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(lèi)面臨的重要課題。在照明領(lǐng)域，被稱(chēng)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(zhuān)用恒流控制集成電路， 如NCP3066、TPS40211DG 等，該類(lèi)集成電路具有較高的轉(zhuǎn)換效率，但該類(lèi)集成電路價(jià)格相對(duì)較高，市面上不易購(gòu)買(mǎi)。針對(duì)該問(wèn)題，本文闡述了基于市面常用的DC/DC 開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器自問(wèn)世以來(lái)，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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的原理框圖如圖1 所示。
圖1 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器原理框圖
DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓 其中Vref為DC/DC 開(kāi)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(lái)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(guò)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(kāi)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。
圖2 DC/DC 開(kāi)關(guān)恒流源原理框圖
DC/DC 開(kāi)關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)基于可調(diào)輸出的DC/DC 開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的，而固定輸出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是不能設(shè)計(jì)成恒流源的。無(wú)論是功率管集成的還是外置的可調(diào)輸出的DC/DC 開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是其內(nèi)部集成了電壓采樣電路， 對(duì)外沒(méi)有設(shè)置反饋引腳，電流反饋信號(hào)無(wú)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(lái)說(shuō)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器根據(jù)變化的量， 通過(guò)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部集成的常見(jiàn)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1.23×0.35=0.430 5 W,忽略DC/DC 變換器及其他損耗， 電源的最高效率為：
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。
圖3 改進(jìn)的DC/DC 開(kāi)關(guān)恒流源原理框圖
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）：
一般來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(kāi)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�。ù龣C(jī)電流僅80 μA）、效率高、過(guò)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(kāi)關(guān)恒流穩(wěn)壓電源。
圖4 基于LM2596-ADJ 的LED 開(kāi)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、C6、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(guò)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LM2596-ADJ 的LED 開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率為150 kHz、開(kāi)關(guān)時(shí)間Ts為0.3 μs 的條件下計(jì)算而得：
表1 效率測(cè)試數(shù)據(jù)
表2 恒流精度測(cè)試數(shù)據(jù)
式（8）為最理想的開(kāi)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。
從表1 的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看， 實(shí)測(cè)效率與理想效率接近，且超過(guò)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(méi)有明顯增加電源的總損耗。
從表2 的數(shù)據(jù)來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(shuō)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。 |
