2.4 开关电源设计开发与LED照明应用
2.4.1 电磁干扰抑制方法
开关电源的传导干扰是由输入电源传播的，会对所有的电子设备产生严重的干扰。抑制传导干扰最有效的方法是在电路的输入、输出端加滤波器，还有加缓冲器、减少耦合回路、降低寄生振荡等方式。近年来随着新的电子器件不断出现，人们提出了一些新的抑制方法，包括有新的控制理论和新的无源缓冲电路等。
（1）频率调制控制法
由于频率的变化而产生的干扰源的能量在开关频率下都集中在动态元器件上，要抑制这些动态元器件所产生的干扰频率，满足抑制EMI的标准，有一定的困难。开关频率、信号能量抑制是一种比较好的办法。能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列的分立的边频带。这样将干扰频谱展开，干扰能量被分割成小段分布在各个频段上，经过频率调制，抑制开关电源的EMI被化解、吸收，使这一干扰源能量减小。
以前采用随机频率（Randomized Frequency）控制的主要出发点是在电路中加进一个随机扰动信号，使开关的时间间隔进行不规则变化，则开关噪声频谱由原来离散的尖脉冲变成连续分布频率噪声，这样噪声峰值大大下降。
（2）无源缓冲电路
开关电源中的电磁干扰大多是由开关管产生的。其次，输出的整流二极管在导通时，其导通电流不仅将引起大量的开通损耗，还会产生大量的导通电磁干扰信号；在关断时，由于二极管极间电容的存在，同样产生电磁波信号。如果在电路上加进缓冲电路，不仅可以抑制二极管在开通和关断时的电磁干扰，而且具有电路简单、容易控制的特点，因而得到了广泛应用。但传统的缓冲电路结构复杂，很难控制，还可能产生高的电压、电流应力，对开关电源的使用寿命和工作可靠性造成不利。这种缓冲电路不能用于抑制电磁干扰。
图2-37所示是升压式DC/DC变换电路二极管反向恢复电流抑制电路，结构简单，可靠性高。
图2-37 升压式DC/DC变换电路二极管反向恢复电路
如图2-37a所示，VT1导通后，二极管VD1截止。由于VD1上的电压很高，VD1截止后靠反向尖峰电流加以恢复，反向恢复电流只能由特定的变换器才能抑制。图2-37b所示电路可以较好地解决这一问题。该电路在图2-37a所示电路的基础上增加了二极管VD2和电感L2，这两个元件与主电路电感L1串联，又与主二极管VD1并联。当VT1导通时，二极管VD2、电感L2对主电路进行分流，使VD1上的电流为零，直至VT1截止。由于L2的作用，VD2上的反向恢复电流很小，近似于零。这种变换器电路最重要的特点是限制了主二极管的反向恢复电流。这种方法还可以用在输入、输出整流二极管对反向电流的抑制方面。图2-38就是这种方法的运用实例。主二极管的反向电流会对开关管造成很大的电流、电压应力，轻则增加电路的功率损耗，重则会使开关管损坏。图2-39所示是无损缓冲电路，它的工作原理是这样的：主开关管导通时，电流IL分两部分，一部分流向二极管VD，即电流ID；另一部分流向L1，即电流IL1。当开关管关断时，电流IL1受VD1、C1的限制，利用L1、C1、C2之间的谐振及能量转换，实现对主二极管VD的反向电流的限制，使开关管的损耗、EMI的量大大减少。同时VT导通时，C1上的能量通过二极管VD2转移到C2上；VT关断时，C2和L1上的能量传递到负载。这种缓冲电路的损耗很小，效率很高，很有参考价值。
图2-38 输入、输出整流二极管电流抑制电路
图2-40所示是正激式无源补偿电路，利用磁性复位绕组，可以更加方便地进行补偿。补偿电容CCOMP与寄生电容CPARA的容量大小一样。工作时变压器TR使CPARA产生的干扰电流与CCOMP所产生的干扰电流大小相同、方向相反，两者叠加后相互抵消，消除了干扰电流。二极管VD3不但可以保护开关管VT1，还对TR产生电磁信号起到旁路作用。
图2-39 无损缓冲电路
图2-40 正激式无源补偿电路
（3）接地方法
“接地”有两种：一种是设备接大地，另一种是设备仪器信号接地。两者的概念不一样，目的也不同。前一种要求设备接地的接地电阻必须小于0.05Ω，后一种地是设备仪器电位的基准点。另外还有浮地，采用浮地的目的是将电路与公共接地系统可能引起的环流的公共导线隔离开。浮地可以使不同电位间的配合变得容易，可以增强抗干扰性能，使设备稳定工作。
（4）屏蔽方法
抑制开关电源产生辐射干扰以及外界对电源的干扰，采用屏蔽的方法是最有效的，也是最普遍的。屏蔽的材料除了电导率良好的金属材料外，还可用磁导率较高的磁性材料。脉冲变压器对磁通的泄漏是最容易发生的，有漏磁就会产生磁场干扰。对这一问题，可以利用闭合环形成磁屏蔽，使磁场在一个环形材料内循环，不向外界散射。另外，还可以对整个开关电源进行电场屏蔽。若用电场屏蔽，则外壳引出线一定要与地连接。磁场屏蔽与电场屏蔽是两个概念，屏蔽的方式有点不同。屏蔽还要考虑散热问题和通风问题，一般在屏蔽外壳上钻圆形通风孔，通风孔以多为好，但孔径要小，防止泄漏。屏蔽外壳的引入、引出线要采取滤波措施，否则不仅不起作用，还可能成为干扰磁场发射天线。如果进行磁场屏蔽，外壳则不需接地。
（5）滤波方法
开关电源用得最多的电流处理方法是滤波，如低通滤波、电源滤波、高频滤波、纹波滤波……低通滤波就是将滤波电路安装在开关电源的进线与桥式整流电路之间，它可减少从电网引入的传导干扰噪声，对提高开关电源的可靠性起着十分重要的作用。
传导干扰就是电磁噪声干扰，是开关电源的主要隐患之一。传导干扰又分差模干扰和共模干扰两种。一般共模干扰比差模干扰所产生的电磁辐射能量要大。抑制电磁辐射的最有效方法是采用无源滤波。
2.4.2 效率与功率因数
开关电源的特点是轻、小、高效率、高功率密度。开关电源的外形可以短、薄。最近有人在研究变压器折叠式绕组（Fold Wind），其目的是提高功率密度，实现特定要求，满足各种需要。
开关电源效率较高时，损耗就很低，只有这样开关电源才具有高功率密度。高效率是由多种因素决定的，最主要的因素是安全。只有彻底掌握开关电源的理论知识，具有丰富的工作经验，对开关电源进行精心设计、认真实验，并借助于优化设计和仿真设计，才能制造出优质的、高品位的开关电源。
一般开关电源的滤波电路是由单电容和电感组成的，由此引发出开关电源功率因数低的问题，原因是只有在正弦交流电压的瞬时值高于直流电压时，电网电压才对滤波电容充电，充电时间短，充电电流是尖峰状，偏离了正弦波。
有源功率因数校正器以反激式为基本电路，采用双环控制调节占空比使电路输出电压稳定，使输入电流紧跟输入电压变化，功率因数达到或接近1的水平，效果非常明显。
随着开关电源的新技术不断取得进步，现在开关电源已经取代晶闸管整流电源，作为基础电源的48V、24V直流电源给电信通信系统带来了极大的经济效益和社会效益。电信通信系统的容量大，一般为几千安甚至上万安，而且机房无人值班。这种大容量电源一般由几十个千瓦级的开关电源模块并联才能满足要求，而且每个模块必须向控制系统提供电压、电流、温度、工作状态（运行、故障、均流）等方面的信息。不但如此，每个模块还必须能接收控制系统的遥控指令，这就是所说的智能化高可靠性开关电源模块，这些电源模块还必须有高功率因数。
2.4.3 器件材料的选用
目前，市场上常用的电源控制集成块虽然很多，品种也不少，但IC的集成度不算高，器件的技术参数分散性大，同一个厂生产的IC它的技术参数相差5%～10%。能否将有源功率调整、脉宽调制、各种保护、监测、控制集于一体，将振荡变压器、二次整流滤波集于一体；能否将铁氧体磁心变压器实现纳米化平面变压器……这些是开关电源实现质的突破的关键问题。
高功率因数、高效率、高功率、低电压、大电流不应是目前的这条水平线，而应是电源功率提到百千瓦，工作频率达到5MHz以上，电源输出电流高达上千安……这一切靠什么？靠电子器件。
器件是影响电子工业的拦路虎，体积大、重量大、功率密度低、损耗降不下来，这是现在器件真实的写照，好比20世纪50年代电子管计算机，用33层楼，刚好安装一台计算机，开机运行只有50h，内存不到10MB。为什么这么大，运行时间这么短？是因为器件问题、集成度低下的问题。现在的手提计算机（笔记本电脑）已解决了器件体积问题、材料耐温问题和软件程序问题。
2.4.4 功率变换控制的研究
提到变换控制自然想到软件。开关电源变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换、AC/AC变换，以及DC/DC变换等，实现这些控制变换是以频率为基础，以改变电压为目的。软开关是开关电源领域里的一门新技术，虽然它的损耗很低，但难以实现高频化和小型化。想执行“软开关”，实施程序化，用程序软件进行控制功率变换，有待科学工作者进一步研究。我们知道，运用程序控制不确定参数有温度变量、电磁场变量、交流磁场强度变量、交流磁感应强度变量等等诸多可变因素，使软件控制难度加大。电源全程自动检测、控制、变换实现软件化，目前还存在一定的差距，有些难题需要突破。
2.4.5 生产工艺的重要性
开关电源应用越来越广泛，新的变换技术、新的电磁材料、新的电子器件、新的控制软件，不断地出现，可做到数万千瓦比比皆是。近期变压器采用平面多层超薄固体，变压器磁心用超微晶材料，它的工作频率可高达5～10MHz，效率可达到95%以上。功率密度为3～6W/cm3，功率因数高达0.99，能经受高温150℃、低温-40℃的考验，寿命在80000h以上，这就是开关电源发展的宏伟趋势。所谓高标准，就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面达到电磁兼容性的各项技术标准，为实现这一技术标准，科学家们采用高磁导率、低损耗纳米晶磁心，这种磁心饱和磁感应强度Bj=1.24T，电阻率高达130Ω·cm、居里温度在320℃以上。第二，企业能不能大规模、稳定生产，或快捷地进行单项生产。据德国宏宝公司介绍，一台设计好了的开关电源，从元器件选用、电路板的设计制作、排插焊接、老化测试，直到成品包装出厂，只需18min，产品的完好率达98%。第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、低电压的开关电源。
在生产设计过程中，测量多环开关电源的频率响应是生产工艺一项艰巨挑战，尤其是在有稳压电路处在二次侧时，环路稳定性分析通常是从被研究的电源部分的开环波特图开始，设计人员从频率范围内的相位和增益数据来确定变换形式的补偿器结构，以此设计出正确相位裕量影响的选定交叉频率，最后设计出符合工艺要求的总环路增益及补偿电路的电源。一旦环路闭合补偿电路的极点/零点能够确保稳定，又要涉及实现加权反馈的变换器，这使得设计生产工艺显得非常复杂，这种电源功率变换运用多路反馈通道，值得研究电源的人们探讨。
高频开关电源性能优于相控整流电源，它能否在工业上得到广泛应用，关键是生产工艺，由生产工艺得出产品的可靠性，而开关电源的可靠性又取决于主电路拓扑结构及控制方法，在设计电源模块时，作者曾选用三相电流型PWM整流技术来实现三相功率因数校正及移相全桥谐振拓扑的方法来执行AC/DC转换。高频开关电源整流模块具有重量轻、体积小、效率高的特点，随着均流技术的成熟完善，一定能将高频开关电源设计成高效率的电源。近期，科研人员通过高压整流、高压滤波、高频调制、低压高频整流等一套新工艺生产方式，生产出低电压、大电流输出的新电源，它具有高功率因数、高效率、低辐射、超小型等特点。
第四，开关电源能否在更广泛领域里应用，也是值得期待，做到一机多用，机机相用不是一件很容易的事，它除了有很好的兼容性外，还要有通用性，如一台只有45W的开关电源，应安全地用在60W生产机子上，通用性好。所有的开关电源能在中国（220V、50Hz）、美国（100V、60Hz）、日本（230V、60Hz）以及欧洲都能使用。这样，所开发出电源产品性能价格比大，销路宽广。
总之，开关电源正朝着小、短、轻、薄、多用途、长寿命方向发展，灵巧、精致、智能型的新产品，不久的将来一定会出现。
2.4.6 LED照明寿命的探讨
LED的寿命长短关系到LED灯的使用价值相关的经济利益。它的寿命长短与使用的环境温度、LED灯的功率大小以及驱动电源的质量等都有关系。其中使用温度包括环境温度、芯片结温、散热条件，驱动电源工作温度等。理论上LED的寿命可达106h，但是，这是对于小功率照明度比较好的LED灯有可能达到，目前大功率LED灯的寿命都低于100000h，国内只能达到20000h。根据“能源之星”的规定，LED照明灯发光源的寿命是这样规定的：当光通量衰减到初始值的70%时的累计工作时间，这就是LED灯寿命标准。按规定，标准的、非标准以及全方位的LED灯的寿命为25000h，其他LED装饰灯、白炽灯和荧光灯的替换灯的寿命为15000h。在国内LED灯业提出将光通量衰减到初始值的50%的工作时间作为LED的寿命。需要指出的是，LED的寿命与产品的材料质量、制造工艺、电路设计等因素有关。
2.4.7 LED照明光衰对寿命的影响
实际上光衰问题与LED的寿命问题本质上是一个问题。造成LED光衰的原因很多。首先是灯的荧光粉的老化，荧光粉的老化关系到荧光的成分、荧光粉的质量。其次是LED芯片的老化，这又关系到LED的材料质量、制造工艺，最重要的作用是LED芯片的结温。影响结温高低的原因，是某些光电子转换发光体，将部分电能变为热量耗散了。LED的正向电流随着结温升高、发光强度降低而使LED的使用寿命急剧减少。一般芯片的温度低于70℃。当结温Tj=55℃时，光通量降至60%，寿命减少到40000h，Tj=90℃时，LED的寿命不到20000h。通常Tj每降低10℃。LED的寿命可延长80%。可见结温的作用对LED寿命的影响有多大。
驱动电源对LED寿命的影响也很大。驱动是现在推广LED照明系统的关键参量。LED灯出现故障最多的是电源。一般LED灯的使用寿命远高于电源的寿命。LED驱动电源中的输出滤波电容对照明灯具寿命影响是重中之重。这里滤波电容应选用低等效串联电阻（RESR）的铝电解电容，因铝电解电容的寿命随着工作温度升高而快速降低。当电源的工作温度为75℃时，电容的寿命约为16000h，温度升高85℃时，其寿命降至8000h。安装在道路中的LED灯，炎热的夏天致使驱动电源内的电解电容接近100℃，使电容寿命大大缩短，必须采取一些有效措施避免因高温而使电源寿命缩短。如选用固态铝质电容，则上述问题将得到很好地解决，因为这种电容等效串联电阻极低，可承受高达260℃的高温，这种节能、环保、耐高温的电容是LED驱动电源的首选。另外，由于有采用双向晶闸管调光的驱动电源，常会出现因灯光闪烁而影响照明，因此“能源之星”对LED驱动电源有一个认证标准，见表2-1。
表2-1 “能源之星”对LED驱动电源的认证标准
