開關電源具有效率高的特性,而且開關電源的變壓器體積比串聯穩壓型電源的要小得多,電源電路比較整潔,整機重量也有所下降,所以,現在的LED驅動電源
大都使用開關電源。電源電路正常是LED驅動電源正常工作的基本保障。
1.開關電源的基本工作原理
開關電源的結構框圖如圖1。由對輸出電壓“取樣”,并對基準源進行“比較”后控制“調整管”或“開關管”,此時開關電源的“開關管”相當于一個開關,開通時間由比較結果而定;當開關電源輸出的電壓太低時,通過“比較放大”控制“開關時間控制電路”使“開關管”開通時間變長,從而使輸出的電壓提升。
LED驅動電源的核心部分是“開關管”和“變換器”組成的開關式直流-直流變換器。它把直流電壓Ui(一般由輸入市電經整流、濾波后獲得)經開關管后變為有一定占空比的脈沖電壓Ua,然后經整流濾波后得到輸出的電壓Uo。
圖2所示是電源電路的實物圖。圖中右上角輸入220V交流市電,先經電源濾波電路后用右下角的二極管進行整流,再經大電容濾波后輸出直流。由于是對220V交流信號進行整流濾波,所以二極管的耐壓值要高,而電容的容量也要大,所以實物圖中右下角的電容體積很大。整流濾波后得到的直流信號再經右邊居中的開關電源IC轉換成高頻的交流信號,再經變壓器耦合輸出各路低電壓的交流信號。由于變壓器是工作在高頻狀態,所以其體積較小。耦合輸出的各組交流信號經左邊的二極管整流、電容濾波和三極管穩壓或三端穩壓電源穩壓后輸出各部分電路工作所需的直流電壓。此電路由于采用了變壓器并聯耦合,而且比較放大電路反饋回脈沖調寬電路是利用光耦器件,即用光信號來傳遞信息,輸入端與輸出之間實現絕緣,是冷底盤機,其防觸電的警告標志僅在電路板的右邊。光耦跨接在有警告標志和無警告標志部分,起到傳遞信號而又能隔離前后級地線的作用。這種機型在維修主電路板時,由于主電路板與大地不相連,通常比較安全。但在測量后級電壓時,不能使用前級的地線,否則所測電壓將全部為0V。
圖3所示是電源電路原理圖。電源IC為專用開關電源集成電路VIPER22A,圖4是其外引腳圖,圖中,第1、2腳SOURCE是內部場效應管源極的表示,在使用中通常接地,3腳FB是取樣電壓輸入端,4腳VDD是供電電壓端,第5、6、7、8腳的DRAIN表示接通內部場效應管的柵極。圖5是其內部結構圖。
220V的交流電源經開關輸入后,經四個二極管構成的橋式整流電路整流、C1濾波后輸出一個300V左右的直流信號。由于VIPER22A處于工作狀態,在其內部場效應管截止時,會在變壓器初級(L左1)兩端產生大于300V的電壓,利用R1、C2和D5構成防沖激電路,使其電壓有一個釋放回路,以免激穿VIPER22A內部場效應管。
從圖5所示VIPER22A的內部結構可知,它與其它開關電源存在一些不同。開機后,300V的直流電壓從DRAIN(漏極)腳進入集成電路,經整流和穩壓后供給開關電源IC工作,從而使這個電路工作時不需要外接啟動電阻。即使Vdd供電電路不正常,電源電路的振蕩電路仍能起振,而且電路有輸出電壓。用這種專用電源IC的LED驅動電源電源有故障時,故障現象和其他開關電源的故障有所不同,其他開關電源通常無Vdd時,電源電路中的振蕩電路不起振,會出現無輸出的故障現象。
電路工作正常時,開機后,在Vdd正常前,由芯片內部自身供電,經過很短時間后,Vdd供電電源正常,此時,利用門電路控制開關電路(ON/OFF)斷開從柵極輸入的供電回路。VIPER22A有過熱、過壓保護功能。Vdd從4腳輸入后,首先送入比較器,一旦輸入Vdd大于42V,則觸發器(FF1)輸出一個置位信號1使控制振蕩電路工作的觸發器(FF2)輸出為0,鎖住U2,振蕩信號無法輸出,即開關管不工作。當輸入電壓小于14.5V時,U3也將輸出一個復位脈沖,使開關管不工作。當電路過熱時,R1為1,將FF2置0,開關管不工作。當供電電壓Vdd在正常范圍時,FB所得的取樣電壓與基準電壓0.23V相比較,用其比較結果去控制FF2的轉換頻率,從而控制開關管的狀態轉換,實現控制輸出電壓,達到穩壓的功能。該集成電路芯片內部包含60kHz的振蕩電路,其外圍電路相當簡單。
下面,為分析方便,把電源變壓器左邊的兩組線圈從上到下定義為L左1、L左2。右邊的線圈從上到下定義為L右1、L右2、L右3。
圖3中,L左2互感產生的交流脈沖電壓經D6整流、R2限流和C3和C6濾波后作為開關芯片的供電電壓。由于VIPER22A的特殊結構,如無Vdd時可實現內部供電,所以R2即使擊穿開路,仍有電壓輸出,但不正常。
同時,Vdd也為取樣回路中的光耦的接收部分供電。L右3感應到的脈沖電壓經D8整流,電感L6、電容C12、C13、C14濾波后,輸出+5V。+5V電壓同時經穩壓管Z2后給光耦電路發射部分供電,通過光耦的接收部分接收到的光作為取樣信號,從VIPER22的3腳FB輸入到芯片,從而去控制開關管的開關頻率,控制電源電壓的穩定,起到穩壓的作用。該種電源電路由于前后級是通過光耦進行互相控制,前后級不共地,稱為冷底盤機,這種機器由于后級主電路板與市電不相連,維修時比較安全。維修時測量后級的電壓,一定不能用前級的接地點,否則所測電壓始終為0V。
同時,變壓器電感線圈L右3另一端經D7整流C10濾波后輸出+12V。
變壓器電感線圈L右2上端經D10整流、C15濾波后輸出-21V
變壓器電感線圈L右1輸出的脈沖電壓經D11整流、C16濾波后分別輸出FP+和FP-電壓。