劉仁貴，侯成英

（1.西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院，陜西 西安 710124；2.西安中興精誠科技有限公司 陜西 西安 710075）

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[1]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。

圖1 DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器原理框圖Fig.1 Structure diagram of the DC/DC regulators

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。

圖2 DC/DC開關(guān)恒流源原理框圖Fig.2 Structure diagram of the constant-current source

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。

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

圖3 改進的DC/DC開關(guān)恒流源原理框圖Fig.3 Structure diagram of the improved constant-current source

當電路進入恒流工作狀態(tài)時，輸出電流Iout滿足式（3）：

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?。ù龣C電流僅80 μA）、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[2]。圖4所示是基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源。

圖4 基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源Fig.4 Hardware circuit of practical constant-current source

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、C6、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LM2596-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）[3]，且在開關(guān)頻率為150 kHz、開關(guān)時間Ts為0.3 μs的條件下計算而得：

表1 效率測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test result of efficiency

表2 恒流精度測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test result of current error

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。

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。

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。

[1]周志敏，紀愛華.白光LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]National Semiconductor Corporation.LM2596 data sheet[EB/OL].（2002-05）[2011-08-01].http：//www.national.com/ds/LM/LM2596.pdf.

[3]Pressman A I，Billings K，Morey T.開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強，肖文勛，虞龍，等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]Winder S.LED驅(qū)動電路設(shè)計[M].謝運祥，王曉剛，譯.北京：人民郵電出版社，2009.

[5]Texas Instruments Incorporated.LED參考設(shè)計指南[EB/OL].（2010-2） [2011-08-01].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/sg/zhct 063a/zhct063a.pdf.

[6]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：高等教育出版社，2001.