基于LM2596-ADJ-DCDC稳压器的高效率恒流稳压电源设计最新版本

1、基于 LM2596-ADJ DC/DC稳压器的高效率恒流稳压电源设计开关恒流稳压电源LED DC/DC当前全球能源紧缺日益加剧，制约着经济的发展，节能成为人类面临的重要课题。在照明领域，被称为第照明光源或绿色光源的LED照明产品以节能、环保、寿命长、体积小、坚固耐用等特点吸引着世人的目光。由于LED的伏安特性呈现非线性且伏安特性具有负温度系数的特点，以及生产工艺和生产水平的差异，不同生产厂家生产的同样功率等级的大功率LED伏安特性存在差异，即使是同一厂家生产的同一批次的LED，个体间的正向压降也存在一定差异等原因，为了减少LED的光衰，延长LED的使用寿命，LED的驱动电源采用低压直流恒流电源

2、。目前，安森美、TI等世界知名半导体器件公司均推出了适合LED驱动的DC/DC专用恒流控制集成电路， 如NCP3066、TPS40211DG等，该类集成电路具有较高的转换效率，但该类集成电路价格相对较高，市面上不易购买。针对该问题，本文阐述了基于市面常用的DC/DC开关稳压器的恒流稳压电源的通用设计方法，并给出相关设计实例以及相关测试数据。1基于DC/DC 稳压器的恒流稳压电源设计DC/DC开关稳压器自问世以来，广泛应用于各种电子设备中，用作恒压源，当负载电流在额定范围内变化时，其输出电压保持不变。DC/DC开关稳压器的原理框图如图1所示。Ojt pjtInputFBiirjilU T 最新范

3、本，供参考!图1 DC/DC开关稳压器原理框图DC/DC开关稳压器输出电压:I阿二（1+与-）x1 t 1R1、R2构成输出电压采样电其中Vref为DC/DC开关稳压器内部自带的基准电压或者用户外接的基准电压,路，用于设置输出电压的大小。当输出电压Vout因负载变化而变化时，反馈电压Vf也随着变化，DC/DC稳压器内部的控制电路根据反馈电压Vf （采样电压）与 Vref差值的大小来适当调整功率变换电路的控制参数（如PWM的占空比等），使输出电压稳定在一个固定的值，达到稳压的目的。恒流源和恒压源在电路上的差别反应在两者的采样电路采集的对象不一样。恒压源为了保持输出电压的恒 定，需要实时对输出电压

4、跟踪、控制，在负载变化的情况下使输出电压不随负载的变化而变化，而恒流源是指 在负载变化的情况下，稳压器能根据负载的变化相应调整输出电压，保持输出电流不变，恒流源采样电路采集的是输出的电流信号，但实际上采集的是经过I/V转换后反应电流大小的电压信号，因此，把输出的电流信号2所示。转换成电压信号，输入到DC/DC开关稳压器的反馈引脚，就能实现恒压源到恒流源的转变，如图图 2 DC/DCDC/DC压器设计的,OatpjtT虽査放久电r II rel开关恒流源原理框图开关恒流驱动基于可调输出的IT flDC/DC开关稳压器设计，即输出电压采样电路外置的DC/DC开关稳而固定输出的开关稳压器是不能设计成

5、恒流源的。无论是功率管集成的还是外置的可调输出的DC/DC开关稳压器，均可设计成恒流源。实质上，固定电压输出的DC/DC开关稳压器是其内部集成了电压采样电路，对外没有设置反馈引脚，电流反馈信号无法引入误差放大电路，从而不能设计成恒流源。在图2中，恒流源输出电流值:由于Vref为定值，改变 Rs即可改变输出电流值。恒流原理用式（1 ）、（ 2 ）来说明。r|<JF?"匸匸三抽整（I 广1 G>*JE T>Ul *从式（1 ）、（ 2）看出，采样电阻 RS将电流的变化转化为电压的变化，DC/DC开关稳压器根据变化的量，通过调整相关控制参数，调节其输出电压，从而达到恒流的

6、目的。2改进方案DC/DC开关稳压器内部集成的常见的基准电压有1.23 V、1.25 V、2.5 V和5 V等，若按图2所示，设计成恒流源给工作电流为350 mA的单颗1 W的白光LED供电时，以准电压为 Vref=1.23 V 为例，采样电阻上的损耗为1.23 X 0.35=0.430 5 W ，忽略DC/DC变换器及其他损耗，电源的最高效率为:若为工作电流为700 mA的单颗3 W的白光LED供电时，采样电阻上的损耗则更大。为了降低功耗，提高效率，应该尽量选用小阻值采样电阻，但采用小阻值的采样电阻后，图2中的反馈电压 Vref变小，输出电流不能达到理想值，为了满足需求，提高电路对输出电流变

7、化进行控制的灵敏度，提高恒流精度，需要增加放大电路对采样信号放大，如图 3所示。OutJnput欢直屯昨丄 f一1列! AL4图3改进的DG/DC开英靶激Jfe尿理框囲图3改进的DC/DC开关恒流源原理框图当电路进入恒流工作状态时，输出电流lout满足式（3）:一般来说，运算放大器的增益都能做到很大，这样电路中就可以采用很小的采样电阻，从而达到降低损耗、提高效率的目的。假设采样电阻采用0.1 Q,同样为工作电流为 350 mA的单颗1 W的白光LED供电时，在采样电阻上的损耗为 0.012 25 W. 一般来说，通用的运算放大器的工作电流和最大工作电压分别在1 mA和30 V左右，加上运算放大

8、器及其附属电路的损耗，增加的电路的总损耗大约0.05 W左右，忽略DC/DC变换器及其他损耗，效率最高可达:)xl()()%=69.24%效率明显提高。将式（3）变换得出:人尸（人什魚）x/t(4)最新范本，供参考!由式（4）可以看出，合理设置电阻Rf、R1和Rs的值，即可获得所需的输出电流值，并能获得理想的效率。3设计实例DC/DC单片集成开关稳压器或者控制器,目前，在市面上可以找到很多价格低廉、性能优良的可调输出的 如 LM2577 -ADJ、LM2596 -ADJ、LT1086 -ADJ、TL494、MC34063 等，LM2596-ADJ 是 LM2596 中可调输出电3A，具有功压的

9、电源管理单片集成电路，内部集成固定频率发生电路以及频率补偿电路，最大输出电流可达 耗小（待机电流仅 80 uA）、效率高、过热保护和限流保护功能、很好的线性和负载调节、外围电路简单等特性。图4所示是基于LM2596-ADJ的LED开关恒流稳压电源。1>15:|如14=- 1三 iKi iti d-亦LUI ?: J .1、图4基于LM2596-ADJ的LED开关恒流稳压电源该电路中，含有电压控制环路和电流控制环路两个环路。电压控制环路由运算放大器U2A、 R1、 R5 组成,用于控制电源的最大输出电压，其输出电压Vout由式（5）表示。I 顽二 I +)X( Ip)A 3式（5）中，Vr

10、ef=1.23 V , VD=0.4 V.由式（5）可以看出，改变 R1和R5的参数就能改变最大输出电压的值。在LED驱动电路的实际应用中，Vout应高于实际的负载电压，并且负载电压VLoad应满足式（6），电源才能自动工作于恒流模式。二（J斥 1+儿(6)最新范本，供参考!电流控制环由运算放大器U2B、R7、R3、C2、R6、R2、C5组成。电源的输出电流lout由式（7）表示。"斥必（1+用2"）由式（7）看出，改变 R2、R6或者R7的值，即可改变输出电流的值。当输出电流较大时,R7可以采用阻值更小的电阻,以降低功耗。Q1、R4、C6、ZD1构成运算放大器的供电稳压电

11、路，保证给运算放大器的供电电压不超过其最大允许工作电压。D6、D7组成电压反馈环路和电流反馈回路自动切换控制电路。当电源工作在恒压模式时，由于负载电流小,U2B的输出电压 V2小于U2A的输出电压 V1 ,此时D6导通，D7截止，U2B的输出不影响 U2A的输出;当负载电流增大到设定值时,U2B的输出电压 V2大于U2A的输出电压 V1 ,此时电源自动切换到恒流模式,D7导通，D6截止，U2A的输出不影响U2B的输出。2个控制环路中，同时只有一个控制环路起主导控制作用。当电压控制环路起主导作用时，输出电压不随负载电流的变化而变换，保持恒定值，相当于恒压源；当电源输出电流增大，达到设定值时，电源

12、自动转入恒流模式，电流控制环路起主导作用，输出电压随负载的变化而变换，输出电流值保持恒定，相当于恒流源。1中的理想效率是按照式表1和表2是基于LM2596-ADJ的LED开关恒流稳压电源的相关实测数据，表（8），且在开关频率为 150 kHz、开关时间Ts为0.3 US的条件下计算而得:汁(/o+l MBT表1效率测试数据输入 屯爪八输入 电逾# IJJ)數/个负较 电爪八输出电 泅理蹩实薦24；tC(l0.)73x( 1W 1(J.U6KS.32SI J2?4.0?<1112554x( 1w1.<7990,37(19 UnS4,7124JE(10.513>x( 1氐）17.

13、2500.57592/19S6.(U26.036(L33()1W 120.269037393,5SS7.992X.O19().3 KJ6x ( IH2( J. 27()f)J7695.45S7.75，利 UKM(J.2S96x ( 1W 20.2750,37695,32S7.65表2恒流精度测试数据输人电压八输出电;逾八i.Kh数/卜22.l)2(i(13735x1 1 W )24.07(J(13755x1 I W )26.( J5(1)3765x1 1 W )2s.ni<»0J765x1 I W)50.( WOt)3765x( 1 V )()如(祁765x1 1 i0.376

14、1 W )gitit测试仪:吐片T003LJ 数a厲流隐压电源J LI kr KKJX 5=1/2测试S件川卜“般热良好式（8）为最理想的开关损耗情况下，Buck调整器的效率计算公式，式中， Vdc为电源的输入电压。87%，接近88%.这主要是因为实现恒压源到恒从表1的测试数据来看，实测效率与理想效率接近，且超过了 流源转变所增加的小阻值采样电阻以及低功耗的运算放大器等附加电路，并没有明显增加电源的总损耗。从表2的数据来看，电源的恒流误差小于1%，具有相当高的恒流精度。这是因为负载上电流的很小变化，经过运算放大器放大后，都能被控制电路感知，从而使输出电流保持在一个稳定的值。根据式（7），输出电流:R,x( 1" (k I x( I+43/L0)A但由于电路中的二