高电压输入大电流输出恒流源

杨磊，羊彦

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

根据2004年国家建设部的统计结果，我国照明耗电大体占全国发电总量的10%-12%，是三峡水利发电工程全年发电量能力840亿度的两倍多，可以看出路灯照明的节能有很大的潜力，可以带来相当可观的社会与经济效益。

随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。

但是，由于LED灯存在着诸多技术瓶颈问题，使得这种“绿色照明”的高效节能、寿命长的优势未充分发挥；特别是LED路灯，尚未完全被市场接受。因此，提高路灯的电压输入和提高LED路灯的效率已经是迫在眉睫，高电压输入大电流输出恒流源很好的实现70 V以上高电压输入，2 A大电流输出的，把电能利用效率提高到了91%以上。

1 恒流源的基本设计原理设计

恒流源模块由：滤波电路、处理芯片、BUCK电路[1]、保护电路和反馈电路五部分组成，如图1所示。

图1 恒流源主要模块Fig.1 Constant current source modules

其工作原理是：通过控制电路，控制位于主回路的MOS管，使其按要求对恒压源[2]斩波，改变恒定周期中导通时间的长短，以达到恒流控制的目的。由于MOS管工作于开关状态，且开关频率低（约10 kHz），使得开关损耗较低，整体效率较高。通过设定HV9910B的RT电阻实现输出电流的设定，再通过HV9910B控制buck电路输出稳定的恒定电流。

模块的主要作用是 2个方面：1）调整开关电源[3]送来的直流电压，使LED灯工作于恒流状态[4]；2）通过调整电压的升、降，控制LED灯实现降额运行，达到控制路灯亮度的目的。

2 恒流源的具体设计

恒流源的具体设计如图2所示。

2.1 两种工作模式的选择

图2 设计原理图Fig.2 Schematic design

HV9910B有恒定频率模式及恒定关断时间两种模式，选择何种模式取决于驱动器的输出电压VOUT（VLED）与输入电压VIN的比值。在降压式架构中，VIN总是大于VOUT，其比值即占空比D=VOUT/VIN。若D＜0.5时，采用恒定频率模式；若D＞0.5时，则采用恒定关断时间模式。如果在D＞0.5时仍采用恒定频率模式工作，驱动器将进入次谐波振荡状态，将会引起输出电流下降及纹波电流增加的不稳定状态。本电路采用HV9910B的恒定关断模式，将设定关断时间的电阻连接在RT和GATE之间。由于输出输入电压比值大于0.5，所以采用了恒定关断模式，选定开关恒定关断时间为2μs。

2.2 规格要求

输入电压在70 V以上，输出2.2 A恒定电流，恒流源负载为一定数量的串联LED灯，输出电压稳定，恒流源芯片HV9910B的工作状态时恒定关断状态[5]，即MOS管的管段时间恒为2μs，不同输入电压，恒流源芯片通过调节BUCK电路中开关MOSE管的占空比提供稳定的2.2 A电流输出。

3 具体设计

3.1 关断时间设定

toff=（1-Vo/VIN/fosc），输入电压为70 V以上，晶振频率设定为 100 kHz，toff=2 μs。

3.2 晶振电阻RT设定

HV9910B中的振荡器由连接在 RT引脚上的一个电阻控制。振荡器的震荡tosc时间由以下公式计算：tosc=（RT+22）/25，如果电阻连接在 RT和地之间，HV9910B工作在恒定频率模式和上述公式确定的时间期限。如果电阻连接在RT和GATE之间，HV9910B工作在恒定关断时间模式和上述公式确定的关断时间，RT=28 k。

3.3 输出电流

输出电流可以公式：IO=0.25/（1.15×Rcs），当场效应管导通时，流过电感的电流开始增加，流过外部的感应电阻RCS并且在CS脚产生一个斜坡电压。比较器不断地将CS脚的电压和LD脚的电压以及内部250 mV电压进行比较，一旦消隐计时器完成后，这些比较器的输出被允许重新设置触发器。当比较器的任意一个输出变高，触发器复位门输出为低电平。门输出一直为低电平直到振荡器触发SR触发器。

4 BUCK输出电路设计

输出BUCK电路主要包括：MOSE管开关，快恢复二极管，电感和耐高压的CBB电容，如图3所示。

图3 BUCK电路Fig.3 BUCK circuit

该电路中MOS开关要求导通电阻低，开启时消耗能量小，热量低，开启时间在100 ns以内。二极管400 V反向电压，具有8 A的正向电流通过能力，最大反向恢复时间小于50 ns。由于输出电流高达2.2 A，所以选择的电感L1本身最大电流要大于 3 A，电感的大小用：L=Vnom（1-D）Ts/2IO计算，输出电路中均采用了具有损耗极低，介质吸收系数低，绝缘电阻高，频率特性好，自愈性优异，稳定性高特点的高稳定性的400 V CBB335电容，确保输出电压和电流的稳定性。

5 实验现象

把恒流源连入电路，在恒定2.2 A的电流下，根据不同电压输入占空比示波器测开关MOSE管两端的开关占空比，得到的结果如图4、图5所示。

图4 70V输入电压MOSE管开关占空比波形Fig.4 70V input voltage MOSE tube switch duty cycle waveform

图5 85V输入电压MOSE开关占空比波形Fig.5 85V input voltage MOSE switching duty cycle waveform

在不同输入电压情况下，从开关MOSE管的占空比波形图可以看出，在不同输入电压情况下，开关MOSE管的关断时间是恒定的2μs。恒流源芯片，通过改变开关MOES管的开通时间来控制占空比，从而使输出电流为恒定的2.2 A，输出负载LED灯输出电压恒定，所以根据输入电压的不同，恒流源可以改变MOSE管占空比，保持恒定的2.2 A电流输出，实验结果完全符合设计要求。

6 结 论

LED电路照明单灯恒流可以很好的实现稳定，节能的功效。文章介绍了恒流源[6]的主要结构、原理以及具体功能模块，并且得出了实现结果，实现了2.2 A恒定电流输出，通过实现结果数据计算效率高达91%以上，并且恒流源散热性能优良，大范围温度条件下稳定工作，完全符合工业技术要求，应用于路灯照明电路将会节能降耗和节约经济成本。

[1]耿晓静.开关电源中磁性元件的设计 [D].西安：西北工业大学 2011.

[2]王国华，王鸿麟，羊彦，等.便携式电子设备电源管理技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[3]陈传虞，刘明，陈家帧.LED驱动芯片原理与电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[4]毛兴武，毛涵月，毛佳宁，等.LED照明驱动电源与灯具设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[5]陈浩，席光，刘胜.一种精确调光的LED电源设计[J].电源技术，2011，2（35）:218-220.CHEN Hao，XI Guang，LIU Sheng.Design of a precise dimmer of LED power source[J].Power Technology，2011，2（35）:218-220.

[6]Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.