夠使輸出電流穩定在0.6 A附近波動，從而正常驅動LED路燈負載。
4 結 論
本文提出將TIBUCK變換器應用于LED驅動器的后級電路，并采用DSP芯片作為控制核心以實現為LED負載提供恒定的電流。詳細分析了TIBUCK變換器的工作原理，并利用Matlab/Simulink對基于電壓模式控制的TIBUCK變換器進行仿真，證明了該方案的可行性。在理論分析及仿真的基礎上，制作了一臺TIBUCK變換器的樣機。樣機試驗結果表明TIBUCK變換器不僅降低了開關管和二極管的電壓應力，同時也為LED負載提供了恒定的驅動電流，
從而穩定了LED光源的亮度。