中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 朱奔騰
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以及人民生活水平的提高,社會各界對于我國數(shù)控電源優(yōu)化設(shè)計,特別是在能源緊張背景下,基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案,關(guān)注程度越來越高。目前,我國已經(jīng)進(jìn)入到了第四代綠色光源的發(fā)展階段。LED照明設(shè)備,具有節(jié)能、高效和環(huán)保的特點。如何合理應(yīng)用DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器,實現(xiàn)大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計,成為了相關(guān)領(lǐng)域工作人員的工作重點之一。
基于DAC的數(shù)控電源工作設(shè)計模式,主要應(yīng)用的是MCU,將MCU作為數(shù)控電源的控制單元,可以改變DAC的輸入數(shù)字量,從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。此種方式,可以是輸出功率管的控制電壓,發(fā)生較為明顯的變化,間接地改變,電壓輸出過程中的電壓大小。為了使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電流值大小的能力,可以通過對輸出電壓和電流進(jìn)行采樣,用MUC對系統(tǒng)內(nèi)部的電壓和電流進(jìn)行實時監(jiān)管控制[1]。
MOS管數(shù)控電源系統(tǒng)中,功率放大元件,始終處于“線性連續(xù)”的工作狀態(tài)。并且,功率放大元件自身的功率損耗性較高。電源整體效率較低。當(dāng)MOS管處于“開關(guān)”的工作狀態(tài)下時,可以進(jìn)一步提高數(shù)控電源的工作效率。比如,在50Hz220V的交流電,經(jīng)過電網(wǎng)濾波器的濾波作用之后,會再次進(jìn)入到整流濾波器中,形成直流電壓。利用微控制器中的高速通道,可以定時收集系統(tǒng)輸出的電壓和電流值,與設(shè)定值比較之后,再根據(jù)誤差和算法,調(diào)節(jié)PWM控制信號脈寬。
目前,在我國數(shù)控電源領(lǐng)域,基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了各種不同類型的電子設(shè)備之中。此種類型的數(shù)控電源,作為恒壓源,具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。當(dāng)負(fù)載電流在額定范圍內(nèi)發(fā)生明顯變化時,輸出的電壓可以始終保持不變?;贒C/DC的數(shù)控電源包括了電壓反饋電流和電流反饋電路兩個部分。
在DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部,常見的集成基準(zhǔn)電壓分別為1.23V、1.25V、2.5V和5V。在對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化的過程中,設(shè)計團(tuán)隊要根據(jù)不同的基準(zhǔn)電壓類型,對恒流源的工作電流進(jìn)行設(shè)計。一般來說,將電流控制在350mA、單顆1W白光LED設(shè)備,可以持續(xù)穩(wěn)定發(fā)光時,可以達(dá)到良好的優(yōu)化效果。以1.23V的基準(zhǔn)電壓為例,在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中,工作人員首先對采樣電阻的損耗情況進(jìn)行了計算。電阻損耗R=1.23×0.35=0.4305。在計算的過程中,為了方便運(yùn)算,會將DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器以及其他損耗忽略不計。此時,系統(tǒng)的電源可以達(dá)到最大功率:
當(dāng)工作電流為700mA、單顆3W的白光LED可以持續(xù)發(fā)光時,采樣電阻的損耗會在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)大。
因此,為了減少功率的損耗,提高數(shù)控電源的工作效率。在進(jìn)行方案設(shè)計優(yōu)化的過程中,工作人員要盡可能地選擇小阻值的采樣電阻。但與此同時,工作人員要進(jìn)一步明確,一旦采用了小阻值的采樣電阻,系統(tǒng)當(dāng)中的反饋電壓值會降低,輸出的電流不能達(dá)到額定數(shù)值。經(jīng)過設(shè)計團(tuán)隊的多次反復(fù)試驗,最終采取了增加放大電路的方式,達(dá)到采樣信號放大的效果[2]。
在電路進(jìn)入到恒流的工作狀態(tài)之時,整個電力系統(tǒng)的輸出電流,滿足下方公式:
一般來說,當(dāng)運(yùn)算放大器的增益不斷擴(kuò)大的過程中,電路可以通過較小的采樣電阻,達(dá)到降低能耗提高效率的目的。假設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用0.1Ω的采樣電阻,同樣在350mA、單顆1W白光LED持續(xù)穩(wěn)定發(fā)亮?xí)r,采樣電阻的損耗會降低到0.01225W??梢?,運(yùn)算放大器的最大電壓和工作電流,分別可以達(dá)到30V和1mA。加上運(yùn)算放大器自身以及所屬電路的損耗,電路系統(tǒng)的總能耗也不會超過0.05W。忽略DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器和其他損耗,系統(tǒng)最終的運(yùn)行效率可以提升到:
通過分析基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計的實例,可以了解到DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)備和技術(shù),在實際操作環(huán)節(jié)中的應(yīng)用效果。目前,市場環(huán)境中,有較多價格相對低廉,并且品質(zhì)優(yōu)秀的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器和DC/DC單片集成開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器設(shè)備,其中,最具有代表性的為LM2596-ADJ型號的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器。該設(shè)備是LM2596當(dāng)中,可以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)的單片集成電路。系統(tǒng)內(nèi)部具有固定的頻率,并且可以針對發(fā)生電路的實際情況,進(jìn)行功率補(bǔ)償。該設(shè)備的最大輸出電流可以達(dá)到3A,并當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時,電流僅為80μA,設(shè)備的總能耗較低,效率高。不僅如此,該設(shè)備還擁有良好的限流保護(hù)和過熱保護(hù)功能,當(dāng)系統(tǒng)處于非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時,可以科學(xué)地完成系統(tǒng)線性和負(fù)載調(diào)節(jié)。
該電路系統(tǒng)中,擁有電壓和電流兩個控制環(huán)路。其中,電壓控制環(huán)路在運(yùn)算放大器作用下,主要用于對電源的最大輸出電壓進(jìn)行控制,輸出電壓可以用公式表示:
其中,Vref=1.23V,V0=0.4V。根據(jù)上方公式可以看出,將R和R`的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,就可以達(dá)到改變電源最大輸出電壓值的目的。在LED驅(qū)動電路的實際應(yīng)用環(huán)節(jié)中,輸出電壓要明顯高于額定電壓。此時,系統(tǒng)的負(fù)載電壓要滿足下方公式(4),才能確保電源始終處于自動恒流模式:
根據(jù)上方的公式可以看出,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的電壓反饋環(huán)路與電流反饋環(huán)路,始終處于自動切換控制電路中時,系統(tǒng)的電源工作電壓在恒壓模式下。當(dāng)負(fù)載電流減小時,輸出電壓會小于額定電壓;當(dāng)負(fù)載電流增大時,輸出電壓會切換到恒流模式當(dāng)中。隨著電源輸出總量擴(kuò)大,達(dá)到額定值時,系統(tǒng)電源會自動進(jìn)入到恒流模式,此時電流控制環(huán)路會起到主導(dǎo)作用。在理想的開關(guān)能耗條件下,DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的效率不會產(chǎn)生變化。根據(jù)公式(4),以及試驗環(huán)節(jié)中得到的數(shù)據(jù),可以計算出實測效率,將其與理想效率進(jìn)行比對,可以判斷系統(tǒng)電源能耗是否增加。
綜上所述,基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計,可以在原有的基礎(chǔ)上,充分地發(fā)揮出LED恒流驅(qū)動電源的非線性伏安特征。不同設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)單位的技術(shù)和水平不同,會使最終設(shè)計研發(fā)制造出的LED恒流驅(qū)動產(chǎn)品特性,呈現(xiàn)出明顯的差異。根據(jù)實際的發(fā)展需求,在工作中不斷對基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn),結(jié)合實際案例,提高能源使用效率。