基于准谐振升压变换器与低压差电流调节器的调光调温LED驱动器在健康照明系统中的应用

《IEEE Transactions on Industrial Electronics》：Dim-to-Warm LED Driver Based on a Quasi-Resonant Boost Converter in Combination With a Low-Dropout Current Regulator for Integrative Lighting Systems

　　本文针对传统PWM调光不适用于调光调温(D2W)LED照明系统的问题，提出了一种结合准谐振升压(QRB)变换器与低压差电流源(LDOCS)的高效驱动方案。研究人员通过能量平衡模型分析电路特性，采用ZC-tON控制策略实现全调光范围内的零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)，实验验证峰值效率达93.5%，且满足CIE S 026:2018标准要求。该研究为人体节律友好的健康照明系统提供了可靠的技术路径。

　　

随着LED照明技术的快速发展，人们逐渐认识到人工光源不仅需要满足基本的照明需求，更应当考虑其对人体健康的影响。研究表明，不恰当的光照会扰乱人体的昼夜节律(circadian rhythm)，影响睡眠-觉醒周期等生理功能。为此，国际照明委员会(CIE)制定了S 026:2018标准，引入了黑视素等效日光照度(melanopic Equivalent Daylight Illuminance, m-EDI)作为评估光照非视觉效应的关键指标。在这一背景下，集成照明系统(Integrative Lighting Systems, ILS)应运而生，旨在通过模拟自然日光的光谱变化，使人工照明与人体生物节律相协调。

调光调温(Dim-to-Warm, D2W)LED技术是实现ILS的重要手段，它能够模拟太阳光色温在一天中的自然变化：白天提供高色温的冷白光以提高警觉性，傍晚则转换为低色温的暖白光以促进放松。然而，传统的脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation, PWM)调光方式在D2W应用中存在明显局限。一方面，许多D2W LED不支持PWM调光；另一方面，PWM调光可能引起不可接受的闪烁现象，且需要极大的调光范围（如将m-EDI从250降至10需要将输出功率从100%降至4%），这对驱动电路提出了极高要求。

针对这些挑战，来自西班牙奥维耶多大学的研究团队在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上发表了一项创新研究，提出了一种结合准谐振升压(Quasi-Resonant Boost, QRB)变换器与低压差电流源(Low-Dropout Current Source, LDOCS)的D2W LED驱动方案。该方案不仅解决了传统调光方式的技术瓶颈，还实现了高效率、无闪烁的精确电流控制，为健康照明应用提供了实用的技术解决方案。

研究人员采用了几个关键技术方法：首先设计了QRB与LDOCS相结合的混合拓扑结构，其中QRB阶段负责最小化LDOCS的电压降，LDOCS则确保精确的电流调节；其次建立了基于能量平衡的简化数学模型，避免了复杂谐波分析的同时保持了准确性；然后采用ZC-t_ON控制策略，利用专为功率因数校正设计的L6562A控制器实现零电压开关；最后通过实验验证了系统在完整调光范围内的性能表现，包括效率、ZVS/ZCS操作和光谱特性测量。

电路拓扑与工作原理

研究团队对QRB转换器的工作过程进行了详细分析，将其分为四个 distinct 阶段：电感线性充电(t_ON)、电容谐振充电(t_cr)、电感线性放电(t_d)和电容谐振放电(t_dr)。通过能量平衡方法推导出各阶段的数学表达式，发现为确保ZVS操作，输出电压必须大于两倍输入电压(V_o > 2·V_IN)。

设计方法

为简化设计过程，研究人员提出归一化方法，引入基准阻抗Z_base = √(L_R/C_R)和基准时间t_base = √(L_R·C_R)，定义输入输出电压比? = V_IN/V_o。通过绘制归一化输出电流ψ_LED和归一化开关频率φ与归一化开关导通时间τ_ON的关系图表，为元件参数选择提供直观指导。

控制策略

研究采用ZC-t_ON控制方法，利用L6562A控制器的零交叉检测功能监测谐振电容电压，在电容完全放电时触发MOSFET导通。通过小信号模型分析系统动态特性，设计了PI调节器确保系统在不同工作点下的稳定性。

实验结果

实验原型采用Luminus Devices的CDM-18-3018-90-36 D2W LED，输入电压12V，开关频率范围100-300kHz。测试结果表明，系统在完整调光范围（100mA至900mA）内均保持ZVS/ZCS操作，峰值效率达93.5%。光谱测量显示LED色温随电流减小从3000K降至1800K，成功实现了m-EDI从250到10的调节，符合健康照明要求。

该研究的核心创新在于成功将QRB变换器的效率优势与LDOCS的精确电流控制能力相结合，解决了D2W LED驱动中的关键技术难题。通过理论分析、控制策略设计和实验验证的完整流程，证明了该方案在实现高效率（93.5%峰值效率）、无闪烁操作和健康光照调节方面的优越性能。特别值得关注的是，该设计采用了成本效益高的通用元件（如L6562A控制器），具有良好的实用性和推广价值。

研究结论强调，这种基于QRB+LDOCS的驱动架构为高质量、人性化的照明系统提供了实用且可扩展的解决方案。随着人们对健康照明需求的日益增长，这种能够精确控制光谱特性同时保持高能效的技术方案，将在住宅、办公、医疗等多种照明场景中发挥重要作用，推动照明技术向更加智能、健康、环保的方向发展。