第1章 开关电源与LED驱动基础知识

1.1 开关电源与LED照明的定义

1.1.1 什么是开关电源

开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），是将一种电源形态变换成另一种形态的电源。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比例来输出稳定电压的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、纹波小、智能化程度高、使用方便等优点。电源广泛用于通信、仪器仪表、工业自动化、航空航天、家用电器等领域。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件MOSFET和IGBT的问世更新，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有更高的稳定性和高性价比等特性，被誉为高效节能电源，代表着电源发展的方向。

开关电源在变换过程中，用高频变压器将一次侧与二次侧隔离，称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Converter），常用的AC-DC变换器就是离线式开关变换器。输入电压经低通滤波，进入桥式整流，直接接到用电负载，称为非隔离式开关变换器。凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态变换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在变换时，以自动控制稳定输出并有各种保护称之完全开关电源。

开关电源由两大部分组成，即主电路和控制电路。主电路由输入电路、功率变换电路和输出电路组成；控制电路则由信号取样电路、控制电路和频率振荡发生器组成。输入电路由低通滤波电路和一次整流电路构成。220V交流电经低通滤波电路和桥式整流电路后得到未稳压的直流电压V_i，脉动电压经功率因数校正，使它的输入电流与输入电压同相，得到功率因数高、谐波含量低的直流高压，此电压经电子开关和高频变压器进行电能转换，这样直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压，高频电压经第二次整流滤波后变为直流电压输出。最后，将输出电压经过分压采样与设置的基准电压进行比较放大进入频率振荡发生器，产生一个高频信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽或频率调制，达到脉冲宽度或频率可调，可改变或调整输出电压的高低。所以说，开关电源的实质是电压转换，如图1-1所示。

高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期T内，电子开关的接通时间t_on与一个电子开关周期T所占时间之比，叫接通占空比（D），D=t_on/T，如图1-2所示。

断开时间t_off所占周期T的比例称为断开占空比（D′），D′=t_off/T。开关周期等于开关频率的倒数，即T=1/f。例如，一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期T=1/50×10³μs=20μs。很明显，接通占空比D越大，变换器输出电压越高，表明电子开关接通的时间越长，负载感应电压越高，工作频率也越高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中的开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管由于工作频率提高，导致发热量高、损耗大、效率低。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。

图1-1 开关电源工作原理框图

开关电源与铁心变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：

一是节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁心变压器的效率只有70%或者更低。美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源效率大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。

二是体积小，重量轻。据统计，100W铁心变压器的重量为1200g左右，体积达350cm³，而100W开关电源的重量只有250g，而且敞开式电源更轻，体积不到铁心变压器的1/4。

三是开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。

四是改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。

五是根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，如数字化电源、程序遥控电源等等，以满足人们的需要。

图1-2 占空比示意图

1.1.2 开关电源的分类

目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“通”和“断”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关在接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的控制形式简单得多，成本也较低，所以硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以理论上它的损耗为零，软开关对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很强，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“通”和零电流“断”，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流为无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就为无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡到零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Switching，ZVS）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching，ZCS）。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。

DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压-降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及塞达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括脉冲调频式（PFM）、脉冲调宽式（PWM）、脉冲调幅式（PAM）和脉冲谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是脉冲调宽式变换器。脉冲调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter Mode）、反激式（Feed-back Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Mode）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter）等6种。

按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。

1.1.3 什么是LED照明

LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是将电信号转换为光信号的半导体发光器件。它具有正向导通、反向截止及超压击穿特性，具有PN结，在正电压作用下，电子从N结层进入P结层，而空穴反其道而行之，空穴与电子进行对结层时，少数自由电子与多数载流子相碰撞而发光，其发光波长λ与半导体材料的结层宽度E_g有关。LED照明是开关电源应用的一部分。

λ=1245/E_g

式中，λ单位是nm；E_g是半导材料禁带宽度，单位是eV（电子伏特）。

当PN结两端电压超过器件的导通电压时，器件的工作电流急剧上升，其亮度L_V（cd/m²）与正向工作电流I_F成正比。

L_V=KI^mF

式中，K为比例系数；m为I_F工作电流指数。

当I_F＞10mA时，m=1，上式简化为L_V=KI_F，即LED的发光亮度与正向工作电流成正比。值得注意的是，LED的使用寿命还与电流密度J、工作温度有关。

磷砷化镓LED的发光峰值波长，其发光的颜色属于单色光，它的波长顺序是：红色光655nm，橙色光630nm，黄色光585nm，绿色光565nm，蓝色光440nm。白光LED产品是利用三基色红、绿、蓝混合成白光的，不同的器件材料将产生不同的彩光。

1.1.4 LED的型号分类

LED的型号繁多，类别不少，功能各异，可从发光颜色、发光亮度、工作功率、控制类型、变色方式以及灯的用途来分，见表1-1。

表1-1 LED型号分类

（续）

1.1.5 LED照明灯的主要参数

LED照明灯是人类照明历史上第四次革命：第一次是钻木取火，第二次是爱迪生发明白炽灯，第三次是荧光灯，第四次灯的革命是LED照明灯，把发光源的光通量提高了20多倍。它的主要特点是：①发光效率高，白炽灯的发光效率仅为22lm/W，荧光灯为60lm/W，高压钠灯为110lm/W，而LED灯则高达200lm/W。②发光响应速度快，极容易启动，不受温度高低的限制。③调光方便，可采用模拟调光、脉宽调光、双向晶体管调光和数字调光。根据需要，任意选用。④具有较好的方向性，不产生闪烁散射等现象。⑤有绿色环保价值，LED灯不含汞、铅、氙等有害物质，不污染环境，光线中不含紫外线和红外线，不产生电磁干扰。⑥使用方便，调光较为简单，可与太阳电池配套使用，体积小、耐冲击。⑦使用寿命长是LED照明灯最为显著的特点，一般可达50000h以上，普通白炽灯只有2000h，荧光灯也只有10000h。

有这么多优点，而要维护这些优点是靠生产标准和技术参数来支持的。主要技术参数如下：

1）寿命：LED的光通量衰减到初始值的2/2时的工作时间。正常寿命为50000h。

2）正向电流I_F：LED器件按规定通电，LED发光时的工作电流。普通LED的正向电流为20mA，小功率LED的正向电流小于100mA，大功率LED的正向电流大于350mA。

3）正向电压V_F：LED器件按规定通电，LED流过正向电流，这时器件两极所产生的压降。

4）最大正向电流I_FM：在LED器件上，允许通过的最大电流。

5）反向电压V_R：在规定值LED器件所通过的反向电流，这时器件所产生的压降。

6）反向电流I_R：在规定值LED器件所加的反向电压，这时器件所流过的电流。

7）额定功率P_D：在LED器件上，允许两端所加的最大电压和器件上流过的最大电流之积。

8）结温T_j：LED器件的温度，它是影响LED寿命的主要参量。

9）热阻R_Q：LED器件有效温度与外部规定参照点的温度之差与这时器件所消耗的功率之比。