基于DC/DC开关稳压器下大功率LED恒流驱动设计的分析

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 朱奔腾

引言

随着我国国民经济的发展，以及人民生活水平的提高，社会各界对于我国数控电源优化设计，特别是在能源紧张背景下，基于DC/DC开关稳压器大功率LED恒流驱动设计方案，关注程度越来越高。目前，我国已经进入到了第四代绿色光源的发展阶段。LED照明设备，具有节能、高效和环保的特点。如何合理应用DC/DC开关稳压器，实现大功率LED恒流驱动设计，成为了相关领域工作人员的工作重点之一。

1.大功率LED恒流稳压电源设计方案对比

1.1 DAC数控电源

基于DAC的数控电源工作设计模式，主要应用的是MCU，将MCU作为数控电源的控制单元，可以改变DAC的输入数字量，从而达到控制输出电压的目的。此种方式，可以是输出功率管的控制电压，发生较为明显的变化，间接地改变，电压输出过程中的电压大小。为了使系统具备检测实际输出电流值大小的能力，可以通过对输出电压和电流进行采样，用MUC对系统内部的电压和电流进行实时监管控制[1]。

1.2 MOS管数控电源

MOS管数控电源系统中，功率放大元件，始终处于“线性连续”的工作状态。并且，功率放大元件自身的功率损耗性较高。电源整体效率较低。当MOS管处于“开关”的工作状态下时，可以进一步提高数控电源的工作效率。比如，在50Hz220V的交流电，经过电网滤波器的滤波作用之后，会再次进入到整流滤波器中，形成直流电压。利用微控制器中的高速通道，可以定时收集系统输出的电压和电流值，与设定值比较之后，再根据误差和算法，调节PWM控制信号脉宽。

1.3 基于DC/DC开关稳压器数控电源

目前，在我国数控电源领域，基于DC/DC开关稳压器，已经被广泛地应用到了各种不同类型的电子设备之中。此种类型的数控电源，作为恒压源，具有极强的稳定性。当负载电流在额定范围内发生明显变化时，输出的电压可以始终保持不变。基于DC/DC的数控电源包括了电压反馈电流和电流反馈电路两个部分。

2.基于DC/DC开关稳压器大功率LED恒流驱动设计方案改进

在DC/DC开关稳压器内部，常见的集成基准电压分别为1.23V、1.25V、2.5V和5V。在对设计方案进行优化的过程中，设计团队要根据不同的基准电压类型，对恒流源的工作电流进行设计。一般来说，将电流控制在350mA、单颗1W白光LED设备，可以持续稳定发光时，可以达到良好的优化效果。以1.23V的基准电压为例，在进行优化设计的过程中，工作人员首先对采样电阻的损耗情况进行了计算。电阻损耗R=1.23×0.35=0.4305。在计算的过程中，为了方便运算，会将DC/DC开关稳压器以及其他损耗忽略不计。此时，系统的电源可以达到最大功率：

当工作电流为700mA、单颗3W的白光LED可以持续发光时，采样电阻的损耗会在此基础上，进一步扩大。

因此，为了减少功率的损耗，提高数控电源的工作效率。在进行方案设计优化的过程中，工作人员要尽可能地选择小阻值的采样电阻。但与此同时，工作人员要进一步明确，一旦采用了小阻值的采样电阻，系统当中的反馈电压值会降低，输出的电流不能达到额定数值。经过设计团队的多次反复试验，最终采取了增加放大电路的方式，达到采样信号放大的效果[2]。

在电路进入到恒流的工作状态之时，整个电力系统的输出电流，满足下方公式：

一般来说，当运算放大器的增益不断扩大的过程中，电路可以通过较小的采样电阻，达到降低能耗提高效率的目的。假设系统应用0.1Ω的采样电阻，同样在350mA、单颗1W白光LED持续稳定发亮时，采样电阻的损耗会降低到0.01225W。可见，运算放大器的最大电压和工作电流，分别可以达到30V和1mA。加上运算放大器自身以及所属电路的损耗，电路系统的总能耗也不会超过0.05W。忽略DC/DC开关稳压器和其他损耗，系统最终的运行效率可以提升到：

3.基于DC/DC开关稳压器大功率LED恒流驱动设计实例

通过分析基于DC/DC开关稳压器大功率LED恒流驱动设计的实例，可以了解到DC/DC开关稳压器设备和技术，在实际操作环节中的应用效果。目前，市场环境中，有较多价格相对低廉，并且品质优秀的DC/DC开关稳压器和DC/DC单片集成开关稳压器和控制器设备，其中，最具有代表性的为LM2596-ADJ型号的DC/DC开关稳压器。该设备是LM2596当中，可以实现输出电压调节的单片集成电路。系统内部具有固定的频率，并且可以针对发生电路的实际情况，进行功率补偿。该设备的最大输出电流可以达到3A，并当设备处于待机状态时，电流仅为80μA，设备的总能耗较低，效率高。不仅如此，该设备还拥有良好的限流保护和过热保护功能，当系统处于非正常运转时，可以科学地完成系统线性和负载调节。

该电路系统中，拥有电压和电流两个控制环路。其中，电压控制环路在运算放大器作用下，主要用于对电源的最大输出电压进行控制，输出电压可以用公式表示：

其中，Vref=1.23V，V0=0.4V。根据上方公式可以看出，将R和R`的参数进行调整，就可以达到改变电源最大输出电压值的目的。在LED驱动电路的实际应用环节中，输出电压要明显高于额定电压。此时，系统的负载电压要满足下方公式（4），才能确保电源始终处于自动恒流模式：

根据上方的公式可以看出，当系统内部的电压反馈环路与电流反馈环路，始终处于自动切换控制电路中时，系统的电源工作电压在恒压模式下。当负载电流减小时，输出电压会小于额定电压；当负载电流增大时，输出电压会切换到恒流模式当中。随着电源输出总量扩大，达到额定值时，系统电源会自动进入到恒流模式，此时电流控制环路会起到主导作用。在理想的开关能耗条件下，DC/DC开关稳压器的效率不会产生变化。根据公式（4），以及试验环节中得到的数据，可以计算出实测效率，将其与理想效率进行比对，可以判断系统电源能耗是否增加。

总结

综上所述，基于DC/DC开关稳压器大功率LED恒流驱动设计，可以在原有的基础上，充分地发挥出LED恒流驱动电源的非线性伏安特征。不同设计研发和生产单位的技术和水平不同，会使最终设计研发制造出的LED恒流驱动产品特性，呈现出明显的差异。根据实际的发展需求，在工作中不断对基于DC/DC开关稳压器大功率LED恒流驱动设计方案进行改进，结合实际案例，提高能源使用效率。