創(chuàng)新LED恒流源驅(qū)動芯片的算法設計

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2015-01-04

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 為LED照明恒流驅(qū)動電源專門設計的芯片，行業(yè)資訊，國際資訊，已經(jīng)大批量生產(chǎn)和被應用。這些芯片高度集成LED照明恒流電源所需要的各種功能，使得芯片應用時外圍控制電路不斷簡化，主級側(cè)恒流技術(shù)(PSR)已經(jīng)趨向成熟；芯片的恒流精度不斷提高，建筑照明，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；LED照明專用單級多功能控制芯片的出現(xiàn)和技術(shù)成熟，使得電源的體積和成本的進一步下降，室外照明，更加適應用空間狹小的照明燈具。

LED照明驅(qū)動電源芯片設計過程簡單描述

       目前LED照明用的驅(qū)動電源芯片，大多數(shù)是模擬技術(shù)設計的，但也有數(shù)字技術(shù)設計的。

       電源用模擬集成電路的設計工作包括：拓撲結(jié)構(gòu)設計、算法設計、邏輯設計、電路設計、版圖設計等，涉及內(nèi)容廣泛、工作量繁瑣，必須使用電腦軟硬件工具才能科學的加快設計周期。

       模擬集成電路電源芯片從芯片設計--版圖設計--流片過程的簡單描述如圖1所示。

圖1 模擬電源芯片設計過程簡單描述

       拓撲結(jié)構(gòu)設計是按該芯片開發(fā)的定義而設定的， 其余都是為實現(xiàn)這一目的而服務的。拓撲結(jié)構(gòu)的設計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，行業(yè)資訊，AC/DC LED驅(qū)動芯片用得最多的拓撲就是Fly-back(隔離) 、Buck-Boost、Buck(非隔離)；“控制方式”有電壓型、電流型；“工作模式”有CCM(連續(xù)模式) 、DCM(斷續(xù)模式) 、BCM/CRM(臨界模式) 、PFM(脈寬調(diào)制)等等。

       模擬電源芯片的“算法設計”屬于芯片系統(tǒng)設計中的一部分。在系統(tǒng)定義中最核心的部分也就是實現(xiàn)此算法。當然也包括其他特別的功能和基本功能。

算法設計創(chuàng)新是新一代芯片的關鍵技術(shù)之一

       目前大多數(shù)LED照明燈具的驅(qū)動電源在生產(chǎn)中對其使用的變壓器、電感器的電參數(shù)的要求十分高，為求精準需花費大量的人力和財力才能實現(xiàn)，工業(yè)化生產(chǎn)成本很難進一步下降。按驅(qū)動電源芯片的Data Sheet提供的變壓器標準算法制造變壓器，工程照明，往往在實際電路應用中不能令人方便而滿意地使用，變壓器的繞制工藝需要產(chǎn)品工程師在試制中反復摸索， 繞制的匝數(shù)的增減微調(diào)、銅線的拉緊程度、排線的序列與方法、鐵心的材質(zhì)等等都會影響變壓器的電氣性能，由此耗費研發(fā)人工和對材料的苛求，質(zhì)量，使得必須要用的變壓器和電感器的造價增加不少。

       能否通過對LED驅(qū)動恒流源芯片設計技術(shù)的創(chuàng)新去突破和改變是我們所要思考的，新的解決方案可以在LED燈具驅(qū)動電源實際生產(chǎn)應用時，輸出電流對變壓器和電感器的電感量和LED的VF等參數(shù)不太敏感。

       一反傳統(tǒng)的或經(jīng)典的芯片算法設計思維，從新的視角去優(yōu)化芯片算法設計是創(chuàng)新技術(shù)的關鍵。圖2展示以BP310X系列為例的設計新思路，一種主級側(cè)恒流控制的新的原理，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，芯片控制輸出電流峰值，通過輔助繞組反饋，使得退磁時間和芯片開關周期的比例固定，超市照明，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，廠房照明，芯片控制Toff時間占整個周期的一半，LED照明工程，這樣平均電流Iout就是Ils_pk的四分之一，這電流表達式就是：

Iout=IP_PK/4 × NP/NS

       在這個表示式里，電流與電感量無關。同時Ip_pk由芯片基準源決定，可以達到1%，匝比也是固定的，匝比精度較高，所以輸出電流精度較高。

       LED的VF值的偏差和變壓器的電感偏差正是批量生產(chǎn)面臨的最大的問題。通常來說，LED-T5一體化燈管，批量生產(chǎn)的變壓器電感量和LED的VF都會有5-10%左右的偏差。而BP310X系列的LED照明恒流驅(qū)動電源芯片采用此新的算法設計，使得大批量生產(chǎn)的芯片恒流精度可以達到3%以內(nèi)，可以對變壓器和電感器的電參數(shù)有較大的允差，大功率led照明，大大方便大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的成本和流水線的持續(xù)快速生產(chǎn)，真正實現(xiàn)對變壓器、電感器的電參數(shù)不敏感。

       創(chuàng)新優(yōu)化芯片算法使LED驅(qū)動電源輸出電流精度對外圍的變壓器、電感器等電參數(shù)不敏感，有效降低電感器、變壓器和LED整燈的制造成本。

圖2 BP31XX系列主級側(cè)恒流控制的一種新的原理

       創(chuàng)新優(yōu)化芯片算法是電源芯片設計公司面對LED驅(qū)動電源輸出電流精度對外圍的變壓器、電感器等很難匹配之后，先后找到的從芯片端解決的方案。算法設計各有技巧，方法各有千秋，但達到的目的是同一的。表1是部分隔離LED電源驅(qū)動芯片的性能參數(shù)比較表(第三方提供，僅供參考) 。由此可見，新出品的LED照明專用電源驅(qū)動芯片不少已采用此新技術(shù)。

       表1：

創(chuàng)新優(yōu)化算法電源芯片使應用簡潔

       BP310X采用此創(chuàng)新優(yōu)化芯片算法，使得應用電路十分簡約，LED照明工程，周邊需要的零件很少，室外照明，符合低成本、工業(yè)化生產(chǎn)的理念。圖3是典型應用電路，采用主級側(cè)恒流技術(shù)后，次級的反饋電路不再成為電源體積和成本上的障礙，這樣對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，對于球泡燈內(nèi)部60-90ºC的應用環(huán)境溫度來說，可靠性的問題更成為生產(chǎn)廠商和客戶關注的焦點。主級側(cè)恒流技術(shù)的成熟，特別是創(chuàng)新的驅(qū)動電源芯片算法設計新技術(shù)，恒光，使得應用電路對變壓器和電感器的某些難以質(zhì)控的參數(shù)變得不敏感，對于LED照明電源和燈具廠商來說，既可方便提高產(chǎn)品性能，又可降低成本，是一雙贏的選擇。