基于BUCK电路和UC3842芯片的高效LED灯驱动电源设计

基于BUCK电路和UC3842芯片的高效LED灯驱动电源设计

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_73757052/article/details/135574966

本文介绍了一种基于BUCK电路和UC3842芯片的高效LED灯驱动电源设计。该设计能够实现3个1W高亮度LED串联工作，供电电压范围为15V~25V，同时保持LED亮度恒定。文章详细描述了电路设计原理、参数选择以及实验测试结果，对于电子工程领域的读者具有较高的参考价值。

一、设计任务与要求

LED 照明是现在流行趋势，为大功率 LED 设计一个高效驱动电源。
基础要求如下：

1. 采用 3 个功率为 1W 的高亮度 LED 串联组成光源，系统供电电压为15V~25V，在供电电压变化的过程中，保持 LED 亮度恒定（电流不变）；
2. 灯功率：2.5±0.5W，电源效率≥60% ；
   发挥部分如下：
3. 灯功率：3.0±0.2W，电源效率≥80%；
4. 可手动调整 LED 照明亮度；
   注：此处1W 白光 LED 极限工作电流为 360 mA

二、方案设计与论证

1.初步方案：

依照上述要求，我们初步尝试使用脉宽调制芯片产生PWM波形，该芯片在产生波形的同时也会提高电源效率，而不像NE555芯片会分走电源中大部分能量。此处找到了三种脉宽调制芯片：TL494，UC3842，SG3825。在尝试了多种方案后，我们敲定了使用UC3842芯片，这并不代表其他芯片无法实现该功能。

2.电路知识：

BUCK电路：也称降压电路，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流电路。BUCK电路又分为两种，一种为同步BUCK，一种为异步BUCK，本次试验中使用到的电路为异步BUCK电路，同步BUCK电路只需在异步BUCK电路的基础上将快速恢复二极管更换成mos管即可。

BUCK电路的工作原理如下：当开关导通时，二极管无法导通，输入电压会直接加到电感上，电感会进行储能，电感电流线性增大。当开关断开后，电感由于续流，会产生反向电动势，此时二极管导通，电感电流线性减小。通过对于mos管开关频率的控制，从而实现了直流降压的过程。具体参数推导可以参考下方博客：

Buck电路基础知识-CSDN博客

值得注意的是：BUCK电路的输出是不稳定的起伏，无法满足本实验中需要使LED灯的亮度不发生变化的要求，于是想到使用反馈与BUCK的电路组合，形成一个闭环系统。但常规反馈是将输出端的电压信号反馈到输入端，以此来稳定电路输入端的信号，进而实现稳定电路的效果。具体电路情况会在下方原理图说明。

至于UC3842芯片的外围电路，此处参考了该芯片的数据手册，此处不重复展示，有需要的话请在参考文献一栏下方进入UC3842芯片手册的网站，自行下载芯片手册。

3.总原理图

使用UC3842芯片产生PWM波控制mos管的开关，并通过BUCK降压后对三个LED灯供电，此处由于Multisim软件中无法配置LED灯的参数，故此处的LED灯仅做参考，实际设计时需要根据LED灯的参数修改前置电路的相关参数。使用采样电阻进行反馈，并在反馈通路上使用LM358对取样电压进行放大，使得反馈电压达到UC3842的反馈输入端的比较电压2.5V。

值得注意的是：在设计电路时，无论怎么调整参数，我们都无法得到正确的仿真结果，但实物做出来后却能实现本实验对应的功能。因此我们推测是仿真软件中UC3842芯片的模型存在一定问题，以下的仿真图仅提供电路结构方面的参考，具体参数请根据实际情况进行调整

4.UC3842外围电路设计

我们使用芯片8脚的+5V基准电源与RC振荡电路相连，并将流经电阻的信号接回芯片4脚，即时钟信号的输入端口，得时钟震荡频率为1/(RC)。当需要反馈时，便可将采样电压接回芯片2脚，即反馈电压的输入端。1脚作为反馈补偿端，通过一个RC并联网络连接到2脚，时钟震荡频率为1/(RC)，3脚接一个电阻输出一个到地的电流，6脚输出经过芯片调制的PWM波，其时钟周期为1.8/（R*C），5脚接地，7脚接电源。值得注意额的是：在仿真实验调试中发现如果更改4脚所接的RC振荡电路的参数也会影响电路电压的输出，此处我们使用的PWM波输出频率为180KHz，参考值为100KHz到300KHz。

5.BUCK电路的设计

本实验中我们无法通过从BUCK电路的输出端引回mos管的栅极来控制mos管的通断。在具体了解芯片后，我们了解到可以通过更改传入mos管的PWM波的占空比，使得LED灯能够在某一亮度稳定下来。于是，我们初步设想使用滑动变阻器与led灯串联进行分压，由于LED灯为非线性元件，改变滑动变阻器的值会影响led灯的亮度，同时电源效率也无法达到要求。于是我们进一步优化了反馈通路，使用了运算放大器作为反馈回路。该部分详情请见下方第三部分。最终反馈信号通过运算放大器输入到芯片2脚作为反馈信号的输入，实现了LED灯点亮稳定。

电容C2,C3在BUCK电路中主要起着一个储能的作用，了解到在电路中电容的取值肯定是一个大于某一个特定值，我们此处取的是220nf的电容。至于电感的数值，由于我们仅有47uH的电感，故此处只能使用改规格的电感，更加精确的电感数值可以参考方案参考与设计中的博客推荐。值得注意额的是：在仿真实验调试中发现如果更改电感的数值，会影响最终稳定时候的输出电压。

电感：47uh

电容：实际UC3842使用时我们直接使用了220uf的电容以保证电路能够正常运行。

6.运放反馈电路的设计

反馈电路的设计思路如下：通过一个固定数值的电阻与LED分压，利用LM358运算放大器对电压进行放大，并将放大后的结果送入芯片2脚，即反馈电压的输入端，进而控制了芯片输出的PWM波的占空比。同时我们在LM358运算放大器的反馈通路中使用滑动变阻器，即R7。由于运算放大器的放大倍数为(R3+R7)/R3，故通过修改R7的值的来修改LED的亮度。这样既提高了电源效率，又可以通过修改滑动变阻器的数值来修改LM358运算放大器的倍数，进而控制LED灯的亮度。

三、实验结果及优化

1.实验结果

下方为灯的点亮状态和直流电源的参数（左边），在规定范围内改变直流电源的大小，LED灯的点亮程度不会发生变化，即LED端的电流大小会稳定在一个确定值，上下波动，即纹波不超过10mA。

下方为多种电压情况下相关参数的测量和计算。

2.优化思路：

据上方测试数据，我们发现电源效率未实现进阶要求中的目标，推测原因有三：

一、直流电源输出到电路板上时存在能量损耗，计算输入功率时需要测量电路板的输入电压与输入电流而不是直接使用直流电源的输出值；

二、振荡电路所使用的振荡频率不够高。足够高的振荡频率会改善输出信号加在mos管上时其发热情况，进而提高电源工作效率。

三、将同步BUCK电路改为异步BUCK电路。这样可以减少电源在二极管上的损耗，进而提高电源工作效率。

四、参考文献：

1. 2N1711 数据手册 | 意法半导体 - 百芯EMA (aiema.cn)

2. IRF540中文数据手册.doc (book118.com)

3. UC3842 数据表、产品信息和支持 | 德州仪器 TI.com.cn

4. 1N5819 数据手册 肖特基二极管芯片 - 百芯EMA (aiema.cn)

5. LM358 数据表、产品信息和支持 | 德州仪器 TI.com.cn