12V开关电源改造LED恒流驱动器及原理分析，DIY零成本LED灯

闻太师

去年本人用手机充电头+SY7203DIY了两个LED灯https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=424722，用了近一年效果良好。近日想DIY十几瓦的LED灯，非快充的手机充电头最大电流通常不超2A，即功率不超10W。再考虑SY7203效率大约为80%，最大只能做到8W，因此需要考虑新的方案。
随着电子产品快速更新换代，大量12V开关电源被淘汰，电流有1A、1.5A、2A不等。一开始看到别人扔的还会捡回来，随着收集越来越多发现根本用不完，如果能把这些淘汰的电源适配器改装成LED恒流驱动器，也算是为减少电子垃圾出了一份力。最省事的方案就是继续用SY7203，毕竟轻车熟路。然而SY7203为DFN封装，需要制做PCB，对没有热风枪的朋友焊接也是个难题。为此本人摸索了一套只需在原电源适配器的基础上进行少量修改，无须制做PCB，无须购买专用元件，几乎是零成本。
中间还有个小插曲，看到某宝上所谓的“隔离型LED驱动器”很便宜，结果被骗https://www.mydigit.cn/thread-465383-1-1.html。
本帖总共三层楼，发完之前肯请不要跟帖

闻太师

那些看起来复杂的公式看不懂关系也不大，只要知道那些电阻电容跟零/极点有关就可以了，这些都是铺垫。重点是改装思路和我手写的几个公式。

闻太师

1. 反激开关电源环路稳定原理

闲言少叙，书归正文。话说小功率12V开关电源通常都是用TL431+PC817的恒压反激（flyback）型开关电源。要把恒压改成恒流，不可避免要修改反馈网络。而反馈网络关系到整个环路的稳定性，如果不能正确修改就会破坏环路稳定条件，轻则造成动态响应性能下降，重则导致电源适配器自激。因为修改的目标是做LED驱动器，相当于恒定负载。如果只是动态响应性能下降，可以不用太在意。如果自激了，炸管烧负载都有可能。因此需要重点考虑环路稳定性问题。鉴于很多电子爱好者对环路稳定原理（尤其是开关电源的环路稳定原理）不甚了解，因此本人先对反激电源的环路稳定原理简单介绍一下。熟悉这部分内容的朋友可以跳过。
按反馈方式，反激电源可分为电压反馈型和电流反馈型两种。电压反馈型环路补偿比较复杂，近些年已经很少使用。目前电流反馈型为主流。电流反馈型又进一步分为峰值电流模式、平均电流模式、电流环滞后模式等。峰值电流模式因控制电路简单、价格低，应用范围比较广泛，常见的普及型小功率反激电源适配器都是这种模式。因此下面只介绍这种模式。

按变压器/电感电流是否连续，又可分为CCM、BCM、DCM三种模式。BCM、DCM两种模式特性相近，补偿起来比CCM容易。搞明白CCM模式的补偿原理，BCM、DCM自然就懂了。

峰值电流CCM型反激电源从控制到传出的传递函数（后文简称传函）G(s)为




波特图为



根据负反馈系统环路稳定原理，系统稳定的条件为：
（1）幅频特性曲线（也叫增益曲线）与0dB线以-20dB/dec相交（交点频率称为穿越频率fC）
（2）穿越频率处至少要有45度相位裕度。

按照这两个条件，乍一看，即使反馈回路不做补偿（即纯电阻反馈网络），系统也是稳定的。实际上当输出电压、输出电流变化时，系统有不稳定倾向。另外上图中Gdc通常不大，这意味着直流和低频增益不高，其结果是输出电压误差较大。为了减少输出电压误差，通常希望直流和低频增益尽量高一些，需要反馈网络（即从输出到控制）传函H(s)有一个零极点（也叫原点极点，即频率为0的极点）。为了使增益曲线与0dB线以-20dB/dec相交，需要反馈网络传函H(s)有一个零点fez（以抵消前一个极点的影响）。为了减小高频干扰，希望高频段增益尽量小，需要反馈网络传函H(s)有一个极点fep。传函H(s)的零极点、零点fez、极点fep按频率从低到高排列，具体取值与传函G(s)中各零极、极点频率有关。篇幅所限这里不展开讨论。
综上所述，希望反馈网络传函H(s)波特图为下边的样子



从控制到输出的传函G(s)与从输出到控制的传函H(s)相加，得到闭环传函波特图，即下图中的橙色曲线。可见传函H(s)确实达到了上述目的。



以上讨论的是CCM模式的传函G(s)和H(s)。上述补偿网络传函数基于TL431+PC817的II型补偿或PI型补偿实现。
BCM、DCM模式与CCM模式相比，少了右半平面零点（fez、fep的计算方式也不同），补偿方式也略有不同。


2. 常用补偿电路简介

]除了II型和PI型，I型补偿也比较常见。基于TL431+PC817的I型、PI型、II型补偿，基于覆盖了常见的小功率开关电源，因此只要搞懂了以上三种补偿方式的电路，在改装成LED恒流驱动时就可以有的放矢。
基于TL431+PC817的II型补偿电路及传函如下




基于TL431+PC817的PI型补偿电路及传函如下



基于TL431+PC817的I型补偿电路与PI型相比，只是反馈支路少了电阻R2，电路及传函如下




看到这些有的朋友可能蒙圈了，其实不用全懂，只要知道那几个元件和环路补偿有关就可以了。


3. 改装思路与方案

仔细观察上述几种补偿电路的传函会发现，R1、Rd串联组成电压取样电路，而传函中只有R1没有Rd。这是因为传函描述的是电路的交流特性，而TL431 REF脚对地电压恒定为2.5V，对交流而言相当于对地0V，故R1下端相当于直接接地，Rd不起作用。又因为TL431 REF脚电流极小，只要R1取值不是特别大，REF脚电流可以忽略，近似断路。这里插一句题外话，改电源适配器输出电压时，通常都是改下分压电阻Rd而不改上分压电阻R1，就是这个原因。

R1跨接在Uo和TL431 REF脚之间，流过R1的电流必然流过反馈支路。由此我们得到恒压改恒流后保持环路稳定的一个重要思路：
恒压改恒流，主要是把电压取样改为电流取样，也就是以上两图中TL431及其左边的电路不动，只改其右边的部分。只要修改后的电路，跨接在Uo与TL431 REF脚之间的等效电阻与修改前的R1相同，传函就不会变化，系统必然还是稳定的。而Rd取值可以随便改，不会对系统稳定性造成任何影响。

现在要把从恒压改为恒流，需要把电压取样改为电流取样。最直观的做法是把Rd改为电流取样电阻，R1去掉改为LED灯串。可这样做有两个问题：
（1）TL431 REF脚为2.5V，而12V输出驱动十几瓦的LED电流约为1A量级，即取样电阻约为2.5Ω左右。取样电阻上消耗的功率太大，损耗太大。
（2）R1原值通常为十几千欧~几十千欧，换成LED灯串后因其动态电阻很小，通常是欧姆级甚至是亚欧姆极。这样一来，改成恒流后各零/极点频率会发生极大变化，必然破坏环路稳定性。

为了减小电流取样电阻上功率的损耗，通常使用比较小的电流取样电阻，然后用运放做一级直流电压放大。可是这样做电路改动较大，且没有解决零/极点频率变化的问题。
为了使用较小的电流取样电阻，又不想做电压放大，还可以考虑在取样电阻电压的基础上叠加一个固定的直流电压。为了得到固定的直流电压，可以考虑增加一个基准源TL431，然后用电阻分压。事实上，LED灯串也可以看做一个近似的基准源，只要其电流恒定，电压就近似恒定。而我们做LED灯，本来就是要恒流驱动。这样一来电路进一步简化，基于这一思路得到如下改装方案，即只要在Rd与地之间插入电流取样电阻Rs，并把Rs上端做为负载地。



因为LED动态电阻很小，相比R1和Rd可以近似看做0值。这样一来在交流通路中，Uo+和Uo-是短路在一起的，R1和Rd并联。因此只要修改后的R1//Rd与原来的R1近似相等，传函H(s)就不变，系统依然是稳定的。
交流分析完了，接下来做直流分析。负载LED串开路时，输出电压为Uo=Vref*[1+R1/(Rd+Rs)] = 2.5*[1+R1/(Rd+Rs)] 。因Rs通常小于1欧姆，相比R1、Rd的十几千欧~几十千欧可以忽略，因此Uo=2.5*(1+R1/Rd)。只要R1、Rd取值合适，使空载时Uo超过LED串的工作电压，接入LED串即可导通。
因为LED有钳压作用，LED串导通后，设LED串在给定电流下的电压为Vled，Vled必小于空载时的Uo。则Rd两端电压为Vled*Rd/(R1+Rd)，必小于2.5V。故Rs两端电压为2.5-Vled*Rd/(R1+Rd)，此电压除以Rs即为LED串的工作电流。

在分析恒流（即稳流）原理之前，先分析一下原来的稳压原理。假设输出电压升高，则TL431 REF脚电压升高，PC817电流增大，控制芯片Vfb脚电压降低，PWM占空比减小，使输出电压降低。如果输出电压降低，则TL431 REF脚电压降低，PC817电流减小，控制芯片Vfb脚电压升高，PWM占空比增大，使输出电压升高。
改成恒流后，假定某些原因使输出电流增大，则Rs电压升高。因Rd电压不变，则TL431 REF脚电压升高，PC817电流增大，控制芯片Vfb脚电压降低，PWM占空比减小，使输出电流减小。如果输出电流减小，则Rs电压减小。因Rd电压不变，则TL431 REF脚电压降低，PC817电流减小，控制芯片Vfb脚电压升高，PWM占空比增大，使输出电流增大。至此交流分析和直流分析基本都做完了，可见改为恒流后电路可以正常工作。

上述改装方案，为了保持交流特性与原来相同，选择使修改后的R1//Rd近似等于原来的R1；为了保证LED灯串导通，选择Uo=2.5*(1+R1/Rd)大于LED灯串工作电压。这个方案还有一丢丢的小问题，这里简单介绍一下。前边说了，CCM、BCM、DCM的补偿方式略有差别，那一个具体的反激开关电源到底工作在哪种模式呢？答案是工作模式取决于负载电流。负载电流恰好为某一阈值时工作在BCM模式，大于阈值时为CCM模式，小于阈值时为DCM模式。阈值的大小是在设计时设定的，影响阈值的因素很多，比如变压器初级线圈电感量、变压器匝数比、占空比、电感/开关管/整流管峰值电流、等等，一旦设计定型，后期不容易修改。
有的开关电源设计为允许轻载经BCM进入DCM模式。有的设计为不允许经BCM进入DCM模式，通过假负载避免进入DCM模式。注意，设计为不允许进入DCM模式的开关电源，如果进入了DCM模式有损坏的可能。只是说有可能，没说一定。本人没见过需要专门假负载的开关电源，但知道开关电源空载时还是有电流流过取样电阻R1和Rd。于是本人猜测会不会有设计者把R1和Rd当做假负载呢？为了避免万无一失咱假定会有人这样做。

前边说过，修改后的R1//Rd需要近似等于原来的R1，这样一来修改后R1必然比原来大，那空载电流就必然比原来小（假设改装前后输出电压基本不变）。为了使空载电流近似不变，可以考虑R1阻值不变，增加一个电阻Rb。Rb一端接R1和Rd的连接点，另一端接TL431 Ref脚，并使Rb取值为修改前的R1与修改后的R1//Rd之差。有人会说，改装后的电源与灯串接在一起，没有空载的情况。正常情况确实如此，不过万一连接灯串的导线意外断了呢？

闻太师

4.DIY实战

本次DIY目标是12W LED灯，之前收集的12V 1.5A电源适配器正好派上用场。



这种电源外壳是超声焊接的，想要无损打开也不难。用刀刃抵在四角的接缝处，锤子轻轻敲几下就打开了。接缝处损伤很小，事后很容易用胶水粘回去。



取出PCB看了一下，是基于TL431+PC817 PI型补偿，适用前边得出的方案。



因为PCB打样需要时间，因此先画灯板PCB。之前的经验表明，手里的5730 0.5W LED灯珠效果比7030 1W效果要好，所以这次继续用5730灯珠。单颗5730 0.5W电压为3.3~3.6V，额定电流约150mA。12V只能驱动3颗灯珠串联，4颗有困难。因为LED为电流驱动型，最好是多串少并，所以需要把12V的输出电压适当提高一下。但提高太多可能影响电源适配器的性能，折中考虑后决定每串5颗串联。总功率12W，每串5*0.5W，理论上需要4.8串，向上取整为5串。前边分析的时候提到过，LED还要兼任基准源，而LED的电压与电流和温度有关。电流越大电压越高，发热也就越大，温度随之越高。温度升高又会使传输特性曲线左移，导致电压降低。电压降低又会使电流取样电阻电压增加，导致电流进一步增加。这是个正反馈，处理不好有烧毁LED灯珠的风险。
另一方面，温度升高LED电压下降有利于功率下降，功率下降意味着发热下降，有利于温度降低。因此只要处理好发热和散热，还是有可能不烧LED的。解决方案就是把单串LED电流从150mA降为120mA降低功率，为此LED由5串增加到6串。同时尽可能加大铝基板面积增强散热，之前制做8W LED灯时用的是10x10铝基板，这次使用10x15。



10x15的铝基板，只能找JP了，原因大家懂的。JP免费的铝基板只给做0.5盎司+OSP焊盘，这也没什么，铜箔加宽就行了，这次搞的比较夸张，大块铺铜。



板子画好了交给板厂，利用等待的时间改装电源适配器。用之前制做的LED灯测量得到，5颗LED串联，150mA室温（27度）刚灯亮时的温度为16.1V，工作一段时间热平衡后为15.7V。可以用15.7V大致做为新灯板工作时的电压。为了保证LED能正常导通，改装后的电源空载电压必须大于16.1V，本次制做取17.5V。电源适配器上R1原值18kΩ不变，Rd改为3kΩ。18kΩ//3kΩ=2.57kΩ，因此Rb为18-2.57=15.4kΩ，取标准值15kΩ。15.7V分压后落在Rd上2.24V，则Rs上的电压为2.495-2.24=0.255V。每串LED 120mA，6串就是720mA。则Rs=0.255/0.72=0.35Ω，用3个0805 1.1Ω并联。



电源改装完了，打样的PCB也做好了。把尘封的干式调温电熨斗请出来，温度调到最高值的一半左右，翻过来上电，PCB放上面预热涂抹锡浆。为了保险，先焊一串灯珠试验。




涂完锡浆后PCB取下来摆放LED灯珠。



摆好灯珠后把电熨斗温度调到最高，翻过来通电，把PCB放上面焊接。




所有焊盘锡浆完全融化后焊好导线取下来，冷却后接入改装好的电源适配器。因为试验只焊了一串灯珠，所以电流取120mA，Rs取值约为2Ω。通电后灯亮，观察一段时间后未发现异常。焊好所有灯珠，把Rs恢复为0.35Ω，做全功率试验。


测试表明，室温27度刚上电时灯板电压为15.547V，比之前做的8W 5串灯板电压（16.1）低，这是因为新做的灯珠单串灯珠电流为120mA，比之前的150mA低。持续点视灯板，电压最终稳定到15.4V。冷热态电压差比之前的8W灯板低，可见降功率运行效果十分明显。
计算灯板的实际功率。15.4V分到Rd上的电压为2.2V，则Rs上的电压为2.495-2.2=0.295V，可知电流为0.295/(1.1/3)=0.8A。灯板功率为15.4V*0.8A=12.32W，很接近目标值12W。


两点注意事项：
（1）Rs上的电压需要适中，太大了损耗过大，太小了恒流误差大，资料表明0.25~0.4V比较合适。
（2）为了使改装尽量简单，本次使用了LED做为基准源，而LED电压受温度影响，因此最好不要在室外使用。如果非要在室外使用，可以考虑增加一个TL431做为基准源。

简单说说本次DIY的成本。电源适配器是捡来的没花钱。改装用和几个0805电阻算几分钱吧。铝基板PCB是板厂赞助的也没花钱。LED灯珠是之前用红包买的，本次用了30个最多一两毛钱。10x15的散光板，红外+1分钱。双通铜柱+螺丝也是红包买的。所有物料加起来最多两三毛钱，本次DIY几乎是零成本。

该说的差不多说完了，如果觉得看了本文对您有所启发，欢迎点赞、收藏、留言、转发。

safehorse

虽然我不懂这个, 但是有一LED驱动图刚好在桌面, 故发之以供楼主继续优化参考.....

闻太师

safehorse 发表于 2024-8-12 18:19
虽然我不懂这个, 但是有一LED驱动图刚好在桌面, 故发之以供楼主继续优化参考.....
...

你这个是基于专用LED驱动芯片的方案，属于原边反馈型。普通的开关电源是副边反馈型。两者区别较大，没多大参考性，不过还是谢谢你。

safehorse

闻太师 发表于 2024-8-12 18:23
你这个是基于专用LED驱动芯片的方案，属于原边反馈型。普通的开关电源是副边反馈型。两者区别较大，没多 ...

应该是的. 最近手里有几块质地较好的铝板较厚的LED灯板想利用起来, 正在找合适的驱动

smg小沈

完全看不懂  晕死

wxjlxy

基本上看不懂，但这么专业还是要赞一下

baipifeng

熨斗我倒真是没想到，哈哈哈

lookball

这计算公式看起来很复杂的样子

wqwq212

听起来好像挺简单，实际一看还挺复杂。

tongzijun

之前撸了不少开关电源，就是体积太大，再说用于LED灯驱动有些浪费

st911

挺专业的，可以量产了

mhtlov

有技术就是浩

kkdkj

看得我晕头转向的，我都怀疑我这些年什么都没学到

b26359

楼主发了这么多图文，辛苦了！楼主DIY精神可嘉，用电熨斗焊接灯珠就是具体表现。我是DIY一个PTC加热板。贴子收藏备用，我也有现成的铝基板、灯珠、12V电源以及相关电子元件。

闻太师

kkdkj 发表于 2024-8-12 22:52
看得我晕头转向的，我都怀疑我这些年什么都没学到

环路稳定相关的知识点比较分散，信号与系统里一部分，模电里一部分，开关电源里一部分，运放里也有一部分。除非长期关注这些东西，否则确实容易蒙圈。不过一旦搞懂了，会发现很简单，本质上就是零点与几点相互作用，一阴一阳之谓道。

微醉

楼主真是理论实践都过硬啊。看明白了思路，但补偿网络分析试算真的是已经超出我的能力水平了。以前搞电源取值采样电阻只是考虑功率、分压比、远离失调范围，看了楼主的帖子才知道开关电源交流补偿网络也是稳定的关键。所以改开关电源还是要慎重，尤其是反激电源。
楼主改的电路是不是可以粗略看作恒压电源增加了限流采样，只是由于采样电阻压降的影响，输出电流的增加会迫使输出电压有所下降。
Rb的加入会对基准采样有微小影响，是不是可以直接在电源输出端增加假负载，只要保证输出空载时假负载和采样回路功耗与原先相等就行了吧。

闻太师

微醉 发表于 2024-8-13 10:44
楼主真是理论实践都过硬啊。看明白了思路，但补偿网络分析试算真的是已经超出我的能力水平了。以前搞电源取 ...

根据环路稳定理论，各种开关电源包括buck、boost、buck-boost、flyback、forward，都需要做补偿。只是有些情况即使不补偿，只是性能下降，不一定会自激，不用专门仪器测试看不出来。

这个我以前也不知道，前几年玩tl494的时候发现基准源用数控就自激，不用数控就不自激。然后接触了一些环路稳定的知识。后来玩LCR，消除误差也需要环路稳定相关知识，又强化学习了一下。再加上某些原因，强化了一下信号与系统的学习，算是基本掌握了环路稳定分析。

从国外大佬们的著作看，不管是国内还是国外，也不管是业余爱好者还是科班出身，环路稳定知识都比较薄弱。如果要从根上深入研究，最好是看控制原理相关的书，不是一般的难。

要区分恒流还是电阻限流，可以看电源和负载压差很小即“限流电阻”很小时，负载电流是否明显变化。我这个压差才0.4V左右，限流电阻0.35Ω，如果是恒压加电阻限流，电流肯定失控，因此我的是真恒流。只不过为了使改装尽量简单，我用负载LED灯串兼任基准源，恒流精度没有那么高。不过在温度变化不大的室内没什么问题，如果放在室外，冬天零下20度，夏天零上30的多度，恒流误差会加大。如果要提高精度，加一个TL431再加一两个电阻即可，也复杂不了多少。