什么是LED开关电源？LED开关电源的电路图解析

LED开关电源是把我们用的220v的交流电，转为有正负极的低压电，供电给低压设备。LED开关电源中应用的电子器件主要为：LED二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。

好的，我们来详细解释一下LED开关电源及其典型的电路图。

一、什么是LED开关电源？

LED开关电源是一种专为驱动LED（发光二极管）而设计的高效电子电源转换设备。它的核心特点是利用高频开关技术（通常工作频率在几十kHz到几百kHz甚至更高）来实现电能的转换、电压/电流的调节，并最终为LED提供稳定、可控的驱动电流（通常是恒流输出）。

主要特点和功能

高效率： 是核心优势（通常可达80%-95%），因为开关器件（如MOSFET）工作在导通（低阻态）或关断（高阻态）状态，功率损耗远小于线性电源中功率器件（如三极管）工作在线性放大区时的损耗。这大大减少了发热和能量浪费，适合大功率LED应用。
体积小、重量轻： 高频工作使得变压器、电感、滤波电容等关键元器件的尺寸可以显著减小。
宽输入电压范围： 设计上通常能适应较宽范围的交流（如85-265V AC 全球通用）或直流输入电压，对环境变化的适应性更强。
恒流输出： 大多数为LED设计的开关电源输出是恒定的电流。这是LED特性决定的——LED本质上是电流驱动型器件，其亮度和光效直接由流过的电流决定。稳定的电流可以保证LED亮度稳定、延长寿命、防止过流烧毁。
可调光性： 许多LED开关电源设计支持调光接口（如0-10V/PWM/电阻调光/DALI等），方便调节亮度。
保护功能完善： 通常内置过压保护、过流保护、短路保护、过温保护等，提高系统可靠性。
低输出纹波： 良好的设计能有效抑制输出电压/电流的纹波，这对防止LED闪烁和维持光质量很重要。

与普通开关电源的区别

恒流 vs. 恒压： 绝大多数通用开关电源设计为恒压输出（如5V，12V，24V DC），而LED开关电源主要为恒流输出（如350mA, 700mA, 1A 等）。虽然也有低压恒压输出的LED电源，但恒流是驱动串/并联LED的主流和更优方式。
输出特性： LED电源的恒流输出意味着其输出电压会随负载LED的数量（压降）在允许范围内自动调整，以维持电流恒定。
保护侧重点： 更强调输出过流/短路保护（防止LED烧毁）。
效率和寿命： 通常对效率和寿命要求更高，需适应LED的长期连续工作特点。
EMC要求： LED照明应用中，电磁兼容要求可能更严格（避免对其他设备或无线信号产生干扰）。

二、LED开关电源典型电路图解析（以反激式拓扑恒流源为例）

反激式（Flyback）拓扑因其结构简单、成本较低、易于实现隔离和宽电压输入/输出，是中小功率（一般在100W以下）LED开关电源中最常用的电路结构之一。下面是一个简化的反激式LED恒流驱动电源框图及其关键部分解析：

         (AC Input)
             |
             V
+--------------------------------------------------+
| EMI滤波器       | Bridge | Bulk Input |         |
| (Fuse, NTC,    | Recti- | Capacitor   |         |
|  X/Y电容,       | fier   | (Cin)       |         |
| 共模电感)       |        |             |         |
+----------+----+---+----+--+----------+--+       |
           |                |             |        |
           |                |             V        |
           |                |       +----+----+    |
           |                |       |         |    |
           |                |       | PWM     |    |
           |                |       | 控制IC   | <---+---+
           |                |       | (e.g.,   |    |   |
           |                |       | OB2263,  |    |   |
           |                |       | L6562)   |    |   |
           |                |       |          |    |   |
           |                |       +-----+----+    |   |
           |                |             |        |   |
           |                V             |        |   |
           |        +-------+-+           |        |   |
           |        |         |           |        |   |
           |        | 主开关管 | <----------+        |   |
           |        | (MOSFET)|                    |   |
           |        |         |                    |   |
           |        +----+----+                    |   |
           |             |                         |   |
           |             |                         |   |
           |             V                         |   |
           |     +--------+----------+             |   |
           |     |                   |             |   |
           +---->|  高频变压器 (T1)   |<------------+   |
                 |  (Primary: Np)    |                 |
                 |  (Secondary: Ns)  |                 |
                 +--------+-----------+                 |
                          |                             |
                          V                             |
+-------------------+     |        (Diode)              |
| Output            |     |       +---+--+             |
| 整流滤波    |<-----------+------|       |             |
| (Diode Dout,   |         |       | 快恢复 |             |
|  Cout)         |         |       | 二极管 |             |
|                 |         |       +-------+             |
+------+----------+         |                             |
       |                    |                             |
       V                    |                             |
+------+----------+         |                             |
| Output          |         |                             |
| 反馈与恒流控制 |<----------------------------------------+
| (采样电阻 Rs, |                                      |
|  误差放大器,   |                                      |
|  光耦隔离反馈)|                                      |
+----------------+                                      |
       |                                                |
       V                                                |
    (LED Load)                                           |
+--------------------------------------------------------+

关键电路模块详细解析：

交流输入与EMI滤波器：
- 输入保险丝(Fuse)： 防止过电流损坏设备或引发火灾。
- NTC热敏电阻： 抑制开机瞬间的浪涌电流。
- X电容： 滤除两输入线之间的差模干扰（主要抑制低频干扰）。
- 共模电感(Common Mode Choke)： 利用两个绕组磁通相互抵消的原理，有效滤除两输入线对地产生的共模干扰（主要抑制高频干扰）。
- Y电容： 连接在输入线（Live/Line和Neutral）与大地(PE)之间，滤除共模干扰。安全要求极高，必须使用安规电容（Class X, Class Y）。
- 作用： 滤除电网带来的高频干扰噪声，同时也阻止电源内部产生的高频开关噪声传导回电网，满足电磁兼容性(EMC)标准。
整流桥(Bridge Rectifier)：
- 由4个二极管或一个桥堆构成，将交流输入电压（AC）转换成脉动的直流电压。输入为110V/220V AC时，整流后得到一个幅度在120V到380V DC之间的脉动直流电压。
输入大电容(Bulk Input Capacitor, Cin)：
- 对整流后的脉动直流进行滤波，使其变得相对平滑。它储存能量，在开关周期内为后续电路提供相对稳定的直流母线电压(Vin)。容量选择要兼顾体积、成本、维持时间和纹波要求。
控制IC与驱动器：
- 核心大脑： 通常是集成PWM控制器、启动电路、驱动电路、保护电路的芯片（如OB226x, L656x, TEA17xx系列等）。
- 功能：
  - 启动： 在输入电压建立后，通常通过一个高阻值电阻从Vin降压获得启动电压，供IC初始工作。
  - 振荡： 产生固定频率的方波信号（或频率变化模式）。
  - 驱动： 将方波信号放大，驱动主开关管（MOSFET）的栅极(Gate)，控制其快速导通和关断。
  - 反馈处理： 接收来自次级的反馈信号（通过光耦）。
  - 保护管理： 监测过压、过流、欠压等信号，触发保护动作（关闭输出）。
  - 维持供电： 正常工作时，IC通常改由变压器辅助绕组（未在简化图中标出）供电（称为VCC绕组）。
主开关管(Power MOSFET)：
- 通常为高压N沟道MOSFET。
- 在控制IC发出的PWM驱动信号控制下高速导通和关断。
- 导通时：输入电压(Vin)加在变压器初级绕组Np两端，电流线性上升，电能以磁场形式储存在变压器中（初级电感量），此时次级二极管反向截止，负载由输出电容Cout供电。控制IC通过电流采样电阻Rs监测初级电流峰值（间接控制输入能量）。
- 关断时：储存在变压器中的磁能通过次级绕组Ns释放（变压器磁芯复位）。次级整流二极管Dout导通，磁能转换为电能，通过Dout给输出电容Cout充电，同时给LED负载供电。
高频变压器(T1)：
- 反激电源的核心能量转换和隔离元件。
- 初级绕组(Np)： 接收来自整流和滤波后的直流母线电压。开关管导通时储存能量。
- 次级绕组(Ns)： 开关管关断时释放能量。匝数比(Ns/Np)直接影响输出电压范围。
- 磁芯： 常用铁氧体材料，以高频工作减小体积。
- 气隙： 磁芯开空气隙，以储存较大能量（提高电感量防止饱和）并承受直流偏磁。
- 功能： 完成电气隔离（输入输出不共地）、电压变换、能量传递。
输出整流二极管(Dout)：
- 通常使用快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（UF）或肖特基二极管（尤其低压大电流时）。
- 开关管关断期间： 变压器次级感应的正电压使其导通（正向偏置），电流流过二极管给输出电容Cout充电并为负载供电。
- 开关管导通期间： 次级感应负电压使其反向截止，阻挡Cout向初级放电。
输出滤波电容(Cout)：
- 对次级整流后的电压进行滤波，减小输出电流纹波。纹波电流对LED的寿命和光品质（如频闪）有影响。电容需要能承受较高的纹波电流和额定电压。
反馈与恒流控制回路：
- 采样电阻(Rs)： 放置在输出回路中（一般串联在负极侧）。流过LED的电流（Io）也流经Rs，在Rs上产生一个小的压降 Vrs = Io * Rs。
- 恒流控制芯片/误差放大器： 将Vrs与一个内部的精密参考电压Vref（如2.5V）进行比较（通常在次级侧或集成在专用IC中）。如果Io升高，Vrs > Vref，则放大器的输出（或光耦输入电流）会发生变化。
- 光耦隔离器： 这是实现输入（高压侧）和输出（低压侧）电气隔离的关键部件。
  - 次级侧的恒流控制信号改变光耦发光二极管的亮度。
  - 光耦的光敏三极管侧（在初级侧）接收到光信号变化后，其集电极-发射极间电流（或等效电阻）会相应变化，将此变化信号传递给初级侧的控制IC的反馈引脚(FB)。
- 控制IC处理：
  - IC的FB引脚电压升高：说明输出电流Io过大。
  - IC动作：会减小其PWM输出信号的占空比（缩短导通时间Ton）。
  - 效果： 每个周期内变压器初级储存的能量减少，次级释放的能量随之减少，从而降低了输出电流Io，维持Io恒定。
- 目的： 闭环负反馈系统，无论输入电压波动、LED的Vf变化或温度变化如何，都能精确维持流过LED的电流恒定在设定值。

总结

LED开关电源是一种高度工程化的开关电源变体，它利用高频开关技术实现高效的电能转换，并针对LED特性（电流驱动）设计为恒流输出模式。反激式是其中非常流行的拓扑结构，通过高频变压器实现电气隔离、能量传递和电压转换。反馈回路通过采样输出电流，利用光耦隔离误差信号到初级侧的控制IC，调节PWM占空比，最终达到精确恒流控制的目的，确保LED亮度稳定、寿命长久且高效工作。设计时需重点考虑效率、散热、EMC、保护功能和输出电流的稳定性（低纹波）。