驱动电源与方案设计

第4章　LED驱动技术

LED驱动就是在LED灯珠的两个电极加上电，使之发光的过程。从广义上看，LED驱动包括各种LED灯具驱动，以及各种LED显示屏驱动。一般而言，LED显示屏驱动是指结合其控制信号，采用专用的模块来进行驱动。而LED灯具驱动的方案设计和实施则是一个设计个性化较强的电源技术领域。本章主要介绍LED灯具驱动电源及其设计的基本知识，主要包括开关电源及脉冲调宽技术的知识。

4．1　LED驱动电源与方案设计

LED是一种直流低电压驱动的元器件，其驱动时需要的正向压降一般在3V到4．5V之间，现成的原始电源一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源，就要解决电源变换的问题，即要为LED设计专门的驱动电源。

从信号与系统的角度来看，LED驱动电源就是这样一个系统，即把现有电源的电流电压特性转换成驱动LED所需要的电流电压特性。通常情况下，LED驱动电源的输入包括高压工频交流（市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等；而LED驱动电源的输出则为可随LED正向压降值变化而变化的恒定电流源。

4．1．1　LED驱动电源的分类和要求

1．LED驱动电源的分类

LED驱动电源的分类可从驱动电参量类型、安装位置、原始电源类型（LED驱动电源系统的输入）、电路结构（电源电路采用哪些器件和结构）等方面来划分。

1）按驱动电参量类型分类

按驱动电参量类型是电流恒定还是电压恒定，LED驱动电源可划分为恒流电源和稳压电源两种类型。恒流电源和稳压电源的优缺点分别简介如下。

（1）恒流电源的优缺点如下。

恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压随负载阻值的大小不同而在一定范围内变化，负载阻值越小，输出电压越低；负载阻值越大，输出电压越高。用恒流驱动电路驱动LED较为理想，但价格较高。

（2）稳压电源的优缺点如下。

当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流随负载的增减而变化。以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻才可使每串LED显示亮度均匀。

需要指出的是，LED本身是一种电流驱动的元器件，即其亮度、色度等光学特性以及其他重要特性都是与电流直接关联的，其特性参数对电流的变化非常敏感。例如，1W大功率LED，如果正向电压变化10%（从3．4V降低到3．1V），会引起正向电流从350mA降低到100mA，变化3．5倍，此例子表明LED应当用恒流电源驱动，用稳压电源驱动效果不太好。

因此，在整个灯具模组上无论采用恒流电源或稳压电源方式驱动中的哪一种，具体到单个LED灯珠上，应当让其电流保持稳定。

2）按安装位置分类

按安装位置划分，LED驱动电源可分为外置电源和内置电源。

（1）外置电源。外置电源就是把电源安装在灯具外面的一种驱动方式。一般来说，电压较高，对人就会造成更大的危险，需要外置电源。与内置电源的区别就是电源加了一个外壳，如常见的路灯。

（2）内置电源。内置电源就是把电源安装在灯具内部的一种驱动方式，一般电压都比较低，从12V到24V，对人没有安全隐患，如常见的球泡灯。

3）按电路结构分类

按电路结构划分，LED驱动电源分为以下几种类型。

（1）电阻降压方式。通过电阻降压方式，受电网电压变化的干扰较大，不容易形成稳压电源，且降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率低，系统的可靠性也低。

（2）阻容降压方式。通过阻容降压方式，当闪动使用时，由于充放电的作用，所以通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。此种方式易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。

（3）常规变压器降压方式。此种方式的电源体积小、重量偏重、可靠性不高、电源效率只有45%～60%，所以一般很少用。

（4）电子变压器降压方式。此种方式的电源效率较低，电压范围一般为180～240V，纹波干扰大。

（5）RCC（Ringing Choke Converter）降压方式开关电源。振铃扼流转换器降压方式开关电源，通常又称为自激式反激转换器降压方式开关电源，其稳压范围比较宽，电源效率一般可以达到70%～80%，应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率不连续，所以开关频率不容易控制，负载电压纹波系数也比较大，异常负载适应性差。

（6）PWM（Pulse Width Modulation）开关电源。脉冲宽度调制开关电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流（相应稳压电源或恒流电源）稳定。电源效率极高，一般可以达到80%～90%，输出电压、电流稳定。一般情况下，这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。

高品质的LED灯具一般采用PWM开关电源。

4）按原始电源类型分类

按原始电源类型的不同划分，LED驱动电源可分为低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动及市电驱动四种情况，分别适用于不同的场合。

2．LED驱动电源的设计要求

根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求，在选择和设计LED驱动电源时，要考虑以下要求：高可靠性、高效率、高功率因数、浪涌保护、保护与防护功能、寿命适配和电磁兼容等。

随着LED应用的日益广泛，LED驱动电源的性能会越来越适配LED的要求。目前LED驱动电源面临的挑战主要包括以下几方面。

（1）延长寿命，延长灯具的使用时间。驱动电路的整体寿命，尤其是关键器件，如高温下电容的寿命直接影响电源的寿命。

（2）提高效率，提高灯具的发光效率。LED驱动电源应挑战更高的转换效率，尤其在驱动大功率LED时更应该如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散了，电源转换效率过低影响了LED发挥节能的作用。

（3）降低成本，提高可购买性。目前，在功率较小（1～5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近了光源的成本。

4．1．2　LED驱动电路设计简单示例

如前所述，在白光LED照明等场合中，要实现高品质的照明以体现LED光源的优越性，应当采用脉冲宽度调制开关电源作为LED的驱动电源，来实现所需的照明品质，并实现系统其他性能如发光效率、散热和节能的均衡性。

但在一些比较简单的场合，如简单的信号指示，以及LED光源简单的实验测试等场合，可采用一些较为简单的电源来驱动LED，以节约成本。以下列举几个简单电源驱动LED的例子。

图4．1　直流电源指示电路

1．直流电源指示电路

这是最简单的LED驱动电路，其采用一个输出电压较高的直流电源作为输入，通过这一电路就可简单地实现LED的驱动。如图4．1所示，通过改变串联电阻的阻值能够将光调节至所需要的强度，该电路可应用在一些简单的场合，如微型手电筒、直流电源指示电路等。由于该电路结构非常简单，因此存在许多缺点：不适合用于直流电压太高，如60V的蓄电池中，不能直接串联电阻给LED供电，不适合用交流电给LED供电等。

2．阻容降压方式的LED驱动电路

阻容降压方式的LED驱动电路是一种实用性较强的LED驱动电路。目前，许多厂家生产的LED产品都采用这种方式的驱动电路。

阻容降压方式的LED驱动电路的结构可简单可复杂，分别对应于不同的应用场合。

1）阻容降压电路的最简单情形

图4．2所示的是阻容降压电路的最简单情形，在该电路中，降压后的交流电压可间隔驱动两只反并联的LED。这一简单电路可以广泛应用于夜光灯、按钮指示灯、要求不高的位置指示灯等场合。其结构复杂程度与图4．1所示的类似，区别在于可直接以市电为原始电源对向LED进行驱动。

图4．2　阻容降压电路的最简单情形

2）实用性较强的阻容降压电路结构

图4．3所示的是一个实用性较强的阻容降压电路，其结构为采用阻容降压方式，然后加上一个稳压二极管，可直接以市电为原始电源对向LED进行驱动。

图4．3　阻容降压方式的LED驱动电路

在图4．3中，电容C1的作用是降压和限流。

电阻R1的作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断时，无法释放电容C1上的残存电荷，因此会长久存在，维修时如果人体接触到C1的金属部分，则有可能会触电，而电阻R1能将残存的电荷泄放掉，从而保证人机安全。

D1～D4的作用是整流，是将交流电整流为脉动直流电压。

C2、C3的作用是滤波，是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压。

压敏电阻R2（或瞬变电压抑制二极管）的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿。

阻容降压电路是一种常见的小电流电源电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，常应用于LED的驱动电路中。阻容降压电路LED电源属于实用型的中档电源，缺点是要注意安全，调光品质也没有脉冲宽度调制开关电源好。

3．LED驱动方案的设计

在实际的应用场合，由于LED驱动不可能采用一个电源驱动一颗灯珠的极度浪费的方式，所以一般采用一个电源驱动若干颗灯珠组成的一个灯具，甚至多个灯具的方式。因此，需要对驱动方案进行简单的匹配性设计，然后再进行电源的设计。

图4．4、图4．5列出了常用的简单串联、并联及混联驱动方式。

图4．4　LED驱动方式：串联与并联

图4．5　LED驱动方式：混联

由于生产工艺和材料特性方面的差异，同样型号的LED势垒电势以及LED的内阻也不完全一样，这就导致LED工作时的管压降不一致，而且LED的势垒电势具有负的温度系数，因此，LED不宜简单直接并联使用。设计时要考虑以下几方面的问题。

（1）可把驱动器看成是向LED供电的特殊电源。可驱动正向压降为3．0～4．3V的白光LED，并可根据需要驱动串联、并联或串／并联的多个白光LED，以满足驱动电流的要求。

（2）多个LED并联在一起使用时，正向电压和电流均须匹配。实现恒定电流最简单的方法是将经过正向电压筛选的LED串联起来。LED串联时，要加一个限流电阻。由于串联时电流相等，所以各LED的亮度一致。也可将LED并联使用，这时LED两端的电压相同，如果一致性差别较大，则通过每只LED的电流不一致，LED的亮度也不同，因此应挑选一致性较好的LED。

（3）根据灯具中所有灯珠消耗的功率确定电源的总功率，再根据各串联和并联支路的电流、电压需求等问题进行综合的电路设计，以保证每颗灯珠都处于电流正常值的良好发光状态。

4．2　直流电源

要使LED发出高品质的光，需要采用性能优良的直流驱动电源。目前，直流电源主要包括线性电源和开关电源两种类型，除这两种类型外，还包括其他类型的电源。

线性电源是出现较早的传统型电源，开关电源是出现较晚的新型电源，两者的本质区别是调节器（电源系统结构中的一个关键部件）类型的不同。线性电源的调节器工作在线性状态，其调节器的功能由一个晶体（三极）管来具体实现，称为调整管，当线性电源工作时，调整管处于线性放大状态。开关电源的调节器工作在开关状态，以分立元件实现的开关电源，作为调节器的晶体管处于饱和及截止两种状态。线性电源和开关电源各有其自身的优缺点，但综合而言，开关电源优于线性电源。

4．2．1　直流电源的基本结构与线性稳压电源

在实际应用中，最重要的一种直流电源就是将市电（交流220V、50Hz）转换成所需的直流电的电源。

1．直流电源的基本结构

直流电源的结构原理图如图4．6所示。

图4．6　AC～DC电源的结构原理图

在图4．6中，虚线左边是将交流电进行变压、整流和滤波的部分，该部分的输出为一定电压的直流电，但是，如果直接将这一输出作为最终的输出，则只能得到一个恒定的电压（根据变压器初级和次级线圈匝数比而定），显然使用不方便。因此，还要对该直流电进行进一步的变换。图4．6中虚线右边是一个DC～DC系统，其核心部件就是调节器，表明该电源是一个线性电源。如果该调节器是开关调节器，则电源就是开关电源。通过调节器，可改变输出直流电电压与输入直流电电压的比值。

在分析和设计电源时，由于图4．6中的虚线左边部分相对固定，所以主要设计其虚线右边部分。通常来说，电源设计就是指右边部分的设计。

2．线性稳压电源的原理与实现

线性稳压电源调节电压的原理示意图如图4．7所示。可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，负载电压为：

由式（4－1）可知，通过调节RW的大小，即可改变可变电压的大小。

如果用一个三极管或场效应管来代替图4．1中的可变电阻，并通过检测输出电压的大小来控制这个“变阻器”三极管“阻值”的大小，使输出电压保持恒定，这样就能实现稳压的目的。这个三极管或场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫调整管，是电源的核心器件。

线性稳压电源除了包括调整管、参考电压、取样电阻、误差放大电路外，还可能包括保护电路、启动电路等。图4．8是一个以实际元件描述的简单的线性稳压电源元件与结构原理图（图中省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。

图4．7　线性稳压电源调节电压的原理示意图

图4．8　线性稳压电源元件与结构原理图

通常可将线性稳压电源的核心部分做成芯片的形式。常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型）、79XX系列（负电压型）（实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少，如7805，输出电压就是5V）等。

从电源的整体结构上看，线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，待达到高精度的直流电压后，经过电压反馈调整输出电压。这种电源的优点是可以达到很高的稳定度，纹波也很小，而且没有开关电源的干扰与噪音；其缺点是需要庞大而笨重的变压器，以及体积和重量都较大的滤波电容，而且电压反馈电路要工作在线性状态，调整管上要有一定的电压降，当输出较大的工作电流时，会导致调整管的消耗太大，转换效率低，甚至要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。

4．2．2　开关电源的结构原理

1．开关电源的概念与应用

开关电源是利用现代电力电子技术，来控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。广义地说，凡是采用半导体功率器件作为开关管，通过对开关管的高频开通与关断控制，将一种电能形态转换为另一种电能形态的装置，叫开关变换器。以开关变换器为主要组成部分，用闭环自动控制来稳定输出电压，并在电路中加入保护环节的电源，叫开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）。如果采用DC～DC变换器作为开关电源的开关变换器，就称为直流开关电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

随着电力电子技术的发展，开关电源技术也在不断创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点而被广泛应用于几乎所有的电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。20世纪80年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代；20世纪90年代，开关电源相继进入了各种电子、电器设备领域。程控交换机、通信、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛使用了开关电源，促进了开关电源技术的迅速发展。当前，开关电源产品已广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通信设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器、电子冰箱、液晶显示器、LED灯具、通信设备、视听产品、安防监控、LED灯袋、计算机机箱、数码产品和仪器类等领域。

图4．9所示的是LED开关电源的外观图。

图4．9　LED开关电源外观图

2．开关电源的结构原理

开关电源的结构与线性电源的结构的区别就是，开关电源的调整管处于开关工作状态而非线性放大的工作状态。在结构上，开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等各个性能模块。它们的功能如下。

1）输入电网滤波器

消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也可防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。

2）输入整流滤波器

将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。

3）逆变器

逆变器即上文所述的调整管或调整模块，是开关电源的关键部件。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。

4）输出整流滤波器

将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时可防止高频噪声对负载的干扰。

5）控制电路

检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

6）保护电路

当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路会让开关电源停止工作以保护负载和电源本身。

开关电源是将交流电先整流成直流电，再将直流电逆变成交流电，最后整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源可以省去线性电源中的变压器，以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路是数字调整，同样可以达到非常高的调整精度。实际情形中，开关电源中的调整模块通常由集成的芯片组成。

直流开关电源按照输入／输出是否有电气隔离可以分为两大类，即非隔离式直流开关电源和隔离式直流开关电源。非隔离式直流开关电源的基本原理电路结构框图如图4．10所示，隔离式直流开关电源的基本原理电路结构框图如图4．11所示，可以根据其不同的使用场合和使用要求来进行设计。两者的区别在于选用不同的DC～DC变换器作为电路的主要组成部分。

图4．10　非隔离式直流开关电源

图4．11　隔离式直流开关电源

图4．10和图4．11所示的离线式开关电源的基本原理结构框图由四部分电路组成：一是市电输入整流滤波电路，其作用是将市电输入的交流电压Uac转换成纹波较小的直流电压Udc。二是开关电源的主要组成部分，也是开关电源的核心DC～DC变换器，其作用是将市电输入经过整流滤波的直流电压Udc进行PWM控制和DC～DC转换，得到另一种数值的直流稳定电压Uo。三是检测控制电路，其作用是通过R1和R2组成的分压器检测出输出电压Uo的值；然后将Uo通过误差放大器EA与参考电压Uref进行比较，得到误差值Uea；再将Uea通过PWM比较器与锯齿波电压进行比较，得到PWM矩形波脉冲列（如果是隔离式变换器，Uea经过光耦隔离，反馈到PWM比较器与锯齿波电压进行比较，得到PWM矩形波脉冲列）；此脉冲列通过驱动器并以负反馈的方式对DC～DC变换器进行PWM控制，将Udc转换成另一种数值的直流稳定电压Uo，以达到稳定输出电压的目的。四是开关电源的保护电路（在图4．10和图4．11中未画出），其作用是保护开关电源安全稳定地工作。

4．2．3　开关电源的分类与特点

1．开关电源的分类

根据其电路连接方式、工作模式及核心器件即直流变换器的不同，开关电源可分为以下几类。

1）按电路连接方式分类

根据开关器件在电路中连接的方式，开关电源可分为串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源还可以进一步分为推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，变压器式开关电源又可以分为正激式、反激式、单激式和双激式等多种。

2）按开关工作模式分类

开关电源有三种工作模式，即频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式和频率、脉冲宽度可变模式。第一种工作模式多用于DC／AC逆变电源或DC／DC电压变换，后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作模式，即直接输出电压模式、平均值输出电压模式和幅值输出电压模式。同样，第一种工作模式多用于DC／AC逆变电源或DC／DC电压变换，后两种工作模式多用于开关稳压电源。

3）按DC～DC变换器分类

直流开关电源的核心是直流DC～DC变换器。直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类，即没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。

不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管三类。单管直流变换器有六种，即降压式变换器、升压式变换器、升降压式变换器、Cuk变换器、Zeta变换器和Sepic变换器等。在这六种单管直流变换器中，降压式变换器和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。双管直流变换器有双管串接的升降压式变换器。全桥直流变换器是常用的四管直流变换器。

有隔离的直流变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器还用于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。当功率开关管电压和电流定额相同时，变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管直流变换器的输出功率最大，而单管直流变换器的输出功率最小。

不隔离的直流变换器和有隔离的直流变换器组合可得到单个变换器所不具备的特性。

按能量传递来分，直流变换器有单向和双向两种。具有双向功能的充电器在电源正常时给电池充电，一旦电源中断，它可将电池电能返回电网，向电网短时间应急供电。直流电动机控制使用的变换器也是双向的，电动机工作时将电能从电源传递到电动机，制动时将电能回馈给电源。

按激励方式来分，直流变换器可分为自激式和他控式。借助于变换器本身的正反馈信号来实现开关管自持周期性开关的变换器，叫自激式直流变换器，洛耶尔（Royer）变换器是一种典型的推挽自激式直流变换器。他控式直流变换器中，开关器件控制信号由专门的控制电路产生。

按开关管的开关器件，直流变换器可分为硬开关和软开关两种。硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或电流的情况下开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗。变换器工作状态一定时，开关管开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗就越大。同时，开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因而硬开关直流变换器的开关频率不能太高。软开关直流变换器的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS）；或是通过器件的电流为零，即零电流开关（Zero-Current-Switching，ZCS）。零电流开关方式显著地减小了开关损耗和开关过程中激起的振荡，可以大幅提高开关频率，为变换器的小型化和模块化创造了条件。

2．开关电源的特点

以全桥式开关电源为例，开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的MOS管轮流导通。首先，电流通过上桥的MOS管流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在线圈中，并关闭上桥的MOS管，再打开下桥的MOS管，线圈和电容持续给外部供电。然后，关闭下桥的MOS管，再打开上桥让电流流入，这样重复进行。因为要轮流开关MOS管，所以称为开关电源。

线性电源就不一样，由于没有开关介入，使得水管一直在放水，如果有多余，就会漏出来，这就是我们常看到的某些线性电源的MOS管发热量很大，用不完的电能全部转换成了热能。从这个角度来看，线性电源的转换效率非常低，但当发热量大时，元件的寿命势必要下降，并影响最终的使用效果。

开关电源与线性电源的区别主要是它们的工作方式不同。

线性电源功率器件工作在线性状态，也就是说，一旦使用了这种功率器件，该器件就一直处于工作状态，所以就导致其工作效率低，一般为50%～60%。线性电源工作方式的缺点是：当从高压变低压时必须有降压装置变压器，这样，其体积很大、笨重、效率低、发热量大。其优点是：纹波小，调整率好，对外干扰小。线性电源功率器件适合于模拟电路，各类放大器等。

开关电源功率器件工作在开关状态，一开一关，频率非常快，一般的平板开关电源频率为100～200kHz，模块电源为300～500kHz。开关电源的主要优点为：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20%～30%）、效率高（一般为60%～70%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽。开关电源的主要缺点为：电流电压的纹波性能不够理想，而且由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，所以需要良好的屏蔽措施，并将其接地。

4．3　LED驱动中的PWM技术

在LED驱动技术中，在两个环节中均可应用PWM技术来提升其性能，其一是在开关电源本身的结构上，其二是在LED调光技术中。本节简单介绍PWM技术的基本原理、开关电源中的PWM技术及LED驱动中的PWM调光技术。

4．3．1　PWM技术的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是Pulse Width Modulation的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术中应用最广泛的控制方式，也是人们研究的热点。

PWM控制的原理源自采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲添加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，并用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率的大小。

模拟电压和模拟电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之变大或变小，从而改变驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来直观而简单，但它并不总是非常经济或可行。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路非常庞大、笨重（如老式的家庭立柜式设备）且昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相当于工作元件两端电压与电流的乘积。模拟电路对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器包括单片机和DSP等已经在芯片上包含PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易。

在开关型稳压电源技术中，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，它根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，以实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的变化，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉冲宽度调制式开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

简言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压源或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数／模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。

噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得在许多设计应用中使用的有效技术。

4．3．2　开关电源中的PWM技术

开关电源中的PWM技术可分为两类，即电压模式PWM控制技术和电流模式PWM控制技术。

1．电压模式PWM控制技术

开关电源最初采用的是电压模式PWM控制技术，其基本工作原理如图4．12所示。输出电压Uout与基准电压相比较后得到误差电压Uerror。此误差电压与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较，由PWM比较器输出占空比变化的矩形波驱动信号，这就是电压模式PWM控制技术的工作原理。由于此系统是单环控制系统，所以最大的缺点是没有电流反馈信号。由于开关电源的电流都要流经电感，因此相应的电压信号会有一定的延时。然而，对于稳定电压电源来说，需要不断地调节输入电流，以适应输入电压的变化和负载的要求，从而达到稳定输出电压的目的。因此，仅采用采样输出电压的方法是不够的，因为其稳压响应速度慢，甚至在输入电压或负载变化很大时，会产生振荡而造成功率开关管的损坏等故障。这就是电压模式PWM控制技术的最大不足之处。

图4．12　电压模式PWM控制技术原理图

具有代表性的电压模式PWM控制器主要有TL494、SG3524和SG3525A等。

2．电流模式PWM控制技术

电流模式PWM控制技术是针对电压模式PWM控制技术的缺点而发展起来的。所谓电流模式PWM控制技术，就是在PWM比较器的输入端直接用输出电感电流检测信号与误差放大器的输出信号进行比较，实现对输出脉冲占空比的控制，使输出电感的峰值电流随误差电压而变化。这种控制方式可以有效地改善开关电源的输入电压调整率和输出电流调整率，也可以改善整个系统的动态响应。电流模式PWM控制技术的工作原理如图4．13所示。

图4．13　电流模式PWM控制技术原理图

电流模式PWM控制技术又分为峰值电流控制技术和平均电流控制技术。这两种控制技术检测并反馈的是一个导通周期内电流变化的峰值和平均值。峰值电流控制技术的特点是方便、快速，但是需要稳定性补偿；平均电流控制技术的特点是稳定可靠，但是响应速度较慢，而且控制起来也比较复杂。因此，在实际应用中，峰值电流控制技术比平均电流控制技术应用更为普遍。

电流模式PWM控制技术的优点如下。

（1）采用逐个脉冲控制，动态响应快，调节性能好。当输入电压或输出负载变化时，马上引起电感中电流的变化，检测信号也随之变化，脉冲宽度立即被调整；而在电压模式PWM控制技术中，检测电路对输入电压信号没有直接的反应，需要输出电压发生一定的变化之后才能对脉冲宽度进行调整，通常需要5～10个工频周期之后才能响应输入电压的变化。因此，在采用电压模式PWM控制技术的开关电源中，开关管会因为输入电压浪涌形成的电压尖峰信号而损坏。电流模式PWM控制技术则能够很好地避免类似的故障发生。

（2）一阶系统稳定性好，负载响应速度快。

（3）具有自动限流作用，限流保护和过流保护容易实现。

（4）采用逐个电流脉冲峰值检测，可以有效抑制变压器偏磁引起的饱和问题。在全桥转换器或推挽转换器中，无需增加去磁耦合电容。电压模式PWM控制技术很难实现这一点。

（5）输入线电压的交流纹波可以比较大，减小了输入滤波电容，提高了可靠性。

（6）并联运行时，均流效果好。

电流模式PWM控制技术的缺点如下。

（1）电感峰值电流与输出平均电流之间存在误差，控制精度不高。

（2）高频噪声衰减的速度较慢，抗高频能力差。

综合而言，相比电压模式PWM控制技术，电流模式PWM控制技术具有不可比拟的优势。因此，电流模式PWM控制芯片成为PWM控制芯片的主流，全球各大集成电路生产厂家竞相研制并推出电流模式PWM控制芯片。比较具有代表性的电流模式PWM控制芯片有UC3842、UC3846／47、UC3823X、UC3825X和MC44603等。

4．3．3　LED驱动中的PWM调光技术

对高品质光源而言，调光技术是非常重要的。如何保证光源的亮度具有可调性，并且当光源的亮度随调节而发生变化时，保持其色度等特性的稳定是LED调光技术所要解决的主要问题之一。LED调光方式主要包括：直流调光技术中的模拟调光、PWM调光及交流调光技术中的可控硅调光等。

1．模拟调光

如前所述，LED是一个由电流驱动的发光器件，其亮度（相对光强）和正向电流近似呈线性关系。图4．14所示为Cree公司的XLamp　XP－G灯珠的输出相对光强与正向电流的关系曲线。因此，可以通过调节流过LED灯珠的电流大小来调节LED的亮度，这种简单的调光方法称为模拟调光法。

图4．14　LED相对光强与正向电流的关系

1）模拟调光的实现方法

使用LED时，会串联一个电阻以实现限流及电流检测的功能，所以，调节LED电流的最简单方法是改变和LED负载串联的电流检测电阻。如图4．15（a）所示，几乎所有的DC～DC恒流芯片都有一个检测电流的接口，让检测到的电压与芯片内部的参考电压相比较来控制电流的恒定性。但是这个检测电阻的值通常只有零点几欧，如果要在墙上装一个零点几欧的电位器来调节电流不大可能，因为引线电阻也有零点几欧。因此，只要有芯片提供控制电压接口来改变输入的控制电压，就可以改变其输出恒流值。例如，凌特公司的LT3478（见图4．15（b））既可以改变R1和R2的比值，也可以改变其输出的恒流值。

图4．15　LED模拟调光中的正向电流电路调节示意图

2）模拟调光的缺陷

（1）模拟调光对色度特性的影响。模拟调光采用调节正向电流的方法来调节亮度，这是一种简单易行的方法，但存在一些缺陷。最主要的问题是在调节亮度的同时也会改变它的光谱和色温，尽管这变化的幅度并非很大，但在调节单色光LED的亮度时效果并不十分可观。如果调节的是白光LED，如RGB三色光混合的白光，则其各色光亮度增加的同时各色光的中心波长都会向短波方向偏移，造成色度色温的偏差。如果是蓝光LED激发黄色荧光粉而产生的白光，则问题会更严重，当正向电流增加时，蓝光LED亮度增加而黄色荧光粉的厚度并没有按比例减薄，从而使其光谱的主波长明显降低，色温偏高，如图4．16所示。

图4．16　LED发光主波长和正向电流的关系

（2）模拟调光可能引起驱动电源本身出现问题。LED通常是用DC～DC的恒流驱动电源来驱动的，而这类恒流驱动电源又分为升压型或降压型两种（还有升降压型，但由于效率低、价格高而不常用）。究竟采用升压型还是降压型由电源电压和LED负载电压之间的关系决定。假如电源电压低于负载电压就采用升压型；反之采用降压型。而LED的正向电压由其正向电流决定。由LED的伏安特性曲线可知，正向电流的变化会引起正向电压的相应变化，正向电流的减小也会引起正向电压的降低。所以，当调低正向电流时，正向电压也会随着降低。这就会改变电源电压与负载电压之间的关系。

例如，在一个输入电压为24V的LED灯具中，将8个功率各为1W的大功率LED串联起来。当正向电流为350mA时，每个LED的正向电压为3．3V，那么8个LED串联后为26．4V，比输入电压高，所以应该采用升压型恒流驱动电源。但是，为了调光，要把电流降到100mA，这时的正向电压只有2．8V，8个LED串联后为22．4V，负载电压低于电源电压，这样升压型恒流驱动电源无法工作，而应该采用降压型恒流驱动电源。对升压型恒流驱动电源来说，一定要它工作于降压型是不行的，因为LED会出现闪烁现象。实际上，采用升压型恒流驱动电源，当用正向电流调光时，只要调到很低的亮度就一定会产生闪烁现象，因为那时的LED负载电压一定低于电源电压。

采用降压型恒流驱动电源问题会少一些，因为本来电源电压高于负载电压，当亮度调低时，负载电压是降低的，所以还是需要降压型恒流驱动电源。但是，如果调到非常低的正向电流，则负载电压也变得很低，这时降压比非常大，可能超出了降压型恒流驱动电源的正常工作范围，会使它无法工作而产生闪烁现象。

此外，长时间工作于低亮度工作环境可能会使降压型恒流驱动电源效率降低、温度升高而无法工作。虽然向下调光（降低亮度）可降低恒流驱动电源的输出功率，但降低正向电流所引起的正向电压降低会使降压比下降。而降压型恒流驱动电源的效率是与降压比有关的，降压比越大，效率越低，损耗在芯片上的功耗越大。其损耗功率可能会使芯片的结温升高，以致发生过温保护而无法工作，严重时可能使芯片烧毁。

由于正向电流和光输出并不完全成正比，且不同的LED会有不同的正向电流和光输出关系曲线，所以用调节正向电流的方法很难实现精确的光输出控制。

2．PWM调光

模拟调光法无法得到高品质的光，从而难以体现LED光源的优点。因此，如果要追求高品质的光，LED调光应当采用脉冲宽度调制（PWM）的方法实现，即把LED的驱动电源改成脉冲恒流驱动电源，采取单向脉冲电流而非连续的直流电流来驱动LED。通过改变脉冲的宽度（占空比）来改变平均工作电流，从而改变LED发光的光通量，以改变其亮度。这种方法称为脉宽调制调光法。

LED是一个二极管，它可以实现快速开关功能而不影响自身的性能。它的开关速度可以高达微秒以上，是其他任何发光器件所无法比拟的。这也使得LED非常适合采用PWM调光。

1）PWM调光的原理与实现方法

PWM调光原理如图4．17所示，由图可知，PWM调光方式的LED驱动电流并不是模拟调光中的一条直线状的直流电，而是模拟频率一定的单向周期性脉冲电流。在一个周期内，脉冲持续时间的长短体现了电流导通时间的长短，其波形的宽度与周期的宽度的比值称为占空比。用这样波形的电流来驱动LED，实际上电流是时而导通时而截止的，而LED灯珠则是时而发光时而不发光的。但当脉冲频率足够高时，由于眼睛的视觉暂留效应，所以人眼并没有感觉到灯珠的闪烁而认为其一直是亮的。人眼感觉到的灯珠亮度是由其平均功率（流明数）决定的，因此，在导通期间，尽管灯珠的亮度是一致的（这点非常重要，确保了灯珠色度特性的恒定），但由于调节脉冲的占空比，所以就调节了灯珠在一个周期内平均消耗的电功率和平均发出的流明数，而人眼感受到的亮度就是这个平均的流明数，于是便实现了调光。

图4．17　PWM调光原理（脉冲宽度变化导致平均功率变化）

PWM调光的实现方法是在LED的负载中串入一个MOS开关管，如图4．18所示。这串LED的阳极用一个恒流源供电，然后用一个PWM信号加到MOS管的栅极，以快速地开关这串LED，从而实现调光。也有不少恒流芯片本身附带一个PWM的接口，可以直接接收PWM信号，再输出控制MOS开关管。

图4．18　PWM调光的实现电路

2）PWM调光的优点

PWM调光的优点如下。

（1）不会产生任何色谱偏移。因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。

（2）有极高的调光精确度。因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。

（3）可以与数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成一个PWM信号。

（4）即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件（升压比或降压比）。

（5）用PWM驱动LED，LED的发热量小。LED的损坏或光衰基本上都是灯芯过热造成的，从大量试验来看，在相等的平均电流的情况下，采用PWM方式比模拟方式灯芯温度会低很多。

3）采用PWM调光需注意的问题

采用PWM调光需注意以下几点。

（1）脉冲频率的选择。因为LED是处于快速开关状态的，假如工作频率很低，人眼就会感受到闪烁现象。为了充分利用人眼的视觉残留现象，其工作频率应当高于100Hz，最好为200Hz。

（2）消除调光引起的噪声。虽然工作频率达到200Hz以上人眼无法察觉，但是200Hz～20kHz却都是人耳正常听觉的范围，这时可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法：一种方法把开关频率提高到20kHz以上，跳出人耳听觉的范围，但是频率过高也会引起一些问题，因为各种寄生参数的影响，会使脉冲波形（前后沿）产生畸变，这就降低了调光的精度。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。实际上，其主要发声器件是输出端的陶瓷电容，因为陶瓷电容通常是由高介电常数的陶瓷制成的，这类陶瓷具有压电特性，在200Hz的脉冲作用下会产生机械振动而发声。解决方法是采用钽电容来代替。但是高耐压的钽电容很少，而且价格昂贵，会增加成本。

LED的调光还可采用其他一些方法，如交流驱动式的可控硅调光等，其原理可参见相关资料，此处不再赘述。