LED驅(qū)動(dòng)電源芯片設(shè)計(jì)技術(shù)解析

近來，熒光粉的離奇大幅漲價(jià)，導(dǎo)致熒光燈成本的增加；LED光源的制造技術(shù)大踏步發(fā)展，使其成本快速下降；日本震后核電問題使得震后重建市場對(duì)LED燈具的需求快速增長。目前，各國政府繼續(xù)加強(qiáng)淘汰白熾燈的力度，例如，歐洲規(guī)定2009年年底開始禁用100W白熾燈，2010年年底開始禁用75W白熾燈，這無疑又是給LED照明市場帶來巨大的機(jī)會(huì)。伴隨LED照明驅(qū)動(dòng)電源恒流控制技術(shù)的進(jìn)步和LED光源價(jià)格的不斷降低，LED照明與千家萬戶的距離進(jìn)一步拉近。

LED照明驅(qū)動(dòng)電源恒流控制技術(shù)的進(jìn)步，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）芯片外圍控制電路的不斷簡化，主級(jí)側(cè)恒流技術(shù)（PSR）已經(jīng)趨向成熟；2）芯片的恒流精度不斷提高，為降低生產(chǎn)的偏差、提升電源大批量生產(chǎn)的可靠性提供有力的保障；3）LED照明專用單級(jí)APFC芯片的出現(xiàn)和技術(shù)成熟，使得電源的體積和成本的進(jìn)一步下降。順應(yīng)LED照明市場的發(fā)展趨勢(shì)，豐明源半導(dǎo)體（BPSEMI）在2011年推出了主級(jí)側(cè)恒流控制（PSR）的BP31XX系列的驅(qū)動(dòng)芯片。如適用于PSR隔離方案的BP3102、，BP3105、BP3108，以及單級(jí)APFC控制BP33XX系列的驅(qū)動(dòng)芯片BP3309和BP3308。

創(chuàng)新的LED驅(qū)動(dòng)電源芯片設(shè)計(jì)技術(shù)

目前LED照明燈具的驅(qū)動(dòng)電源對(duì)變壓器、電感器參數(shù)的要求十分高，為求精準(zhǔn)需花費(fèi)大量的人力和財(cái)力才能實(shí)現(xiàn)，工業(yè)化生產(chǎn)成本很難進(jìn)一步下降。通過對(duì)LED驅(qū)動(dòng)恒流源芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新和突破，新的解決方案可以在LED燈具驅(qū)動(dòng)電源實(shí)際應(yīng)用時(shí)，輸出電流對(duì)變壓器和電感的電感量和LED的VF等參數(shù)不太敏感。創(chuàng)新技術(shù)的關(guān)鍵是優(yōu)化芯片算法語言。圖1展示BP31XX系列主級(jí)側(cè)恒流控制的一種新的原理，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，芯片控制輸出電流峰值，并通過輔助繞組反饋，使得退磁時(shí)間和芯片開關(guān)周期的比例固定，這樣就可以使得輸出電流與外圍的電感量偏差和輸出電壓的偏差無關(guān)，而LED的VF值的偏差和電感偏差正是批量生產(chǎn)面臨的最大的問題。通常來說，批量生產(chǎn)的變壓器電感量和LED的VF都會(huì)有5~10%左右的偏差。而BP31XX系列的LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源，批量精度可達(dá)3%以內(nèi)，可以容許變壓器和電感參數(shù)有較大的允差，這就降低了規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的成本并促進(jìn)流水線的持續(xù)快速生產(chǎn)。

圖1 BP31XX系列主級(jí)側(cè)恒流控制技術(shù)工作原理。

BP31XX的應(yīng)用電路十分簡化，周邊需要的零件很少，符合低成本、工業(yè)化生產(chǎn)的理念。圖2是典型應(yīng)用電路，采用主級(jí)側(cè)恒流技術(shù)后，次級(jí)的反饋電路不再成為電源體積和成本方面的障礙，這給那些對(duì)于電源體積要求極為苛刻的場合帶來了極大的便利，如球泡燈、GU10射燈等。傳統(tǒng)的光耦反饋結(jié)構(gòu)還存在光耦老化和很難過安規(guī)測試的問題，對(duì)于球泡燈內(nèi)部60-90℃的應(yīng)用環(huán)境溫度來說，可靠性問題更成為生產(chǎn)廠商和客戶關(guān)注的焦點(diǎn)。主級(jí)側(cè)恒流技術(shù)的成熟，特別是創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)電源芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，使得應(yīng)用電路對(duì)變壓器和電感的某些難以質(zhì)控的參數(shù)變得不敏感，對(duì)于LED照明電源和燈具廠商來說，既方便提高產(chǎn)品性能，又可降低成本，是一種雙贏的選擇。

圖2 BP3105的典型應(yīng)用電路

盡管電路周邊零件器件減少了，但電源電路設(shè)計(jì)者需要選擇高品質(zhì)的有限器件，如MOS的耐壓要高，電解電容器要采用高密封性、高抗水合處理能力、高抗過載能力的，125℃ 10000小時(shí)的長壽命產(chǎn)品，以適應(yīng)長期在高溫環(huán)境下工作。

LED照明專用的單級(jí)APFC芯片

LED恒流驅(qū)動(dòng)電源的另一個(gè)熱門趨勢(shì)就是含自動(dòng)高功率因數(shù)補(bǔ)償、低諧波的單級(jí)APFC控制芯片。美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于5W以上固態(tài)照明燈具有具體明確的PF值的要求。因此，今年來LED照明燈具廠家對(duì)單級(jí)APFC芯片的需求大大增加?，F(xiàn)有的單級(jí)PFC芯片由于不是為LED照明專門設(shè)計(jì)的，普遍存在一些缺陷，如較長的啟動(dòng)時(shí)間、需要光耦和外部基準(zhǔn)反饋、原邊反饋的批量生產(chǎn)電流精度差等等，使得目前以6562和7527為代表的APFC恒流方案繼續(xù)被大量使用，這樣對(duì)于LED照明驅(qū)動(dòng)電源體積和成本近一步減小都比較困難。因此，新的LED照明專用單級(jí)APFC的方案也是LED照明燈具行業(yè)所祈求的。

BP3309是新一代LED照明專用單級(jí)APFC芯片，圖3是BP3309的典型應(yīng)用電路，芯片主級(jí)側(cè)恒流控制（PSR），無需次級(jí)光耦和TL431等反饋電路；該芯片采用專利的源級(jí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，啟動(dòng)時(shí)間很短，在85VAC，1M歐姆啟動(dòng)電阻的條件下小于200ms的啟動(dòng)時(shí)間，提高系統(tǒng)效率；采用LED照明燈具必須的軟啟動(dòng)無過沖技術(shù)；芯片具備的保護(hù)功能齊全，自帶短路保護(hù)、開路保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)、取樣電阻短路保護(hù)，當(dāng)故障解除時(shí)，芯片可以自動(dòng)恢復(fù)正常工作。另外，BP3309芯片解決了線性調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，批量恒流精度的偏差的問題（如表一）。這樣的LED電源驅(qū)動(dòng)方案能夠符合企業(yè)大批量生產(chǎn)的要求，先進(jìn)的PSR單級(jí)APFC方案與傳統(tǒng)的付邊反饋方案相比既節(jié)省電源的空間和成本，又提高了可靠性。

圖3 單級(jí)APFC的BP3309典型應(yīng)用圖。

表1 BP3309的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率

本文小結(jié)

隨著LED照明產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展以及各國能源標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，在保證轉(zhuǎn)化效率的前提下，LED照明的電源的發(fā)展將繼續(xù)朝著更小體積、更少元件、更高精度、更利于生產(chǎn)的方向發(fā)展，因此，新的電源芯片恒流控制技術(shù)以及單級(jí)APFC技術(shù)的進(jìn)一步完善成熟，對(duì)于LED照明電源性能的提升和成本下降、體積的縮小起到非常顯著的作用。

來源；電子工程網(wǎng)