基于LM2596的高效LED驅動

1、.目 錄摘要3設計任務與要求：31.1基本部分31.2發(fā)揮部分42、方案設計與論證42.1方案一42.2方案二42.3論證43、硬件單元電路設計與參數(shù)計算43.1電路總原理圖43.2濾波電路53.3 LM2596芯片介紹63.4 BUCK電路分析83.5反饋電流電路103.6工作過程介紹114、總原理電路及元器件清單114.1原理圖114.2 PCB114.3原件清單125、安裝與調試125.1電路安裝126、性能測試與分析137、結論與心得138、致謝13摘要隨著大功率LED在燈光裝飾和照明中的普遍使用，大功率LED驅動電路設計顯得越來越重要。在LED迅速發(fā)展的今天，LED驅動電路也隨之快速

2、跟進，多種驅動方式并存，不同的設計方案在完善。在LED照明領域，沒有好的驅動器的匹配，LED照明的優(yōu)勢將無法體現(xiàn)。大功率LED是電流型器件，嚴格的控制流過LED的電流是恒定的及其重要，而且還要實現(xiàn)可以對LED調光，滿足各種需求。本論文對LED的驅動探討，并設計基于LM2596的恒流源驅動電路，實現(xiàn)恒流驅動和亮度的調節(jié)，本設計電路組成部分主要有經(jīng)典的開關電源BUCK和電流采樣回路電路。電流反饋回路借助于TL431實現(xiàn)。關鍵詞：LED；LM2596；BUCK；TL431；開關電源設計任務與要求：1.1基本部分1、采用3個功率為1W的高亮度LED串聯(lián)組成光源，系統(tǒng)供電電壓為15V25V，在供電電壓變

3、化的過程中，保持LED亮度恒定（電流不變）；2、燈功率：2.50.5W，電源效率60%1.2發(fā)揮部分1、燈功率：3.00.2W，電源效率80%；2、可手動調整LED照明亮度；3、其他注：1W白光LED 極限工作電流為 360 毫安。2、方案設計與論證2.1方案一使用運放與三極管結合構成了經(jīng)典的恒流源電路，通過運放的虛短、虛斷特性，給加到采樣電阻上嵌著電壓從而實現(xiàn)恒流，并通過調整運放的正向端的電壓大小改變電流的大小，三極管則實現(xiàn)電流的放大，因為運放流過的電流是很小的。這種方法電路簡單，但是效率比較低。2.2方案二使用穩(wěn)壓電源開關芯片LM2596作為電壓轉換芯片，通過構造BUCK實現(xiàn)降壓，在輸出端

4、加上一個阻值很小的采樣電阻實現(xiàn)電流的采樣，在通過TL431電壓的臺升后，通過分壓的方式實現(xiàn)電源芯片的反饋。通過調節(jié)分壓電阻的分壓情況實現(xiàn)電流大小的調節(jié)。這種方法電路同樣也是簡單容易實現(xiàn)，由于用到開關電源，所以效率比較高。2.3論證由上述兩個方案可以得出接下面結論，方案一，雖然電路簡單易容實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)電流大小的調節(jié)，但是要實現(xiàn)題目要求的高效是不能實現(xiàn)的，方案二，的電路同樣也是簡易，而且開關電源的效率高，要實現(xiàn)題目的要求很容易實現(xiàn)。3、硬件單元電路設計與參數(shù)計算3.1電路總原理圖 圖3.1上圖3.1為整個設計的總原理圖，電路元器件雖然比較少，但是已經(jīng)包含很多模塊電路，是的電路能夠實現(xiàn)恒流源的調

5、節(jié)，其中包含有濾波電路、BUCK電路、電流采樣電路、反饋電路、分壓電路和一些去干擾電路。濾波電路主要實現(xiàn)的功能是去掉外電源帶來的高頻干擾和為點電壓,LM2596與外圍組成的BUCK主要是實現(xiàn)降壓，而TL431芯片則是聯(lián)通采樣電阻和LM2596反饋引腳的橋梁，分壓電路則是用來調節(jié)電流的大小。3.2濾波電路 圖3.2.1濾波電路選用一個220F 的電解電容和一個104F 的小容量瓷片并聯(lián)濾波，如下圖。理論上，在同一頻率下容量大的電容其容抗小，這樣一大一小電容相并聯(lián)后其容量小的電容C2 不起作用。但是，由于大容量的電容器存在感抗特性，等效為一個電容與一個電感串聯(lián)。在高頻情況下的阻抗反而大于低頻時的阻

6、抗，小電容的容量小，在制造時可以克服電感特性，幾乎不存在電感。在大電容C1 上并聯(lián)一個小電容C2 可以補償其在高頻下的不足。當電路的工作頻率比較低時，小電容不工作（容抗大相當于開路）。當電路的工作頻率比較高時（輸入信號的高頻干擾成分），大電容由于感抗大而處于開路狀態(tài)。這時高頻干擾成分通過小電容流到地線，濾除各種高頻干擾成分。而電容大小的選擇則可以根據(jù)輸出端輸出電流的大小決定，一般都為均方根的1/2倍以上，由下電容大小與均方根的關系圖知道，如圖3.2.1圖3.2.2本設計選用的是耐壓值35V，220uf的電容，由上圖可以容易看到，這樣的參數(shù)完全能滿足題目的要求。3.3 LM2596芯片介紹LM2

7、596 開關電壓調節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A 的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關頻率為 150KHz，與低頻開關調節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需 4 個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更優(yōu)化了 LM2596 的使用，極大地簡化了開關電源電路的設計。芯片型號有LM2596 3.3、 LM2596 5.0、LM2596 ADJ、 LM2596 12.，典型的DC-DC結構是如圖3.3.1：圖3.3.1芯片的效率如圖3.3.2： 圖3.3.2如圖可以看出，當輸入為25V輸出為15V時效率可以達到

8、90%，所以能輕易的實現(xiàn)題目的求。參數(shù)計算：3.4 BUCK電路分析圖3.4.1電感的選參照下圖3.4.2 圖3.4.2輸出選用電容參照圖3.4.3圖3.4.3最終輸出的電容電感分別為220uf、33uH，肖特基二極管選用的是2A，40V。都能滿足題目的要求。BUCK電路分析圖3.4.4圖3.3.4注：左下：開關導通時等效電路；右下：開關關斷時等效電路（1）從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾 波器設計 的原則是使 us(t)的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。（2）電

9、路工作頻率很高，一個開關周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有：電容上電壓宏觀上可以看作恒定。 電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。（3）一個周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升 高，導致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放 電電荷高于充電電荷，將導致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡

10、，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。（4）開關S置于1位時，電感電流增加，電感儲能；而當開關S置于2位時，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個開關周期內(nèi)電感上磁鏈增量為：此增量將產(chǎn)生一個平均感應電勢：此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個開關周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運

11、行時的又一個普遍規(guī)律。3.5反饋電流電路圖3.5圖中R1為采樣電阻，TL431相當于一個穩(wěn)壓管，3腳輸出的電壓為（2.5+I*0.22）V，所這樣采樣電阻上的電流就可以響應到TL431中，TL431通過分壓電路把電流反饋量加載到LM2596的反饋腳上，從而實現(xiàn)了恒流和電流調節(jié)作用。當電流大于設定電壓的時候，當分壓電路的分壓大小不變的時候，分壓到LM2596的反饋引腳就回大于典型值1.23V，這是LM2596內(nèi)部就會進行自動調節(jié)輸出占空比，從而減少電流的輸出。3.6工作過程介紹外部電源接入到電路中，通過LM2596降壓，給LED供電，通過采樣電阻對電流的采樣實現(xiàn)電路的恒流作用，同過調節(jié)電位器的分壓值大小來調節(jié)電流的大小。4、總原理電路及元器件清單4.1原理圖4.2 PCB4.3原件清單芯片二極管電容電感電阻LM2596*1肖特基二極管SR2100*1104*433uh*1103電位器*1TL431*1220uf*2*11采樣電阻0.22*1限流電阻10k*15、安裝與調試5.1電路安裝本PCB用了大量的敷銅是為了給芯片進行散熱，選用的芯片是貼片的，所以焊接比較難點，由于是開關電源所以布線不合理也會造成效率的降低。6、性能測試與分析通過測試可得輸入電壓20V，電流0.17A，輸出電壓9.55V，電流0.3A可以算出電路效率為89%。滿足題目要求。7、結論與心得第一次調試開