LED照明驱动芯片技术的创新设计 - 全文

　　随着白炽灯、荧光灯、节能灯陆续退出照明市场，LED照明光源和LED照明灯具迅速发展，以迅雷不及掩耳之势席 卷世界照明市场，LED产业链因此蓬勃发展。LED灯珠的亮 度不断提高，价格逐步下降；HVLEDs和倒装LED开拓LED 照明新的应用技术；LED驱动电源芯片不断推陈出新，集成 功能更多，性价比更好，应用更方便；塑包铝和高导热塑料 散热器为新一代LED光源和灯具提供了创新设计新空间。

　　室内LED光源和灯具必然是量大面广的消费电子产品，一定会海量生产，拥有蓝海市场。由于传统照明光源和灯具 预留给LED驱动电源的空间十分狭小，因此LED照明光源和 灯具的驱动电源必须做得十分小巧，驱动电源芯片要求性能 高度集成，以单级芯片为主，这就要求整个驱动电源的方案不但十分简洁，而且成本低廉；应用电路要求更少的外围器 件，要求LED驱动电源的芯片＋周边零件的总数少于15个， 甚至少于10个。LED电源驱动电路采用精细小巧的变压器、 电感器、高度较低的电解电容器，甚至电源驱动电路不需要电解电容器、电感器或变压器。

　　

　　图1 室内LED照明驱动主要模式

　　1 LED驱动电源主要模式

　　目前，室内LED照明光源和灯具的驱动电源分开关恒流 隔离和非隔离驱动、高压线性恒流驱动等几种模式，RC阻 容降压由于本身功耗较大和不安全、不恒流诸多不良因素已 在淘汰之中。RC阻容降压驱动的优点：电路简单、成本低廉；其缺 点：电网兼容差、输出电流偏小、本身功耗较大、不安全。 开关恒流驱动的优点：性能稳定、高效率、电网兼容强、方 便功能拓展、升压、降压、升降压应用方便自由；其缺点：体积较大、生产较复杂、成本略高。高压线性恒流驱动的优点：性能稳定、易自动化生产、无插件大量节省人工；其缺点：灯珠利用率略低、略有残余工频纹波。室内LED照明驱动主要模式如图1所示。

　　LED驱动单级电源芯片要求内置高压MOS管，线电压 补偿、源极驱动、过压／过流／过温保护、开路／短路保护等 LED照明驱动电源必须的技术都要集成在单级芯片之中。室内LED照明光源和灯具的狭小空间限定驱动电源芯片 采用单级芯片，这就要求驱动电源芯片的功能高度集成，电 源控制功能和各种保护功能尽可能地集成在芯片之中，驱动电源芯片的拓扑结构设计技术必须创新，不断创造新的模式 才能满足LED照明驱动技术的创新发展。

　　2 非隔离开关恒流驱动已成主流

　　薄型塑包铝散热器技术和HVLEDs技术的兴起，解决了 AC市电高压经电源变换点亮LED灯珠时内部高压电泄漏对 人体的安全问题，塑包铝散热器简单而轻松地解决了LED光 源和灯具内部高压与外部隔离的技术难点，因此采用应用电路简洁的非隔离开关恒流驱动电源已经成为通用平价LED照明光源和灯具的主流电源方案。非隔离开关恒流驱动电源芯片历经几代的开发更新，如今集成功能更多，应用电路更简 洁，应用成本更低，电源的性价比更有竞争力。

　　鉴于HVLEDs光源降低了发热，塑包铝散热器简单地解 决了LED灯具内的高低电压隔离，驱动电源的选择以恒流精 度、电源效率、功率因数的补偿（PFC）为主考虑因素，隔离 的开关恒流电源因使用变压器而总体效率一般在70％－88％， 功率因数补偿小于0．9；非隔离的开关恒流电源恒流精度可 达3％－5％，功率因数补偿大于0．9，电源效率大于90％，因此 成为LED照明灯具的首选。非隔离的恒流电源有非隔离的开 关恒流电源和高压线性恒流电源两种。

　　非隔离开关恒流驱动电源芯片设计已经高度集成化，已将LED驱动电源需要的功能，如宽电压输入高精度恒流输 出、过流保护、过压保护、LED短路和开路保护、CS电阻短 路保护、芯片供电欠压保护等必须的功能已集成在单级芯片 之中，功率输出的MOS管和恒流控制也集成在单个芯片上 了，应用电路十分简洁，周边零件一般可控制在15个以下， 可帮助为终端客户有效地控制材料成本和生产成本。

　　

　　图2 BP2831A非隔离的开关恒流源

　　非隔离开关恒流驱动电源应用方案简洁，而且节省成本。如图2所示使用非隔离的开关恒流源芯片BP2831A设计 的5W LED球泡灯电源，输出DC80V、60mA，包括主芯片， 整个电路应用的元器件共计15个，电源效率在AC220V、满 载时达92％，电源可通过EMC测试。该电源的PCB板的直径 可小至Φ18mm。

　　

　　图3 升级后的芯片应用方案

　　非隔离开关恒流驱动芯片的设计技术一直在不断创新 和改良之中，一种芯片推出之后，马上就针对存在的不足之 处进行改进，或增加新的功能，保持引脚不改变而推出下一 代的升级芯片，其价格不升反降，不但增强老客户凝聚力， 还能吸引新客户。如图3所示升级后的芯片应用方案可取消 原芯片应用方案的加粗部分，有效节省应用成本。

　　3 隔离开关恒流驱动芯片占市三分

　　隔离开关恒流驱动芯片还占有总体市场的三分之一。 不少LED光源和灯具还在使用散热性能良好的铝合金散热 器，这就必须选用隔离的开关恒流驱动电源。

　　

　　图4 BP的隔离开关恒流驱动芯片发展路径

　　近年来，隔离开关恒流驱动电源芯片技术在不断发展 之中，从BP的隔离开关恒流驱动电源芯片发展历程来看， 功率因数PFC＞ 0．5 的芯片， 经历了BP3102，到BP3122、BP3132， 直到今天应用简洁廉价版的BP9112； 功率因数 PFC＞0．9的芯片，经历了BP3309，到BP3318、BP3319。BP的 隔离开关恒流驱动芯片发展路径如图4。

　　

　　图5 隔离的开关恒流驱动芯片的技术革新

　　隔离开关恒流驱动芯片的技术改进是从升级后的芯片应用电路可去掉变压器一个辅助绕组，及其附属电路上的二极管、电阻开始的，如图5所示。隔离开关恒流驱动芯片技 术最初的革新，即原边反馈、去掉辅助绕组技术，为其应用 电路有效节省成本。随后，又改变芯片对变压器要求的兼容 度，改变芯片内部算法设计，使其对变压器的部分电参数不 敏感，只关注匝数比，从而有效降低变压器制造成本。启用 芯片内快速启动设计技术，以满足应用电路设计开灯即亮的 要求。芯片设计技术的不断创新，使新一代的芯片功能不断 增加，制造成本不断下降。创新一代的芯片更具市场竞争 力。

　　4 廉价开关恒流驱动芯片涌现

　　一种应用技术简单可靠，应用成本低廉，性能高度集 成，只有三个脚采用SOT89－3或TO92封装的隔离和非隔离应 用的廉价开关恒流驱动芯片今年大批涌现。可能会给竞争已 经十分激烈的廉价室内LED照明驱动电源市场带来烈火。它 有隔离和非隔离的几款典型产品。

　　KP1032TP是一个高度集成非隔离的Buck－Boost开关恒流（CC）控制LED照明电源驱动芯片，适合LED照明非隔离电路的应用。KP1032TP内部集成 650 V的MOSFET管；集成了高 压快速启动／ IC自供电电路和一种新型变压器消磁电路；集 成欠压锁定（UVLO）、逐周期限流（OCP）、过温保护（OTP）； LED开路／短路的保护；Buck－Boost拓扑支持高输出电压； 恒流精度±4％；非常小的VDD工作电流；内置AC线性恒流 （CC）补偿。

　　KP1031是一个高度集成隔离的PSR开关恒流（CC）控制 LED照明电源驱动芯片，内置650 V的MOSFET管、集成高压 快速启动／ IC自供电电路和一种新型变压器消磁电路，消除 了变压器辅助绕组。在CC模式，集成电路使用PFM控制CC 补偿。通用的必备功能与KP1032雷同。

　　

　　图6 廉价开关恒流驱动芯片

　　廉价开关恒流驱动芯片（图6）的涌现可使平价LED光源 和灯具的电源生产成本降至RMB一元或一元以下。廉价开 关恒流驱动电源的周边元器件少于10个，生产成本甚至比传 统的阻容降压电源还低，有利于全面淘汰不安全也不恒流的 阻容降压电源。

　　5 线性恒流驱动技术日趋完善

　　LED照明灯具的驱动电源追求高PF（Power Factor功率因 数）和低THD（Total Harmonic Distortion，总谐波失真），既是 客户的希望也是电力系统的要求。能源之星和国际电信委 员会（ICE）规范要求LED驱动芯片必须具备高功率因素校正 （PFC）功能，以确保LED灯具的转换效率和灯具寿命。

　　LED光源和灯具的电源引入高压线性恒流驱动新一代 电源技术，无电源的开关变换频率，就无本身的开关频率残 余，纹波也将大大降低；应用电路无变压器等磁性器件和电 解电容器，线性电源的PF因此提高，THD因此下降。

　　高压线性恒流驱动芯片大多数采用分段点亮的技术来驱动HVLED发光。目前分段的方法有1段、3段、4段、6段等数种， 分段越多， 电源工作效率越高，但是连接到 HVLED 的控制线也越 多，如分成N段，控制线数量则为 N＋1，分段过多时电源效率提高并不明显，但应用线路略显复杂，这是LED灯具设计师所不希望的。比较适合光电一体 化模块应用的是1段、3段、4段的分段驱动。1段驱动内置一个MOS，虽然电源效率较差，但能满足蜡烛等特小空间的 需要；3段和4段驱动内置3－4个MOS是目前优选的恒流驱动 方法，兼顾电源效率、PF和THD，应用方案比较简洁，应 用成本较低。内置MOS的线性恒流驱动芯片特别适合于一体化光电模块的应用，其应用电路零件少，有利于HVLED 的配光分布设计。如三段高压线性恒流驱动电路十分简洁， 周边元器件很少，因此可以将驱动电源与HVLEDs光源设计 在同一块铝基板或陶瓷基板上。图7为三段高压线性恒流驱 动芯片应用图。

　　

　　图7 三段高压线性恒流驱动芯片应用图

　　高压线性恒流驱动电源目前的输入电压范围较窄，只适合定压输入，它的脉动直流输出有寄生的工频及其倍频 的残余，导致其制成LED照明灯后有些许频闪。这些问题造 成业内对光引擎使用环境受限较多、应用范围窄的误解。高 压线性恒流驱动电源芯片是一种定电压输入的驱动电源芯片，从最初对输入电源的±10％的宽容度到现在的±20％， 即AC220V的可从AC180V－260V，基本满足不少使用地区电网波动的要求；而面对频闪问题，我们需要制定LED照明灯 的频闪评估共识，比如日光灯、筒灯使用时离开受众均在50cm以上，那么在50cm以外没有频闪就可被认定为合格产 品。纵然如此，光电引擎都还需要在电源芯片设计上作进一 步改进和技术提升。

　　高压线性驱动芯片经过几代的改进设计，现在已经从当初的模拟电路芯片走向数模混合电路芯片，并向数字电路芯片发展，因此高压线性驱动芯片的性能日趋完善，更加稳定；数 模混合的高阶分段线性恒流驱动芯片已经量产。

　　高PF和低THD高压线性恒流驱动芯片因其应用电路简 洁高效和应用成本低廉，将会成为室内平价LED光源和灯具 驱动电源首选之一。

　　高压线性恒流驱动芯片特别适合于工业自动化生产LED 光电合一的模块即“光电引擎”，大大提高生产效率，并有 效地节省人工。可以为新一代LED光源和灯具节省独立电源 的空间和有效降低制造成本。图8 为采用高压线性恒流驱动 芯片的光电引擎。

　　

　　图8采用高压线性恒流驱动芯片的光电引擎

　　另一方面，由于高导热塑料散热器、塑包铝散热器技 术日趋完善，性价比更好，铝塑散热器的成本比全金属散热器更低，绝缘性能更好，所以用光电引擎和塑包铝散热器组成的光源和灯具更加安全可靠。

　　6 小结

　　LED照明驱动技术的创新发展依赖于LED照明驱动电源 芯片的技术创新发展。LED照明驱动电源芯片设计技术正在 日新月异地快速发展，芯片系统结构、拓扑结构设计技术不 断创新，芯片内部算法技术的创新，芯片设计除去无用冗 余、精算芯片面积将有效控制芯片成本。隔离和非隔离开关 恒流驱动芯片设计由繁而简，今天廉价开关恒流芯片的涌 现，更显LED照明驱动芯片技术创新的重要！高压线性恒流 驱动芯片的兴起，更彰显可以创新更多LED照明驱动电源芯 片的设计方法！因此，LED照明驱动技术必然会因此百花齐。