LED闪光灯电源的研究与设计*

邓 云

（广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系，广西 南宁，530226）

LED闪光灯电源的研究与设计*

邓 云

（广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系，广西 南宁，530226）

该文设计了一种高效率的恒流电源，将电池电能通过DC/DC升压、单片机调节控制和恒流驱动等方式，实现多档位恒流驱动LED功能。实验表明，该恒流电源输出电流相对误差小于1%，输出电流200mA、输出电压10V时，效率86%，满足恒流电源预期设计指标。

恒流电源；LED；DC/DC升压

引言

根据LED的U/I特性曲线可知，在LED正向导通的情况下，微小的电压变化会引起较大的电流变化，意味着LED的动态阻抗较小，LED更适合用恒流电源驱动，因此，在一些需要携带LED照明的特定场合，研究电池恒流驱动LED具有一定的应用价值。2015年全国大学生电子设计竞赛题目“LED闪光灯的电源设计”就是要求设计基于DC/DC升压的高效率恒流电源。

1 系统方案设计与实现

1.1 电路总体方案设计

本系统主要由单片机模块、升压控制电路、场效应管输出控制电路、电流检测电路、恒流驱动控制电路、过载报警电路和LCD显示等模块组成，电路总体框图如图1所示。

为了实现高效率的直流恒流电源的设计目标，系统需要能够完成高转换效率的DC/ DC升压控制电路，通过DC/DC变换器将外部电源输入的3～3.6V低压升高至10.3V输出，用户可以通过键盘选择切换至不同电流输出模式，然后通过电流驱动电路实现恒流输出，以供负载使用。控制系统选用简单易用的51单片机即可实现控制目标，主要功能包括：具有连续和脉动两种输出模式，连续模式下有100、150、200mA三档，脉冲模式下有300、450、600mA三档，当输出电流为200mA档位时，输出电压为10V，效率不低于80%，具有负载过载报警功能。

图1 LED闪光灯电源框图

1.2 DC/DC电源升压电路

DC/DC电源升压电路主要由TP3605芯片、肖特基二极管D1和高频电感L1等元件构成，电路工作原理图如图2所示。TP3605输入电压范围是2.5～5.5V，输出电压范围是2.5V～24V，最大输出电流1.2A，内部集成2.1A/200mΩ主开关、上下桥MOS，工作频率为1MHz，最高效率可达94%。

图2 升压DC/DC电路

TP3605的1脚输出高频方波信号，用于控制电感L1的储能与释能，当1脚为低电平时，二极管D1截止，电感L1开始储能，电容C2负责向负载电路供电，输出电压呈下降趋势；当1脚输出高电平时，二极管D1导通，外部输入电压UIN叠加储能电感L1的电压同时向电容C2和负载供电，输出电压呈上升趋势。由于TP3605工作在1MHz的高频开关状态，输出端电压最终会维持在一个相对稳定的电压值。TP3605的第3脚是内部误差电压放大器反馈输入端，FB引脚对地电压为0.6V，输出电压VOUT=0.6*(R1/R2)+1，因此，输出电压可以通过调整电阻R1与R2的比值来获得。

图3 恒流控制电路

1.3 恒流控制电路

恒流控制电路主要由取样电阻R3、场效应管IRF640和集成运放LM358等元件组成，电路如图3所示。运放LM358工作于放大状态，利用运放虚短的特点，其同相端电压和反相端电压几乎相等，且流经反相端的电流几乎为零，因此，取样电阻R3两端电压UR3等于外部输入UIN，另外，场效应管源极与漏极电流相等，既流经负载RL与取样电阻R3的电流相等，输出电流IL=IR3=UIN/R3，由此可知，流经负载电流只受外部输入电压UIN和取样电阻R3共同决定，即实现恒流输出控制。

1.4 电流档位控制电路

本系统共有六个电流档位，连续模式下有100、150、200mA三档，脉冲模式下有300、450、600mA三档，因此，为了提高各种模式下输出电流的精度，每一种工作模式都采取独立控制的方式，利用4067作为模式选择电子开关，其引脚的A、B、C、D为支路选择控制端，通过单片机编程控制实现工作模式选择。电流档位控制硬件电路如图4所示。

1.5 超限报警电路

当等效直流负载电阻过大导致输出电压超过10.3V时，蜂鸣器将发出声响报警。由于输出端负载浮地，为了获得负载两端电压，需要采用差分电路对输出电压进行检测，放大倍数为原信号电压的一半，既对输出信号电压做二分之一衰减处理，以便送入电压比较器与参考电压做比较，当输出电压超过设定值10.3V时，电压比较器输出高电平，驱动蜂鸣器工作，发出声响报警。

2 测试结果

2.1 连续输出电流测试

在输出端外接一个滑动变阻器作为负载电阻，利用电流表串联测量支路电流，然后分别选择不同连续输出电流档位进行测试，记录结果如表1所示。根据表1测量结果可知，输出电流相对误差均小于1%，达到预期设定目标。

图4 档位选择控制电路

表1

2.2 效率测试

选择输出200mA电流档位，接入50欧姆负载电阻，既输出电压UOUT=10V，此时的输出功率POUT=UOUT*IOUT=10V*0.2A=2W，然后，利用万用表分别测量实际输入电压Uin和实际输入电流Iin，即可获得实际输入功率PIN=Uin*Iin，根据效率计算公式可得η=POUT/ PIN*100%，实际测量数据如表2所示。根据表2可知，在连续输出200mA电流、10V电压模式下，系统效率为86%，超过预定80%效率的目标。

表2

2.3 脉动输出电流峰值测试

分别选择300mA、450mA、600mA脉动档位输出电流，输出端接10欧姆固定负载电阻，由于输出信号为脉动模式，因此，需要通过示波器测量固定负载电阻两端电压UOUT波形，然后利用公式IOUT=UOUT/R间接计算输出电流大小。实际测量数据如表3所示，根据表3可知，在脉动输出电流模式下，峰值电流相对误差均小于5%，间歇电流小于1mA，均满足预设指标。

表3

3 结束语

经过系统方案研究、电路设计和软件编程等步骤完成了LED闪光灯电源的设计与制作，实现了电池电压源到电流源的转换，设计电路能够直接驱动LED闪光灯，输出电流带有LCD液晶显示，通过键盘可以调节电流输出模式。该电路经过上电测试及综合数据分析，电路连续电流输出、脉动电流输出、200mA电流输出的整机效率和电压超限报警等功能指标均符合设计目标要求。同时，与之相关的设计作品“LED闪光灯的电源设计”也获得了2015年全国大学生电子设计竞赛全国一等奖。

[1]王辉，王松林,来新泉.同步整流降压型DC-DC过零检测电路的设计[J].固体电子学研究与进展，2010(2):276-280.

[2]林列.一种升降压型DC-DC转换器的研究与设计[D].天津：天津大学，2010.

[3] BRIANL．针对便携式应用的LED驱动解决方案[J]．电子产品世界，2008（3）：131-133.

[4]张彦科，鲍嘉明．一种基于升压DC-DC变换器的白光LED驱动芯片[J].微电子学，2011，41(4): 525-527，535.

Research and Design on the Power Supply of LED Flashlight

Deng Yun
(Department of Computer and Electronic Information Engineering, Guangxi Vocational & Technical College, Nanning, Guangxi, 530226)

This paper designs a high-efficient power supply with constant current, in which the LED function driven by multi-switching constant current is realized by boosting DC/DC voltage of electric energy, adjusting of micro-controller and constant current drive. The results of the experiment show that the related error of the output current of this power supply is below 1 %, when the output current is 200mA and the output voltage is 10v, the efficiency is 86 %, which meets with the expected design index of constant current.

constant current; LED;DC/DC voltage boosting

TM923.02

A

1674-3083（2016）06-0023-04

2016-11-03

广西职业技术学院科研项目（161215）。

邓云（1983—），男，广西全州人，硕士，讲师，主要从事电子技术教学与研究。