基于DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)當(dāng)前市面上DC／DC LED(發(fā)光二極管)專用恒流控制芯片價(jià)格高、不易購(gòu)買的情況，闡述了基于市面常用DC／DC穩(wěn)壓器的高效率恒流穩(wěn)壓電源的通用設(shè)計(jì)方法，并給出了基于LM2596-ADJ開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)實(shí)例。與傳統(tǒng)的恒壓電源相比，電路增加了阻值很小的采樣電阻以及由通用運(yùn)算放大器組成的電壓反饋回路和電流采樣、放大反饋回路，同時(shí)增加了電壓、電流反饋回路自動(dòng)切換電路，使電路能根據(jù)負(fù)載大小在恒壓和恒流模式之間自動(dòng)切換。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于該方法設(shè)計(jì)的LED恒流穩(wěn)壓電源恒流精度高，誤差小于1％，效率超過87％，且電路工作穩(wěn)定，元件取材廣泛，價(jià)格低廉。
關(guān)鍵詞：LED；DC／DC；恒流電源；LM2596-ADJ；高效率

    當(dāng)前全球能源緊缺日益加劇，制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能成為人類面臨的重要課題。在照明領(lǐng)域，被稱為第4代照明光源或綠色光源的LED照明產(chǎn)品以節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)吸引著世人的目光。
    由于LED的伏安特性呈現(xiàn)非線性且伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，以及生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)水平的差異，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同樣功率等級(jí)的大功率LED伏安特性存在差異，即使是同一廠家生產(chǎn)的同一批次的LED，個(gè)體間的正向壓降也存在一定差異等原因，為了減少LED的光衰，延長(zhǎng)LED的使用壽命，LED的驅(qū)動(dòng)電源采用低壓直流恒流電源。目前，安森美、TI等世界知名半導(dǎo)體器件公司均推出了適合LED驅(qū)動(dòng)的DC／DC專用恒流控制集成電路，如NCP3066、TPS40211DG等，該類集成電路具有較高的轉(zhuǎn)換效率，但該類集成電路價(jià)格相對(duì)較高，市面上不易購(gòu)買。針對(duì)該問題，本文闡述了基于市面常用的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器的恒流穩(wěn)壓電源的通用設(shè)計(jì)方法，并給出相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例以及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 基于DC／DC穩(wěn)壓器的恒流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)
    DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器自問世以來，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，用作恒壓源，當(dāng)負(fù)載電流在額定范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓保持不變。DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器的原理框圖如圖1所示。

    DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓，其中Vref為DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部自帶的基準(zhǔn)電壓或者用戶外接的基準(zhǔn)電壓，R1、R2構(gòu)成輸出電壓采樣電路，用于設(shè)置輸出電壓的大小。當(dāng)輸出電壓Vout因負(fù)載變化而變化時(shí)，反饋電壓Vf也隨著變化，DC／DC穩(wěn)壓器內(nèi)部的控制電路根據(jù)反饋電壓Vf(采樣電壓)與Vref差值的大小來適當(dāng)調(diào)整功率變換電路的控制參數(shù)(如PWM的占空比等)，使輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定的值，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
    恒流源和恒壓源在電路上的差別反應(yīng)在兩者的采樣電路采集的對(duì)象不一樣。恒壓源為了保持輸出電壓的恒定，需要實(shí)時(shí)對(duì)輸出電壓跟蹤、控制，在負(fù)載變化的情況下使輸出電壓不隨負(fù)載的變化而變化，而恒流源是指在負(fù)載變化的情況下，穩(wěn)壓器能根據(jù)負(fù)載的變化相應(yīng)調(diào)整輸出電壓，保持輸出電流不變，恒流源采樣電路采集的是輸出的電流信號(hào)，但實(shí)際上采集的是經(jīng)過I／V轉(zhuǎn)換后反應(yīng)電流大小的電壓信號(hào)，因此，把輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入到DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳，就能實(shí)現(xiàn)恒壓源到恒流源的轉(zhuǎn)變，如圖2所示。

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    DC／DC開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)基于可調(diào)輸出的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，即輸出電壓采樣電路外置的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的，而固定輸出的開關(guān)穩(wěn)壓器是不能設(shè)計(jì)成恒流源的。無論是功率管集成的還是外置的可調(diào)輸出的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器，均可設(shè)計(jì)成恒流源。實(shí)質(zhì)上，固定電壓輸出的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器是其內(nèi)部集成了電壓采樣電路，對(duì)外沒有設(shè)置反饋引腳，電流反饋信號(hào)無法引入誤差放大電路，從而不能設(shè)計(jì)成恒流源。
    在圖2中，恒流源輸出電流值，由于Vref為定值，改變Rs即可改變輸出電流值。恒流原理用式(1)、(2)來說明。
   
    從式(1)、(2)看出，采樣電阻RS將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器根據(jù)變化的量，通過調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，調(diào)節(jié)其輸出電壓，從而達(dá)到恒流的目的。

2 改進(jìn)方案
    DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部集成的常見的基準(zhǔn)電壓有1．23 V、1．25 V、2．5 V和5 V等，若按圖2所示，設(shè)計(jì)成恒流源給工作電流為350 mA的單顆1 W的白光LED供電時(shí)，以準(zhǔn)電壓為Vref=1．23 V為例，采樣電阻上的損耗為1．23x0．35=0．430 5 W，忽略DC／DC變換器及其他損耗，電源的最高效率為η=，若為工作電流為700 mA的單顆3 W的白光LED供電時(shí)，采樣電阻上的損耗則更大。為了降低功耗，提高效率，應(yīng)該盡量選用小阻值采樣電阻，但采用小阻值的采樣電阻后，圖2中的反饋電壓Vref變小，輸出電流不能達(dá)到理想值，為了滿足需求，提高電路對(duì)輸出電流變化進(jìn)行控制的靈敏度，提高恒流精度，需要增加放大電路對(duì)采樣信號(hào)放大，如圖3所示。

    當(dāng)電路進(jìn)入恒流工作狀態(tài)時(shí)，輸出電流Iout滿足式(3)：
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    一般來說，運(yùn)算放大器的增益都能做到很大，這樣電路中就可以采用很小的采樣電阻，從而達(dá)到降低損耗、提高效率的目的。假設(shè)采樣電阻采用0．1 Ω，同樣為工作電流為350 mA的單顆1 W的白光LED供電時(shí)，在采樣電阻上的損耗為0．012 25 W。一般來說，通用的運(yùn)算放大器的工作電流和最大工作電壓分別在1 mA和30 V左右，加上運(yùn)算放大器及其附屬電路的損耗，增加的電路的總損耗大約0．05 W左右，忽略DC／DC變換器及其他損耗，效率最高可達(dá)，效率明顯提高。
    將式(3)變換得出：
   
    由式(4)可以看出，合理設(shè)置電阻Rf、R1和Rs的值，即可獲得所需的輸出電流值，并能獲得理想的效率。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例
    目前，在市面上可以找到很多價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的可調(diào)輸出的DC／DC單片集成開關(guān)穩(wěn)壓器或者控制器，如LM2577-ADJ、LM2596-ADJ、LT1086-ADJ、TL494、MC34063等，LM2596-ADJ是LM2596中可調(diào)輸出電壓的電源管理單片集成電路，內(nèi)部集成固定頻率發(fā)生電路以及頻率補(bǔ)償電路，最大輸出電流可達(dá)3 A，具有功耗小(待機(jī)電流僅80μA)、效率高、過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能、很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)、外圍電路簡(jiǎn)單等特性。圖4所示是基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源。

    該電路中，含有電壓控制環(huán)路和電流控制環(huán)路兩個(gè)環(huán)路。電壓控制環(huán)路由運(yùn)算放大器U2A、R1、R5組成，用于控制電源的最大輸出電壓，其輸出電壓Vout由式(5)表示。
   
    式(5)中，Vref=1．23 V，VD=0．4 V。由式(5)可以看出，改變R1和R5的參數(shù)就能改變最大輸出電壓的值。在LED驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際應(yīng)用中，Vout應(yīng)高于實(shí)際的負(fù)載電壓，并且負(fù)載電壓Vload應(yīng)滿足式(6)，電源才能自動(dòng)工作于恒流模式。
   
    電流控制環(huán)由運(yùn)算放大器U2B、R7、R3、C2、R6、R2、C5組成。電源的輸出電流Iout由式(7)表示。
   
    由式(7)看出，改變R2、R6或者R7的值，即可改變輸出電流的值。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，R7可以采用阻值更小的電阻，以降低功耗。
    Q1、R4、C5、ZD1構(gòu)成運(yùn)算放大器的供電穩(wěn)壓電路，保證給運(yùn)算放大器的供電電壓不超過其最大允許工作電壓。
    D6、D7組成電壓反饋環(huán)路和電流反饋回路自動(dòng)切換控制電路。當(dāng)電源工作在恒壓模式時(shí)，由于負(fù)載電流小，U2B的輸出電壓V2小于U2A的輸出電壓V1，此時(shí)D6導(dǎo)通，D7截止，U2B的輸出不影響U2A的輸出；當(dāng)負(fù)載電流增大到設(shè)定值時(shí)，U2B的輸出電壓V2大于U2A的輸出電壓V1，此時(shí)電源自動(dòng)切換到恒流模式，D7導(dǎo)通，D6截止，U2A的輸出不影響U2B的輸出。2個(gè)控制環(huán)路中，同時(shí)只有一個(gè)控制環(huán)路起主導(dǎo)控制作用。當(dāng)電壓控制環(huán)路起主導(dǎo)作用時(shí)，輸出電壓不隨負(fù)載電流的變化而變換，保持恒定值，相當(dāng)于恒壓源；當(dāng)電源輸出電流增大，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電源自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒流模式，電流控制環(huán)路起主導(dǎo)作用，輸出電壓隨負(fù)載的變化而變換，輸出電流值保持恒定，相當(dāng)于恒流源。
    表1和表2是基于IM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源的相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表1中的理想效率是按照式(8)，且在開關(guān)頻率為150 kHz、開關(guān)時(shí)間Ts為0．3μs的條件下計(jì)算而得：
   
    式(8)為最理想的開關(guān)損耗情況下，Buck調(diào)整器的效率計(jì)算公式，式中，Vdc為電源的輸入電壓。[!--empirenews.page--]

    從表1的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，實(shí)測(cè)效率與理想效率接近，且超過了87％，接近88％。這主要是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)恒壓源到恒流源轉(zhuǎn)變所增加的小阻值采樣電阻以及低功耗的運(yùn)算放大器等附加電路，并沒有明顯增加電源的總損耗。
    從表2的數(shù)據(jù)來看，電源的恒流誤差小于1％，具有相當(dāng)高的恒流精度。這是因?yàn)樨?fù)載上電流的很小變化，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后，都能被控制電路感知，從而使輸出電流保持在一個(gè)穩(wěn)定的值。
    根據(jù)式(7)，輸出電流，但由于電路中的二極管D7處于微導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致電源的實(shí)際輸出電流值與計(jì)算值存在一定偏差，但誤差很小，可以通過修改反饋電阻的值，獲得理想的電流值。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源已經(jīng)投入實(shí)際使用，且長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠，該電路的成功設(shè)計(jì)，說明了利用市面常用DC／DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)成高效的LED恒流驅(qū)動(dòng)的方法的可行性，且取材廣泛，成本低。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電路具有恒流精度高、效率高。該電源電路不僅可用于大功率LED驅(qū)動(dòng)，還可用于電池充電等。