第1章 開關電源與LED驅動理論

1.1 開關電源與LED照明的概述

1.1.1 什么是開關電源

開關穩壓電源簡稱開關電源（Switching Power Supply），是將一種電源形態變換成另一種形態的電源。這種轉換是自動控制的，并具有各種保護。開關電源由兩大部分組成，即主電路和控制電路。主電路由輸入電路、功率變換電路和輸出電路組成；控制電路則由信號取樣電路、控制電路和頻率振蕩發生器組成。輸入電路由低通濾波電路和一次整流電路構成。220V交流電經低通濾波電路和橋式整流電路后得到未穩壓的直流電壓V_i，脈動電壓經功率因數校正，使它的輸入電流與輸入電壓同相，得到功率因數高、諧波含量低的直流高壓，此電壓經電子開關和高頻變壓器進行電能轉換，這樣直流電壓變換成受控制的、符合設計要求的高頻方波脈沖電壓，高頻電壓經第二次整流濾波后變為直流電壓輸出。最后，將輸出電壓經過分壓采樣與設置的基準電壓進行比較放大進入頻率振蕩發生器，產生一個高頻信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬或頻率調制，達到脈沖寬度或頻率可調，可改變或調整輸出電壓的高低。所以說，開關電源的實質是電壓轉換，如圖1-1所示。

圖1-1 開關電源工作原理框圖

高頻電子開關是電能轉換的主要手段和方法。在一個電子開關周期T內，電子開關的接通時間t_on與一個電子開關周期T所占時間之比，叫接通占空比（D），D=t_on/T，如圖1-2所示。

斷開時間t_off所占周期T的比例稱為斷開占空比（D′），D′=t_off/T。開關周期等于開關頻率的倒數，即T=1/f。例如，一個開關電源的工作頻率是50kHz，它的周期T=1/50×10³μs=20μs。很明顯，接通占空比D越大，變換器輸出電壓越高，表明電子開關接通的時間越長，負載感應電壓越高，工作頻率也越高。這對于開關電源的高頻變壓器實現小型化有幫助，同時，能量傳遞的速度也快。但是，開關電源中的開關功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管由于工作頻率提高，導致發熱量高、損耗大、效率低。對于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。

開關電源與鐵心變壓器電源以及其他形式的電源比較起來具有較多的優點：

一是節能。綠色電源是開關電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可以達到85%，質量好的可以達到95%甚至更高。

二是體積小，重量輕。據統計，100W鐵心變壓器的重量為1200g左右，體積達350cm³，而100W開關電源的重量只有250g，而且敞開式電源更輕，體積不到鐵心變壓器的1/4。

三是開關電源具有各種保護功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當，發生短路或斷路的事故較多。

四是改變輸出電流、電壓比較容易，且穩定、可控。

五是根據人們的要求，可設計出各種具有特殊功能的電源，如數字化電源、程序遙控電源等，以滿足人們的需要。

圖1-2 占空比示意圖

1.1.2 開關電源的分類

目前開關電源的種類很多：

1）從工作性質來分，可分為“硬開關”和“軟開關”兩種。所謂硬開關，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關進行“通”和“斷”，而與電子開關自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關。顯然，開關在接通和關斷期間是有電流、電壓存在的，因此這種工作方式是有損耗的。但是它比其他變換電源的控制形式簡單得多，成本也較低，所以硬開關在很多地方仍然在應用，如脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）器就屬于硬開關。目前，很多開關電源都用PWM器來控制。另一類叫做軟開關，電子開關在零電壓下導通，在零電流下關斷。可見，電子開關是在“零狀態”下工作的，所以理論上它的損耗為零，軟開關對浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很強，其工作頻率可以提高到5MHz以上，開關電源的重量和體積則可進行更大的改變。為了實現零電壓“通”和零電流“斷”，我們常采用諧振的方法。利用諧振電路可實現正弦波振蕩，當振蕩到零時，電子開關導通，稱之為零電壓導通（Zero Voltage Switching，ZVS）。同樣，流過電子開關的電流振蕩到零時，電子開關關斷，稱之為零電流關斷（Zero Current Switching，ZCS）。總之，電子開關具有零電壓導通、零電流關斷的外部條件，這種變換器稱為準諧振變換器。它是在脈寬調制器上附加諧振網絡而形成的，固定電子開關導通時間，通過調整振蕩頻率，最終使電路產生諧振，從而獲得準諧振變換器的模式。準諧振變換器開關電源的輸出電壓不隨輸入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負載的變化而變化，這種開關電源的主變換器依靠開關頻率來穩定輸出參數，我們稱之為調頻開關電源。調頻開關電源沒有脈沖調制開關電源那么容易控制，再加上準諧振電路電壓峰值高，開關所受到的應力大，目前還沒有得到廣泛應用。

2）從轉換方式分：有AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC四種。DC/DC變換類型是開關電源變換的基本類型，它通過控制開關通斷時間的比例，對開關波形進行微分平滑處理，從而更有效地調整脈沖的寬度及頻率。

3）從輸入、輸出有無變壓器隔離來分：DC/DC變換分為有變壓器隔離和沒有變壓器隔離兩類。每一類有6種拓撲，即降壓式（Buck）、升壓式（Boost）、升壓/降壓式（Buck/Boost）、串聯式（Cuk）、并聯式（Sepic）以及塞達式（Zata）。

4）按激勵方式分：有自激式和他激式兩種。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括脈沖調頻式（PFM）、脈沖調寬式（PWM）、脈沖調幅式（PAM）和脈沖諧振式（RSM）4種，我們用得最多的是脈沖調寬式變換器。脈沖調寬式變換器有以下6種：正激式（For-ward Converter Mode）、反激式（Feedback Converter Mode）、半橋式（Half Bridge Mode）、全橋式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter）。

1.1.3 什么是LED照明

LED（Light Emitting Diode，發光二極管）是將電信號轉換為光信號的半導體發光器件。它具有PN結，在正電壓作用下，電子從N結層進入P結層，而空穴反其道而行之，空穴與電子進行對結層時，少數自由電子與多數載流子相碰撞而發光，其發光波長λ與半導體材料的結層寬度E_g有關。LED照明是開關電源應用的一部分。

λ=1245/E_g

式中，λ的單位是nm；E_g是半導材料禁帶寬度，單位是eV（電子伏特）。

當PN結兩端電壓超過器件的導通電壓時，器件的工作電流急劇上升，其亮度L_V（cd/m²）與正向工作電流I_F成正比。

式中，K為比例系數；m為I_F工作電流指數。

當I_F＞10mA時，m=1，上式簡化為L_V=KI_F，即LED的發光亮度與正向工作電流成正比。值得注意的是，LED的使用壽命還與電流密度J、工作溫度有關。

磷砷化鎵LED的發光峰值波長，其發光的顏色屬于單色光，它的波長順序是：紅色光655nm，橙色光630nm，黃色光585nm，綠色光565nm，藍色光440nm。白光LED產品是利用三基色紅、綠、藍混合成白光的，不同的器件材料將產生不同的彩光。

1.1.4 LED照明燈的主要參數

LED照明燈是人類照明歷史上第四次革命：第一次是鉆木取火；第二次是愛迪生發明白熾燈；第三次是熒光燈；第四次燈的革命是LED照明燈，把發光源的光通量提高了20多倍。它的主要特點是：①發光效率高，白熾燈的發光效率僅為22lm/W，熒光燈為60lm/W，高壓鈉燈為110lm/W，而LED燈則高達200lm/W。②發光響應速度快，極容易啟動，不受溫度高低的限制。③調光方便，可采用模擬調光、脈寬調光、雙向晶體管調光和數字調光。根據需要，任意選用。④具有較好的方向性，不產生閃爍散射等現象。⑤有綠色環保價值，LED燈不含汞、鉛、氙等有害物質，不污染環境，光線中不含紫外線和紅外線，不產生電磁干擾。⑥使用方便，調光較為簡單，可與太陽電池配套使用，體積小、耐沖擊。⑦使用壽命長是LED照明燈最為顯著的特點，一般可達50000h以上，普通白熾燈只有2000h，熒光燈也只有10000h。

有這么多優點，而要維護這些優點是靠生產標準和技術參數來支持的。主要技術參數如下：

1）壽命：LED的光通量衰減到初始值的2/2時的工作時間。正常壽命為50000h。

2）正向電流I_F：LED器件按規定通電，LED發光時的工作電流。普通LED的正向電流為20mA，小功率LED的正向電流小于100mA，大功率LED的正向電流大于350mA。

3）正向電壓V_F：LED器件按規定通電，LED流過正向電流，這時器件兩極所產生的壓降。

4）最大正向電流I_FM：在LED器件上，允許通過的最大電流。

5）反向電壓V_R：在規定值LED器件所通過的反向電流，這時器件所產生的壓降。

6）反向電流I_R：在規定值LED器件所加的反向電壓，這時器件所流過的電流。

7）額定功率P_D：在LED器件上，允許兩端所加的最大電壓和器件上流過的最大電流之積。

8）結溫T_j：LED器件的溫度，它是影響LED壽命的主要參量。

9）熱阻R_Q：LED器件有效溫度與外部規定參照點的溫度之差與這時器件所消耗的功率之比。