當前全球能源緊缺日益加劇，制約著經濟的發展，節能成為人類面臨的重要課題。在照明領域，被稱為第4 代照明光源或綠色光源的LED 照明產品以節能、環保、壽命長、體積小、堅固耐用等特點吸引著世人的目光。

由于LED 的伏安特性呈現非線性且伏安特性具有負溫度系數的特點，以及生產工藝和生產水平的差異，不同生產廠家生產的同樣功率等級的大功率LED 伏安特性存在差異，即使是同一廠家生產的同一批次的LED,個體間的正向壓降也存在一定差異等原因，為了減少LED 的光衰，延長LED 的使用壽命，LED 的驅動電源采用低壓直流恒流電源。目前，安森美、TI 等世界知名半導體器件公司均推出了適合LED 驅動的DC/DC 專用恒流控制集成電路， 如NCP3066、TPS40211DG 等，該類集成電路具有較高的轉換效率，但該類集成電路價格相對較高，市面上不易購買。針對該問題，本文闡述了基于市面常用的DC/DC 開關穩壓器的恒流穩壓電源的通用設計方法，并給出相關設計實例以及相關測試數據。

1 基于DC/DC 穩壓器的恒流穩壓電源設計 

DC/DC 開關穩壓器自問世以來，廣泛應用于各種電子設備中，用作恒壓源，當負載電流在額定范圍內變化時，其輸出電壓保持不變。DC/DC 開關穩壓器的原理框圖如圖1 所示。

圖1 DC/DC 開關穩壓器原理框圖

DC/DC 開關穩壓器輸出電壓其中Vref為DC/DC 開關穩壓器內部自帶的基準電壓或者用戶外接的基準電壓，R1、R2構成輸出電壓采樣電路，用于設置輸出電壓的大小。當輸出電壓Vout因負載變化而變化時，反饋電壓Vf也隨著變化，DC/DC 穩壓器內部的控制電路根據反饋電壓Vf（采樣電壓）與Vref差值的大小來適當調整功率變換電路的控制參數（如PWM 的占空比等），使輸出電壓穩定在一個固定的值，達到穩壓的目的。

恒流源和恒壓源在電路上的差別反應在兩者的采樣電路采集的對象不一樣。恒壓源為了保持輸出電壓的恒定，需要實時對輸出電壓跟蹤、控制，在負載變化的情況下使輸出電壓不隨負載的變化而變化，而恒流源是指在負載變化的情況下，穩壓器能根據負載的變化相應調整輸出電壓，保持輸出電流不變，恒流源采樣電路采集的是輸出的電流信號，但實際上采集的是經過I/V 轉換后反應電流大小的電壓信號，因此，把輸出的電流信號轉換成電壓信號，輸入到DC/DC 開關穩壓器的反饋引腳，就能實現恒壓源到恒流源的轉變，如圖2 所示。

圖2 DC/DC 開關恒流源原理框圖

DC/DC 開關恒流驅動基于可調輸出的DC/DC 開關穩壓器設計，即輸出電壓采樣電路外置的DC/DC 開關穩壓器設計的，而固定輸出的開關穩壓器是不能設計成恒流源的。無論是功率管集成的還是外置的可調輸出的DC/DC 開關穩壓器，均可設計成恒流源。實質上，固定電壓輸出的DC/DC 開關穩壓器是其內部集成了電壓采樣電路，對外沒有設置反饋引腳，電流反饋信號無法引入誤差放大電路，從而不能設計成恒流源。

在圖2 中，恒流源輸出電流值由于Vref為定值，改變Rs即可改變輸出電流值。恒流原理用式（1）、（2）來說明。



從式（1）、（2）看出，采樣電阻RS 將電流的變化轉化為電壓的變化，DC/DC 開關穩壓器根據變化的量，通過調整相關控制參數，調節其輸出電壓，從而達到恒流的目的。

2 改進方案

DC/DC 開關穩壓器內部集成的常見的基準電壓有1.23 V、1.25 V、2.5 V 和5 V 等，若按圖2 所示，設計成恒流源給工作電流為350 mA 的單顆1 W 的白光LED 供電時，以準電壓為Vref=1.23 V 為例，采樣電阻上的損耗為1.23×0.35=0.430 5 W,忽略DC/DC 變換器及其他損耗， 電源的最高效率為：



若為工作電流為700 mA 的單顆3 W 的白光LED 供電時，采樣電阻上的損耗則更大。為了降低功耗，提高效率，應該盡量選用小阻值采樣電阻，但采用小阻值的采樣電阻后，圖2 中的反饋電壓Vref變小，輸出電流不能達到理想值，為了滿足需求，提高電路對輸出電流變化進行控制的靈敏度，提高恒流精度，需要增加放大電路對采樣信號放大。



當電路進入恒流工作狀態時，輸出電流Iout滿足式（3）：

一般來說，運算放大器的增益都能做到很大，這樣電路中就可以采用很小的采樣電阻，從而達到降低損耗、提高效率的目的。假設采樣電阻采用0.1 Ω， 同樣為工作電流為350 mA 的單顆1 W 的白光LED 供電時，在采樣電阻上的損耗為0.012 25 W.一般來說，通用的運算放大器的工作電流和最大工作電壓分別在1 mA 和30 V 左右，加上運算放大器及其附屬電路的損耗，增加的電路的總損耗大約0.05 W 左右，忽略DC/DC 變換器及其他損耗，效率最高可達

效率明顯提高。

將式（3）變換得出：

由式（4）可以看出，合理設置電阻Rf、R1和Rs的值，即可獲得所需的輸出電流值，并能獲得理想的效率。

3 設計實例

目前，在市面上可以找到很多價格低廉、性能優良的可調輸出的DC/DC 單片集成開關穩壓器或者控制器， 如LM2577 -ADJ、LM2596 -ADJ、LT1086 -ADJ、TL494、MC34063等，LM2596-ADJ 是LM2596 中可調輸出電壓的電源管理單片集成電路， 內部集成固定頻率發生電路以及頻率補償電路，最大輸出電流可達3 A,具有功耗小（待機電流僅80 μA）、效率高、過熱保護和限流保護功能、很好的線性和負載調節、外圍電路簡單等特性。圖3 所示是基于LM2596-ADJ 的LED開關恒流穩壓電源。

圖3 基于LM2596-ADJ 的LED 開關恒流穩壓電源

該電路中，含有電壓控制環路和電流控制環路兩個環路。電壓控制環路由運算放大器U2A、R1、R5組成，用于控制電源的最大輸出電壓，其輸出電壓Vout由式（5）表示。



式（5）中， Vref=1.23 V,VD=0.4 V.由式（5）可以看出，改變R1和R5的參數就能改變最大輸出電壓的值。在LED 驅動電路的實際應用中，Vout應高于實際的負載電壓，并且負載電壓VLoad應滿足式（6） ,電源才能自動工作于恒流模式。



電流控制環由運算放大器U2B、R7、R3、C2、R6、R2、C5組成。電源的輸出電流Iout由式（7）表示。



由式（7）看出，改變R2、R6或者R7的值，即可改變輸出電流的值。當輸出電流較大時，R7可以采用阻值更小的電阻，以降低功耗。

Q1、R4、C6、ZD1 構成運算放大器的供電穩壓電路，保證給運算放大器的供電電壓不超過其最大允許工作電壓。

D6、D7 組成電壓反饋環路和電流反饋回路自動切換控制電路。當電源工作在恒壓模式時，由于負載電流小，U2B 的輸出電壓V2小于U2A 的輸出電壓V1, 此時D6 導通，D7 截止， U2B 的輸出不影響U2A 的輸出；當負載電流增大到設定值時，U2B 的輸出電壓V2大于U2A 的輸出電壓V1, 此時電源自動切換到恒流模式，D7 導通，D6 截止， U2A 的輸出不影響U2B 的輸出。2 個控制環路中，同時只有一個控制環路起主導控制作用。當電壓控制環路起主導作用時，輸出電壓不隨負載電流的變化而變換，保持恒定值，相當于恒壓源；當電源輸出電流增大，達到設定值時，電源自動轉入恒流模式，電流控制環路起主導作用，輸出電壓隨負載的變化而變換，輸出電流值保持恒定，相當于恒流源。

表1 和表2 是基于LM2596-ADJ 的LED 開關恒流穩壓電源的相關實測數據，表1 中的理想效率是按照式（8），且在開關頻率為150 kHz、開關時間Ts為0.3 μs 的條件下計算而得：


表1 效率測試數據


表2 恒流精度測試數據


式（8）為最理想的開關損耗情況下，Buck 調整器的效率計算公式，式中，Vdc為電源的輸入電壓。

從表1 的測試數據來看，實測效率與理想效率接近，且超過了87%,接近88%.這主要是因為實現恒壓源到恒流源轉變所增加的小阻值采樣電阻以及低功耗的運算放大器等附加電路，并沒有明顯增加電源的總損耗。

從表2 的數據來看，電源的恒流誤差小于1%,具有相當高的恒流精度。這是因為負載上電流的很小變化，經過運算放大器放大后，都能被控制電路感知，從而使輸出電流保持在一個穩定的值。

根據式（7），輸出電流


但由于電路中的二極管D7 處于微導通狀態，導致電源的實際輸出電流值與計算值存在一定偏差，但誤差很小，可以通過修改反饋電阻的值，獲得理想的電流值。

4 結束語

基于LM2596-ADJ 的LED 開關恒流穩壓電源已經投入實際使用，且長期工作穩定可靠，該電路的成功設計，說明了利用市面常用DC/DC 穩壓器設計成高效的LED 恒流驅動的方法的可行性，且取材廣泛，成本低。從實驗數據可以看出，電路具有恒流精度高、效率高。該電源電路不僅可用于大功率LED 驅動，還可用于電池充電等。