基于DC/DC開關穩壓器下大功率LED恒流驅動設計的分析

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 朱奔騰

引言

隨著我國國民經濟的發展，以及人民生活水平的提高，社會各界對于我國數控電源優化設計，特別是在能源緊張背景下，基于DC/DC開關穩壓器大功率LED恒流驅動設計方案，關注程度越來越高。目前，我國已經進入到了第四代綠色光源的發展階段。LED照明設備，具有節能、高效和環保的特點。如何合理應用DC/DC開關穩壓器，實現大功率LED恒流驅動設計，成為了相關領域工作人員的工作重點之一。

1.大功率LED恒流穩壓電源設計方案對比

1.1 DAC數控電源

基于DAC的數控電源工作設計模式，主要應用的是MCU，將MCU作為數控電源的控制單元，可以改變DAC的輸入數字量，從而達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行采樣，用MUC對系統內部的電壓和電流進行實時監管控制[1]。

1.2 MOS管數控電源

MOS管數控電源系統中，功率放大元件，始終處于“線性連續”的工作狀態。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MOS管處于“開關”的工作狀態下時，可以進一步提高數控電源的工作效率。比如，在50Hz220V的交流電，經過電網濾波器的濾波作用之后，會再次進入到整流濾波器中，形成直流電壓。利用微控制器中的高速通道，可以定時收集系統輸出的電壓和電流值，與設定值比較之后，再根據誤差和算法，調節PWM控制信號脈寬。

1.3 基于DC/DC開關穩壓器數控電源

目前，在我國數控電源領域，基于DC/DC開關穩壓器，已經被廣泛地應用到了各種不同類型的電子設備之中。此種類型的數控電源，作為恒壓源，具有極強的穩定性。當負載電流在額定范圍內發生明顯變化時，輸出的電壓可以始終保持不變。基于DC/DC的數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開關穩壓器大功率LED恒流驅動設計方案改進

在DC/DC開關穩壓器內部，常見的集成基準電壓分別為1.23V、1.25V、2.5V和5V。在對設計方案進行優化的過程中，設計團隊要根據不同的基準電壓類型，對恒流源的工作電流進行設計。一般來說，將電流控制在350mA、單顆1W白光LED設備，可以持續穩定發光時，可以達到良好的優化效果。以1.23V的基準電壓為例，在進行優化設計的過程中，工作人員首先對采樣電阻的損耗情況進行了計算。電阻損耗R=1.23×0.35=0.4305。在計算的過程中，為了方便運算，會將DC/DC開關穩壓器以及其他損耗忽略不計。此時，系統的電源可以達到最大功率：

當工作電流為700mA、單顆3W的白光LED可以持續發光時，采樣電阻的損耗會在此基礎上，進一步擴大。

因此，為了減少功率的損耗，提高數控電源的工作效率。在進行方案設計優化的過程中，工作人員要盡可能地選擇小阻值的采樣電阻。但與此同時，工作人員要進一步明確，一旦采用了小阻值的采樣電阻，系統當中的反饋電壓值會降低，輸出的電流不能達到額定數值。經過設計團隊的多次反復試驗，最終采取了增加放大電路的方式，達到采樣信號放大的效果[2]。

在電路進入到恒流的工作狀態之時，整個電力系統的輸出電流，滿足下方公式：

一般來說，當運算放大器的增益不斷擴大的過程中，電路可以通過較小的采樣電阻，達到降低能耗提高效率的目的。假設系統應用0.1Ω的采樣電阻，同樣在350mA、單顆1W白光LED持續穩定發亮時，采樣電阻的損耗會降低到0.01225W。可見，運算放大器的最大電壓和工作電流，分別可以達到30V和1mA。加上運算放大器自身以及所屬電路的損耗，電路系統的總能耗也不會超過0.05W。忽略DC/DC開關穩壓器和其他損耗，系統最終的運行效率可以提升到：

3.基于DC/DC開關穩壓器大功率LED恒流驅動設計實例

通過分析基于DC/DC開關穩壓器大功率LED恒流驅動設計的實例，可以了解到DC/DC開關穩壓器設備和技術，在實際操作環節中的應用效果。目前，市場環境中，有較多價格相對低廉，并且品質優秀的DC/DC開關穩壓器和DC/DC單片集成開關穩壓器和控制器設備，其中，最具有代表性的為LM2596-ADJ型號的DC/DC開關穩壓器。該設備是LM2596當中，可以實現輸出電壓調節的單片集成電路。系統內部具有固定的頻率，并且可以針對發生電路的實際情況，進行功率補償。該設備的最大輸出電流可以達到3A，并當設備處于待機狀態時，電流僅為80μA，設備的總能耗較低，效率高。不僅如此，該設備還擁有良好的限流保護和過熱保護功能，當系統處于非正常運轉時，可以科學地完成系統線性和負載調節。

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

其中，Vref=1.23V，V0=0.4V。根據上方公式可以看出，將R和R`的參數進行調整，就可以達到改變電源最大輸出電壓值的目的。在LED驅動電路的實際應用環節中，輸出電壓要明顯高于額定電壓。此時，系統的負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：

根據上方的公式可以看出，當系統內部的電壓反饋環路與電流反饋環路，始終處于自動切換控制電路中時，系統的電源工作電壓在恒壓模式下。當負載電流減小時，輸出電壓會小于額定電壓；當負載電流增大時，輸出電壓會切換到恒流模式當中。隨著電源輸出總量擴大，達到額定值時，系統電源會自動進入到恒流模式，此時電流控制環路會起到主導作用。在理想的開關能耗條件下，DC/DC開關穩壓器的效率不會產生變化。根據公式（4），以及試驗環節中得到的數據，可以計算出實測效率，將其與理想效率進行比對，可以判斷系統電源能耗是否增加。

總結

綜上所述，基于DC/DC開關穩壓器大功率LED恒流驅動設計，可以在原有的基礎上，充分地發揮出LED恒流驅動電源的非線性伏安特征。不同設計研發和生產單位的技術和水平不同，會使最終設計研發制造出的LED恒流驅動產品特性，呈現出明顯的差異。根據實際的發展需求，在工作中不斷對基于DC/DC開關穩壓器大功率LED恒流驅動設計方案進行改進，結合實際案例，提高能源使用效率。