基于LM2596的高效LED驱动

目 录摘要3设计任务与要求：31.1基本部分31.2发挥部分42、方案设计与论证42.1方案一42.2方案二42.3论证43、硬件单元电路设计与参数计算43.1电路总原理图43.2滤波电路53.3 LM2596芯片介绍63.4 BUCK电路分析83.5反馈电流电路103.6工作过程介绍114、总原理电路及元器件清单114.1原理图114.2 PCB114.3原件清单125、安装与调试125.1电路安装126、性能测试与分析137、结论与心得138、致谢13摘要随着大功率LED在灯光装饰和照明中的普遍使用，大功率LED驱动电路设计显得越来越重要。在LED迅速发展的今天，LED驱动电路也随之快速跟进，多种驱动方式并存，不同的设计方案在完善。在LED照明领域，没有好的驱动器的匹配，LED照明的优势将无法体现。大功率LED是电流型器件，严格的控制流过LED的电流是恒定的及其重要，而且还要实现可以对LED调光，满足各种需求。本论文对LED的驱动探讨，并设计基于LM2596的恒流源驱动电路，实现恒流驱动和亮度的调节，本设计电路组成部分主要有经典的开关电源BUCK和电流采样回路电路。电流反馈回路借助于TL431实现。关键词：LED；LM2596；BUCK；TL431；开关电源设计任务与要求：1.1基本部分1、采用3个功率为1W的高亮度LED串联组成光源，系统供电电压为15V25V，在供电电压变化的过程中，保持LED亮度恒定（电流不变）；2、灯功率：2.50.5W，电源效率60%1.2发挥部分1、灯功率：3.00.2W，电源效率80%；2、可手动调整LED照明亮度；3、其他注：1W白光LED 极限工作电流为 360 毫安。2、方案设计与论证2.1方案一使用运放与三极管结合构成了经典的恒流源电路，通过运放的虚短、虚断特性，给加到采样电阻上嵌着电压从而实现恒流，并通过调整运放的正向端的电压大小改变电流的大小，三极管则实现电流的放大，因为运放流过的电流是很小的。这种方法电路简单，但是效率比较低。2.2方案二使用稳压电源开关芯片LM2596作为电压转换芯片，通过构造BUCK实现降压，在输出端加上一个阻值很小的采样电阻实现电流的采样，在通过TL431电压的台升后，通过分压的方式实现电源芯片的反馈。通过调节分压电阻的分压情况实现电流大小的调节。这种方法电路同样也是简单容易实现，由于用到开关电源，所以效率比较高。2.3论证由上述两个方案可以得出接下面结论，方案一，虽然电路简单易容实现，也可以实现电流大小的调节，但是要实现题目要求的高效是不能实现的，方案二，的电路同样也是简易，而且开关电源的效率高，要实现题目的要求很容易实现。3、硬件单元电路设计与参数计算3.1电路总原理图 图3.1上图3.1为整个设计的总原理图，电路元器件虽然比较少，但是已经包含很多模块电路，是的电路能够实现恒流源的调节，其中包含有滤波电路、BUCK电路、电流采样电路、反馈电路、分压电路和一些去干扰电路。滤波电路主要实现的功能是去掉外电源带来的高频干扰和为点电压,LM2596与外围组成的BUCK主要是实现降压，而TL431芯片则是联通采样电阻和LM2596反馈引脚的桥梁，分压电路则是用来调节电流的大小。3.2滤波电路 图3.2.1滤波电路选用一个220F 的电解电容和一个104F 的小容量瓷片并联滤波，如下图。理论上，在同一频率下容量大的电容其容抗小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2 不起作用。但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，几乎不存在电感。在大电容C1 上并联一个小电容C2 可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时，小电容不工作（容抗大相当于开路）。当电路的工作频率比较高时（输入信号的高频干扰成分），大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频干扰成分通过小电容流到地线，滤除各种高频干扰成分。而电容大小的选择则可以根据输出端输出电流的大小决定，一般都为均方根的1/2倍以上，由下电容大小与均方根的关系图知道，如图3.2.1图3.2.2本设计选用的是耐压值35V，220uf的电容，由上图可以容易看到，这样的参数完全能满足题目的要求。3.3 LM2596芯片介绍LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。芯片型号有LM2596 3.3、 LM2596 5.0、LM2596 ADJ、 LM2596 12.，典型的DC-DC结构是如图3.3.1：图3.3.1芯片的效率如图3.3.2： 图3.3.2如图可以看出，当输入为25V输出为15V时效率可以达到90%，所以能轻易的实现题目的求。参数计算：3.4 BUCK电路分析图3.4.1电感的选参照下图3.4.2 图3.4.2输出选用电容参照图3.4.3图3.4.3最终输出的电容电感分别为220uf、33uH，肖特基二极管选用的是2A，40V。都能满足题目的要求。BUCK电路分析图3.4.4图3.3.4注：左下：开关导通时等效电路；右下：开关关断时等效电路（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有：电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。3.5反馈电流电路图3.5图中R1为采样电阻，TL431相当于一个稳压管，3脚输出的电压为（2.5+I*0.22）V，所这样采样电阻上的电流就可以响应到TL431中，TL431通过分压电路把电流反馈量加载到LM2596的反馈脚上，从而实现了恒流和电流调节作用。当电流大于设定电压的时候，当分压电路的分压大小不变的时候，分压到LM2596的反馈引脚就回大于典型值1.23V，这是LM2596内部就会进行自动调节输出占空比，从而减少电流的输出。3.6工作过程介绍外部电源接入到电路中，通过LM2596降压，给LED供电，通过采样电阻对电流的采样实现电路的恒流作用，同过调节电位器的分压值大小来调节电流的大小。4、总原理电路及元器件清单4.1原理图4.2 PCB4.3原件清单芯片二极管电容电感电阻LM2596*1肖特基二极管SR2100*1104*433uh*1103电位器*1TL431*1220uf*2*11采样电阻0.22*1限流电阻10k*15、安装与调试5.1电路安装本PCB用了大量的敷铜是为了给芯片进行散热，选用的芯片是贴片的，所以焊接比较难点，由于是开关电源所以布线不合理也会造成效率的降低。6、性能测试与分析通过测试可得输入电压20V，电流0.17A，输出电压9.55V，电流0.3A可以算出电路效率为89%。满足题目要求。7、结论与心得第一次调试