平价LED球泡灯的设计思考 [2]

　　BP3102设计为恒流输出，芯片仅需要25uA 的启动电流，系统上电后启动电阻对Vcc 的电容进行充电，当Vcc 电压达到芯片开启阈值时，芯片内部控制电路开始工作。系统启动后，Vcc 由辅助绕组进行供电。芯片逐周期检测变压器主级侧的峰值电流，CS 端连接到内部的峰值电流比较器的输入端，与内部500mV 阈值电压进行比较，当CS 外部电压达到内部检测阈值时，功率管关断。主级侧峰值电流的表达式为：

　　CS 比较器的输出还包括一个500nS 前沿消隐时间。

　　LED 输出电流设置计算方法：

　　其中，Np 是变压器主级的匝数，Ns 是变压器次级的匝数，I P_PK 是主级侧的峰值电流。BP3102从新的视角去优化芯片算法设计是创新技术的关键，是一创新的设计新思路，一种主级侧恒流控制的新的原理，从图8中可以发现，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，如上算式表示，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。整个电路对变压器电参数不敏感，降低了对变压器的要求，大大降低了变压器的生产成本。

　　图8 BP31XX系列主级侧恒流控制的一种新的原理

　　芯片通过FB 来反馈输出电流的状态， FB 的阈值电压设置在1V，建议FB 检测的上分压电阻和下分压电阻比值设计在4.0 左右。为了提高系统效率，反馈检测网络的上分压电阻可以设计到300KΩ~750KΩ。同时FB 检测的上分压电阻可以进行线电压补偿，补偿系数为：

　　其中，RFBH 是反馈网络的上分压电阻。

　　系统工作在电感电流断续模式，无需环路补偿，最大占空比是42%。建议最大工作频率小于100KHz，最小工作频率大于20kHz。芯片限制了系统的极限最大工作频率和极限最小工作频率，以保证系统稳定性。工作频率的计算式为：

　　其中，Lp 是变压器主级侧电感。

　　BP3102 内置多种保护功能。当Vcc 电压高于16V时，芯片关断外部功率管，芯片自动重启直到外部过压状态解除;Vcc 内部自带19V 钳位电路，以防止异常条件下芯片损坏。芯片内部热保护电路检测结温度，当结温度超过阈值(150℃)时，将关断功率MOSFET，直到结温度下降20 ℃后，MOSFET 才会重新使能。当输出出现LED 短路或LED 开路时，系统将自动进入低功耗模式，同时不断检测负载状态，直到故障解除。当故障解除后，系统自动恢复正常工作。

　　在设计BP3102 的PCB 时，需要遵循以下指南：旁路电容Vcc 的旁路电容器需要紧靠芯片Vcc 引脚。地线电流采样电阻的功率地线尽可能短，而且要和芯片的地线及其它小信号的地线分头接Bulk 电容的地端。要减小功率环路的面积，如变压器主级、功率管及缓冲网络的环路面积，以及次级二极管、变压器次级、输出电容的环路面积，以减小EMI 辐射。NC 引脚必须悬空以保证芯片引脚间距满足爬电距离。增加Drain (内部功率管漏端)引脚的铺铜面积以提高芯片散热。接到FB 脚的分压电阻必须靠近FB引脚，而且节点要远离变压器的动点。

　　这个恒流驱动电源的PCB版图如图9。变压器的制造工艺如图10，变压器制造工艺要求如表2。这些都是做好这个电源的关键。

　　图9 5W平价LED球泡灯的PCB版图

　　图10 5W球泡灯变压器工艺图

　　表2 5W球泡灯变压器工艺要求

　　这个5W平价球泡灯整灯方案设计时已考虑控制成本，因此使用的元器件佷少，表3是它的材料清单(BOM)。

　　BP3102有很方便易用的系统自动设计程序，可以从www.bpsemi.com的网上下载使用(图11)。可以大大减轻设计师在设计新的应用方案时的工作量。

　　BP3102是晶丰明源的产品，类似功能的MT7953是美芯晟的产品。

　　表3 Power BOM

　　4 整灯方案的实现

　　将上述选择的COF的LED光源模块、和由BP3102为主芯片的恒流电源，加上E27灯头、散热器、外壳、灯罩，一个5W的LED平价球泡灯的整灯方案就实现了(图12)。大批量生产时，所有元器件成本总和可控制在RMB10.00元左右，达到设计LED平价球泡灯的目的。图13是二种已小批量生产的5W LED平价球泡灯的实物照片。

　　这个方案的5W LED球泡灯主要参数如下：

　　工作电压：AC 85-240V

　　光效：70-90 lm/W

　　光通量：370-450lm

　　显色性：CRI >75

　　色温：3000-4000-6000K

　　发光角度：150°

　　可代替传统灯瓦数：30-40W

　　目前LED灯珠的光效随着制造技术的进步正在逐月提升，即每W的lm数在不断增长。PV罩子的透光率关系到成品灯的光通量，不良的材料可能会使整灯损失10-20 lm。所以要选用透光率高的材料做灯罩。

　　图11 RF COF + BPS Drive power + Shell

　　图12 二种已小批量生产的5W LED平价球泡灯的实物照片

　　5 小结

　　LED平价照明灯具正是老百姓市场所需求的，将是全球市场的海量产品，它必将走进全世界成万上亿户的家庭。LED照明灯具只有把零售价格降至荧光节能灯的零售价才能迎来海量生产，才能使无论是富人还是穷人都能买得起，才能使全人类分享电子科技创新带来的恩泽。

　　平价LED照明灯具提倡包用三年是理智的，任何电子产品的寿命与产品的成本有关，一个环保而又亮又省电的照明灯具能用三年符合老百姓价值观念。

　　平价LED照明灯具的电源将继续使用铝电解电容器，因为它是又有效又便宜的滤去电源纹波和防止LED闪烁的器件，105度的铝电解电容器的寿命是10000小时，今天使用COF光源的平价LED球泡灯的内腔温度已经下降，电解电容器的使用环境温度每下降10度，寿命增加一倍。

　　平价LED照明灯具将进入网络销售的全新营销模式，一个价格合理的、符合老百姓消费水平的LED平价照明灯具将迎来新的网购热潮和灯具专卖店的销售热情。

编辑：Cedar