鄧 云

（廣西職業(yè)技術學院 計算機與電子信息工程系，廣西 南寧，530226）

LED閃光燈電源的研究與設計*

鄧 云

（廣西職業(yè)技術學院 計算機與電子信息工程系，廣西 南寧，530226）

該文設計了一種高效率的恒流電源，將電池電能通過DC/DC升壓、單片機調節(jié)控制和恒流驅動等方式，實現多檔位恒流驅動LED功能。實驗表明，該恒流電源輸出電流相對誤差小于1%，輸出電流200mA、輸出電壓10V時，效率86%，滿足恒流電源預期設計指標。

恒流電源；LED；DC/DC升壓

引言

根據LED的U/I特性曲線可知，在LED正向導通的情況下，微小的電壓變化會引起較大的電流變化，意味著LED的動態(tài)阻抗較小，LED更適合用恒流電源驅動，因此，在一些需要攜帶LED照明的特定場合，研究電池恒流驅動LED具有一定的應用價值。2015年全國大學生電子設計競賽題目“LED閃光燈的電源設計”就是要求設計基于DC/DC升壓的高效率恒流電源。

1 系統(tǒng)方案設計與實現

1.1 電路總體方案設計

本系統(tǒng)主要由單片機模塊、升壓控制電路、場效應管輸出控制電路、電流檢測電路、恒流驅動控制電路、過載報警電路和LCD顯示等模塊組成，電路總體框圖如圖1所示。

為了實現高效率的直流恒流電源的設計目標，系統(tǒng)需要能夠完成高轉換效率的DC/ DC升壓控制電路，通過DC/DC變換器將外部電源輸入的3～3.6V低壓升高至10.3V輸出，用戶可以通過鍵盤選擇切換至不同電流輸出模式，然后通過電流驅動電路實現恒流輸出，以供負載使用?？刂葡到y(tǒng)選用簡單易用的51單片機即可實現控制目標，主要功能包括：具有連續(xù)和脈動兩種輸出模式，連續(xù)模式下有100、150、200mA三檔，脈沖模式下有300、450、600mA三檔，當輸出電流為200mA檔位時，輸出電壓為10V，效率不低于80%，具有負載過載報警功能。

圖1 LED閃光燈電源框圖

1.2 DC/DC電源升壓電路

DC/DC電源升壓電路主要由TP3605芯片、肖特基二極管D1和高頻電感L1等元件構成，電路工作原理圖如圖2所示。TP3605輸入電壓范圍是2.5～5.5V，輸出電壓范圍是2.5V～24V，最大輸出電流1.2A，內部集成2.1A/200mΩ主開關、上下橋MOS，工作頻率為1MHz，最高效率可達94%。

圖2 升壓DC/DC電路

TP3605的1腳輸出高頻方波信號，用于控制電感L1的儲能與釋能，當1腳為低電平時，二極管D1截止，電感L1開始儲能，電容C2負責向負載電路供電，輸出電壓呈下降趨勢；當1腳輸出高電平時，二極管D1導通，外部輸入電壓UIN疊加儲能電感L1的電壓同時向電容C2和負載供電，輸出電壓呈上升趨勢。由于TP3605工作在1MHz的高頻開關狀態(tài)，輸出端電壓最終會維持在一個相對穩(wěn)定的電壓值。TP3605的第3腳是內部誤差電壓放大器反饋輸入端，FB引腳對地電壓為0.6V，輸出電壓VOUT=0.6*(R1/R2)+1，因此，輸出電壓可以通過調整電阻R1與R2的比值來獲得。

圖3 恒流控制電路

1.3 恒流控制電路

恒流控制電路主要由取樣電阻R3、場效應管IRF640和集成運放LM358等元件組成，電路如圖3所示。運放LM358工作于放大狀態(tài)，利用運放虛短的特點，其同相端電壓和反相端電壓幾乎相等，且流經反相端的電流幾乎為零，因此，取樣電阻R3兩端電壓UR3等于外部輸入UIN，另外，場效應管源極與漏極電流相等，既流經負載RL與取樣電阻R3的電流相等，輸出電流IL=IR3=UIN/R3，由此可知，流經負載電流只受外部輸入電壓UIN和取樣電阻R3共同決定，即實現恒流輸出控制。

1.4 電流檔位控制電路

本系統(tǒng)共有六個電流檔位，連續(xù)模式下有100、150、200mA三檔，脈沖模式下有300、450、600mA三檔，因此，為了提高各種模式下輸出電流的精度，每一種工作模式都采取獨立控制的方式，利用4067作為模式選擇電子開關，其引腳的A、B、C、D為支路選擇控制端，通過單片機編程控制實現工作模式選擇。電流檔位控制硬件電路如圖4所示。

1.5 超限報警電路

當等效直流負載電阻過大導致輸出電壓超過10.3V時，蜂鳴器將發(fā)出聲響報警。由于輸出端負載浮地，為了獲得負載兩端電壓，需要采用差分電路對輸出電壓進行檢測，放大倍數為原信號電壓的一半，既對輸出信號電壓做二分之一衰減處理，以便送入電壓比較器與參考電壓做比較，當輸出電壓超過設定值10.3V時，電壓比較器輸出高電平，驅動蜂鳴器工作，發(fā)出聲響報警。

2 測試結果

2.1 連續(xù)輸出電流測試

在輸出端外接一個滑動變阻器作為負載電阻，利用電流表串聯測量支路電流，然后分別選擇不同連續(xù)輸出電流檔位進行測試，記錄結果如表1所示。根據表1測量結果可知，輸出電流相對誤差均小于1%，達到預期設定目標。

圖4 檔位選擇控制電路

表1

2.2 效率測試

選擇輸出200mA電流檔位，接入50歐姆負載電阻，既輸出電壓UOUT=10V，此時的輸出功率POUT=UOUT*IOUT=10V*0.2A=2W，然后，利用萬用表分別測量實際輸入電壓Uin和實際輸入電流Iin，即可獲得實際輸入功率PIN=Uin*Iin，根據效率計算公式可得η=POUT/ PIN*100%，實際測量數據如表2所示。根據表2可知，在連續(xù)輸出200mA電流、10V電壓模式下，系統(tǒng)效率為86%，超過預定80%效率的目標。

表2

2.3 脈動輸出電流峰值測試

分別選擇300mA、450mA、600mA脈動檔位輸出電流，輸出端接10歐姆固定負載電阻，由于輸出信號為脈動模式，因此，需要通過示波器測量固定負載電阻兩端電壓UOUT波形，然后利用公式IOUT=UOUT/R間接計算輸出電流大小。實際測量數據如表3所示，根據表3可知，在脈動輸出電流模式下，峰值電流相對誤差均小于5%，間歇電流小于1mA，均滿足預設指標。

表3

3 結束語

經過系統(tǒng)方案研究、電路設計和軟件編程等步驟完成了LED閃光燈電源的設計與制作，實現了電池電壓源到電流源的轉換，設計電路能夠直接驅動LED閃光燈，輸出電流帶有LCD液晶顯示，通過鍵盤可以調節(jié)電流輸出模式。該電路經過上電測試及綜合數據分析，電路連續(xù)電流輸出、脈動電流輸出、200mA電流輸出的整機效率和電壓超限報警等功能指標均符合設計目標要求。同時，與之相關的設計作品“LED閃光燈的電源設計”也獲得了2015年全國大學生電子設計競賽全國一等獎。

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Research and Design on the Power Supply of LED Flashlight

Deng Yun
(Department of Computer and Electronic Information Engineering, Guangxi Vocational & Technical College, Nanning, Guangxi, 530226)

This paper designs a high-efficient power supply with constant current, in which the LED function driven by multi-switching constant current is realized by boosting DC/DC voltage of electric energy, adjusting of micro-controller and constant current drive. The results of the experiment show that the related error of the output current of this power supply is below 1 %, when the output current is 200mA and the output voltage is 10v, the efficiency is 86 %, which meets with the expected design index of constant current.

constant current; LED;DC/DC voltage boosting

TM923.02

A

1674-3083（2016）06-0023-04

2016-11-03

廣西職業(yè)技術學院科研項目（161215）。

鄧云（1983—），男，廣西全州人，碩士，講師，主要從事電子技術教學與研究。