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基于SSL2101的可调光LED驱动电路设计 冯喆（合肥工业大学，安徽，合肥 230009）摘要： 大功率白光LED因其高效、节能、环保、寿命长、高可靠性等优点逐渐在照明领域获得广泛应用，已经开始替代白炽灯、荧光灯等传统照明光源，成为21世纪的新一代照明光源。文章主 要介绍了SSL2101芯片及基于其的可调光LED驱动电路设计方案关键词： SSL2101； LED驱动电路； 恒流驱动； PWM（脉宽调变）Abstract： Semiconductor lighting is widely used and is gradually replacing the incandescent and fluorescent lighting due to its advantages over conventional lighting of high efficiency，low energy consumption，low pollution，long lifetime and high reliability. The thesis gives a LED driver using Chip SSL2101 based on pulse width modulation and a introduction of this chip.Keywords：CHIP SSL2101 ; LED driver ; constant-current driving; PWM（Pulse Width Modulation）前言：固态照明（SSL：Solid State Lighting）为人类提供了除传统白炽灯及日光灯之外的另一种选择LED灯。LED必须依赖于专用驱动器提供恒定电流才能点燃工作。LED驱动器应该具有直流控制，高效率，可调光，有保护等特性。为满足各种不同输入电压，不同输出电流及不同数目连接LED的驱动要求，世界著名半导体器件公司恩智浦半导体（NXP Semiconductors）公司推出的固态照明专用驱动控制器SSL2101是世界首款市电集成可调光驱动控制器，专为进一步改善LED的能效，提供可调光能力而设计。由于集成度高，外部需要原件数量少，占持电路板空间小，性能价格比高，为照明系统设计师设计高能效系统提供了关键硬件。本文主要简要给出SSL2101的特性，并基于此款IC设计了LED驱动电路方案。1 .LED特性 LED需要一个与白炽灯或卤素灯完全不同类型的驱动器。白炽灯表现为具备自稳定特性的纯电阻负载，LED则需要一个电流源。LED产生的光通量近似正比于流经该器件的电流。LED的正向电压随电流增加而增加，但随温度的上升而减少。在这方面，LED表现得像二极管。不过，在工作期间LED的正向电压（VF）是很大的。该电压与电子转化为光子时产生的能量（eV）相关，该能量又直接相关于光的颜色。此外，不同生产批次之间的VF值可以相差很大。1.1 LED的连接方式在大多数用：LED替代现有光源的应用中，需要连接多个LED到驱动器上，因为单一的LED不能产生足够的光通联。LED可以采用串行或并行连接。如果LED采用串行连接，LED链上的总电压等于正向电压的总和（所有LED上的电流相等）。如果LED并行连接，电流将分配到各支路中。不过，由于一个LED的正向电压会随着温度上升而下降，一次这一配置本质上是不稳定的。随着温度的升高，越来越多的电流将流到具有更低正向电压的支路上去，这些支路将变得更亮，而那些具有更高正向电压的支路将变得更暗。不过，采用并联配置（或串并联组合）的一个原因是，它允许大量的LED以一个安全的电源电压结合在一起，而如果要采用串行连接来达到相同的亮度，可能需要一个高的令人无法接受的电压。并行配置还提供了其他优势，如果一个串行连接的LED链上一个LED或连接出现问题，那么将导致断路，整条链上的所有LED都将不发光。但如采用并联配置的话，这情况将不可能发生。采用并联配置时，建议每条支路都增加电流调节机制，以防止热失控和电流或光的不相等。总而言之，当输出和输入电压差最小是，电源转换器的效率最高。当采用市电输入的LED驱动器时，允许产生更高的输出电压，从而允许串行连接更多的LED。2SSL2101特性恩智浦半导体公司最近推出的固态照明专用驱动控制器SSL2101本质上是一款在s016封装内包含了实现兼容市电调光的高效功率变换器和内部电路系统的多芯片组件（MCM：Multi-Chip Module）切换式电源（SMPS：Switching Mode Power Supply）控制器。右图即SSL2101的内部结构和管脚2.1 PWM调光SSL2101具有的可调光能力为照明系统设计师设计更高能效的系统提供了不可多得的机会。这款高成本效益比器件具有高集成度，电子组件总数量少，电路板空间保持最小。SSL2101与当今照明基础设施完全兼容，可以直接采用整流市电电源并结合相位调光器工作。SSL2101含有高压电源开关，可以直接从整流市电电压启动，因而无需外部启动电路。其特点主要是：(1) 对输入电压变化的响应快。电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉冲幅值达到预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。 (2) 过流保护和可并联性。在电流控制型DC/DC变换器中，由于内环采用了直接的电感电流峰值限制，可以及时准确地检测功率开关管和电感上的瞬态电流，自然形成了对每个周期内峰值电流脉冲检测电路。(3) 回路稳定性好，负载响应快。电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电流源，而电流源的大小就反映了电源输出电压的大小，这是因为电感中电流的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。2.2SSL2101优于现有LED驱动控制器的特性内部集成了功率开关管，既有利于减小元件成本，又能保证最佳驱动和功率开关管的保护谷值检测可使功率开关管以最优化的时间关闭，故可减少功率变换器的损耗内部集成的分压开关和比较器可减少外部元件数量和尺寸内部集成分压开关的智能分压作用使器件功耗降低，效率增加。增强型导热引线可提高期间工作温度，增长寿命。变换器占空比和频率控制许可设计师更自由规定参数数值，实现更精确调光控制。对数型调光校正可确保LED调光特性重复体现。内部的热保护、过流保护、绕组短路保护和最大占空比限定确保器件即使在超指标规定条件下也能正常工作 3基于SSL2101的驱动电路方案3.1 电路原理图3.2 电路原理分析3.2.1 输出电路输出电路部分，经过变换的能量在驱动 LED灯链前先储存于电容器 C5中。变压器初级绕组两端加有钳位以避免 SSL2101内置功率开关管关断瞬间漏极（管脚16）出现高压过冲。调光检测电路对整流后的电网总线电压作分压滤波为调光曲线产生输入。 输出电路部分的元件数值由 LED灯链中LED灯的数目和流经灯链的电流决定。该电流的纹波大小取决于缓冲电容器c5中，故c5和c6可利用下式计算。 C5=Iled/I/(fconv(nom)*R)二极管 D4按照能承受峰值电流和最高反向电压，正向压降低，反偏时电容小的原则选用。D4通过的峰值电流由次级套导通时间（2T）和 LED灯链电流决定，本例取 2T等于82%T，则 2T期间二极管电流以平均二分之一峰值电流的锯齿波衰减。因82%T期间 LED灯链流过二极管峰值电流之半，即 ILED（ID(peak )/2）0. 82ID(peak) 0. 41，所以二极管峰值电流约为LED灯电流的2. 4倍，二极管平均电流为LED灯电流的1.2倍C9是为抵消变压器初、次和辅助绕组间耦合电容在地与次级电路之间接入的电容器，其值应远大于耦合电容。一般经验值取 20倍，则 100pF耦合电容，C9应为2nF，取标准值2. 2nF.3.2.2 振荡器 变换器和振荡器的最高频率均由变压器初级电感与变压器输入功率决定。变压器输入功率应是输出电路、辅助电路的功耗及变压器功耗之和。 变压器初级电感可按下式计算： LP=(2*Pin(trans)/(Ip(peak)2*fconv(nom) 电阻 R9和电容 C7并联构成 RC振荡器。电容充电至 VRC(max)2.5V，放电至 VRC(min)75mV。电容充电极快，约 1s；放电较慢，一般放电时间可按 tdischarge 3.5RC时间常数计算。RC时间常数则按下式计算： RC=(1/3.5)*(1/fosc-tRC(ch)调光可以通过降低振荡器频率实现。频率降低的范围决定于 R8和R9的比值。基于定时容差的限制， R8不应大于220k。 调光范围若为5%100%，振荡器频率须从97kHz 降至 4.8 kHz，对应的 R8则为87k，最接近的标准值是91k。3.2.3 缓冲电路缓冲电路由阻断二极管 Z3和齐纳二极管 D2组合构成，电路的最高钳位电压可按下式计算： Vzener=Vdrain(max)-Vbuff(max)-253.2.4 VCC产生电路这是由电容 C8、整流二极管D3、限流电阻 R11和组成，用于产生向集成电路供电的外部VCC电源电路。VCC的数值由输出电压、变压器次级与辅助绕组匝比、VCC电流和变换器最低频率决定。 变压器次级与辅助绕组匝比可按下式计算： m=Na/Ns=Vaux/(Vled+Vd3) 整流二极管 D7应按能承受电路最大反向电压与正向峰值电流，切换速度充分适应变换器工作频率来选取。反向电压取决于变压器初级与辅助绕组匝比、缓冲电路最高电压及最高 VCC电压： VrevD7=(Np*Vbuff(max)/Na)+Vzener最低频率时电容C8应能提供足够缓冲，可近似为C8=IVCC/(VCC*fmin)3.2.5 分压设定电路分压设定电路系为设定调光倍率和提供电流选通而设计。强分压可为调光提供低阻负载。就 SSL2101言，当强分压管脚电压低于 52V典型值 Vin(Sbleeder)时，分压开关开启。对主要安装调光器的应用系统，可选强分压电阻 R1为1.5。弱分压系为维持电流通过调光器而设计。当电流传感管脚电压跌落到典型值250mV 的 Vin(low)Isence以下时，分压开关关闭；当电流传感端（管脚10）电压升高到 Vin(High)Isence以上时，分压开关重新开启。3.2.6 调光检测电路调光的基准电压可据无缓冲电网总线电压和采用的平均电容推出。该电压为输入至 SSL2101亮度和 PWM限定管脚的电压。由于亮度和PWM限定管脚两个输入端处电压电平的平衡作用，流经电感的峰值电流在变换器频率下降前就已减小，故可消除变压器的音频噪音。3.2.7 电网总线缓冲总线缓冲电路由两个电容和一个电感构成，具有双重功能：储存能量以确保变换器连续向 LED灯链输电；滤除变换器产生的电流纹波。为此，要求缓冲电路电压最小值满足下式： Vbuff(mis)=(1/lmax)*fconv*Ip*Lp3.2.8 输入电路输入电路的功能是对电网总线进行整流并提供过流和过压保护。保护主要由熔丝或电流超过规定值即会断开的熔阻器组成。如果采用熔丝，应选熔断电流值既能承受浪涌，又可提供过流保护的产品。实际上，11.5A 熔断电流已经足够。采用熔阻器，其最小阻值可按下式计算： F1=21/2*VAC(max)/IFSM流经整流二极管DB1的峰值电流可按下式计算： Ipeak=21/2*VAC(max)/(R12+R1+R4)3.2.9电路元器件明细元器件名称数量元器件类型参数精度，型号封装R11贴片电阻2.7k1%1206R31贴片电阻270k1%1206R51贴片电阻33M1206R71贴片电阻24k5%1210R81贴片电阻100k5%402R91贴片电阻3.9k5%402R101贴片电阻1.65%1210R111贴片电阻1k1%1206R121贴片电阻100k1%1206R161贴片电阻10k5%1210C11电解电容器4.7uF/400v20%10*12.5C22陶瓷电容器100nFCD222M1206C51电解电容器330uF/50V10%C41贴片电容1200-1800pfNPO1206C61电解电容器330uf/50v/F8C71贴片电容10-15nf402C81贴片电容1200-1800pfNPO1206D11整流二极管1A 50-1000vHER107D21整流器1AUS1G50-800vD31色环二极管303v橙黑橙D41整流器2ASF2650-400vDB11整流二极管If（av） 0.5， VDC 600TRRMB6FZ11稳压管Vwm 171VCD200AZ21稳压管Vwm 171VCD200AZ31稳压管Vwm 171VCD200AZ41色环稳压管Vwm 25V红-蓝MOV1压敏电阻NFC，10D471KNFC10D471KOPT11光耦合器IF50ma，IFM1AEL817，B003VCEO35v,VECO6VN