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摘要：  SSL2101是恩智浦半導(dǎo)體公司推出的世界首款市電集成可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)控制器，本文簡(jiǎn)要給出SSL2101的特性，介紹采用SSL2101設(shè)計(jì)反激式LED驅(qū)動(dòng)器的方法。

關(guān)鍵字：  LED驅(qū)動(dòng)器，  驅(qū)動(dòng)控制器，  SSL2101

一、引言

固態(tài)照明(SSL：Solid State Lighting)為人類(lèi)提供了除傳統(tǒng)白熾燈及日光燈之外的另一種選擇 —— LED燈。LED必須依賴(lài)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器提供恒定電流才能點(diǎn)燃工作。LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該具有直流控制、高效率、可調(diào)光、有保護(hù)等特性。為滿足各種不同輸入電壓、不同輸出電流及不同數(shù)目連接LED的驅(qū)動(dòng)要求，世界各著名半導(dǎo)體器件公司都開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的集成電路驅(qū)動(dòng)控制器。恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors)公司推出的固態(tài)照明專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)控制器SSL2101是世界首款市電集成可調(diào)光驅(qū)動(dòng)控制器，專(zhuān)為進(jìn)一步改善LED的能效，提供可調(diào)光能力而設(shè)計(jì)。SSL2101可以直接采用市電整流后驅(qū)動(dòng)照明系統(tǒng)中的各種LED裝置，包括LED改型燈具、LED模塊、LED聚光燈、射燈及LED燈串，與現(xiàn)有照明基礎(chǔ)設(shè)施完全兼容。1由于集成度高，外部需要元件數(shù)量少，占持電路板空間小，性能價(jià)格比高，為照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)高能效系統(tǒng)提供了關(guān)鍵硬件。本文簡(jiǎn)要給出SSL2101的特性，并以采用SSL2101建構(gòu)的反激功率變換器為例，詳細(xì)介紹LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法。

二、SSL2101的特性

恩智浦半導(dǎo)體公司最近推出的固態(tài)照明專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)控制器SSL2101本質(zhì)上是一款在SO16封裝內(nèi)包含了實(shí)現(xiàn)兼容市電調(diào)光的高效功率變換器和內(nèi)部電路系統(tǒng)的多芯片組件(MCM：Multi - Chip Module)切換式電源(SMPS: Switching Mode Power Supply)控制器。圖1即SSL2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳。

SSL2101具備如下優(yōu)于現(xiàn)有LED驅(qū)動(dòng)控制器的特性：

★ 內(nèi)部集成了功率開(kāi)關(guān)管，既有利于減小元件成本，又能保證最佳驅(qū)動(dòng)和功率開(kāi)關(guān)管的保護(hù)。

。

★ 谷值檢測(cè)可使功率開(kāi)關(guān)管以最優(yōu)化的時(shí)間關(guān)閉，故可減少功率變換器的損耗。

★ 內(nèi)部集成的分壓開(kāi)關(guān)和比較器可減少外部元件數(shù)量和尺寸。

★ 內(nèi)部集成分壓開(kāi)關(guān)的智能分壓作用使器件功耗降低，效率增加。

★ 增強(qiáng)型導(dǎo)熱引線可提高器件工作溫度，增長(zhǎng)壽命。

★ 變換器占空比和頻率控制許可設(shè)計(jì)師更自由規(guī)定參數(shù)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)更精確調(diào)光控制，消除音頻噪聲。

★ 對(duì)數(shù)型調(diào)光校正可確保LED調(diào)光特性重復(fù)體現(xiàn)。

★ 內(nèi)部的熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、繞組短路保護(hù)和最大占空比限定確保器件即使在超指標(biāo)規(guī)定條件下也能正常工作。

更詳細(xì)的特性，可參閱SSL2101的數(shù)據(jù)卡。

三、設(shè)計(jì)具體步驟

1.基本電路拓樸

由圖可知，這款采用SSL2101的驅(qū)動(dòng)器為典型反激電路，它由① 輸出電路，② 振蕩器，③ 緩沖電路，④ VCC產(chǎn)生，⑤分壓設(shè)定電路，⑥ 調(diào)光檢測(cè)，⑦ 電網(wǎng)總線緩沖和 ⑧ 輸入電路八個(gè)部分組成。分別介紹如下：

① 輸出電路設(shè)計(jì)

輸出電路部分，經(jīng)過(guò)變換的能量在驅(qū)動(dòng)LED燈鏈前先儲(chǔ)存于電容器C5和濾波電感L3中。變壓器初級(jí)繞組兩端加有鉗位以避免SSL2101內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間漏極(管腳16)出現(xiàn)高壓過(guò)沖。調(diào)光檢測(cè)電路對(duì)整流后的電網(wǎng)總線電壓作分壓濾波為調(diào)光曲線產(chǎn)生輸入。

輸出電路部分的元件數(shù)值由LED燈鏈中LED燈的數(shù)目和流經(jīng)燈鏈的電流決定。該電流的紋波大小取決于緩沖電容器C5，故C5可利用下式計(jì)算：

假定圖示實(shí)例燈鏈串有10個(gè)正向電壓VF = 3.5V的LED，流經(jīng)350mA電流，許可10% 紋波，功率變換器標(biāo)稱(chēng)頻率為100kHz，則燈鏈兩端電壓為10 ×3.5 = 35V。據(jù)LED廠家提供的數(shù)據(jù)卡， 350mA時(shí)每個(gè)LED的微分電阻為0.5?，則燈鏈總電阻為10 ×0.5 = 5 ?，于是可求得緩沖電容C5 =10 ×1/(100000×5)=20μF。如果C5是電解電容器，為改善EMC濾波和減小功耗，建議應(yīng)并接等效串聯(lián)電阻(ESR)小的金屬箔或陶瓷電容器，且比電解電容器更靠近二極管D6放置。

輸出電感L3用于濾除功率變換器的高頻信號(hào)，其值決定于產(chǎn)品的最終EMC標(biāo)稱(chēng)值、結(jié)構(gòu)、接地與屏蔽條件。一般來(lái)說(shuō)，把由L3與LED燈鏈串聯(lián)電阻組成的LR濾波器的截止頻率取作功率變換器標(biāo)稱(chēng)頻率的二十分之一，則L3可利用下式計(jì)算：

故得L3 =20 ×5 /(2π×100000)=160μH。

二極管D6按照能承受峰值電流和最高反向電壓，正向壓降低，反偏時(shí)電容小的原則選用。D6通過(guò)的峰值電流由次級(jí)套導(dǎo)通時(shí)間(δ2T)和LED燈鏈電流決定，本例取δ2T等于82%T，則δ2T期間二極管電流以平均二分之一峰值電流的鋸齒波衰減。因82%T期間LED燈鏈流過(guò)二極管峰值電流之半，即ILED=(ID(peak )/2)×0. 82=ID(peak) ×0. 41，所以二極管峰值電流約為L(zhǎng)ED燈電流的2. 4倍，二極管平均電流為L(zhǎng)ED燈電流的1.2倍，如圖3。

二極管D6兩端的反向峰值電壓由變壓器初、次級(jí)匝比以及電網(wǎng)總線緩沖器中C3，C4兩端的最高緩沖電壓決定?？紤]到振蕩效應(yīng)和采用一定容限，有

C9是為抵消變壓器初、次和輔助繞組間耦合電容在地與次級(jí)電路之間接入的電容器，其值應(yīng)遠(yuǎn)大于耦合電容。一般經(jīng)驗(yàn)值取20倍，則100pF耦合電容，C9應(yīng)為2nF，取標(biāo)準(zhǔn)值2. 2nF。

② 振蕩器設(shè)計(jì)

變換器和振蕩器的最高頻率均由變壓器初級(jí)電感與變壓器輸入功率決定。變壓器輸入功率應(yīng)是輸出電路、輔助電路的功耗及變壓器功耗之和。

變壓器初級(jí)電感可按下式計(jì)算：

因此

圖4 為開(kāi)關(guān)漏極、變壓器次級(jí)、谷值檢測(cè)與RC振蕩器的定時(shí)波形，可知變壓器次級(jí)導(dǎo)通后，SSL2101內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管漏極將以振鈴頻率f ring開(kāi)始振鈴，初級(jí)重新導(dǎo)通前振蕩器處于等待狀態(tài)，直至檢測(cè)到漏極低壓(谷值)。為使效率最大，選檢測(cè)到第一個(gè)谷值(第一谷值在f ring的四分之一周期后發(fā)生)的頻率為振蕩器頻率。振蕩器頻率可采用調(diào)光亮度輸入降低。隨著振蕩器頻率的降低，谷值檢測(cè)便在第二、三、四谷值處觸發(fā)，以此類(lèi)推，功率變換器的關(guān)斷時(shí)間逐漸增大。

檢測(cè)到第一谷值處的振鈴頻率可按下式計(jì)算：

電阻R9和電容C7并聯(lián)構(gòu)成RC振蕩器。電容充電至VRC(max) =2.5V，放電至VRC(min)=75mV。電容充電極快，約1μs;放電較慢，一般放電時(shí)間可按 tdischarge= 3.5×RC時(shí)間常數(shù)計(jì)算。RC時(shí)間常數(shù)則按下式計(jì)算：

本例D8選用30V齊納二極管，故可假定VAux= 30V。因Vled=10×3.5=35 V，VD6= 0.7V，則m=30/(35+0.7)= 0.8，于是，當(dāng)次級(jí)繞組匝數(shù)NS=58時(shí)，輔助繞組NAUX=0.8×58=46。

限流電阻R5可按下式計(jì)算：

整流二極管D7應(yīng)按能承受電路最大反向電壓與正向峰值電流，切換速度充分適應(yīng)變換器工作頻率來(lái)選取。反向電壓取決于變壓器初級(jí)與輔助繞組匝比、緩沖電路最高電壓及最高VCC電壓：

本例IVCC= 2mA， 假定紋波 ⊿VCC=100mV， fmin= 4.8kHz，則C6 = 0.002/(0.1×4800) =4.2μF。

⑤ 分壓設(shè)定電路設(shè)計(jì)

分壓設(shè)定電路系為設(shè)定調(diào)光倍率和提供電流選通而設(shè)計(jì)。強(qiáng)分壓可為調(diào)光提供低阻負(fù)載。就SSL2101言，當(dāng)強(qiáng)分壓管腳電壓低于52V典型值Vin (Sbleeder)時(shí)，分壓開(kāi)關(guān)開(kāi)啟。對(duì)主要安裝調(diào)光器的應(yīng)用系統(tǒng)，可選強(qiáng)分壓電阻R10為1.5?。

弱分壓系為維持電流通過(guò)調(diào)光器而設(shè)計(jì)。當(dāng)電流傳感管腳電壓跌落到典型值250mV 的Vin (low)Isence 以下時(shí)，分壓開(kāi)關(guān)關(guān)閉;當(dāng)電流傳感端(管腳10)電壓升高到Vin (High)Isence 以上時(shí)，分壓開(kāi)關(guān)重新開(kāi)啟。不同輸入電壓條件下分壓設(shè)定電路中的元件典型值如表1：

表1

⑥ 調(diào)光檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

調(diào)光的基準(zhǔn)電壓可據(jù)無(wú)緩沖電網(wǎng)總線電壓和采用的平均電容推出。該電壓為輸入至SSL2101亮度和PWM限定管腳的電壓。由于亮度和PWM限定管腳兩個(gè)輸入端處電壓電平的平衡作用，流經(jīng)電感的峰值電流在變換器頻率下降前就已減小，故可消除變壓器的音頻噪音。表2為連續(xù)工作模式調(diào)光檢測(cè)電路元件推薦值：

表2 連續(xù)工作模式調(diào)光檢測(cè)電路元件推薦值

⑦ 電網(wǎng)總線緩沖設(shè)計(jì)

總線緩沖電路由兩個(gè)電容和一個(gè)電感構(gòu)成，具有雙重功能：儲(chǔ)存能量以確保變換器連續(xù)向LED燈鏈輸電;濾除變換器產(chǎn)生的電流紋波。為此，要求緩沖電路電壓最小值滿足下式：

電網(wǎng)總線電壓為230 V(50Hz)，緩沖電路電壓最小值223 V，計(jì)算得電容放電時(shí)間為7.53ms。

緩沖電路總電容可按下式計(jì)算：

本例 Pin =15W，PIC=700mW，Ptot =15.7W，tdis =7.53ms，Vmainspeak=325V，Vbuff(min) =223V，求得總電容(C3 +C4)=4.2μF s，采用最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，有C3 = C4 = 2.2μF。

緩沖電路的截止頻率應(yīng)低于變換器的工作頻率，它由下式給出：

本例 fconv=97kHz，C3 = C4 = 2.2μF，于是L2 =122 μH。

⑧ 輸入電路設(shè)計(jì)

輸入電路的功能是對(duì)電網(wǎng)總線進(jìn)行整流并提供過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。保護(hù)主要由熔絲或電流超過(guò)規(guī)定值即會(huì)斷開(kāi)的熔阻器組成。如果采用熔絲，應(yīng)選熔斷電流值既能承受浪涌，又可提供過(guò)流保護(hù)的產(chǎn)品。實(shí)際上，1～1.5A 熔斷電流已經(jīng)足夠。如采用熔阻器，其最小阻值可按下式計(jì)算：

本例總線電壓以230 V(50Hz)±20%，R12=260 ?，R1=20 ?，R4=0 ?計(jì)，得峰值電流為1.5A。

至此，全部電路元件和相關(guān)電參數(shù)設(shè)計(jì)均已計(jì)算。圖5 給出標(biāo)有全部已計(jì)算電路元件值的驅(qū)動(dòng)器電路圖。限于篇幅，其他諸如變壓器設(shè)計(jì)、調(diào)光曲線計(jì)算等不再詳述。

四、結(jié)束語(yǔ)

LED作為新一代固態(tài)光源無(wú)疑會(huì)成為通用照明市場(chǎng)的主角，而提供低功耗、恒壓、恒流，抗EMI和噪聲的驅(qū)動(dòng)控制集成電路則是使LED燈產(chǎn)品順利占領(lǐng)通用照明市場(chǎng)的重要保障。恩智浦最近推出的SSL2101市電可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)IC是業(yè)界首款將調(diào)光與驅(qū)動(dòng)集成一體的產(chǎn)品，本文既是SSL2101的簡(jiǎn)介，也是筆者對(duì)固態(tài)照明早日替代傳統(tǒng)照明期望的表達(dá)。