PWM 型DC－DC LED 驱动电路的研究与设计

高家宝，靳鹏飞，阮海清

(海南大学 应用科技学院，海南 儋州 571730)

LED 作为新型绿色环保光源，具有亮度高、发光效率高、寿命长以及工作电压低等特点，具有广阔的应用前景，但LED 照明中的驱动电路部分却是目前制约其发展的一个瓶颈［1－3］。为了LED 管稳定发光，需设计出LED 恒流驱动电路。本设计的LED 驱动电路采用PWM 型DC－DC 降压拓扑电路结构和闭环恒流控制，工作在CCM 模式。在理论分析的基础上得到得到电路元件参数和各个节点的性能参数，并应用Simulink对所设计的电路进行仿真。选用MOTO 公司的LM2575作为PWM 控制芯片，设计了一款PWM 型DC－DC LED驱动电路，其输出电压范围为5 V，输出电流313 mA。该LED 驱动电路具有外围元件较少、结构简单、成本低廉、可拓展性强和稳定可靠等特点。

1 PWM 型DC－DC LED 驱动电路组成

PWM 型DC－DC LED 恒流驱动电路的系统框图如图1 所示。其主要由直流电源输入、DC－DC 功率变换、电流闭环反馈控制和PWM 控制信号产生等几部分组成。功率变换器负责将电源的电压高效稳定地变换为所需的电压输出给负载，稳定的变换率由控制变换器内开关管的PWM 信号的占空比来保证［4］。电流检测主要用于将负载上的电流与基准源的偏差实时地反映给PWM 信号的产生模块，通过改变PWM 信号的占空比来校准输出电流。

图1 PWM 型DC－DC LED 恒流驱动电路的系统框图

2 DC－DC 降压拓扑电路分析及仿真

图2 是简化的DC－DC 降压拓扑电路。设计选择降压电路的首要原因是输出电压总小于输入电压，另外降压电路相对简单和稳定［5－7］。当开关管Q1导通时，续流二极管CR1截止，能量从输入直流电源经Q1传递到输出端的同时，向电感L 储能和电容C 充电。反之，当开关管Q1截止时，由于电感L 产生自感电动势，其维持电流经续流二极管CR1在原方向流动，从而维持输出的连续性和稳定性。

图2 DC－DC 降压拓扑电路

首先重点对DC－DC 降压拓扑电路工作在CCM模式进行稳态分析。在图2 中，输出电容C 的电流是“平滑”的，且平均值为零，那么降压变换器L 的平均电流等于负载电流。因此，有IL=IO，其中IL是平均电感电流，IO是平均负载电流。电路进入稳态时，应用伏秒定律和占空比D=tON/(tON+tOFF)分析降压拓扑电路，推导得到:当开关管Q1导通时，电感电压VON满足式(1);当开关管Q1截止时，电感电压VOFF满足式(2)

其中，VI是输入直流电源电压;VO是负载平均电压;Vds是开关管Q1的压降;VD是续流二极管CR1的压降。VI和VO与Vds和VD相比往往很大，则变换器的占空比为

由以上分析可知，在CCM 模式下，输出电压仅跟输入电压和占空比有关。可是为了让DC－DC 降压拓扑电路总是工作在CCM 模式下，接下来简单讨论该电路在CCM 模式和DCM 模式临界状态的条件。当DC－DC 降压拓扑电路工作在临界模式下时，在Q1截止期结束时，电感电流IL正好降为0。显然这是CCM和DCM 两种工作状态的边界是的电感电流。此时，输出电流等于IL最大值的1/2。而IL最大值

其中，T 是Q1的开关周期。所以此时输出电流临界表达式为

由以上推导可知，要使电路保持在CCM 模式下工作，电感大小、工作频率、占空比和输出电流等参数的设计，都是电路设计过程中必须考虑的问题。在其他条件相同的情况下，为了更直观地了解负载对DCDC 降压拓扑电路工作模式的影响，利用Simulink 对该电路进行仿真。图3 是DC－DC 降压拓扑电路仿真电路图，随着负载R 的增加，电感电流IL减小，该电路将由CCM 模式进入临界状态和DCM 模式，仿真结果如图4 所示，第一行为Q1的开关信号波形;第二行为电感电流IL的信号波形;第三行为负载电压VO的信号波形。因此为保证LED 驱动始终工作在CCM 模式下，不能接入过大的负载。

图3 LED 驱动仿真电路图

图4 3 种模式下的关键信号波形

3 LED 驱动电路的设计及测试

3.1 LED 驱动电路设计

图5 是本次设计的LED 驱动电路原理图，该电路选用LM2575 作为PWM 控制芯片。LM2575 是DCDC 变换器，其的开关频率为52 kHz，输出可调范围为1.23 ～37 V。同时，LM2575 还具有低电流待机、过流保护以及过热关机等保护措施。如图5 所示，R2和R3的阻值远大于R1的阻值，所以输出电流流经的路径近似看成是LED 与R1串联。另外，电压反馈点接到采样电阻R1与负载LED 之间，通过闭环控制，采样电阻R1两端的电压是稳定的，从而保证流过LED 和R1的电流是稳定的。由于LED 消耗的功率基本不变，因此，通过降低R 两端的电压来降低采样电阻R 所消耗的功率以提高整个LED 驱动电路的效率。下面通过分析确定电路中各个元器件的参数。

图5 LED 驱动电路原理图

(1)电路基本要求。当输入电压范围为7 ～12 V时，LM2575－ADJ 的最低输出电压为1.25 V，因此采样R 两端的电压为1.25 V。设计选用LED 灯珠的额定电流/额定功率约为300 mA/1 W，采样电阻R1为4 Ω的功率电阻，从而保证输出电流IO基本稳定在313 mA。

(2)分压反馈分压电阻R2和R3的选择。R2与R3跟输出电压VO的关系式为

其中，Vref=1.23 V，R2为1 kΩ，从而保证反馈回路的低损耗。VO=1.25 V，R3为61.5 kΩ，选用标称62 kΩ电阻。

(3)输入滤波电容Cin的选择。在电路输入端接入滤波电容Cin是为了防止输入电压出现瞬时的尖峰电压，以保证转换电路安全稳定地工作。电容Cin的取值没有特殊要求，可是考虑到电容Cin的ESP 应尽可能小以减少实际电路的电容漏电损耗，因此选择了100 μF/50 V 的电解电容。

(4)续流二极管D1的选择。续流二极管的反向击穿电压必须＞1.25 倍的最大输入电压，应当留有裕度。选用肖特基二极管IN5820、MBR320 或者其他的快速恢复二极管都能满足以上要求。

(5)电感L 的选择。电感的选择参考芯片手册，根据式(7)计算得到常数

电感的额定电流要大于电感电流的最大值，并留有裕度，由式(7)计算得到E×T=21，且负载电流为313 mA，因此选用330 μH 的电感。

(6)输出电容Cout的选择。电容Cout理论上越大越好［8］，可是从电容的等效串联电阻、成本和体积等方面考虑，还有考虑到电容两端的电压等于R1两端的电压和负载LED 两端的电压之和，约为5 V，所以选用330 μF/16 V 的电解电容可满足要求。

3.2 LED 驱动电路测试

确定LED 驱动电路参数后，制作LED 驱动电路实物如图6 所示。通过改变输入电压，测得输出电压和输出电流的测量结果如表1 所示。

图6 LED 驱动电路实物图

表1 输出电压和输出电流的测量结果

当输入电压为12 V 时，计算得到电感电流IL的临界状态输出电流为79 mA，远小于负载的平均电流313 mA，所以电路在输入7 ～12 V 的情况下，一直都工作在CCM 模式下。

当输入电压10 V 时，利用示波器测得输出电压纹波约为4.23 mV，负载电压为5 V，因此电压纹波控制在±1%以内。在输入电压VI为10 V 的条件下，测得输入电流Iin为202 mA，负载电流ILED为313 mA，负载电压VLED为2.94 V，由式(8)计算效率，从而得到该LED 驱动电路的效率为45.5%

4 结束语

本文设计了一种基于PWM 型DC－DC 降压拓扑电路结构和闭环恒流控制的LED 驱动电路。该LED驱动选用LM2575 作为PWM 控制芯片，且LM2575 也是DC－DC 转换器，从而避免了大型变压器的使用，降低了电路的体积和成本，避免市电变压器带来的安全隐患，适用于实验性质的研究应用。简洁的电路在满足电路电气要求的条件下，也能减少功率转换过程中不必要的损耗，提高转换效率［9］。测量结果表明，其恒流效果好、输出电压纹波低、转换效率高，成功实现了PWM 型DC－DC LED 驱动电路，这对设计高性能、低成本的PWM 型DC－DC LED 驱动电路具有一定的指导意义。

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