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

摘要：針對當前市面上DC／DC LED(發(fā)光二極管)專用恒流控制芯片價格高、不易購買的情況，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)計方法，并給出了基于LM2596-ADJ開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計實例。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，同時增加了電壓、電流反饋回路自動切換電路，使電路能根據(jù)負載大小在恒壓和恒流模式之間自動切換。實驗數(shù)據(jù)表明，基于該方法設(shè)計的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，價格低廉。
關(guān)鍵詞：LED；DC／DC；恒流電源；LM2596-ADJ；高效率

    當前全球能源緊缺日益加劇，制約著經(jīng)濟的發(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、體積小、堅固耐用等特點吸引著世人的目光。
    由于LED的伏安特性呈現(xiàn)非線性且伏安特性具有負溫度系數(shù)的特點，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LED的使用壽命，LED的驅(qū)動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，但該類集成電路價格相對較高，市面上不易購買。針對該問題，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)計方法，并給出相關(guān)設(shè)計實例以及相關(guān)測試數(shù)據(jù)。

1 基于DC／DC穩(wěn)壓器的恒流穩(wěn)壓電源設(shè)計
    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，當負載電流在額定范圍內(nèi)變化時，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)部自帶的基準電壓或者用戶外接的基準電壓，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。當輸出電壓Vout因負載變化而變化時，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)定在一個固定的值，達到穩(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象不一樣。恒壓源為了保持輸出電壓的恒定，需要實時對輸出電壓跟蹤、控制，在負載變化的情況下使輸出電壓不隨負載的變化而變化，而恒流源是指在負載變化的情況下，穩(wěn)壓器能根據(jù)負載的變化相應(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，但實際上采集的是經(jīng)過I／V轉(zhuǎn)換后反應(yīng)電流大小的電壓信號，因此，把輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入到DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳，就能實現(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)動基于可調(diào)輸出的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計，即輸出電壓采樣電路外置的DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計的，而固定輸出的開關(guān)穩(wěn)壓器是不能設(shè)計成恒流源的。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)計成恒流源。實質(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，對外沒有設(shè)置反饋引腳，電流反饋信號無法引入誤差放大電路，從而不能設(shè)計成恒流源。
    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，從而達到恒流的目的。

2 改進方案
    DC／DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部集成的常見的基準電壓有1．23 V、1．25 V、2．5 V和5 V等，若按圖2所示，設(shè)計成恒流源給工作電流為350 mA的單顆1 W的白光LED供電時，以準電壓為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，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，輸出電流不能達到理想值，為了滿足需求，提高電路對輸出電流變化進行控制的靈敏度，提高恒流精度，需要增加放大電路對采樣信號放大，如圖3所示。

    當電路進入恒流工作狀態(tài)時，輸出電流Iout滿足式(3)：
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    一般來說，運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，在采樣電阻上的損耗為0．012 25 W。一般來說，通用的運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，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)計實例
    目前，在市面上可以找到很多價格低廉、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)生電路以及頻率補償電路，最大輸出電流可達3 A，具有功耗小(待機電流僅80μA)、效率高、過熱保護和限流保護功能、很好的線性和負載調(diào)節(jié)、外圍電路簡單等特性。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)路兩個環(huán)路。電壓控制環(huán)路由運算放大器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)動電路的實際應(yīng)用中，Vout應(yīng)高于實際的負載電壓，并且負載電壓Vload應(yīng)滿足式(6)，電源才能自動工作于恒流模式。
   
    電流控制環(huán)由運算放大器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。當輸出電流較大時，R7可以采用阻值更小的電阻，以降低功耗。
    Q1、R4、C5、ZD1構(gòu)成運算放大器的供電穩(wěn)壓電路，保證給運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切換控制電路。當電源工作在恒壓模式時，由于負載電流小，U2B的輸出電壓V2小于U2A的輸出電壓V1，此時D6導(dǎo)通，D7截止，U2B的輸出不影響U2A的輸出；當負載電流增大到設(shè)定值時，U2B的輸出電壓V2大于U2A的輸出電壓V1，此時電源自動切換到恒流模式，D7導(dǎo)通，D6截止，U2A的輸出不影響U2B的輸出。2個控制環(huán)路中，同時只有一個控制環(huán)路起主導(dǎo)控制作用。當電壓控制環(huán)路起主導(dǎo)作用時，輸出電壓不隨負載電流的變化而變換，保持恒定值，相當于恒壓源；當電源輸出電流增大，達到設(shè)定值時，電源自動轉(zhuǎn)入恒流模式，電流控制環(huán)路起主導(dǎo)作用，輸出電壓隨負載的變化而變換，輸出電流值保持恒定，相當于恒流源。
    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)實測數(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)時間Ts為0．3μs的條件下計算而得：
   
    式(8)為最理想的開關(guān)損耗情況下，Buck調(diào)整器的效率計算公式，式中，Vdc為電源的輸入電壓。[!--empirenews.page--]

    從表1的測試數(shù)據(jù)來看，實測效率與理想效率接近，且超過了87％，接近88％。這主要是因為實現(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％，具有相當高的恒流精度。這是因為負載上電流的很小變化，經(jīng)過運算放大器放大后，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)致電源的實際輸出電流值與計算值存在一定偏差，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
    基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源已經(jīng)投入實際使用，且長期工作穩(wěn)定可靠，該電路的成功設(shè)計，說明了利用市面常用DC／DC穩(wěn)壓器設(shè)計成高效的LED恒流驅(qū)動的方法的可行性，且取材廣泛，成本低。從實驗數(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，還可用于電池充電等。