创新LED恒流源驱动芯片的算法设计

千百年来，照明灯具从烛灯、白炽灯、荧光灯，走向节能、省电、高效、环保、长寿命的LED照明灯具。

2011年是LED照明行业高速发展的一年，因世界各国政府大力推动促使其蓬勃发展。当今世界平均每年需用照明灯具120亿个，也是消耗量最大的电器产品。

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，促使其成本快速下降，2011年岁末到2012年Q2估计降幅高达30%~50%；日本震后核电问题，促进了震后重建市场对LED灯具的需求。

目前，各国政府加大淘汰白炽灯的力度，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。2011年8月 初，国家发改委颁布《中国逐步淘汰白炽灯路线图（征求意见稿）》，《路线图》明确，从2012年10月1日起，禁止销售100瓦及以上普通照明用白炽 灯；2014年10月1日起，禁止销售60瓦及以上普通照明用白炽灯；2016年10月1日起，禁止销售和进口15瓦及以上普通照明用白炽灯。这给予了 LED照明一个巨大的发展机会。伴随着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照明进入千家万户的距离又迈进一步。

为LED照明恒流驱动电源专门设计的芯片，已经大批量生产和被应用。这些芯片高度集成LED照明恒流电源所需要的各种功能，使得芯片应用时外围控制 电路不断简化，主级侧恒流技术（PSR）已经趋向成熟；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；LED照 明专用单级多功能控制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，更加适用于应用空间狭小的照明灯具。

1 LED照明驱动电源芯片设计过程简单描述

目前，LED照明用的驱动电源芯片，大多数是模拟技术设计的，但也有数字技术设计电源芯片。

电源用模拟集成电路的设计工作包括：拓扑结构设计、算法设计、逻辑设计、电路设计、版图设计等，涉及内容广泛、工作量繁琐，必须使用电脑软硬件工具才能科学的加快设计周期。

模拟集成电路电源芯片从芯片设计——版图设计——流片过程的简单描述如图1所示。

拓扑结构设计是按该芯片开发的定义而设定的，其余都是为实现这一目的而服务的。拓扑结构的设计技术已经比较成熟，AC/DC LED驱动芯片用得最多的拓扑是Fly-back（隔离）、Buck-Boost、Buck（非隔离）；“控制方式”有电压型、电流型；“工作模式”有 CCM（连续模式）、DCM（断续模式）、BCM/CRM（临界模式）、PFM(脉宽调制)等。

模拟电源芯片的“算法设计”属于芯片系统设计中的一部分。在系统定义中最核心的部分也就是实现此算法。当然也包括其它特别的功能和基本功能。

2 算法设计创新是新一代芯片的关键技术之一

目前，大多数LED照明灯具 的驱动电源在生产中对其使用的变压器、电感器的电参数的要求非常高，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。按驱动电源 芯片的Data Sheet提供的变压器标准算法制造变压器，往往在实际电路应用中不能令人方便而满意的使用，变压器的绕制工艺需要产品工程师在试制中反复摸索，绕制的匝 数的增减微调、铜线的拉紧程度、排线的序列与方法、铁心的材质等都会影响变压器的电气性能，由此耗费研发人工和对材料的苛求，使得变压器和电感器的造价大幅增加。

能否通过对LED驱动恒流源芯片设计技术的创新去突破和改变是我们所要思考的，新的解决方案可以在LED灯具驱动电源实际生产应用时，输出电流对变压器和电感器的电感量和LED的VF等参数不太敏感。

一反传统的或经典的芯片算法设计思维，从新的视角去优化芯片算法设计是创新技术的关键。图2以BP310X系列为例的设计新思路，一种主级侧恒流控 制的新的原理，从图2中可知，芯片控制输出电流峰值，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，芯片控制Toff时间占整个周期的一半，这样平均电流Iout就是Ils_pk的四分之一，电流表达式为：

Iout=IP_PK/4×NP/NS

在这个表示式里，电流与电感量无关。同时Ip_pk由芯片基准源决定，可以达到1%，匝比也是固定的，匝比精度较高，所以输出电流精度较高。

LED的VF值的偏差和变压器的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BP310X系列的LED照明恒流驱动电源芯片采用此算法设计，使大批量生产的芯片恒流精度达到3%以内，可以对变压器和电感器的电参数有较大的 允差，大大方便大规模工业化生产的成本和流水线的持续快速生产，真正实现对变压器、电感器的电参数不敏感。

创新优化芯片算法使LED驱动电源输出电流精度对外围的变压器、电感器等电参数不敏感，有效降低电感器、变压器和LED整灯的制造成本。

创新优化芯片算法是电源芯片设计公司面对LED驱动电源输出电流精度对外围的变压器、电感器等很难匹配之后，找到从芯片端解决的方案。下表是部分隔离LED电源驱动芯片的性能参数比较表（第三方提供，仅供参考）。

3 创新优化算法电源芯片使应用简洁

BP310X采用此创新优化芯片算法，使应用电路十分简约，图3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上的障碍，这样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算法设计新技术，使得应用电路对变压器和电感器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，既可方便提高产品性能，又可降低成本，是双赢的选择。

电路周边零件器件虽少，但电源电路设计者对有限的器件要选用高品质的，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℃10000h的长寿命产品，以适应长期在高温环境下工作。