BP2808的LED照明灯具电源应用设计技术

摘要:本文从技术和市场经济的角度对BP2808用于LED照明灯具电源设计技术进行了分析,详细论述BP2808用于非隔离灯具电源设计的方案、工作原理和关键技术。

关键词:恒流补偿;源极驱动;馈流供电;Toff时间设定;LED光源阵列

LED光源作为第四代新型节能光源自诞生之时即被用来做各类灯具的发光光源。作为光源的白炽灯其发光效率只有百分之五,而LED光源的发光效率几乎接近百分之八十。LED照明以其高节能、长寿命、利环保的特点成为大家广为关注的焦点。这几年高亮度的LED光源因其制造技术突飞猛进,而其生产成本又节节下降,如今使用LED光源作为高亮度、高效率而又省电、无碳排放的节能照明光源已成为全球的海量需求,一个以制造LED照明灯具的新兴行业正在崛起,产业链正在日益完善,技术正在日日更新。

1BP2808基本工作原理

BP2808 是专门驱动LED光源的恒流控制芯片。BP2808 工作在连续电流模式的降压系统中,芯片通过控制LED光源的峰值电流和纹波电流,从而实现LED光源平均电流的恒定。芯片使用非常少的外部元器件就实现了恒流控制、模拟调光和PWM 调光等功能。系统应用电压范围从12 VDC 到600 VDC,占空比最大可达100%;适用于交流85 V-265 V 宽电压输入,主要应用于非隔离的LED灯具电源驱动系统。BP2808采用专利技术的源极驱动和恒流补偿技术,使得驱动LED光源的电流恒定,从交流85 V - 265 V 范围内变化小于±3%。结合BP2808专利技术的驱动系统应用电路,使得18 W的LED日光灯实用方案,在交流85 V - 265 V 范围内系统效率高于90%。在交流85 V - 265 V输入范围内,BP2808 可以驱动从3 W到36 W的LED光源阵列,因此广泛应用于E14 /E27 / PAR30 / PAR38 / GU10 等灯杯和LED日光灯。

BP2808具有多重LED保护功能包括LED开路保护、LED短路保护、过温保护。一旦系统故障出现的时候,电源系统自动进入保护状态,直到故障解除,系统再自动重新进入正常工作模式。复用DIM引脚可进行LED模拟调光、PWM调光和灯具系统动态温度保护。BP2808采用SOP8封装。

2LED日光灯应用典型方案设计

LED日光灯的LED光源灯条电源驱动方案有很多种,目前非隔离方案因其效率高、体积小、成本低而占主流,而用PWM LED驱动控制器来做LED日光灯驱动电源的又占绝大多数。事实上传统的荧光日光灯都是非隔离方案。

以AC176V - 264V全电压输入为例,采用BP2808为主芯片来设计负载为小功率多颗LED光源多串、多并的LED日光灯时,整个系统方案的设计方框图如图1所示。

全电路由抗浪涌/雷击保护、EMI滤波、全桥整流、无源功率因素校正(PPFC)、启动电压(包括前馈补偿、开机后的馈流供电、驱动变软)、恒流补偿、PWM控制、源极驱动、LED光源阵列,以及采样电阻、Toff时间设定、储能电感、续流二极管等各部分组成。

LED光源阵列设计为0.06 W白光LED(SMT或草帽灯) 24个串联、12串并联的方案,驱动288个小功率WLED,总功率18 W。

18W LED日光灯系统主要参数设定如下:

电源主要参数:

输入电压:Vin = 176 V - 264 V

工作频率: Fin = 50 Hz

单个LED电压: Vled = 3.2 V

单个LED电流: Iled = 20 mA

(实际应用一般选择16-19 mA)

系统效率: η = 90%

功率因数: PFC = 0.9

电感电流纹波系数: ΔIL= 65%

相关参数计算及设定:

输出电压:Vout = 24 s × 3.2 V = 76.8 V

输出电流:Iout = 12p × 20 mA = 240 mA

输出功率:Pout = 76.8 × 240 = 18.4 W

电感峰值电流:ILpk = 240 + (240 × 65%)

= 396 mA

电感纹波电流:ILrp = 2 × (396 - 240)

= 312 mA

关断时间:Toff = 10.8 uS

按此数据思考,全电压18 W LED日光灯开关恒流源的设计电路如图2所示,其各部分的功能如红字所标注。图中抗雷击和EMI滤波组成EMC电路,馈流供电是利用已经做在芯片内部的整流二极管来实现的。

从AC 220 V看进去,交流市电入口接有1 A保险丝F1和抗浪涌/雷击的压敏电阻Vz1;之后是EMI滤波器,由Ld1、Lc1和Cx1、Cx2组成;DB1是全桥整流器,内部是4个高压硅二极管;CE1、CE2、R10、D2～D4组成无源功率因数校正电路;BP2808芯片由R15、R16启动电阻降压经R17、C3前馈补偿,并由Dz1、C2、R18与BP2808内部电路组成专利的恒流补偿电路稳压后给BP2808控制电路供电,系统启动后由于控制电路本身静态电流小,以及芯片内部存在从OUT到VCC的馈流二极管可向BP2808提供工作电源,此时电阻R15-17上通过的电流将大大降低,因而总的系统功耗也大大降低,系统效率得到明显提高。专利的源极驱动电路由MOS管Q1、D6、Rg、Rt 、Rcs与BP2808内部电路组成,其显著特点是有效降低功耗、提高恒流精度。源极驱动方式的驱动电路使系统消耗电流减少,尤其是减少了传统的高压差供电通路中类似R15-17上的电流,从而降低了功耗,提高了效率。D6、Rg可使开关开通驱动变软,关断驱动保持较强,既改善EMI,又尽量不牺牲效率。与LED光源并联的输出滤波电容C0用以减少LED光源上的电流纹波。

BP2808的CS端采集电流采样电阻Rs1～Rs2上的峰值电流,由内部逻辑在单周期内控制OUT脚信号的脉冲占空比进行恒流控制,输出恒流与D5、LM1的续流电路合并向LED光源恒流供电。LED光源阵列组合改变时,电阻Rs1～Rs2的阻值也要随之改变,使整个电路的输出电流满足LED光源阵列组合的要求。

PCB板的排列是做好产品的关键,因此PCB板的走线要按电力电子安全规范要求来设计。本电路可通用于T10、T8日光灯管,因两管空间大小不同,二块PCB板的宽度将不同,要降低所有零件的高度,以便放入T10、T8灯管。图3是T10恒流源板的实物照片,30个元件安装0.8 mm厚的环氧单面印制板上。

如是设计AC85 V - 264 V全电压输入,又要考虑PFC,可将LED光源阵列设计成0.06 W白光LED 12个串联、24串并联方案。

BP2808做LED日光灯电源驱动电源设计时,建议输出电压< 100 VDC、电流< 600 mA。

目前可使用的LED日光灯驱动IC有好几种,其性能参数都有差异,现列表1供设计选型参考。从中可见BP2808的固定Toff工作模式、100%占空比、芯片工作电流仅0.2 mA、效率达92%、恒流补偿和使用独特的源极驱动模式等特性,使其具有适用于LED照明灯具的明显优势。

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3BP2808的关键技术

恒流补偿与源极驱动二个专利应用电路使BP2808应用更显方便和更具特色。从图4可见,BP2808 GND与LN的内部电路与R3、C3、R4、Dz1、C2组成恒流补偿的专利应用电路;BP2808 Vcc、CS与OUT的内部电路与Q1、D6、Rg、Rt、Rcs组成源极驱动的专利应用电路。

图5是源极驱动控制电原理路,从中可见BP2808内部的低压开关MOS管(700 mA)漏极连接到外部功率开关MOS管Q1的源极,而其源极连接到采样电阻RCS的一端以及第一比较器的输入端,其栅极连接到RS触发器的输出端。外部功率开关MOS管Q1的漏极输出电流经储能电感直接驱动LED光源。芯片内的Do是馈流二极管,在BP2808启动工作后,从OUT到VCC的馈流经Do整流向BP2808提供工作电源。

采用源极驱动,可以有效减少驱动电路电流消耗、降低功耗、提高效率;传统的高压差供电通路中为了将整流后的直流高压降至PWM芯片所需要的低压工作电压,采用低阻大功率电阻降压,器件发烫,自耗功率很大。

4隔离与非隔离的

多种LED灯具驱动设计应用

BP2808还可应用于设计隔离与非隔离的球泡灯、PAR灯、筒灯、嵌灯、庭院灯、防爆灯、洗墙灯、台灯、工作灯、可控硅调光灯等LED光源灯具的驱动电源。非隔离的灯具其设计原理可延用前述LED日光灯应用典型方案设计思路,改变LED光源阵列的排列,可以变换成各款不同、形形式式的LED灯具,针对各种LED灯具对驱动电源的不同要求,可以改变电源的输出特性设计来满足各不相同的需求。如可控硅调光控制就可在应用电路上动脑筋,增加在切相电源中提取导通角信息线路,并根据该信号来控制LED光源的驱动电流,以得到调光的效果。

使用BP2808的LED日光灯已进入2010年上海世博会的“沪上・生态家”、上海地铁2号线江苏路站厅和马来西亚皇宫的照明系统。BP2808用于AC/DC的PAR灯、球泡灯等LED灯具的可控硅调光隔离和非隔离方案也已成熟,其可用于生产的应用电路、PCB板图、BOM,都已在客户处得到应用。

5 小结

BP2808的固定Toff工作模式、100%占空比、芯片工作电流减至0.2 mA、效率达92%、恒流精度提高,使其更适用于LED照明灯具的驱动电源的应用。

BP2808在继承和吸收国内外同类产品的优点之外,采用了创新的拓扑结构,芯片设计上有重大的改进,性能更趋完善,特别是恒流补偿与源极驱动二个专利应用电路使BP2808应用更加便捷、有效、节能。BP2808自推出以来广受国内外客户的信赖。从某种意义上说,包括上海晶丰明源半导体有限公司在内的一些国内芯片设计已经不再盲目“抄袭”国外芯片,而是在自主研发和不断创新,走“超越”国外芯片的道路。

参考文献

[1] BP2808 Datasheet

[2] 恒流补偿技术专利. 专利号:2009200737968.

[3]源级驱动结构和馈电技术专利.专利号:2009200737953

[4] 颜重光. 基于PT4107的LED日光灯设计技术. 2009.7

[5] 颜重光. LED灯具驱动技术发展趋势分析. 高工LED. 2010.2

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