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基于LED驱动电源设计 开关电源的基本工作原理

  开关电源具有效率高的特性,而且开关电源的变压器体积比串联稳压型电源的要小得多,电源电路比较整洁,整机重量也有所下降,所以,现在的LED驱动电源

  大都使用开关电源。电源电路正常是LED驱动电源正常工作的基本保障。

  1.开关电源的基本工作原理

  开关电源的结构框图如图1。由对输出电压“取样”,并对基准源进行“比较”后控制“调整管”或“开关管”,此时开关电源的“开关管”相当于一个开关,开通时间由比较结果而定;当开关电源输出的电压太低时,通过“比较放大”控制“开关时间控制电路”使“开关管”开通时间变长,从而使输出的电压提升。

  LED驱动电源的核心部分是“开关管”和“变换器”组成的开关式直流-直流变换器。它把直流电压Ui(一般由输入市电经整流、滤波后获得)经开关管后变为有一定占空比的脉冲电压Ua,然后经整流滤波后得到输出的电压Uo。

  图2所示是电源电路的实物图。图中右上角输入220V交流市电,先经电源滤波电路后用右下角的二极管进行整流,再经大电容滤波后输出直流。由于是对220V交流信号进行整流滤波,所以二极管的耐压值要高,而电容的容量也要大,所以实物图中右下角的电容体积很大。整流滤波后得到的直流信号再经右边居中的开关电源IC转换成高频的交流信号,再经变压器耦合输出各路低电压的交流信号。由于变压器是工作在高频状态,所以其体积较小。耦合输出的各组交流信号经左边的二极管整流、电容滤波和三极管稳压或三端稳压电源稳压后输出各部分电路工作所需的直流电压。此电路由于采用了变压器并联耦合,而且比较放大电路反馈回脉冲调宽电路是利用光耦器件,即用光信号来传递信息,输入端与输出之间实现绝缘,是冷底盘机,其防触电的警告标志仅在电路板的右边。光耦跨接在有警告标志和无警告标志部分,起到传递信号而又能隔离前后级地线的作用。这种机型在维修主电路板时,由于主电路板与大地不相连,通常比较安全。但在测量后级电压时,不能使用前级的地线,否则所测电压将全部为0V。

  电源电路原理图。电源IC为专用开关电源集成电路VIPER22A,图4是其外引脚图,图中,第1、2脚SOURCE是内部场效应管源极的表示,在使用中通常接地,3脚FB是取样电压输入端,4脚VDD是供电电压端,第5、6、7、8脚的DRAIN表示接通内部场效应管的栅极。

  220V的交流电源经开关输入后,经四个二极管构成的桥式整流电路整流、C1滤波后输出一个300V左右的直流信号。由于VIPER22A处于工作状态,在其内部场效应管截止时,会在变压器初级(L左1)两端产生大于300V的电压,利用R1、C2和D5构成防冲激电路,使其电压有一个释放回路,以免激穿VIPER22A内部场效应管。

  从图5所示VIPER22A的内部结构可知,它与其它开关电源存在一些不同。开机后,300V的直流电压从DRAIN(漏极)脚进入集成电路,经整流和稳压后供给开关电源IC工作,从而使这个电路工作时不需要外接启动电阻。即使Vdd供电电路不正常,电源电路的振荡电路仍能起振,而且电路有输出电压。用这种专用电源IC的LED驱动电源电源有故障时,故障现象和其他开关电源的故障有所不同,其他开关电源通常无Vdd时,电源电路中的振荡电路不起振,会出现无输出的故障现象。

  电路工作正常时,开机后,在Vdd正常前,由芯片内部自身供电,经过很短时间后,Vdd供电电源正常,此时,利用门电路控制开关电路(ON/OFF)断开从栅极输入的供电回路。VIPER22A有过热、过压保护功能。Vdd从4脚输入后,首先送入比较器,一旦输入Vdd大于42V,则触发器(FF1)输出一个置位信号1使控制振荡电路工作的触发器(FF2)输出为0,锁住U2,振荡信号无法输出,即开关管不工作。当输入电压小于14.5V时,U3也将输出一个复位脉冲,使开关管不工作。当电路过热时,R1为1,将FF2置0,开关管不工作。当供电电压Vdd在正常范围时,FB所得的取样电压与基准电压0.23V相比较,用其比较结果去控制FF2的转换频率,从而控制开关管的状态转换,实现控制输出电压,达到稳压的功能。该集成电路芯片内部包含60kHz的振荡电路,其外围电路相当简单。

  下面,为分析方便,把电源变压器左边的两组线圈从上到下定义为L左1、L左2。右边的线圈从上到下定义为L右1、L右2、L右3。

  L左2互感产生的交流脉冲电压经D6整流、R2限流和C3和C6滤波后作为开关芯片的供电电压。由于VIPER22A的特殊结构,如无Vdd时可实现内部供电,所以R2即使击穿开路,仍有电压输出,但不正常。

  同时,Vdd也为取样回路中的光耦的接收部分供电。L右3感应到的脉冲电压经D8整流,电感L6、电容C12、C13、C14滤波后,输出+5V。+5V电压同时经稳压管Z2后给光耦电路发射部分供电,通过光耦的接收部分接收到的光作为取样信号,从VIPER22的3脚FB输入到芯片,从而去控制开关管的开关频率,控制电源电压的稳定,起到稳压的作用。该种电源电路由于前后级是通过光耦进行互相控制,前后级不共地,称为冷底盘机,这种机器由于后级主电路板与市电不相连,维修时比较安全。维修时测量后级的电压,一定不能用前级的接地点,否则所测电压始终为0V。

  同时,变压器电感线圈L右3另一端经D7整流C10滤波后输出+12V。

  变压器电感线圈L右2上端经D10整流、C15滤波后输出-21V

  变压器电感线圈L右1输出的脉冲电压经D11整流、C16滤波后分别输出FP+和FP-电压。

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