CN102917499B - 一种基于dc/dc的照明用led驱动控制器 - Google Patents

一种基于dc/dc的照明用led驱动控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器，包括DC/DC转换电路，及与DC/DC转换电路分别相连的电压控制电路和电流调节电路；所述电压控制电路分别连接电流调节电路、电流采样电路和LED灯珠；所述电流调节电路连接D/A转换电路；所述LED灯珠、电流采样电路和电流调节电路分别依次连接。该驱动控制器可用于实际大功率LED驱动，能够实现对LED亮度的控制，采用DC-DC供电方式，输入电压范围广、发光时间长、抗干扰性好、驱动效率高，保证了该驱动板在不同场合、不同区域内都能正常使用。

Description

一种基于DC/DC的照明用LED驱动控制器
技术领域
本发明涉及一种LED驱动控制器，特别是一种基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器。
背景技术
LED是一种将电能直接转换为光能的多元化合物半导体器件。LED具有诸多优良特性：如发光效率高、耗电量少，使用寿命长；可靠性高、安全性好；属于绿色照明光源、环保无污染：器件响应时间短；体积小，使用方便；对工作条件要求低，抗冲击、抗震性能强；使用寿命长等等。因此，在通用照明应用领域，向LED技术的过渡将大大降低能源消耗。
尽管白光LED是当今的大规模照明的一个理想方案，但若要把驱动LED的电子设备普及到每一个灯泡中，其主要问题是目前LED驱动电路的性能还没有实现高效率转换，其中关键的技术问题是驱动电子系统的电子能量转换效率由于离散范围极大、参数难于控制，其高低和稳定性是整个LED实用技术与产品参数的主要问题。其次，还要考虑散热和EMI(电磁干扰)因素，两者对于照明设备的可靠性有重要影响，给设计密度带来了限制。另外，由于LED正向伏安特性非常陡即正向动态电阻非常小，要给LED供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳住LED的工作电流，保证LED能正常可靠地工作，各种各样的LED驱动电路就应运而生。
目前，原有的电路存在下述问题：
1)现有的LED驱动控制器仅具有恒流或仅具有稳压电路，其功能单一；
2)传统的LED驱动控制器电压范围窄，驱动功率小；
3)散热不好，使用寿命短；
4)电源利用率小。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器，该驱动控制器能够解决现有技术的问题，其具有恒流和稳压双重功能，电压范围宽，驱动功率大，散热好，使用寿命长，并且电源利用率高的特点。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器，包括DC/DC转换电路，及与DC/DC转换电路分别相连的电压控制电路和电流调节电路；所述电压控制电路分别连接电流调节电路、电流采样电路和LED灯珠；所述电流调节电路连接D/A转换电路；所述LED灯珠、电流采样电路和电流调节电路分别依次连接。
进一步的，所述控制器中：
所述D/A转换电路连接单片机。
所述DC/DC转换电路，包括蓄电池P1，蓄电池P1管脚1接电源VCC，P1管脚1电源端并联连接两个输入电容C1和电容C2、串联连接一电感L1和两个并联的肖特基整流二极管D1和D2；两个并联的肖特基整流二极管D1和D2的输出端并接一组输出电容C3、C4和C5后接电压控制电路；所述电感L1上并联连接有管理芯片LM2587-ADJ，管理芯片LM2587-ADJ管脚1接一电阻R6和一电容C7，输入电容C1、C2和输出电容C3、C4、C5以及电容C7和管理芯片LM2587-ADJ管脚3端接地，管理芯片LM2587-ADJ管脚2端并接一电阻R7后接电流调节电路输出端。
所述电压控制电路，包括与DC/DC转换电路一组输出电容C3、C4和C5并联相接的电阻R3、R4和多控开关，以及与蓄电池P1电源VCC端相接的电阻R2；所述电阻R3和R4之间的节点接第三运算放大器的正输入端，第三运算放大器的输出端管脚1与其负输入端管脚2接电流调节电路的第四运算放大器旁路电阻R1；所述多控开关的管脚1、3分别接LED灯珠，管脚2接地；所述LED灯珠输出端接电流采样电路。
所述电流采样电路，包括与电压控制电路电阻R2相接的第二运算放大器，第二运算放大器的正输入端接一组相并联的电阻电容，第二运算放大器的负输入端并联连接两个电阻R10和R11，电阻R10并接在第二运算放大器的负输入端和输出端，第二运算放大器的输出端接电流调节电路。
所述第二运算放大器的正输入端接一组相并联的电阻电容包括与LED灯珠相接的并联电阻R8、R9，电阻R8、R9节点接电阻R5后并联一电容C6。
所述电流调节电路，包括与电流采样电路的第二运算放大器的输出端相接的第四运算放大器，第四运算放大器的正输入端接第二运算放大器的输出端，负输入端接D/A转换电路；所述第四运算放大器的输出端接肖特基整流二极管D3和D4，肖特基整流二极管D4输入端接电压控制电路的第三运算放大器的负输入端与输出端，肖特基整流二极管D3和D4之间的节点接DC/DC转换电路的管理芯片LM2587-ADJ管脚2。
所述D/A转换电路，包括与电流调节电路相接的第四运算放大器的负输入端相接的两级第五运算放大器，其中，前第五运算放大器的输出端和负输入端并联一电阻R12，正输入端接地；前第五运算放大器的负输入端串接一电阻R13后接后第五运算放大器的输出端，后第五运算放大器的负输入端和正输入端以及后第五运算放大器的输出端接D/A转换器。
所述两级第五运算放大器分别接电源VCC。
本发明的特点在于：
1、该基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器电路中各个元件的选择，采用快速肖特基二极管压降了导通压降，选用LM2587-ADJ，将开关管集成到芯片内部，参数由芯片整定，可以大大减少功耗。选用横截面积大的铜丝，并采取多股缠绕的方法，减少单位横截面积电阻。其他电阻电容的选择，也都遵循降低功耗来选择。
2、该基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器用隔离式DC/DC转换电源的恒流，通过该DC/DC变换器可以将正电压输入变为负电压输出，即Vin与Vout的极性相反。这种变换器利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，因而静态电流小、转换效率高、外围电路简单。
3、该基于DC/DC的照明用的LED控制器稳压恒流包括DC/DC变换电路、电压控制电路、电流调节电路，电流采样电路、D/A转换电路，以及键盘电路等，核心控制器通过软件控制PWM波，以控制LED灯珠的明亮程度。先经LM2587-ADJ芯片实现升压，使电压变化为0～12V；如果发生短路情况，由于升压型稳压器的固有特性，当输出短路时，电流就直接从输入端经过电感器L1和二极管到达输出端，而不经过开关。开关电流极限并不限制整个电路的输出电流。为保护负载和避免损坏开关，必须对电流进行外部限制，可利用输入供电或者在输出端加外部限流电路。输出的电压通过电压调整电路而稳压。在电流控制方面先是通过电流取样放大电路，对输出电路的电流进行调节控制，使用放大器LM358对R8和R9两端的压降进行47倍放大，可以得到4.7V的电流取样电压VI。将此电压VI送入下一级电路——电流调节电路。电流调节控制电路是通过放大器的同相输入端输入电流取样的电压VI，由U2A进行误差放大输出电压送至DC/DC转换器LM2587-ADJ的反馈输入端，进行输出整体电压的调整，以控制输出电流的大小，从而实现LED亮度的调节控制。微控制器是用来灯珠亮度，亮度等级分为5级。
本发明采用上述电路结构，在不需要额外的输出端短路保护电路条件下，使电源一直处于恒压恒流工作状态，可靠性好。
本发明的有益效果在于：
本发明在电路上比单一电感型DC-DC驱动器少了外部电感和快速肖特基二极管，其具有体积小、设计简单、成本低的特点；由于基于电容的电荷泵驱动器只能产生输入电压的倍数(如：1.5倍、2倍)，有限的驱动电压使基于电容的电荷泵驱动器常用于并联驱动多个LED，且不宜过多。
使灯珠的发光时间长，比普通白质灯效率提高了6倍，亮度可调，同样的蓄电池供电时间比普通白质灯照明时间多四倍，这样大大节省了能源，散热效果好、成本低廉，市场发展前景看好。
附图说明
图1是本发明系统流程框图。
图2是本发明电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，该基于DC/DC的照明用的LED驱动控制器，包括DC/DC转换电路10，及与DC/DC转换电路10分别相连的电压控制电路30和电流调节电路40；电压控制电路30分别连接电流调节电路40、电流采样电路20和LED灯珠；所述电流调节电路40连接D/A转换电路50；LED灯珠、电流采样电路20和电流调节电路40分别依次连接。D/A转换电路50连接单片机。
如图2所示，为本发明系统电路图。其中，DC/DC转换电路10，包括蓄电池P1，蓄电池P1管脚1接电源VCC，P1管脚1电源端并联连接两个输入电容C1和电容C2、串联连接一电感L1和两个并联的肖特基整流二极管D1和D2；两个并联的肖特基整流二极管D1和D2的输出端并接一组输出电容C3、C4和C5后接电压控制电路30；电感L1上并联连接有管理芯片LM2587-ADJ，管理芯片LM2587-ADJ管脚1接一电阻R6和一电容C7，输入电容C1、C2和输出电容C3、C4、C5以及电容C7和管理芯片LM2587-ADJ管脚3端接地，管理芯片LM2587-ADJ管脚2端并接一电阻R7后接电流调节电路40输入端。
电压控制电路30，包括与DC/DC转换电路10一组输出电容C3、C4和C5并联相接的电阻R3、R4和多控开关，以及与蓄电池P1电源VCC端相接的电阻R2；电阻R3和R4之间的节点接第三运算放大器的正输入端，第三运算放大器的输出端管脚1与其负输入端管脚2接电流调节电路40的第三运算放大器旁路电阻R1；多控开关的管脚1、3分别接LED灯珠，管脚2接地；所述LED灯珠输出端接电流采样电路20。
电流采样电路20，包括与电压控制电路30电阻R2相接的第二运算放大器，第二运算放大器的正输入端接一组相并联的电阻电容，第二运算放大器的负输入端并联连接两个电阻R10和R11，电阻R10并接在第二运算放大器的负输入端和输出端，第二运算放大器的输出端接电流调节电路40。其中，接第二运算放大器的正输入端的一组相并联的电阻电容包括与LED灯珠相接的并联电阻R8、R9，电阻R8、R9节点接电阻R5后并联一电容C6。
电流调节电路40，包括与第二运算放大器的输出端相接的第四运算放大器，第四运算放大器的正输入端接第二运算放大器的输出端，负输入端接D/A转换电路50；第四运算放大器的输出端接肖特基整流二极管D3和D4，肖特基整流二极管D4输入端接电压控制电路30的第三运算放大器的负输入端与输出端，肖特基整流二极管D3和D4之间的节点接DC/DC转换电路10的管理芯片LM2587-ADJ管脚2。
D/A转换电路50，包括与电流调节电路40相接的第四运算放大器的负输入端相接的两级第五运算放大器，其中，前第五运算放大器的输出端和负输入端并联一电阻R12，正输入端接地；前第五运算放大器的负输入端串接一电阻R13后接后第五运算放大器的输出端，后第五运算放大器的负输入端和正输入端以及后第五运算放大器的输出端接D/A转换器。其中，两级第五运算放大器分别接电源VCC。
该电路LED灯珠采用串联形式接入电路。能够提供比较宽范围的输出电压，效率高，且其LED接入方式采用串联方式，只要在电压容许范围内，便可接入较多个数的LED。另外当开关器件关断后，储存在电感中的能量会通过二极管被释放输出端，达到续流的目的；本装置也能实现稳压恒流。
通过蓄电池或其他供电装置给DC/DC转换电路10，DC/DC转换电路10输出一个可调的电压范围，这个电压直接供给电压控制电路30、电流调节电路40、电流采样电路20和D/A转换电路等，使四个LED灯珠发光。
LED的发光强度与流过LED的电流有关，电流越大，光强越高。常见照明灯中需要4至5个LED灯珠，可以通过并联或者串联的方式来驱动LED，并联方案的电路驱动LED数目较多时，需要多个控制通道，同时电流的一致性也较差，则将导致LED的亮度发生变化，在LED亮度需要控制的模式下，每个LED需要一个单独的电流调节器，如果改变LED数量，LED连线也必须改变，电路将更为复杂；串联方案中LED电流一致，电路控制简单，在升压转换器和LED灯珠之间只需2条连线，而且，基于电感型DC-DC驱动控制器可以支持更多的LED模块，每个显示模块可以串联不同数量的LED，在实际应用中不需要改变驱动器既可更换显示模块，也可以在不改变显示模块的条件下更改驱动器。这样，基于电感型DC-DC驱动器电路大大降低了设计风险，提高了其实际应用性。
DC/DC转换电路10中，因为电感L1值影响输入和输出纹波电压和电流，所以电感L1的选择是感性电压转换器设计的关键，等效串联电阻值低的电感L1，它的功率转换效率最佳。D1、D2为快速肖特基整流二极管，与普通二极管相比，肖特基二极管D1、D2正向压降小，使其功耗低并且效率高。肖特基二极管D1、D2平均电流额定值应大于电路最大输出电压。输入电容C1必须起到减小输入纹波和噪声的作用，纹波的幅度与输入电容C1值的大小成反比，也就是说，电容容量越大，纹波越小。因此，输入电容C1宜选择大容量的电解电容。输出电容C2的选择，决定于输出电压纹波。在大多数场合，要使用低ESR(等效串连电阻)电容，如陶瓷和聚合物电解电容。管理芯片是LM2587-ADJ，电源开关是一个可承受65V电压的5.0A NPN器件。为电源开关提供保护的包括限流和限热电路以及一个欠压锁定电路。
本发明的原理是，图2中先经DC/DC转换电路10管理芯片LM2587-ADJ实现电压提升。当图DC/DC转换电路10中的管理芯片LM2587-ADJ第四引脚NPN开关导通时，电感L1中的电流以Vcc/100uH的速率上升，并将能量储存在电感L1中，当NPN开关关闭时，电感L1中的低端将飞升至高于Vcc，然后通过快速肖特基二极管D1、D2将电流放到输出电容器C4、C5、C3上，速率为(Vout-Vcc)/100uH。然后经过电压控制电路30，该电路中LM358的同相输入端输入通过电阻R3和R4组成的1/13分压电路分压后的输出电压，反向输入端的运放的输出端相连接，构成电压跟随器，将输出电压送至DC/DC转换电路10中管理芯片LM2587-ADJ的反馈输入端，进行输出电压的调整，进而实现稳压的目的。
电流采样电路20也是电流取样放大电路。当电流采样电路20流过I＝200mA的电流时，可以产生U＝100mV的压降，则电阻所使用的功率仅为P＝U*I＝0.02W。然后使用放大器LM358对R8和R9两端的压降进行47倍放大，可以得到4.7V的电流取样电压VI。
电流调节电路40将电流采样电路20中的电压VI送入电流调节电路40，从而对输出电路的电流进行调节控制。在电流调节电路中，将电流取样所得到的电压送到运算放大U3A的同向输入端，U3A为运算放大器OP07。
D/A转换电路50的DACCB32输出的电压送到运算放大器U3A的反相输入端，U3A的同相输入端输入电流取样的电压VI，由U3A进行误差放大输出电压送至DC/DC转换电路10中的管理芯片LM2587-ADJ的反馈输入端，进行输出整体电压的调整，以控制输出电流的大小，从而实现LED亮度的调节控制。通过单片机AT89S52的P0.0口～P0.7口和DACCB32的数据输入口DI0～DI7相连接，它用以接受单片机送出的数字量。DACCB32的外接引脚外接滑动变阻器，工作时调整滑动变阻器使得端的电压为2.5V。因为DACCB32是以电流形式输出的，所以得在外部加一运放把电流转换为电压，此时转换得到的电压为负压。再经过运放OP07构成的反向比例放大器，将电压放大3.3倍后用以给D/A转换电路50供电。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：包括DC/DC转换电路(10)，及与DC/DC转换电路(10)分别相连的电压控制电路(30)和电流调节电路(40)；所述电压控制电路(30)分别连接电流调节电路(40)、电流采样电路(20)和LED灯珠；所述电流调节电路(40)连接D/A转换电路(50)；所述LED灯珠、电流采样电路(20)和电流调节电路(40)分别依次连接；
所述D/A转换电路(50)连接单片机；
所述DC/DC转换电路(10)，包括蓄电池P1，蓄电池P1管脚1接电源VCC，P1管脚1电源端并联连接两个输入电容C1和电容C2、串联连接一电感L1和两个并联的肖特基整流二极管D1和肖特基整流二极管D2；两个并联的肖特基整流二极管的输出端并接一组输出电容C3、电容C4和电容C5后接电压控制电路(30)；所述电感L1上并联连接有管理芯片LM2587-ADJ，管理芯片LM2587-ADJ管脚1接一电阻R6和一电容C7，输入电容C1、电容C2和输出电容C3、电容C4、电容C5以及电容C7和管理芯片LM2587-ADJ管脚3端接地，管理芯片LM2587-ADJ管脚2端并接一电阻R7后接电流调节电路(40)输出端。
2.根据权利要求1所述的基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：所述电压控制电路(30)，包括与DC/DC转换电路(10)一组输出电容C3、电容C4和电容C5并联相接的电阻R3、电阻R4和多控开关，以及与蓄电池P1电源VCC端相接的电阻R2；所述电阻R3和电阻R4之间的节点接第三运算放大器的正输入端，第三运算放大器的输出端管脚1与其负输入端管脚2接电流调节电路(40)的第四运算放大器旁路电阻R1；所述多控开关的管脚1、3分别接LED灯珠，管脚2接地；所述LED灯珠输出端接电流采样电路(20)。
3.根据权利要求1所述的基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：所述电流采样电路(20)，包括与电压控制电路(30)电阻R2相接的第二运算放大器，第二运算放大器的正输入端接一组相并联的电阻电容，第二运算放大器的负输入端并联连接电阻R10和电阻R11，电阻R10并接在第二运算放大器的负输入端和输出端，第二运算放大器的输出端接电流调节电路(40)。
4.根据权利要求3所述的基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：所述第二运算放大器的正输入端接一组相并联的电阻电容包括与LED灯珠相接的并联电阻R8、电阻R9，电阻R8、电阻R9节点接电阻R5后并联一电容C6。
5.根据权利要求1所述的基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：所述电流调节电路(40)，包括与电流采样电路(20)的第二运算放大器的输出端相接的第四运算放大器，第四运算放大器的正输入端接第二运算放大器的输出端，负输入端接D/A转换电路(50)；所述第四运算放大器的输出端接肖特基整流二极管D3和D4，肖特基整流二极管D4输入端接电压控制电路(30)的第三运算放大器的负输入端与输出端，肖特基整流二极管D3和D4之间的节点接DC/DC转换电路(10)的管理芯片LM2587-ADJ管脚2。
6.根据权利要求1所述的基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：所述D/A转换电路(50)，包括与电流调节电路(40)相接的第四运算放大器的负输入端相接的两级第五运算放大器，其中，前第五运算放大器的输出端和负输入端并联一电阻R12，正输入端接地；前第五运算放大器的负输入端串接一电阻R13后接后第五运算放大器的输出端，后第五运算放大器的负输入端和正输入端以及后第五运算放大器的输出端接D/A转换器。
7.根据权利要求6所述的基于DC/DC的照明用LED驱动控制器，其特征在于：所述两级第五运算放大器分别接电源VCC。
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