第1章 開關(guān)電源與LED驅(qū)動(dòng)理論

1.1 開關(guān)電源與LED照明的概述

1.1.1 什么是開關(guān)電源

開關(guān)穩(wěn)壓電源簡稱開關(guān)電源（Switching Power Supply），是將一種電源形態(tài)變換成另一種形態(tài)的電源。這種轉(zhuǎn)換是自動(dòng)控制的，并具有各種保護(hù)。開關(guān)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(hào)取樣電路、控制電路和頻率振蕩發(fā)生器組成。輸入電路由低通濾波電路和一次整流電路構(gòu)成。220V交流電經(jīng)低通濾波電路和橋式整流電路后得到未穩(wěn)壓的直流電壓V_i，脈動(dòng)電壓經(jīng)功率因數(shù)校正，使它的輸入電流與輸入電壓同相，得到功率因數(shù)高、諧波含量低的直流高壓，此電壓經(jīng)電子開關(guān)和高頻變壓器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，這樣直流電壓變換成受控制的、符合設(shè)計(jì)要求的高頻方波脈沖電壓，高頻電壓經(jīng)第二次整流濾波后變?yōu)橹绷麟妷狠敵觥Ｗ詈螅瑢⑤敵鲭妷航?jīng)過分壓采樣與設(shè)置的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大進(jìn)入頻率振蕩發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)，該信號(hào)與控制信號(hào)疊加進(jìn)行脈寬或頻率調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度或頻率可調(diào)，可改變或調(diào)整輸出電壓的高低。所以說，開關(guān)電源的實(shí)質(zhì)是電壓轉(zhuǎn)換，如圖1-1所示。

圖1-1 開關(guān)電源工作原理框圖

高頻電子開關(guān)是電能轉(zhuǎn)換的主要手段和方法。在一個(gè)電子開關(guān)周期T內(nèi)，電子開關(guān)的接通時(shí)間t_on與一個(gè)電子開關(guān)周期T所占時(shí)間之比，叫接通占空比（D），D=t_on/T，如圖1-2所示。

斷開時(shí)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(guān)周期等于開關(guān)頻率的倒數(shù)，即T=1/f。例如，一個(gè)開關(guān)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(guān)接通的時(shí)間越長，負(fù)載感應(yīng)電壓越高，工作頻率也越高。這對(duì)于開關(guān)電源的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)小型化有幫助，同時(shí)，能量傳遞的速度也快。但是，開關(guān)電源中的開關(guān)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(dǎo)致發(fā)熱量高、損耗大、效率低。對(duì)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(guān)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(yōu)點(diǎn)：

一是節(jié)能。綠色電源是開關(guān)電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可以達(dá)到85%，質(zhì)量好的可以達(dá)到95%甚至更高。

二是體積小，重量輕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100W鐵心變壓器的重量為1200g左右，體積達(dá)350cm³，而100W開關(guān)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(guān)電源具有各種保護(hù)功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當(dāng)，發(fā)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(wěn)定、可控。

五是根據(jù)人們的要求，可設(shè)計(jì)出各種具有特殊功能的電源，如數(shù)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(guān)電源的分類

目前開關(guān)電源的種類很多：

1）從工作性質(zhì)來分，可分為“硬開關(guān)”和“軟開關(guān)”兩種。所謂硬開關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號(hào)強(qiáng)行對(duì)電子開關(guān)進(jìn)行“通”和“斷”，而與電子開關(guān)自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關(guān)。顯然，開關(guān)在接通和關(guān)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(guān)在很多地方仍然在應(yīng)用，如脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）器就屬于硬開關(guān)。目前，很多開關(guān)電源都用PWM器來控制。另一類叫做軟開關(guān)，電子開關(guān)在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷。可見，電子開關(guān)是在“零狀態(tài)”下工作的，所以理論上它的損耗為零，軟開關(guān)對(duì)浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很強(qiáng)，其工作頻率可以提高到5MHz以上，開關(guān)電源的重量和體積則可進(jìn)行更大的改變。為了實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)正弦波振蕩，當(dāng)振蕩到零時(shí)，電子開關(guān)導(dǎo)通，稱之為零電壓導(dǎo)通（Zero Voltage Switching，ZVS）。同樣，流過電子開關(guān)的電流振蕩到零時(shí)，電子開關(guān)關(guān)斷，稱之為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching，ZCS）。總之，電子開關(guān)具有零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的外部條件，這種變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。它是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)而形成的，固定電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，通過調(diào)整振蕩頻率，最終使電路產(chǎn)生諧振，從而獲得準(zhǔn)諧振變換器的模式。準(zhǔn)諧振變換器開關(guān)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(fù)載的變化而變化，這種開關(guān)電源的主變換器依靠開關(guān)頻率來穩(wěn)定輸出參數(shù)，我們稱之為調(diào)頻開關(guān)電源。調(diào)頻開關(guān)電源沒有脈沖調(diào)制開關(guān)電源那么容易控制，再加上準(zhǔn)諧振電路電壓峰值高，開關(guān)所受到的應(yīng)力大，目前還沒有得到廣泛應(yīng)用。

2）從轉(zhuǎn)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(guān)電源變換的基本類型，它通過控制開關(guān)通斷時(shí)間的比例，對(duì)開關(guān)波形進(jìn)行微分平滑處理，從而更有效地調(diào)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?fù)洌唇祲菏剑˙uck）、升壓式（Boost）、升壓/降壓式（Buck/Boost）、串聯(lián)式（Cuk）、并聯(lián)式（Sepic）以及塞達(dá)式（Zata）。

4）按激勵(lì)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(diào)頻式（PFM）、脈沖調(diào)寬式（PWM）、脈沖調(diào)幅式（PAM）和脈沖諧振式（RSM）4種，我們用得最多的是脈沖調(diào)寬式變換器。脈沖調(diào)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(fā)光二極管）是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。它具有PN結(jié)，在正電壓作用下，電子從N結(jié)層進(jìn)入P結(jié)層，而空穴反其道而行之，空穴與電子進(jìn)行對(duì)結(jié)層時(shí)，少數(shù)自由電子與多數(shù)載流子相碰撞而發(fā)光，其發(fā)光波長λ與半導(dǎo)體材料的結(jié)層寬度E_g有關(guān)。LED照明是開關(guān)電源應(yīng)用的一部分。

λ=1245/E_g

式中，λ的單位是nm；E_g是半導(dǎo)材料禁帶寬度，單位是eV（電子伏特）。

當(dāng)PN結(jié)兩端電壓超過器件的導(dǎo)通電壓時(shí)，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(shù)；m為I_F工作電流指數(shù)。

當(dāng)I_F＞10mA時(shí)，m=1，上式簡化為L_V=KI_F，即LED的發(fā)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(guān)。

磷砷化鎵LED的發(fā)光峰值波長，其發(fā)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(lán)色光440nm。白光LED產(chǎn)品是利用三基色紅、綠、藍(lán)混合成白光的，不同的器件材料將產(chǎn)生不同的彩光。

1.1.4 LED照明燈的主要參數(shù)

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(fā)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(fā)光源的光通量提高了20多倍。它的主要特點(diǎn)是：①發(fā)光效率高，白熾燈的發(fā)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(dá)200lm/W。②發(fā)光響應(yīng)速度快，極容易啟動(dòng)，不受溫度高低的限制。③調(diào)光方便，可采用模擬調(diào)光、脈寬調(diào)光、雙向晶體管調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。根據(jù)需要，任意選用。④具有較好的方向性，不產(chǎn)生閃爍散射等現(xiàn)象。⑤有綠色環(huán)保價(jià)值，LED燈不含汞、鉛、氙等有害物質(zhì)，不污染環(huán)境，光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生電磁干擾。⑥使用方便，調(diào)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(diǎn)，一般可達(dá)50000h以上，普通白熾燈只有2000h，熒光燈也只有10000h。

有這么多優(yōu)點(diǎn)，而要維護(hù)這些優(yōu)點(diǎn)是靠生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)參數(shù)來支持的。主要技術(shù)參數(shù)如下：

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

2）正向電流I_F：LED器件按規(guī)定通電，LED發(fā)光時(shí)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(guī)定通電，LED流過正向電流，這時(shí)器件兩極所產(chǎn)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(guī)定值LED器件所通過的反向電流，這時(shí)器件所產(chǎn)生的壓降。

6）反向電流I_R：在規(guī)定值LED器件所加的反向電壓，這時(shí)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(jié)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(guī)定參照點(diǎn)的溫度之差與這時(shí)器件所消耗的功率之比。