具有自適應(yīng)功能的多檔位恒流LED電源設(shè)計(jì)

應(yīng)俊俊，潘黃鋒

（賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103）

0 引 言

隨著LED燈具行業(yè)的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的人開(kāi)始接觸到LED。LED的高壽命、高光效、無(wú)污染、耐振動(dòng)、抗沖擊等特點(diǎn)，使LED成為了第四代照明光源。根據(jù)LED的伏安特性，現(xiàn)在一般的LED都以恒流的形式驅(qū)動(dòng)。目前的LED規(guī)格繁多，從幾十毫安的小功率LED，到一百多毫安的中功率，再到幾安培的大功率或COB芯片等各種規(guī)格。從而，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的規(guī)格要求也越來(lái)越多。市場(chǎng)上就會(huì)產(chǎn)生電流檔位可調(diào)節(jié)的LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，以滿足不同燈具的需求。另外，多數(shù)此類(lèi)電源，往往在調(diào)低電流檔位的時(shí)候，電源的最大輸出功率也會(huì)隨之降低，使得電源的利用率大打折扣，從而降低驅(qū)動(dòng)電源的性價(jià)比。本文在常見(jiàn)的小功率隔離反激LED電源拓?fù)浠A(chǔ)上，介紹了檔位可調(diào)節(jié)電源的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電流之后，能自適應(yīng)電源最大功率的能力。

1 電路分析與設(shè)計(jì)

電路原理框圖，如圖1所示。交流輸入電壓經(jīng)過(guò)EMI濾波電路，再經(jīng)過(guò)整流濾波后，成高壓直流電壓。再經(jīng)高頻變壓器，將能量傳到次級(jí)，并通過(guò)輸出整流濾波電路后，得到低壓直流。其中初級(jí)的鉗位保護(hù)電路用于吸收高頻變壓器初次級(jí)漏感引起的尖峰電壓，以防止擊穿MOS管［1］。電源次級(jí)部分通過(guò)單片機(jī)直接控制電流和電壓檢測(cè)控制回路，再將信號(hào)通過(guò)光耦反饋到初級(jí)開(kāi)關(guān)電源芯片，完成能量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)路的閉環(huán)控制。

圖1 電路原理框圖

用戶可以通過(guò)撥碼或者電位器，調(diào)節(jié)得到自己需求的電流（如I1、I2、I3、I4）。檔位信號(hào)以撥碼或電位器的模擬信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換被單片機(jī)接受，單片機(jī)再以PWM的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波后對(duì)恒流環(huán)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)。同時(shí)，第二路PWM的輸出，調(diào)節(jié)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，對(duì)電源的最大輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)（U3、U2、U1、U0）。最終，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的最大功率保持在UI反比例曲線上［2］，起到自適應(yīng)的功能，如圖2所示。

圖2 輸出電壓和電流的匹配圖

由此可見(jiàn)，當(dāng)電源的輸出電流減小到一半時(shí)（比如由I3減低到I0），電源的最大輸出電壓會(huì)提升到原來(lái)的兩倍（由U0提升到U2），電源的最大輸出功率不變，從而提高電源的利用率。

2 舉例說(shuō)明

以12 W－1000／700／500／350 mA的隔離反激 LED多檔位恒流電源為例，著重介紹調(diào)節(jié)控制部分的設(shè)計(jì)原理。電路原理圖如圖3所示。

圖3 隔離反激LED調(diào)光電源原理圖（12 W1 000／700／500／350 mA）

電源正常情況工作在恒流狀態(tài)，其恒壓環(huán)路并不起作用。在調(diào)節(jié)的過(guò)程中，要避免兩個(gè)環(huán)路之間產(chǎn)生環(huán)路競(jìng)爭(zhēng)，也不能將兩個(gè)環(huán)路的競(jìng)爭(zhēng)裕量放的太大，防止電源的過(guò)載量太大。也就是說(shuō)，運(yùn)放A工作在線性狀態(tài)，構(gòu)成運(yùn)放的負(fù)反饋系統(tǒng)，而運(yùn)放B正常工作在非線性狀態(tài)，輸出為飽和電平，運(yùn)放工作于飽和區(qū)。對(duì)于運(yùn)放A，由于運(yùn)放開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，使系統(tǒng)處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，其結(jié)果使運(yùn)放的凈輸入趨于零（UA－＝UA＋），此時(shí)運(yùn)放兩輸入端可以按“虛短”原則處理［3］。通過(guò)調(diào)節(jié)同相輸入端的UA＋電壓，運(yùn)用“虛短”概念，有UA－→UA＋，電源的輸出電流Io＝UA－／R2。改變UA＋的電壓值，就能實(shí)現(xiàn)電源輸出電流的調(diào)節(jié)。對(duì)于運(yùn)放B，電源恒流輸出時(shí)進(jìn)入飽和區(qū)，飽和限幅，輸出不再變化，相當(dāng)于放大倍數(shù)下降，深度負(fù)反饋不復(fù)存在，“虛短”也就不復(fù)存在。在此，運(yùn)放B輸出飽和高電平，D5截止，光耦上的電流受運(yùn)放A控制。通過(guò)調(diào)節(jié)UB＋的電壓，使運(yùn)放B在恒流輸出時(shí)工作于非線性狀態(tài)，以免同運(yùn)放A產(chǎn)品環(huán)路競(jìng)爭(zhēng)。

兩檔的撥碼開(kāi)關(guān)，可分成四種情況（OFFOFF，ONOFF，OFFON，ONON）。單片機(jī)對(duì)四種情況下的電阻分壓進(jìn)行AD采樣［4］，從而判斷用戶所選的電流檔位。

當(dāng)用戶選擇“OFFOFF”時(shí)，GP0的采樣電壓為VDD，即＋5 V。把此狀態(tài)定義為1 000 mA的恒流輸出。此時(shí)單片機(jī)通過(guò)PWM1給出600 Hz占空比為100%的輸出，經(jīng)兩級(jí)RC濾波后，近似成直流電平，再經(jīng)電阻分壓，成0.2 V的基準(zhǔn)電壓，此時(shí)電源即為1 000 mA的輸出。作為12 W的電源，此時(shí)的空載電壓應(yīng)在12 V以上，保持2 V的過(guò)載量，設(shè)定在14 V。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM2的占空比為36%，得到恒壓基準(zhǔn)為0.875 V，此時(shí)電源的空載電壓即為14 V的輸出。

當(dāng)用戶選擇“ONOFF”，GP0的采樣電壓為電阻分壓的＋3.33 V，把此定義為700 mA的輸出。PWM1將給出70%的占空比，給恒流環(huán)提供0.14 V的基準(zhǔn)電壓，使電源的輸出電流為700 mA。作為12 W的電源，此時(shí)的空載電壓應(yīng)在17.2 V以上，保持2 V的過(guò)載量，設(shè)定在19.2 V。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM2的占空比為48%，得到恒壓基準(zhǔn)為1.2 V，此時(shí)電源的空載電壓即為19.2 V的輸出。

當(dāng)用戶選擇“OFFON”，GP0的采樣電壓為電阻分壓的＋2.5 V，把此定義為500 mA的輸出。PWM1將給出50%的占空比，給恒流環(huán)提供0.1 V的基準(zhǔn)電壓，使電源的輸出電流為500 mA。作為12 W的電源，此時(shí)的空載電壓應(yīng)在24 V以上，保持2 V的過(guò)載量，設(shè)定在26 V。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM2的占空比為65%，得到恒壓基準(zhǔn)為1.625 V，此時(shí)電源的空載電壓即為26 V的輸出。

當(dāng)用戶選擇“ONON”，GP0的采樣電壓為電阻分壓的＋2 V，把此定義為350 mA的輸出。PWM1將給出35%的占空比，給恒流環(huán)提供0.07 V的基準(zhǔn)電壓，使電源的輸出電流為350 mA。作為12 W的電源，此時(shí)的空載電壓應(yīng)在34.3 V以上，保持2 V的過(guò)載量，設(shè)定在36.3 V。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM2的占空比為91%，得到恒壓基準(zhǔn)為2.27 V，此時(shí)電源的空載電壓即為19.2 V的輸出。

恒壓恒流環(huán)基準(zhǔn)的分開(kāi)控制，可以很簡(jiǎn)單地做到對(duì)輸出形式的控制。也可以在單片機(jī)內(nèi)做乘法運(yùn)算，使得電源的恒功率輸出。如將撥碼開(kāi)關(guān)換成電位器，那么輸出電流電壓的控制也可以做到無(wú)極調(diào)節(jié)。這里隨著電流調(diào)節(jié)，不斷調(diào)節(jié)限制電壓，使得電源基本能工作到最大功率的輸出，從而提高電源的利用率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)至OFFOFF檔位，此時(shí)的輸出如圖4，圖5所示。

圖4 1 000 mA輸出滿載與兩路PWM圖

圖5 1 000 mA輸出空載電壓與兩路PWM圖

圖4所示電流環(huán)占空比PWM1輸出100%，電壓環(huán)占空比PWM2輸出36%。此時(shí)的輸出電流為982 mA，帶載電壓為12.1 V，滿載輸出功率為0.982×12.1＝11.88 W?？蛰d電壓如圖5所示為14.2 V。

調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)至ONOFF檔位，此時(shí)的輸出如圖6，圖7所示。

如圖6所示電流環(huán)占空比PWM1輸出70%，電壓環(huán)占空比PWM2輸出48%。此時(shí)的輸出電流為686 mA，帶載電壓為17.4 V。滿載輸出功率為0.686×17.4＝11.94 W。空載電壓如圖7所示19.2 V。

圖6 700 mA輸出滿載與兩路PWM圖

圖7 700 mA輸出空載電壓與兩路PWM圖

調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)至OFFON檔位，此時(shí)的輸出如圖8，圖9所示。

圖8 500 mA輸出滿載與兩路PWM圖

圖9 500 mA輸出空載電壓與兩路PWM圖

如圖8所示電流環(huán)占空比PWM1輸出50%，電壓環(huán)占空比PWM2輸出65%。此時(shí)的輸出電流為508 mA，帶載電壓為24.1 V。滿載輸出功率為0.508×24.1＝12.24 W?？蛰d電壓如圖9所示26.3 V。

調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)至ONON檔位，此時(shí)的輸出如圖10，圖11所示。

圖10 350 mA輸出滿載與兩路PWM圖

圖11 350 mA輸出空載電壓與兩路PWM圖

如圖10所示電流環(huán)占空比PWM1輸出35%，電壓環(huán)占空比PWM2輸出91%。此時(shí)的輸出電流為343 mA，帶載電壓為34.3 V。滿載輸出功率為0.343×34.3＝11.76 W?？蛰d電壓如圖11所示為36 V。

4 結(jié) 論

這種電壓電流基準(zhǔn)均由單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)RC濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電平，通過(guò)改變PWM的占空比即可以實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓和電流的目的。用戶根據(jù)檔位的選擇或者電位器的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電流的選擇，同時(shí)單片機(jī)根據(jù)輸出電流，自行調(diào)節(jié)輸出電壓，使得電源的最大功率保持在額定的輸出功率附近，從而提升電源的利用率，提高產(chǎn)品的通用性。

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