具有自适应功能的多档位恒流LED电源设计

应俊俊，潘黄锋

（赛尔富电子有限公司，浙江 宁波 315103）

0 引 言

随着LED灯具行业的不断扩大，越来越多的人开始接触到LED。LED的高寿命、高光效、无污染、耐振动、抗冲击等特点，使LED成为了第四代照明光源。根据LED的伏安特性，现在一般的LED都以恒流的形式驱动。目前的LED规格繁多，从几十毫安的小功率LED，到一百多毫安的中功率，再到几安培的大功率或COB芯片等各种规格。从而，对LED驱动电源的规格要求也越来越多。市场上就会产生电流档位可调节的LED恒流驱动电源，以满足不同灯具的需求。另外，多数此类电源，往往在调低电流档位的时候，电源的最大输出功率也会随之降低，使得电源的利用率大打折扣，从而降低驱动电源的性价比。本文在常见的小功率隔离反激LED电源拓扑基础上，介绍了档位可调节电源的设计，并实现调节电流之后，能自适应电源最大功率的能力。

1 电路分析与设计

电路原理框图，如图1所示。交流输入电压经过EMI滤波电路，再经过整流滤波后，成高压直流电压。再经高频变压器，将能量传到次级，并通过输出整流滤波电路后，得到低压直流。其中初级的钳位保护电路用于吸收高频变压器初次级漏感引起的尖峰电压，以防止击穿MOS管［1］。电源次级部分通过单片机直接控制电流和电压检测控制回路，再将信号通过光耦反馈到初级开关电源芯片，完成能量的调节，实现整个环路的闭环控制。

图1 电路原理框图

用户可以通过拨码或者电位器，调节得到自己需求的电流（如I1、I2、I3、I4）。档位信号以拨码或电位器的模拟信号经AD转换被单片机接受，单片机再以PWM的输出信号经过RC滤波后对恒流环的基准电压进行调节，实现电流的调节。同时，第二路PWM的输出，调节电压环的基准电压，对电源的最大输出电压进行调节（U3、U2、U1、U0）。最终，实现开关电源的最大功率保持在UI反比例曲线上［2］，起到自适应的功能，如图2所示。

图2 输出电压和电流的匹配图

由此可见，当电源的输出电流减小到一半时（比如由I3减低到I0），电源的最大输出电压会提升到原来的两倍（由U0提升到U2），电源的最大输出功率不变，从而提高电源的利用率。

2 举例说明

以12 W－1000／700／500／350 mA的隔离反激 LED多档位恒流电源为例，着重介绍调节控制部分的设计原理。电路原理图如图3所示。

图3 隔离反激LED调光电源原理图（12 W1 000／700／500／350 mA）

电源正常情况工作在恒流状态，其恒压环路并不起作用。在调节的过程中，要避免两个环路之间产生环路竞争，也不能将两个环路的竞争裕量放的太大，防止电源的过载量太大。也就是说，运放A工作在线性状态，构成运放的负反馈系统，而运放B正常工作在非线性状态，输出为饱和电平，运放工作于饱和区。对于运放A，由于运放开环放大倍数很大，使系统处于深度负反馈状态，其结果使运放的净输入趋于零（UA－＝UA＋），此时运放两输入端可以按“虚短”原则处理［3］。通过调节同相输入端的UA＋电压，运用“虚短”概念，有UA－→UA＋，电源的输出电流Io＝UA－／R2。改变UA＋的电压值，就能实现电源输出电流的调节。对于运放B，电源恒流输出时进入饱和区，饱和限幅，输出不再变化，相当于放大倍数下降，深度负反馈不复存在，“虚短”也就不复存在。在此，运放B输出饱和高电平，D5截止，光耦上的电流受运放A控制。通过调节UB＋的电压，使运放B在恒流输出时工作于非线性状态，以免同运放A产品环路竞争。

两档的拨码开关，可分成四种情况（OFFOFF，ONOFF，OFFON，ONON）。单片机对四种情况下的电阻分压进行AD采样［4］，从而判断用户所选的电流档位。

当用户选择“OFFOFF”时，GP0的采样电压为VDD，即＋5 V。把此状态定义为1 000 mA的恒流输出。此时单片机通过PWM1给出600 Hz占空比为100%的输出，经两级RC滤波后，近似成直流电平，再经电阻分压，成0.2 V的基准电压，此时电源即为1 000 mA的输出。作为12 W的电源，此时的空载电压应在12 V以上，保持2 V的过载量，设定在14 V。通过调节PWM2的占空比为36%，得到恒压基准为0.875 V，此时电源的空载电压即为14 V的输出。

当用户选择“ONOFF”，GP0的采样电压为电阻分压的＋3.33 V，把此定义为700 mA的输出。PWM1将给出70%的占空比，给恒流环提供0.14 V的基准电压，使电源的输出电流为700 mA。作为12 W的电源，此时的空载电压应在17.2 V以上，保持2 V的过载量，设定在19.2 V。通过调节PWM2的占空比为48%，得到恒压基准为1.2 V，此时电源的空载电压即为19.2 V的输出。

当用户选择“OFFON”，GP0的采样电压为电阻分压的＋2.5 V，把此定义为500 mA的输出。PWM1将给出50%的占空比，给恒流环提供0.1 V的基准电压，使电源的输出电流为500 mA。作为12 W的电源，此时的空载电压应在24 V以上，保持2 V的过载量，设定在26 V。通过调节PWM2的占空比为65%，得到恒压基准为1.625 V，此时电源的空载电压即为26 V的输出。

当用户选择“ONON”，GP0的采样电压为电阻分压的＋2 V，把此定义为350 mA的输出。PWM1将给出35%的占空比，给恒流环提供0.07 V的基准电压，使电源的输出电流为350 mA。作为12 W的电源，此时的空载电压应在34.3 V以上，保持2 V的过载量，设定在36.3 V。通过调节PWM2的占空比为91%，得到恒压基准为2.27 V，此时电源的空载电压即为19.2 V的输出。

恒压恒流环基准的分开控制，可以很简单地做到对输出形式的控制。也可以在单片机内做乘法运算，使得电源的恒功率输出。如将拨码开关换成电位器，那么输出电流电压的控制也可以做到无极调节。这里随着电流调节，不断调节限制电压，使得电源基本能工作到最大功率的输出，从而提高电源的利用率。

3 实验结果

调节拨码开关至OFFOFF档位，此时的输出如图4，图5所示。

图4 1 000 mA输出满载与两路PWM图

图5 1 000 mA输出空载电压与两路PWM图

图4所示电流环占空比PWM1输出100%，电压环占空比PWM2输出36%。此时的输出电流为982 mA，带载电压为12.1 V，满载输出功率为0.982×12.1＝11.88 W。空载电压如图5所示为14.2 V。

调节拨码开关至ONOFF档位，此时的输出如图6，图7所示。

如图6所示电流环占空比PWM1输出70%，电压环占空比PWM2输出48%。此时的输出电流为686 mA，带载电压为17.4 V。满载输出功率为0.686×17.4＝11.94 W。空载电压如图7所示19.2 V。

图6 700 mA输出满载与两路PWM图

图7 700 mA输出空载电压与两路PWM图

调节拨码开关至OFFON档位，此时的输出如图8，图9所示。

图8 500 mA输出满载与两路PWM图

图9 500 mA输出空载电压与两路PWM图

如图8所示电流环占空比PWM1输出50%，电压环占空比PWM2输出65%。此时的输出电流为508 mA，带载电压为24.1 V。满载输出功率为0.508×24.1＝12.24 W。空载电压如图9所示26.3 V。

调节拨码开关至ONON档位，此时的输出如图10，图11所示。

图10 350 mA输出满载与两路PWM图

图11 350 mA输出空载电压与两路PWM图

如图10所示电流环占空比PWM1输出35%，电压环占空比PWM2输出91%。此时的输出电流为343 mA，带载电压为34.3 V。满载输出功率为0.343×34.3＝11.76 W。空载电压如图11所示为36 V。

4 结 论

这种电压电流基准均由单片机产生PWM信号，经过两级RC滤波电路转换成直流电平，通过改变PWM的占空比即可以实现改变输出电压和电流的目的。用户根据档位的选择或者电位器的调节，实现电流的选择，同时单片机根据输出电流，自行调节输出电压，使得电源的最大功率保持在额定的输出功率附近，从而提升电源的利用率，提高产品的通用性。

［1］ 李振森，徐军明.50 W高功率因数反激式开关电源箝位电路的研究［J］.电子器件，2009，（6）：1055－1058.

［2］ 沙占友，睢丙东，王彦朋.恒功率输出式单片开关电源的设计原理［J］.仪表技术，2000，（6）：40－41.

［3］ 史正风.集成运算放大器的虚短虚断概念及在线性运算中的应用［J］.电脑知识与技术，2007，（6）：12－93.

［4］ 李全利.单片机原理及接口技术［M］.北京：高等教育出版社，2009.