基于BP3105芯片的高效一体式LED筒灯设计

基于BP3105芯片的高效一体式LED筒灯设计

【摘要】文章结合LED照明发展现状，设计了一种基于BP3105恒流驱动芯片的小功率LED筒灯。该设计提出了将驱动控制电源与灯具外壳连接在一起的一体式设计方案。实现了功率因数校正，提高了功率因数。文章对反激式驱动电源电路、散热器进行了理论设计和参数估算。经测试，各项光电指标符合设计要求，性能稳定，成本较低。

【关键词】LED筒灯；驱动电源电路；反激式；BP3105 1.引言

在全球能源日益短缺、环保要求不断提高的情况下，LED灯具正逐渐成为当下及未来照明市场的发展方向。LED照明具有光效高、易控制、寿命长、节能环保等显著优势，是人类继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。目前LED灯具已广泛应用于室内、室外、景观照明，在室内照明LED灯具中使用较普遍的是筒灯、射灯、平板灯、球泡灯。随着LED技术的迅猛发展，LED在照明市场被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场，LED灯具也将是取代白炽灯、荧光灯的最大潜力商品。

2.LED筒灯市场分析

筒灯是在工程建设中用量最大的室内工程灯具，它广泛用于在商场、宾馆、写字楼和家庭装修中，它是一种点光源灯具，通常是嵌入在天花上作为空间照明使用。筒灯的光源主要是节能灯、LED两大类。相比较而言，LED除了价格较贵外，其他主要性能都明显高于节能灯，例如光效方面：螺旋节能灯为60lm/W、2010白光LED为120lm/W；寿命方面：螺旋节能灯<6000h、白光LED为10000h。另外，LED调光调色方便，节能灯却很难实现。同时，由于节能灯体积较大，灯具外壳无法做得小巧，甚至没有灯罩，影响美观。

筒灯根据安装方式主要分为嵌入式和明装式，其中嵌入式占据近95%的市场；根据灯杯尺寸主要可分为2.5、3、4英寸（民用）和3、4、5、6、8、10英寸（工程），其中4英寸使用最多；根据结构可分为自带控制装置式（即一体式）和控制装置分离式，其中一体式LED筒灯市场很少见。

3.LED筒灯设计方案

结合市场分析和成本控制，本设计任务确定为一款4英寸一体式LED筒灯。主要光电性能符合国家《LED筒灯节能认证技术规范》CQC3128-2010。

3.1 LED筒灯技术参数

功率：一般市场常见4英寸筒灯匹配紧凑型节能灯功率为9-15W左右，根据工程常规通用换算公式LED1W=节能灯1.5-2W，确定本设计输出功率为10W。

功率因数≥0.8，电源效率≥80%，初始发光效率≥80lm/W。 3.2 LED筒灯总体结构设计

LED筒灯由以下几部分组件构成，总体结构图如图1所示。

（1）外壳：由反光杯和散热器构成。散热器选用散热良好的车铝型材构成，选用常见的太阳花形式。散热器底部通过导热硅脂在外侧与反光杯底部紧密连接，反光杯底部内侧与LED光源的铝基板通过导热硅脂紧密相连。

（2）灯罩：选用亚克力导光板，其具有超薄、亮度高、导光均匀、节能环保、无暗区灯特点，配合多颗均匀散布的小功率LED灯珠，使灯具发光更加均匀，没有光斑。

（3）LED光源：由铝基板（MCPCB，35μm铜层及1.5mm铝合金）和30个标称0.32W的LED灯珠组成，避免了使用少量大功率灯珠带来的发光不均匀的弊病。选用30颗首尔STW8Q14BLED灯珠组成10串3并的结构。STW8Q14BLED典型光电参数：色温2600-7000K，光通量30.5lm（2600-3700k），32lm（3700-7000k），正向电压降VLED=3.2V，正向电流ILED=110mA，结温RJC=18℃。LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起。

（4）驱动电源：因为单个LED工作电压为低电压，且工作电压范围很窄，通常不能直接供电，否则极易损坏。本设计选用恒流驱动，可以避免LED灯珠正向电压变化所导致的工作电流变化，从而提高LED发光的光视效能和稳定度，延缓光衰。所以采用恒流驱动芯片，电源沿用常用的单开关反激式电路。驱动电路板设计成环形，外装塑料外壳，与灯具外壳固定相连，散热器从其中间穿过，构成一体式结构。

4.电路设计

4.1 BP3105芯片简介

BP3105是一款高精度的LED恒流控制芯片，适用于输入全电压范围的反激式隔离LED恒流电源。采用原边反馈模式，无需次级反馈电路，也无需补偿电路即可实现恒流，系统成本低。芯片内带有高精度的电流取样电路，使得LED输出电流精度达到±3%以内。BP3105采用小体积SOT23-5封装，管脚封装图见图2。其中GATE为外接NMOS管驱动端；CS为电流采样端，采样电阻RCS接在CS与GND之间；FB为辅助绕组的反馈端。BP3105具有多重保护功能，包括LED开路保护、LED短路保护、芯片过温保护、过压保护、欠压保护、FB短路保护等。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。过热保护阈值设置在160℃，迟滞为30℃。当结温度超过阈值（160℃）时，将关断功率MOSFET，直到结温度下降30℃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。

4.2 驱动电路设计

LED筒灯驱动电路见图3和图4。其中图3为输入EMI滤波电路和桥式整流电路，图4为基于BP3105芯片的恒流驱动电路。

图3中F1为保险丝，起过流保护作用；RV为压敏电阻，起过压保护作用；D1-D4为桥式整流电路。Ld1、Ld2、C1、C2组成EMI低通滤波器，Ld1=Ld2，C1=C2，用于共模方式的EMI抑制。共模电感Ld1、Ld2对称地绕在同一磁芯上，在正常工作电流范围之内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁饱和，对共模干扰信号呈现高阻抗，而对差模信号和电源电流呈现低阻抗，这样就保证了对电源电流的衰减很小，而同时又抑制了电流噪声。EMI滤波器既抑制了来自电网的电磁干扰，同时对驱动电源自身产生的电磁干扰也起衰减作用，以保证电网不受污染。图4中C1、C2、R2、D5-D7构成逐流滤波无源功率因数校正电路，C3作为直流端滤波电容。加入逐流电路后在每半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，图3中整流二极管D1-D4的导通角就可以增大达到120度以上，交流电源输入电流为零的死区时间则缩短，电流波形也更趋接近正弦波，减小了电流畸变因子，从而提高电路输入功率因数，由0.6变到0.9，同时降低输出直流电压，至少比桥式整流电容滤波电路的直流输出电压低15%。

经过逐流电路后，由T1、Q1、D7、C6构成的反激式开关电源电路完成隔离输出和变压功能，控制芯片IC1实现反激式开关电源电路的开关控制功能。反激式开关电源电路具有电路结构简单、安全隔离、成本低的优点，特别适合小功率LED驱动电源的要求。D6、R6、C5构成反激式开关电源电路的吸收电路，在开关Q1关断后，吸收开关上的尖峰电压。

BP3105芯片仅需要25uA的启动电流，系统上电后启动电阻R5对电容C4进行充电，当电压达到芯片开启阈值14V时，芯片内部控制电路开始工作。系统启动后，其由辅助绕组对Vcc端进行供电。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500mV时，功率管Q1关断，系统工作在电感电流断续模式。BP3105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。R9、R10为反馈网络的检测电阻可以设置到300KΩ～750KΩ，同时利用分压可以进行线电压补偿。变压器T1主级侧峰值电流：Ip=500（mV）/RCS，实际为了便于调整阻值，RCS用两个电阻R3和R8并联。

4.3 变压器设计

根据BP3105芯片使用要求，系统工作在电感电流断续模式，最大占空比为Dmax=0.42，中心工作频率f=44KHz（在40KHz～48KHz之间便于通过EMI测试）。输入直流平均电压为200-280V，输出直流平均电压Uo=VLED*10=32V，输出直流平均电流Io=ILED*3=330mA。

（1）确定变比

假设工作在断续临界点，最大占空比情况下，根据伏秒积分为零的公式（1）可算出变比，取7。其中Np 是变压器初级的匝数，Ns 是变压器次级的匝数，TR为次级电流流通时间。

（1）

（2）确定初级电感量

根据次级电流公式（2）和磁势平衡公式（3），可以算出变压器原边峰值电流Ip=180mA。公式（4）为临界连续时原边电感量计算公式，其中电源效率取0.7，在断续工作状态下，电感取值应小于该计算值。根据实际实验结果，变压器初级电感量定为1.7mH。

（2） （3） （4）

（3）确定绕组匝数

根据输出功率10W选择变压器E19磁芯，4+3引脚骨架，变压器骨架尺寸见图5。铁芯材料选常用的PC40锰锌铁氧体，Bs=3000G，Br=95G，Ae=0.23cm2。根据公式（5）确定初级绕组匝数，其中ΔB=Bs-Br，余量系数F取0.6。最终选择N1初级绕组（4、5引脚）167匝，线径0.25；N3次级绕组（6、7引脚）24匝，线径0.15；N2反馈绕组（1、3引脚）66匝，线径0.35。绕组之间覆盖2层聚酯膜。

（5）

5.散热器设计

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。热阻越小，其导热性能越好。太阳花形散热器是LED筒灯广泛采用的一种散热形式。设Y为最优翅片长度，X为芯片功率，根据线性拟合公式Y=4.0333（X-12）+34.422nn，

可以计算出最佳翅片长度为26.355mm。翅片厚度的增加，并不能有效增大翅片散热面积，相反却会造成散热器重量的增加，提高成本。但考虑到散热器翅片采用挤压工艺成型，对厚度有一定下限要求，在保证大于1mm前提下，尽量减薄以降低散热器的制造成本。根据计算经验，翅片间隔需要大于4mm，才能保证自然对流的顺利进行。本设计采用一体化结构，散热器放从环形驱动电源中间穿过，外形图见图6，总直径只能限制在70mm内，本设计中所用太阳花散热器翅片长20mm，厚1mm，数量36*2=72，翅片间隔3mm。

6.测试结果分析

使用远方电参数测试仪、积分球对整灯进行测试。

光电实际测试结果：功率因数=0.9，实际输出功率=10.2W，电源效率=80%，初始发光效率=82lm/W，全部符合设计要求。

温度测试结果：环境温度TA=25℃，LED散热垫的温度TC=70℃。LED工作状态：VLED=3.2V，正向电流ILED=110mA，极限工作结温TJmax=125℃。TJ=RJC（VLED×ILED）+TC=18℃/W（3.2V×110mA）+70℃=76.3℃<7.结论

文章结合LED照明发展现状，设计了一种基于BP3105恒流驱动芯片的小功率LED筒灯。本设计把控制电源设计成环形，与灯具外壳连接在一起形成整体，这种一体式的结构非常方便用户安装；利用多颗小功率LED灯珠构成灯盘，配合导光板，很好地实现了光源的均光性；利用逐流电路提高功率因数到0.9；利用恒流芯片构成的反激式开关电源结构简单，性能稳定，成本较低。经测试光效达82lm/W，灯具内部LED散热垫温度70℃，可以大大延展寿命。目前经过小批量试产的产品应用情况良好，验证了设计方案的可行性和正确性。

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基金项目：2011江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目“高效率LED筒灯的开发与工艺设计”。