1.DC/DC变换实现原理

DC/DC变换是LED驱动电源主电路的核心，对于DC/DC驱动电源而言，在其输入端，供电直流电压U_IN一般是由应用场所提供的，如太阳能电池板、直流母线、恒压源等，电压等级千差万别；在其输出端，其输出的额定直流电压U_ONOM（要求恒流输出时，实际上仍要求输出一定范围的直流电压）是由后面的LED光源决定的，LED光源根据应用场合的不同其LED器件数量、连接方式也是千差万别的，导致对驱动电源的输出电压要求也各不相同。因此，U_IN、U_ONOM是设计时的约束条件，驱动电源的主要功能就是实现从U_IN到U_ONOM的DC/DC转换。

实现DC/DC变换的拓扑电路有很多种，其中实现降压变换的Buck变换电路如图2-8所示，电路主要由以占空比D₁工作的开关管Q、快速恢复二极管VD、电感L和电容C组成，Buck变换电路的作用是把给定的输入直流电压U_IN转换成接近U_ONOM的实际输出U_O，并且输出电压小于输入电压。

图2-8 Buck变换电路

图2-9 Buck变换电路工作过程 a）导通状态 b）关断状态

Buck变换电路的工作过程如图2-9所示，当开关管导通时，电路工作状态如图2-9a所示，电流I与流过电感L的电流I_L相等，且电感电流I_L的大小处在线性增加的状态；负载R上流过输出电流为I_O，其两端的输出电压为U_O，其电压极性为上正下负；此时二极管VD的两端为承受反向电压；I_L＞I_O，电容C处在充电的状态。在经过时间D₁T_S后（D₁T_S为开关管导通时间，D₁为开关管导通时间占空比，T_S为周期），开关管断开，其电路工作状态如图2-9b所示。此时电感L为了保持其电感电流I_L不变，将改变其两端的电压极性，从而二极管VD将承受正向偏压而导通（二极管导通时间占空比为D₂），从而为电感电流I_L构成通路，所以称二极管VD为续流二极管。此时负载R两端的电压极性仍然不变（上正下负），I_L＜I_O，电容C处在放电的状态，用来维持I_O和U_O的稳定^[8]。

Buck变换电路的电感电流和电感电压的工作波形如图2-10所示，根据电感电流的工作模式可以把Buck变换电路的工作状态分为两种模式：电感电流连续工作模式和电感电流不连续工作模式。如果开关管的关断时间与二极管的导通时间相等，即D₁+D₂=1，此时电感电流工作在连续工作模式；当电感较小，负载较大或者是周期T_S较大时，将出现电感电流已经下降为零，但是新的周期却还没有开始的情况，此时开关管的关断时间大于二极管的导通时间，即D₁+D₂＜1，这便是电感电流不连续工作模式。

图2-10 Buck变换电路的电感电流和电感电压的工作波形

a）电感电流连续工作模式 b）电感电流不连续工作模式

当开关管导通时，电感电流I_L将线性上升，其增量为

当开关管关断后二极管导通时，电感电流I_L将线性下降，其增量为

在稳态时，这两个电流增量的绝对值应该相等，即|ΔI_L1|=|ΔI_L2|，即

整理可得，输出电压U_O和输入电压U_IN的关系为(www.daowen.com)

所以，当电感电流工作在连续工作模式时，D₁+D₂=1，此时有

U_O=D₁U_IN （2-19）

当电感电流工作在不连续工作模式时，D₁+D₂＜1，此时有

综上所述，无论Buck变换电路工作在电感电流连续工作模式还是不连续工作模式，通过合理设定D₁、D₂，即可使U_O=U_ONOM，从而将输入电压U_IN转换为要求输出的低电压，实现降压变换。

2.恒压/恒流实现原理

通过上述Buck变换电路，虽然可以得到期望的输出电压，但从控制角度看，该系统是一个开环系统，在输入U_IN有波动、外界有干扰叠加进来、电路本身存在非线性、负载工作点漂移等情况下，输出电压难以稳定在期望值，因此无法实现恒压输出。

自动控制理论是信息领域的基础理论，自1948年美国数学家维纳提出该理论以来，已经广泛应用于各个领域。其基本思想如图2-11所示，R为被控对象的期望输出，y为实际输出，u为被控对象的控制量，d为扰动，如果只给对象一个固定的u，则对象在各种扰动d影响的下输出y很难稳定在期望值R，因此，将y通过传感器检测环节反馈回控制器输入端，与R比较得到误差e，再通过控制律实时调整控制量u，即可使输出y始终朝着与期望输出R的误差减小的方向发展。通过上述闭环负反馈机制，系统可以抑制环路内任意扰动d的影响，使输出y始终保持与期望值R一致。

图2-11 反馈控制原理

采用闭环负反馈机制实现恒压/恒流控制的Buck电路原理如图2-12所示，控制器事先设定好期望的输出恒压值U_ONOM，然后采集输出电压并反馈回控制器，控制器根据反馈值与设定值的偏差实时调整PWM占空比D₁、D₂，即可在一定的精度内将输出电压U_O始终保持在要求的输出值U_ONOM。

基于闭环负反馈机制实现恒流输出的Buck电路原理与恒压类似，可从恒压原理派生出来。在主电路部分，首先得到与额定输出电流I_ONOM对应的额定输出电压U_ONOM，然后即可套用恒压型Buck设计D₁、D₂初始值；在控制器部分，设定值改为期望的输出恒流值I_ONOM，输出采样改为通过采样电阻采集输出电流，如图2-12中虚线部分，即可在一定的精度内将输出电流I_O始终保持在要求的输出值I_ONOM。

图2-12 基于闭环负反馈机制实现恒压/恒流控制的Buck电路原理

统一的DC/DC恒压/恒流实现原理如图2-13所示，DC/DC变换模块可以根据不同的变换要求选择合适的主电路拓扑结构，如降压型（Buck）电路，升压型（Boost）电路，降压-升压型（Buck-Boost）电路，以及电荷泵、Cuk、SEPIC、隔离反激、隔离正激电路等。控制器可以通过简单的比较放大电路模块实现，也可以用专门的LED驱动控制芯片（控制功能复杂的还可采用单片机等CPU系统实现）；目前大多采用LED驱动控制芯片，其中集成了设定、反馈、控制、PWM驱动、保护等多种功能，控制方式灵活多样，有的还将功率开关管集成在一起，使电路简单可靠；控制器输出可以是主电路开关管的PWM占空比，也可以是线性电路的控制电压/电流。通过设定值和输出信号采样的配套，可以实现恒压控制、恒流控制或恒压恒流双闭环控制。

图2-13 统一的DC/DC恒压/恒流实现原理