基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器下大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計的分析

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 朱奔騰

引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人民生活水平的提高，社會各界對于我國數(shù)控電源優(yōu)化設(shè)計，特別是在能源緊張背景下，基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案，關(guān)注程度越來越高。目前，我國已經(jīng)進(jìn)入到了第四代綠色光源的發(fā)展階段。LED照明設(shè)備，具有節(jié)能、高效和環(huán)保的特點。如何合理應(yīng)用DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器，實現(xiàn)大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計，成為了相關(guān)領(lǐng)域工作人員的工作重點之一。

1.大功率LED恒流穩(wěn)壓電源設(shè)計方案對比

1.1 DAC數(shù)控電源

基于DAC的數(shù)控電源工作設(shè)計模式，主要應(yīng)用的是MCU，將MCU作為數(shù)控電源的控制單元，可以改變DAC的輸入數(shù)字量，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。此種方式，可以是輸出功率管的控制電壓，發(fā)生較為明顯的變化，間接地改變，電壓輸出過程中的電壓大小。為了使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電流值大小的能力，可以通過對輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，用MUC對系統(tǒng)內(nèi)部的電壓和電流進(jìn)行實時監(jiān)管控制[1]。

1.2 MOS管數(shù)控電源

MOS管數(shù)控電源系統(tǒng)中，功率放大元件，始終處于“線性連續(xù)”的工作狀態(tài)。并且，功率放大元件自身的功率損耗性較高。電源整體效率較低。當(dāng)MOS管處于“開關(guān)”的工作狀態(tài)下時，可以進(jìn)一步提高數(shù)控電源的工作效率。比如，在50Hz220V的交流電，經(jīng)過電網(wǎng)濾波器的濾波作用之后，會再次進(jìn)入到整流濾波器中，形成直流電壓。利用微控制器中的高速通道，可以定時收集系統(tǒng)輸出的電壓和電流值，與設(shè)定值比較之后，再根據(jù)誤差和算法，調(diào)節(jié)PWM控制信號脈寬。

1.3 基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器數(shù)控電源

目前，在我國數(shù)控電源領(lǐng)域，基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了各種不同類型的電子設(shè)備之中。此種類型的數(shù)控電源，作為恒壓源，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。當(dāng)負(fù)載電流在額定范圍內(nèi)發(fā)生明顯變化時，輸出的電壓可以始終保持不變?；贒C/DC的數(shù)控電源包括了電壓反饋電流和電流反饋電路兩個部分。

2.基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案改進(jìn)

在DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部，常見的集成基準(zhǔn)電壓分別為1.23V、1.25V、2.5V和5V。在對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化的過程中，設(shè)計團(tuán)隊要根據(jù)不同的基準(zhǔn)電壓類型，對恒流源的工作電流進(jìn)行設(shè)計。一般來說，將電流控制在350mA、單顆1W白光LED設(shè)備，可以持續(xù)穩(wěn)定發(fā)光時，可以達(dá)到良好的優(yōu)化效果。以1.23V的基準(zhǔn)電壓為例，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中，工作人員首先對采樣電阻的損耗情況進(jìn)行了計算。電阻損耗R=1.23×0.35=0.4305。在計算的過程中，為了方便運(yùn)算，會將DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器以及其他損耗忽略不計。此時，系統(tǒng)的電源可以達(dá)到最大功率：

當(dāng)工作電流為700mA、單顆3W的白光LED可以持續(xù)發(fā)光時，采樣電阻的損耗會在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大。

因此，為了減少功率的損耗，提高數(shù)控電源的工作效率。在進(jìn)行方案設(shè)計優(yōu)化的過程中，工作人員要盡可能地選擇小阻值的采樣電阻。但與此同時，工作人員要進(jìn)一步明確，一旦采用了小阻值的采樣電阻，系統(tǒng)當(dāng)中的反饋電壓值會降低，輸出的電流不能達(dá)到額定數(shù)值。經(jīng)過設(shè)計團(tuán)隊的多次反復(fù)試驗，最終采取了增加放大電路的方式，達(dá)到采樣信號放大的效果[2]。

在電路進(jìn)入到恒流的工作狀態(tài)之時，整個電力系統(tǒng)的輸出電流，滿足下方公式：

一般來說，當(dāng)運(yùn)算放大器的增益不斷擴(kuò)大的過程中，電路可以通過較小的采樣電阻，達(dá)到降低能耗提高效率的目的。假設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用0.1Ω的采樣電阻，同樣在350mA、單顆1W白光LED持續(xù)穩(wěn)定發(fā)亮?xí)r，采樣電阻的損耗會降低到0.01225W?？梢?，運(yùn)算放大器的最大電壓和工作電流，分別可以達(dá)到30V和1mA。加上運(yùn)算放大器自身以及所屬電路的損耗，電路系統(tǒng)的總能耗也不會超過0.05W。忽略DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器和其他損耗，系統(tǒng)最終的運(yùn)行效率可以提升到：

3.基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計實例

通過分析基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計的實例，可以了解到DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)備和技術(shù)，在實際操作環(huán)節(jié)中的應(yīng)用效果。目前，市場環(huán)境中，有較多價格相對低廉，并且品質(zhì)優(yōu)秀的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器和DC/DC單片集成開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器設(shè)備，其中，最具有代表性的為LM2596-ADJ型號的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器。該設(shè)備是LM2596當(dāng)中，可以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)的單片集成電路。系統(tǒng)內(nèi)部具有固定的頻率，并且可以針對發(fā)生電路的實際情況，進(jìn)行功率補(bǔ)償。該設(shè)備的最大輸出電流可以達(dá)到3A，并當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時，電流僅為80μA，設(shè)備的總能耗較低，效率高。不僅如此，該設(shè)備還擁有良好的限流保護(hù)和過熱保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)處于非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，可以科學(xué)地完成系統(tǒng)線性和負(fù)載調(diào)節(jié)。

該電路系統(tǒng)中，擁有電壓和電流兩個控制環(huán)路。其中，電壓控制環(huán)路在運(yùn)算放大器作用下，主要用于對電源的最大輸出電壓進(jìn)行控制，輸出電壓可以用公式表示：

其中，Vref=1.23V，V0=0.4V。根據(jù)上方公式可以看出，將R和R`的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，就可以達(dá)到改變電源最大輸出電壓值的目的。在LED驅(qū)動電路的實際應(yīng)用環(huán)節(jié)中，輸出電壓要明顯高于額定電壓。此時，系統(tǒng)的負(fù)載電壓要滿足下方公式（4），才能確保電源始終處于自動恒流模式：

根據(jù)上方的公式可以看出，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的電壓反饋環(huán)路與電流反饋環(huán)路，始終處于自動切換控制電路中時，系統(tǒng)的電源工作電壓在恒壓模式下。當(dāng)負(fù)載電流減小時，輸出電壓會小于額定電壓；當(dāng)負(fù)載電流增大時，輸出電壓會切換到恒流模式當(dāng)中。隨著電源輸出總量擴(kuò)大，達(dá)到額定值時，系統(tǒng)電源會自動進(jìn)入到恒流模式，此時電流控制環(huán)路會起到主導(dǎo)作用。在理想的開關(guān)能耗條件下，DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的效率不會產(chǎn)生變化。根據(jù)公式（4），以及試驗環(huán)節(jié)中得到的數(shù)據(jù)，可以計算出實測效率，將其與理想效率進(jìn)行比對，可以判斷系統(tǒng)電源能耗是否增加。

總結(jié)

綜上所述，基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計，可以在原有的基礎(chǔ)上，充分地發(fā)揮出LED恒流驅(qū)動電源的非線性伏安特征。不同設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)單位的技術(shù)和水平不同，會使最終設(shè)計研發(fā)制造出的LED恒流驅(qū)動產(chǎn)品特性，呈現(xiàn)出明顯的差異。根據(jù)實際的發(fā)展需求，在工作中不斷對基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合實際案例，提高能源使用效率。