论文部分内容阅读
摘 要：从市场角度和技术方面对BP2808在LED灯具应用方面进行了分析。在基于BP2808小功率LED照明应用的基础上，详细介绍了其用于大功率LED非隔离灯具电源设计的方案、工作原理和关键技术。
关键词：大功率LED 恒流驱动 反馈电压 源极驱动 恒流补偿
中图分类号：TM2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-018-02
1 引言
在环境和能源问题日益严重的今天，高效、节能和环保的呼声日显强烈。随着大功率白光LED的出现和其在通用照明市场应用的提出，LED寿命长、显色性好、节能高效、无毒环保等优点越来越受到人们的重视。近几年来由于生产设备的提高和生产工艺的改进，大功率LED的发光效率迅速提升，大功率白光LED被业界认为21世纪最有前景的光源，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、气体灯之后新的照明革命。自2008年LED产品应用于国家重点工程拉开序幕，水立方、鸟巢两座LED建筑照明里程碑顺利落成，再到2010年上海世博会上LED新产品的成功展出，已预示着一个以LED照明产业链正在日益兴起。
2 BP2808的基本原理
BP2808是一款专门驱动LED光源的恒流控制芯片，采用SOP8封装，其引脚以及对应的功能如表1所示。
BP2808工作在连续电流模式下，通过控制峰值电流和纹波电流来实现LED的平均电流恒定。连接在RT的电阻设定MOSFET的开通和关断时间，每个周期中，MOSFET打开直到电感电流上升到峰值Ip=VRET/RCS（MA），这时MOSFET关断，关断时间由设定电阻R决定，过了设定的关断时间。关断时间的长短就决定了纹波电流的大小，对于LED恒定的串联系统，如果电感确定则电流平均值也就确定了。理论上电流源不会随输入电压的变化而变化的，由于系统延时的存在，实际的峰值电流会随着输入电压的升高而升高，BP2808采用独特的方法，通过管脚LN检测输入电压，在输入电压升高时生成较低CS的阀值电压，以保证系统能在很宽的电压范围内实现恒流。
BP2808还采用独特的源极驱动方式驱动功率MOSFET，因此芯片的工作电流非常低，同时能够利用馈电二极管馈电技术，将开关损耗的电能输送给芯片供电，这样大大提高了系统的工作效率（详见图1）。
系统应用电压范围从12VDC到600VDC，占空比最大可达100%，支持交流85V-265V输入，主要应用于非隔离的LED驱动系统。而且，BP2808采用专利技术的驱动结构，使得系统在18W日光灯方案中效率高于90%。在交流85V-265V范围内，BP2808可以驱动从3W到36W的LED阵列，能广泛用于E14/E24/PAR30 /PAR38/GU1O燈杯和LED日光灯。
3 驱动电路设计
为替代传统T8管普通荧光粉日光灯，本文设计了一款18W的LED照明方案。因为小功率LED方案中，灯珠数目多，生产加工难度大，故障率高，且发光效率不及大功率LED，故本方案采用大功率灯珠为驱动负载，具体的相关参数设计如下所述：
输入电压：Vin=176V～265V；输入频率：f=50Hz；LED电压：VLED=3.2V；LED电流：ILED=300mA；
系统效率：=90%；功率因数： PF=0.9；电感电流文波系数：K=65%；输出电压：Vout=57.6V；输出电流：Iout=300mA；电感峰值电流：ILPK=495mA；电感文波电流：ILrP=390mA；输出功率：Pout=17.28W。本文设计的18W大功率LED日光灯方案原理图如图1所示。
该方案适应市电220V交流输入，并且能满足电压在175-265V波动情况下稳定工作。整流前级由慢断保险丝、负压敏电阻、EMI滤波器构成，使得电路具有过流保护、抗浪涌/雷击、EMI抑制功能。芯片的供电回路由R7、R8、R6、DZ1构成。由D5、D6、D7和CE1、CE2构成逐流式无源功率因数校正电路可以实现串联充电和并联放电的工作模式，有效的减小了滤波电容上的电压应力同时也减小了电容的体积和提高了电源的功率密度；通过高精度电阻R4、R5可以方便的设定输出电流峰值，以保证本方案中高功率LED对大电流的需求，同时作为采样电压反馈。一旦流过负载LED的电流发生波动，采样电阻上的反馈电压也会相应改变，通过与内部精准的500mV电压源相比较从而相应地改变MOSFET的开关频率，因此可以实现很高的恒流精度。
下面介绍元器件的具体选型方法：
(1)保险管
由额定电流的经验计算公式：
(1)
考虑到电路中存在浪涌电流和峰值电流大于额定电路的实际情况，这里选用500mA的慢断保险丝。参考选型为：VDE 500ma 5.5mm*15mm
(2)滤波电容的选择
为保证滤波电容不会饱和，电容量预留25%的余量，由电容计算公式：
(2)
Vo_max取18€?.6=64.8V,Dmax=0.8，Vin_min取176V，min=90%，fin_min=50Hz
电容耐压计算方法为：
(3)
由于本设计采用并联放电的方式，所以此处电容选型为22 f/250V的电解电容。
(3)主电感的选择
电感量大经验计算公式：
(4)
绕线线径选型依据：
(5)
考虑到工字形磁路开环，抗干扰问题比较难解决，这里选择EE13磁芯，电感量2.5mH，线径01.9mm。
(4)开关管的选择
耐压值的计算：
(6)
管中有效电流值的计算：
(7)
考虑到余量的保留，此处选择IPAK封装的2N60型MOSFET。
(5)采样电阻的设计
(8)
此处的采样电压Vret为250mV。为保证输出电流的精度，电阻选用精度系数1%的两个1电阻并联。
4 测试结果
鉴于现有的实验条件，本驱动方案在市电220 V/50HZ条件下对其功率因数、功率和系统效率进行了测试。实际发光效果和测试结果如图2、图3所示。
由此可知系统的效率为：
（10）
其实际效果图和测试结果图分别如图2和图3所示：
5 结论
LED进驻通用照明市场，更高的发光效率和光通量是市场的需求，集成化、模块化的高功率LED将是其在灯具应用上必然的发展趋势，这也就对其驱动电源提出了更高的要求。实验证明本方案提出的大功率LED驱动方案输出电流大，恒流精度、功率因数和系统效率均很高，完全满足美国能源之星SSL VER1.0提出的关于民用和商用照明设备的要求。
（基金项目：湘潭大学创新性实验计划项目（LED恒流驱动电源研究））
参考文献：
[1] 周至敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2006.
[2] 毛兴武,等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[3] 廖志凌,阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报,2006,21(9):106-111.
[4] 刘虹,沈天行.LED进入照明的预测及照明节电分析[J].照明工程学报,2005,16(3):19-22.
关键词：大功率LED 恒流驱动 反馈电压 源极驱动 恒流补偿
中图分类号：TM2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-018-02
1 引言
在环境和能源问题日益严重的今天，高效、节能和环保的呼声日显强烈。随着大功率白光LED的出现和其在通用照明市场应用的提出，LED寿命长、显色性好、节能高效、无毒环保等优点越来越受到人们的重视。近几年来由于生产设备的提高和生产工艺的改进，大功率LED的发光效率迅速提升，大功率白光LED被业界认为21世纪最有前景的光源，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、气体灯之后新的照明革命。自2008年LED产品应用于国家重点工程拉开序幕，水立方、鸟巢两座LED建筑照明里程碑顺利落成，再到2010年上海世博会上LED新产品的成功展出，已预示着一个以LED照明产业链正在日益兴起。
2 BP2808的基本原理
BP2808是一款专门驱动LED光源的恒流控制芯片，采用SOP8封装，其引脚以及对应的功能如表1所示。
BP2808工作在连续电流模式下，通过控制峰值电流和纹波电流来实现LED的平均电流恒定。连接在RT的电阻设定MOSFET的开通和关断时间，每个周期中，MOSFET打开直到电感电流上升到峰值Ip=VRET/RCS（MA），这时MOSFET关断，关断时间由设定电阻R决定，过了设定的关断时间。关断时间的长短就决定了纹波电流的大小，对于LED恒定的串联系统，如果电感确定则电流平均值也就确定了。理论上电流源不会随输入电压的变化而变化的，由于系统延时的存在，实际的峰值电流会随着输入电压的升高而升高，BP2808采用独特的方法，通过管脚LN检测输入电压，在输入电压升高时生成较低CS的阀值电压，以保证系统能在很宽的电压范围内实现恒流。
BP2808还采用独特的源极驱动方式驱动功率MOSFET，因此芯片的工作电流非常低，同时能够利用馈电二极管馈电技术，将开关损耗的电能输送给芯片供电，这样大大提高了系统的工作效率（详见图1）。
系统应用电压范围从12VDC到600VDC，占空比最大可达100%，支持交流85V-265V输入，主要应用于非隔离的LED驱动系统。而且，BP2808采用专利技术的驱动结构，使得系统在18W日光灯方案中效率高于90%。在交流85V-265V范围内，BP2808可以驱动从3W到36W的LED阵列，能广泛用于E14/E24/PAR30 /PAR38/GU1O燈杯和LED日光灯。
3 驱动电路设计
为替代传统T8管普通荧光粉日光灯，本文设计了一款18W的LED照明方案。因为小功率LED方案中，灯珠数目多，生产加工难度大，故障率高，且发光效率不及大功率LED，故本方案采用大功率灯珠为驱动负载，具体的相关参数设计如下所述：
输入电压：Vin=176V～265V；输入频率：f=50Hz；LED电压：VLED=3.2V；LED电流：ILED=300mA；
系统效率：=90%；功率因数： PF=0.9；电感电流文波系数：K=65%；输出电压：Vout=57.6V；输出电流：Iout=300mA；电感峰值电流：ILPK=495mA；电感文波电流：ILrP=390mA；输出功率：Pout=17.28W。本文设计的18W大功率LED日光灯方案原理图如图1所示。
该方案适应市电220V交流输入，并且能满足电压在175-265V波动情况下稳定工作。整流前级由慢断保险丝、负压敏电阻、EMI滤波器构成，使得电路具有过流保护、抗浪涌/雷击、EMI抑制功能。芯片的供电回路由R7、R8、R6、DZ1构成。由D5、D6、D7和CE1、CE2构成逐流式无源功率因数校正电路可以实现串联充电和并联放电的工作模式，有效的减小了滤波电容上的电压应力同时也减小了电容的体积和提高了电源的功率密度；通过高精度电阻R4、R5可以方便的设定输出电流峰值，以保证本方案中高功率LED对大电流的需求，同时作为采样电压反馈。一旦流过负载LED的电流发生波动，采样电阻上的反馈电压也会相应改变，通过与内部精准的500mV电压源相比较从而相应地改变MOSFET的开关频率，因此可以实现很高的恒流精度。
下面介绍元器件的具体选型方法：
(1)保险管
由额定电流的经验计算公式：
(1)
考虑到电路中存在浪涌电流和峰值电流大于额定电路的实际情况，这里选用500mA的慢断保险丝。参考选型为：VDE 500ma 5.5mm*15mm
(2)滤波电容的选择
为保证滤波电容不会饱和，电容量预留25%的余量，由电容计算公式：
(2)
Vo_max取18€?.6=64.8V,Dmax=0.8，Vin_min取176V，min=90%，fin_min=50Hz
电容耐压计算方法为：
(3)
由于本设计采用并联放电的方式，所以此处电容选型为22 f/250V的电解电容。
(3)主电感的选择
电感量大经验计算公式：
(4)
绕线线径选型依据：
(5)
考虑到工字形磁路开环，抗干扰问题比较难解决，这里选择EE13磁芯，电感量2.5mH，线径01.9mm。
(4)开关管的选择
耐压值的计算：
(6)
管中有效电流值的计算：
(7)
考虑到余量的保留，此处选择IPAK封装的2N60型MOSFET。
(5)采样电阻的设计
(8)
此处的采样电压Vret为250mV。为保证输出电流的精度，电阻选用精度系数1%的两个1电阻并联。
4 测试结果
鉴于现有的实验条件，本驱动方案在市电220 V/50HZ条件下对其功率因数、功率和系统效率进行了测试。实际发光效果和测试结果如图2、图3所示。
由此可知系统的效率为：
（10）
其实际效果图和测试结果图分别如图2和图3所示：
5 结论
LED进驻通用照明市场，更高的发光效率和光通量是市场的需求，集成化、模块化的高功率LED将是其在灯具应用上必然的发展趋势，这也就对其驱动电源提出了更高的要求。实验证明本方案提出的大功率LED驱动方案输出电流大，恒流精度、功率因数和系统效率均很高，完全满足美国能源之星SSL VER1.0提出的关于民用和商用照明设备的要求。
（基金项目：湘潭大学创新性实验计划项目（LED恒流驱动电源研究））
参考文献：
[1] 周至敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2006.
[2] 毛兴武,等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[3] 廖志凌,阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报,2006,21(9):106-111.
[4] 刘虹,沈天行.LED进入照明的预测及照明节电分析[J].照明工程学报,2005,16(3):19-22.