LED專題
深度分析：LED 照明中LED驅(qū)動電源的 4 個發(fā)展方向
發(fā)布者：bosheng 日期：2016-01-15
由于傳統(tǒng)照明光源和燈具預(yù)留給LED驅(qū)動電源的空間十分狹小，因此LED照明光源和燈具的驅(qū)動電源必須做得十分小巧，驅(qū)動電源芯片要求性能高度集成，而且要求成本低廉；應(yīng)用電路要求更少的外圍器件，要求LED驅(qū)動電源的芯片 + 周邊零件的總數(shù)要求少于15個，甚至少于10個。
LED驅(qū)動電源主要模式
目前，室內(nèi)LED照明光源和燈具的驅(qū)動電源分開關(guān)恒流隔離和非隔離驅(qū)動、高壓線性恒流驅(qū)動等幾種模式，RC阻容降壓由于本身功耗較大和不安全、不恒流諸多不良因素已在淘汰之中。
R C阻容降壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，成本低廉；其缺點(diǎn)：電網(wǎng)兼容差，輸出電流偏小，本身功耗較大，不安全。開關(guān)LED恒流驅(qū)動電源的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，高效率，電網(wǎng)兼容強(qiáng)，方便功能拓展，升壓、降壓、升降壓應(yīng)用方便自由；其缺點(diǎn)：體積較大，生產(chǎn)較復(fù)雜，成本略高。高壓線性恒流驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，易自動化生產(chǎn)，無插件大量節(jié)省人工；其缺點(diǎn)：燈珠利用率略低，略有殘余工頻紋波。
LED驅(qū)動電源單級電源芯片要求內(nèi)置高壓MOS管，線電壓補(bǔ)償、源極驅(qū)動、過壓/過流/過溫保護(hù)、開路/短路保護(hù)等LED照明驅(qū)動電源必須的技術(shù)都要求被集成在單級芯片之中。
室內(nèi)LED照明光源和燈具的狹小空間注定驅(qū)動電源芯片采用單級芯片，這就要求驅(qū)動電源芯片的功能高度集成，電源的控制功能和各種保護(hù)功能盡可能的集成在芯片之中。
非隔離開關(guān)恒流LED驅(qū)動已成主流
由于薄型塑包鋁散熱器技術(shù)和HVLEDs技術(shù)的興起，解決了AC市電高壓經(jīng)電源變換點(diǎn)亮LED燈珠時內(nèi)部高壓電泄漏對人體的安全問題，塑包鋁散熱器簡單而輕松地解決了LED光源和燈具內(nèi)部高壓與外部隔離的技術(shù)難點(diǎn)，因此采用應(yīng)用線路簡潔的非隔離開關(guān)恒流LED驅(qū)動電源已經(jīng)成為通用平價(jià)LED照明光源和燈具的主流電源方案。非隔離開關(guān)恒流驅(qū)動電源芯片歷經(jīng)幾代的開發(fā)更新，其集成度更高，集成功能更多，應(yīng)用電路更簡潔，應(yīng)用成本更低，電源的性價(jià)比更有競爭力。
基于HVLEDs光源降低了發(fā)熱，塑包鋁散熱器簡單地解決了LED燈具內(nèi)的高低電壓隔離。驅(qū)動電源的選擇就以恒流精度、電源效率、功率因數(shù)的補(bǔ)償（PFC）為主考慮，隔離的開關(guān)恒流電源因使用變壓器而總體效率一般在70％～88%，功率因數(shù)補(bǔ)償小于0.9；非隔離的開關(guān)恒流電源恒流精度可達(dá)3％～5%，功率因數(shù)補(bǔ)償大于0.9，電源效率大于90%，因此成為L E D照明燈具的首選。非隔離的LED恒流驅(qū)動電源有非隔離的開關(guān)LED恒流電源和高壓線性恒流電源二種。
非隔離開關(guān)恒流驅(qū)動電源芯片的設(shè)計(jì)已經(jīng)高度集成化了，將LED驅(qū)動電源需要的功能，如寬電壓輸入高精度恒流輸出、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、LED短路和開路保護(hù)、C S電阻短路保護(hù)、芯片供電欠壓保護(hù)等必須的功能已集成在單級芯片之中，功率輸出的MOS管和恒流控制也都集成在一個芯片上了，應(yīng)用電路十分簡潔，周邊零件一般可控制在15個以下，也就是為終端客戶有效的控制材料成本和生產(chǎn)成本。
非隔離開關(guān)LED恒流驅(qū)動電源應(yīng)用方案簡潔，而且節(jié)省成本。如下圖所示的使用非隔離的開關(guān)恒流源芯片BP2831A設(shè)計(jì)的5W LED球泡燈電源，輸出DC80V、60mA，整個電路應(yīng)用的元器件連主芯片共計(jì)15個，電源效率在AC220V、滿載時達(dá)92%，電源可過EMC測試。該電源的PC B板的直徑可小至Φ18mm。
非隔離開關(guān)恒流驅(qū)動芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)一直在不斷創(chuàng)新和改良之中，一種芯片推出之后，馬上就針對存在的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，或增加新的功能，保持引腳不改變而推出下一代的升級芯片，其價(jià)格不升反降，因而不但增強(qiáng)老客戶凝聚力，還吸引新客戶。如下圖所示升級后的芯片應(yīng)用方案可取消原芯片應(yīng)用方案的紅線部分，有效節(jié)省應(yīng)用成本。
隔離開關(guān)恒流驅(qū)動芯片占市三分
隔離開關(guān)恒流驅(qū)動芯片還占有總體市場的三分之一。不少LED光源和燈具還在使用散熱性能良好的鋁合金散熱器，這就必須選用隔離的開關(guān)恒流驅(qū)動電源。
近年來，隔離的開關(guān)恒流LED驅(qū)動電源芯片技術(shù)在不斷發(fā)展之中，從BP的隔離的開關(guān)恒流驅(qū)動電源芯片發(fā)展歷程來看，功率因數(shù)PFC>0.5的芯片，經(jīng)歷了BP3102，到BP3122、BP3132，直到今天的應(yīng)用簡潔廉價(jià)版的BP9112；功率因數(shù)PFC>0.9的芯片，經(jīng)歷了BP3309，到B P3318、BP3319。B P的隔離開關(guān)恒流驅(qū)動芯片發(fā)展路徑如下圖所示。
隔離的開關(guān)LED恒流驅(qū)動電源芯片的技術(shù)改進(jìn)是從升級后的芯片應(yīng)用電路可去掉變壓器一個輔助繞組，及其附屬電路上的二極管、電阻開始的，如下圖所示。從而開創(chuàng)隔離的開關(guān)LED恒流驅(qū)動電源芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的革新，即原邊反饋、去掉輔助繞組技術(shù)，為其應(yīng)用電路有效節(jié)省成本。隨后，又改變芯片對變壓器要求的寬容度，改變芯片內(nèi)部算法設(shè)計(jì)，使其對變壓器的部分電參數(shù)不敏感，只關(guān)注匝數(shù)比，從而有效降低變壓器制造成本。啟用芯片內(nèi)快速啟動設(shè)計(jì)技術(shù)，以滿足應(yīng)用電路設(shè)計(jì)開燈即亮的要求。芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使新一代的芯片功能不斷增加，制造成本不斷下降。
廉價(jià)開關(guān)恒流驅(qū)動芯片涌現(xiàn)
一種應(yīng)用技術(shù)簡單可靠，應(yīng)用成本低廉，性能高度集成，只有三個腳SOT89-3或TO92封裝的隔離和非隔離應(yīng)用的廉價(jià)開關(guān)LED恒流驅(qū)動電源芯片今年大批涌現(xiàn)，可能會給競爭已經(jīng)十分激烈的廉價(jià)室內(nèi)L ED照明驅(qū)動電源市場帶來烈火。它有隔離的和非隔離的幾款典型產(chǎn)品。
KP1032TP是一個高度集成非隔離的Buck-Boost開關(guān)恒流（CC）控制LED照明電源驅(qū)動芯片，適用LED照明非隔離電路的應(yīng)用。KP1032TP內(nèi)部集成650V的MOSFET管；集成了高壓快速啟動/ IC自供電電路和一種新型變壓器消磁電路；集成欠壓鎖定(UVLO)、逐周期限流(OCP)、過溫保護(hù)(OTP)；LED開路/短路的保護(hù)；Buck-Boost拓?fù)渲С指咻敵鲭妷?；恒流精度?%；非常小的VDD工作電流；內(nèi)置AC線性恒流（CC）補(bǔ)償。
KP1031是一個高度集成隔離的PSR開關(guān)恒流（CC）控制LED照明電源驅(qū)動芯片，內(nèi)置650 V的MOSFET管、集成高壓快速啟動/IC自供電電路和一種新型變壓器消磁電路，消除了變壓器輔助繞組。在CC模式，集成電路使用PFM控制CC補(bǔ)償。通用的必須功能與KP1032雷同。
廉價(jià)開關(guān)恒流驅(qū)動芯片（見下圖）的涌現(xiàn)可使平價(jià)LED光源和燈具的電源生產(chǎn)成本降至RMB一元或一元以下。廉價(jià)開關(guān)LED恒流驅(qū)動電源的周邊元器件少于10個，生產(chǎn)成本甚至比傳統(tǒng)的阻容降壓電源還低，有利于全面淘汰不安全也不恒流的阻容降壓電源。
線性恒流驅(qū)動技術(shù)日趨完善
LED照明燈具的LED驅(qū)動電源追求高PF（PowerFactor功率因素）和低THD（Total Harmonic Distortion，總諧波失真）既是客戶的希望也是電力系統(tǒng)的要求。能源之星和國際電信委員會（ICE）規(guī)范LED驅(qū)動芯片必須具備高功率因素校正（PFC）功能，以確保LED燈具的轉(zhuǎn)換效率和燈具壽命。
LED光源和燈具的電源引入高壓線性恒流驅(qū)動新一代電源技術(shù)，無電源的開關(guān)變換頻率，因而也就無本身的開關(guān)頻率殘余，紋波也將大大降低；應(yīng)用電路無變壓器等磁性器件和電解電容器，線性電源的P F因此提高，THD因此下降。
高壓線性LED恒流驅(qū)動電源芯片大多數(shù)是采用分段點(diǎn)亮的技術(shù)來驅(qū)動H V L E D發(fā)光。目前分段的方法有1段、3段、4段、6段等數(shù)種，分段越多，電源工作效率越高，但是連接到H V L E D的控制線也增加，如分成N段，控制線則N+1，分段過多電源效率提高并不明顯，但應(yīng)用線路略顯復(fù)雜，這是LED燈具設(shè)計(jì)師所不希望的。比較適合光電一體化模塊應(yīng)用的是1段、3段、4段的分段驅(qū)動。1段內(nèi)置一個M O S的驅(qū)動，雖然電源效率較差，但能滿足蠟燭燈的特小空間的需要；3段和4段驅(qū)動內(nèi)置3～4個MO S F ET是目前優(yōu)選的恒流驅(qū)動方法，兼顧電源效率、P F和T H D，應(yīng)用方案比較簡潔，應(yīng)用成本較低。內(nèi)置M O S F E T的線性恒流驅(qū)動芯片特別適合于一體化光電模塊的應(yīng)用，其應(yīng)用電路零件少，有利于H V L E D的配光分布設(shè)計(jì)。如三段高壓線性恒流驅(qū)動電路十分簡潔，周邊元器件很少，因此可以將驅(qū)動電源與HVLEDs光源設(shè)計(jì)在同一塊鋁基板或陶瓷基板上。下圖為三段高壓線性LED恒流驅(qū)動電源芯片應(yīng)用圖。
高壓線性LED恒流驅(qū)動電源目前的輸入電壓范圍較窄，只能適合定壓輸入，它的脈動直流輸出還有寄生的工頻及其倍頻的殘余，導(dǎo)致其制成LED照明燈后還有些許頻閃。這些問題造成業(yè)內(nèi)對光引擎使用環(huán)境受限較多、應(yīng)用范圍窄的誤解。高壓線性LED恒流驅(qū)動電源芯片是一種定電壓輸入的驅(qū)動電源芯片，從最初對輸入電源的±10%的寬容度到現(xiàn)在的±20%，即AC220V的可從AC180-260V，基本滿足不少使用地區(qū)電網(wǎng)波動的要求；而面對頻閃問題，我們需要制定LED照明燈的頻閃評估共識，例如日光燈、筒燈使用時離開受眾均在50c m以上，那么在50cm以外沒有頻閃就可被認(rèn)定為合格產(chǎn)品?？v然如此，光電引擎都還需要在電源芯片設(shè)計(jì)上作進(jìn)一步改進(jìn)和技術(shù)提升。
高壓線性驅(qū)動芯片經(jīng)過幾代的改進(jìn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)從當(dāng)初的模擬電路芯片走向數(shù)?；旌想娐沸酒⑾驍?shù)字電路芯片發(fā)展，因此高壓線性驅(qū)動芯片的性能日趨完善，更加穩(wěn)定；數(shù)?；旌系母唠A分段線性恒流驅(qū)動芯片已經(jīng)量產(chǎn)。
高PF和低THD高壓線性恒流驅(qū)動芯片因其應(yīng)用電路簡潔高效和應(yīng)用成本低廉，將會成為室內(nèi)平價(jià)LED光源和燈具驅(qū)動電源首選之一。
高壓線性LED恒流驅(qū)動電源芯片特別適合于工業(yè)自動化生產(chǎn)LED光電合一的模塊即“光電引擎”，大大提高生產(chǎn)效率和有效地節(jié)省人工?？梢詾樾乱淮鶯ED光源和燈具節(jié)省獨(dú)立電源的空間和有效降低制造成本。下圖為采用高壓線性LED恒流驅(qū)動芯片的光電引擎。
另一方面，由于高導(dǎo)熱塑料散熱器、塑包鋁散熱器技術(shù)日趨完善，性價(jià)比更好，鋁塑散熱器的成本比全金屬散熱器更低，絕緣性能更好，所以用光電引擎和塑包鋁散熱器組成的光源和燈具更加安全可靠。
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