具有自適應功能的多檔位恒流LED電源設計

應俊俊，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)的不斷擴大，越來越多的人開始接觸到LED。LED的高壽命、高光效、無污染、耐振動、抗沖擊等特點，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都以恒流的形式驅動。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LED驅動電源的規(guī)格要求也越來越多。市場上就會產(chǎn)生電流檔位可調(diào)節(jié)的LED恒流驅動電源，以滿足不同燈具的需求。另外，多數(shù)此類電源，往往在調(diào)低電流檔位的時候，電源的最大輸出功率也會隨之降低，使得電源的利用率大打折扣，從而降低驅動電源的性價比。本文在常見的小功率隔離反激LED電源拓撲基礎上，介紹了檔位可調(diào)節(jié)電源的設計，并實現(xiàn)調(diào)節(jié)電流之后，能自適應電源最大功率的能力。

1 電路分析與設計

電路原理框圖，如圖1所示。交流輸入電壓經(jīng)過EMI濾波電路，再經(jīng)過整流濾波后，成高壓直流電壓。再經(jīng)高頻變壓器，將能量傳到次級，并通過輸出整流濾波電路后，得到低壓直流。其中初級的鉗位保護電路用于吸收高頻變壓器初次級漏感引起的尖峰電壓，以防止擊穿MOS管［1］。電源次級部分通過單片機直接控制電流和電壓檢測控制回路，再將信號通過光耦反饋到初級開關電源芯片，完成能量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)整個環(huán)路的閉環(huán)控制。

圖1 電路原理框圖

用戶可以通過撥碼或者電位器，調(diào)節(jié)得到自己需求的電流（如I1、I2、I3、I4）。檔位信號以撥碼或電位器的模擬信號經(jīng)AD轉換被單片機接受，單片機再以PWM的輸出信號經(jīng)過RC濾波后對恒流環(huán)的基準電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)。同時，第二路PWM的輸出，調(diào)節(jié)電壓環(huán)的基準電壓，對電源的最大輸出電壓進行調(diào)節(jié)（U3、U2、U1、U0）。最終，實現(xiàn)開關電源的最大功率保持在UI反比例曲線上［2］，起到自適應的功能，如圖2所示。

圖2 輸出電壓和電流的匹配圖

由此可見，當電源的輸出電流減小到一半時（比如由I3減低到I0），電源的最大輸出電壓會提升到原來的兩倍（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)控制部分的設計原理。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)的過程中，要避免兩個環(huán)路之間產(chǎn)生環(huán)路競爭，也不能將兩個環(huán)路的競爭裕量放的太大，防止電源的過載量太大。也就是說，運放A工作在線性狀態(tài)，構成運放的負反饋系統(tǒng)，而運放B正常工作在非線性狀態(tài)，輸出為飽和電平，運放工作于飽和區(qū)。對于運放A，由于運放開環(huán)放大倍數(shù)很大，使系統(tǒng)處于深度負反饋狀態(tài)，其結果使運放的凈輸入趨于零（UA－＝UA＋），此時運放兩輸入端可以按“虛短”原則處理［3］。通過調(diào)節(jié)同相輸入端的UA＋電壓，運用“虛短”概念，有UA－→UA＋，電源的輸出電流Io＝UA－／R2。改變UA＋的電壓值，就能實現(xiàn)電源輸出電流的調(diào)節(jié)。對于運放B，電源恒流輸出時進入飽和區(qū)，飽和限幅，輸出不再變化，相當于放大倍數(shù)下降，深度負反饋不復存在，“虛短”也就不復存在。在此，運放B輸出飽和高電平，D5截止，光耦上的電流受運放A控制。通過調(diào)節(jié)UB＋的電壓，使運放B在恒流輸出時工作于非線性狀態(tài)，以免同運放A產(chǎn)品環(huán)路競爭。

兩檔的撥碼開關，可分成四種情況（OFFOFF，ONOFF，OFFON，ONON）。單片機對四種情況下的電阻分壓進行AD采樣［4］，從而判斷用戶所選的電流檔位。

當用戶選擇“OFFOFF”時，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。此時單片機通過PWM1給出600 Hz占空比為100%的輸出，經(jīng)兩級RC濾波后，近似成直流電平，再經(jīng)電阻分壓，成0.2 V的基準電壓，此時電源即為1 000 mA的輸出。作為12 W的電源，此時的空載電壓應在12 V以上，保持2 V的過載量，設定在14 V。通過調(diào)節(jié)PWM2的占空比為36%，得到恒壓基準為0.875 V，此時電源的空載電壓即為14 V的輸出。

當用戶選擇“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的基準電壓，使電源的輸出電流為700 mA。作為12 W的電源，此時的空載電壓應在17.2 V以上，保持2 V的過載量，設定在19.2 V。通過調(diào)節(jié)PWM2的占空比為48%，得到恒壓基準為1.2 V，此時電源的空載電壓即為19.2 V的輸出。

當用戶選擇“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的基準電壓，使電源的輸出電流為500 mA。作為12 W的電源，此時的空載電壓應在24 V以上，保持2 V的過載量，設定在26 V。通過調(diào)節(jié)PWM2的占空比為65%，得到恒壓基準為1.625 V，此時電源的空載電壓即為26 V的輸出。

當用戶選擇“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的基準電壓，使電源的輸出電流為350 mA。作為12 W的電源，此時的空載電壓應在34.3 V以上，保持2 V的過載量，設定在36.3 V。通過調(diào)節(jié)PWM2的占空比為91%，得到恒壓基準為2.27 V，此時電源的空載電壓即為19.2 V的輸出。

恒壓恒流環(huán)基準的分開控制，可以很簡單地做到對輸出形式的控制。也可以在單片機內(nèi)做乘法運算，使得電源的恒功率輸出。如將撥碼開關換成電位器，那么輸出電流電壓的控制也可以做到無極調(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 實驗結果

調(diào)節(jié)撥碼開關至OFFOFF檔位，此時的輸出如圖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。空載電壓如圖5所示為14.2 V。

調(diào)節(jié)撥碼開關至ONOFF檔位，此時的輸出如圖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)撥碼開關至OFFON檔位，此時的輸出如圖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。空載電壓如圖9所示26.3 V。

調(diào)節(jié)撥碼開關至ONON檔位，此時的輸出如圖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。空載電壓如圖11所示為36 V。

4 結 論

這種電壓電流基準均由單片機產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過兩級RC濾波電路轉換成直流電平，通過改變PWM的占空比即可以實現(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)，實現(xiàn)電流的選擇，同時單片機根據(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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