LED照明驱动恒流源芯片技术浅析

作者：上海晶丰明源半导体有限公司 技术市场经理 李琛琳；市场总监 颜重光

2011年是LED照明行业高速发展的一年，世界各国政府的大力推动促使其蓬勃发展。近来，荧光粉的离奇大幅涨价，导致荧光灯成本的增加；LED光源的制造技术大踏步发展，使其成本快速下降；日本震后核电问题使得震后重建市场对LED灯具的需求快速增长。目前，各国政府继续加强淘汰白炽灯的力度，例如，欧洲规定2009年年底开始禁用100W白炽灯，2010年年底开始禁用75W白炽灯，这无疑又是给LED照明市场带来巨大的机会。伴随LED照明驱动电源恒流控制技术的进步和LED光源价格的不断降低，LED照明与千家万户的距离进一步拉近。

LED照明驱动电源恒流控制技术的进步，主要体现在以下几个方面：1）芯片外围控制电路的不断简化，主级侧恒流技术(PSR)已经趋向成熟；2）芯片的恒流精度不断提高，为降低生产的偏差、提升电源大批量生产的可靠性提供有力的保障；3）LED照明专用单级APFC芯片的出现和技术成熟，使得电源的体积和成本的进一步下降。顺应LED照明市场的发展趋势，丰明源半导体(BPSEMI)在2011年推出了主级侧恒流控制(PSR)的BP31XX系列的驱动芯片。如适用于PSR隔离方案的BP3102、，BP3105、BP3108，以及单级APFC控制BP33XX系列的驱动芯片BP3309和BP3308。

创新的LED驱动电源芯片设计技术

目前LED照明灯具的驱动电源对变压器、电感器参数的要求十分高，为求精准需花费大量的人力和财力才能实现，工业化生产成本很难进一步下降。通过对LED驱动恒流源芯片设计技术的创新和突破，新的解决方案可以在LED灯具驱动电源实际应用时，输出电流对变压器和电感的电感量和LED的VF等参数不太敏感。创新技术的关键是优化芯片算法语言。图1展示BP31XX系列主级侧恒流控制的一种新的原理，从图中可以发现，芯片控制输出电流峰值，并通过辅助绕组反馈，使得退磁时间和芯片开关周期的比例固定，这样就可以使得输出电流与外围的电感量偏差和输出电压的偏差无关，而LED的VF值的偏差和电感偏差正是批量生产面临的最大的问题。通常来说，批量生产的变压器电感量和LED的VF都会有5~10%左右的偏差。而BP31XX系列的LED照明恒流驱动电源，批量精度可达3%以内，可以容许变压器和电感参数有较大的允差，这就降低了规模工业化生产的成本并促进流水线的持续快速生产。


图1 BP31XX系列主级侧恒流控制技术工作原理。

BP31XX的应用电路十分简化，周边需要的零件很少，符合低成本、工业化生产的理念。图2是典型应用电路，采用主级侧恒流技术后，次级的反馈电路不再成为电源体积和成本方面的障碍，这给那些对于电源体积要求极为苛刻的场合带来了极大的便利，如球泡灯、GU10射灯等。传统的光耦反馈结构还存在光耦老化和很难过安规测试的问题，对于球泡灯内部60-90℃的应用环境温度来说，可靠性问题更成为生产厂商和客户关注的焦点。主级侧恒流技术的成熟，特别是创新的驱动电源芯片设计技术，使得应用电路对变压器和电感的某些难以质控的参数变得不敏感，对于LED照明电源和灯具厂商来说，既方便提高产品性能，又可降低成本，是一种双赢的选择。


图2 BP3105的典型应用电路

尽管电路周边零件器件减少了，但电源电路设计者需要选择高品质的有限器件，如MOS的耐压要高，电解电容器要采用高密封性、高抗水合处理能力、高抗过载能力的，125℃ 10000小时的长寿命产品，以适应长期在高温环境下工作。

LED恒流驱动电源的另一个热门趋势就是含自动高功率因数补偿、低谐波的单级APFC控制芯片。美国能源之星标准对于5W以上固态照明灯具有具体明确的PF值的要求。因此，今年来LED照明灯具厂家对单级APFC芯片的需求大大增加。现有的单级PFC芯片由于不是为LED照明专门设计的，普遍存在一些缺陷，如较长的启动时间、需要光耦和外部基准反馈、原边反馈的批量生产电流精度差等等，使得目前以6562和7527为代表的APFC恒流方案继续被大量使用，这样对于LED照明驱动电源体积和成本近一步减小都比较困难。因此，新的LED照明专用单级APFC的方案也是LED照明灯具行业所祈求的。

BP3309是新一代LED照明专用单级APFC芯片，图3是BP3309的典型应用电路，芯片主级侧恒流控制(PSR)，无需次级光耦和TL431等反馈电路；该芯片采用专利的源级驱动技术，启动时间很短，在85VAC，1M欧姆启动电阻的条件下小于200ms的启动时间，提高系统效率；采用LED照明灯具必须的软启动无过冲技术；芯片具备的保护功能齐全，自带短路保护、开路保护、过压保护、欠压保护、过温保护、取样电阻短路保护，当故障解除时，芯片可以自动恢复正常工作。另外，BP3309芯片解决了线性调整率，负载调整率，批量恒流精度的偏差的问题(如表一)。这样的LED电源驱动方案能够符合企业大批量生产的要求，先进的PSR单级APFC方案与传统的付边反馈方案相比既节省电源的空间和成本，又提高了可靠性。


图3 单级APFC的BP3309典型应用图。

表1 BP3309的线性调整率和负载调整率