路秋生

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100050)

1 對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的要求

LED驅(qū)動(dòng)電路的功能是把輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為適合驅(qū)動(dòng)LED的直流電壓，并同時(shí)完成LED工作電壓和電流的匹配，LED驅(qū)動(dòng)電源是影響LED光源工作可靠性和適應(yīng)性的一個(gè)重要因素，在設(shè)計(jì)時(shí)須認(rèn)真考慮。

對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路主要有以下要求。

(1)LED正常工作除了要有穩(wěn)定的工作電流，并且需要在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變化時(shí)能控制LED工作電流的大小;

(2)發(fā)光效率高是LED的優(yōu)點(diǎn)，同樣LED驅(qū)動(dòng)電路的工作效率也要求高，否則會(huì)影響LED照明的整體工作效率，而失去LED照明節(jié)能的優(yōu)點(diǎn);

(3)有效地控制LED照明電路的成本將有利于LED照明的推廣應(yīng)用;

(4)新型散熱材料的開發(fā)和高壓LED的開發(fā)是LED照明的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

2 SSL2108X的特點(diǎn)

SSL2108X可用于LED常規(guī)非調(diào)光照明和PWM調(diào)光照明或可控硅前沿/晶體管后沿相控調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，也可以用于LCD背光驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。SSL2108X是工作于臨界導(dǎo)通(BCM，又稱邊界導(dǎo)通)的降壓變換(Buck)控制集成電路。SSL2108X具有不低于±5%的電流控制精度，利用SSL2108X構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)電路工作效率高達(dá)95%。

采用SSL2108X構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)電路僅需14個(gè)元件，使用簡(jiǎn)單方便，降低了LED燈終端用戶的擁有成本。

SSL2108X基于微型化、集成化和效率化理念設(shè)計(jì)，SSL2108X參考PCB面積僅為18 mm×22 mm，支持降壓或降壓/升壓工作模式。利用直接脈沖寬度調(diào)制(PWM)可以支持調(diào)光控制，具有外部溫度反饋、欠電壓鎖定(UVLO)、前沿消隱(LEB)、過電流保護(hù)(OCP)、掉電保護(hù)等多種保護(hù)功能。有助于LED替換燈生產(chǎn)制造商降低實(shí)際應(yīng)用尺寸和成本，推出結(jié)構(gòu)更小的LED照明應(yīng)用設(shè)備。

SSL21081為SO8封裝，內(nèi)含耐壓300 V的MOSFET功率開關(guān)管，主要用于交流輸入市電電壓為100～120 V，輸出功率不大于 8 W的應(yīng)用場(chǎng)合。SSL21082為SO14封裝，內(nèi)含耐壓300 V的MOSFET功率開關(guān)管，主要用于交流輸入市電電壓為100～120 V，輸出功率不大于15 W的應(yīng)用場(chǎng)合。SSL21083為SO8封裝，內(nèi)含耐壓600 V的MOSFET功率開關(guān)管，主要用于交流輸入市電電壓為100/230 V，輸出功率不大于8 W的應(yīng)用場(chǎng)合。SSL21084為SO14封裝，內(nèi)含MOSFET功率開關(guān)管，主要用于交流輸入市電電壓為100/230 V，輸出功率不大于15 W的應(yīng)用場(chǎng)合。SSL2109內(nèi)含控制電路，外置MOSFET功率開關(guān)管，可用于寬交流輸入電壓供電和較高輸出功率的應(yīng)用場(chǎng)合。SSL2108X平臺(tái)的有關(guān)器件性能對(duì)比如表1所示。

表1 SSL2108X平臺(tái)的有關(guān)器件性能對(duì)比

(1)SSL2108X的特點(diǎn)

SSL2108X具有以下特點(diǎn)。

1)可用于交流輸入市電供電的AC/DC降壓變換LED恒流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合。

2)工作效率高(高達(dá)95%)。

3)工作于臨界導(dǎo)通工作模式(BCM)。

4)所需的電感量小，相應(yīng)電感的體積也較小。

5)可用于直接PWM調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合。

6)通過逐周期電流控制可以實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)。

7)在最小總電容值的條件下，LED工作電流中交流市電頻率的紋波電流可以忽略。

8)對(duì)LED的正向電壓降無分級(jí)要求。

9)SSL2108X內(nèi)含以下保護(hù)功能。

①欠電壓鎖定輸出(UVLO);

②MOSFET管導(dǎo)通前沿消隱(LEB);

③輸出短路保護(hù)和輸出過電流保護(hù)(OCP);

④變壓器繞組短路保護(hù)(SWP);

⑤IC內(nèi)部過溫度保護(hù)(OTP)，可以利用外接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC完成溫度保護(hù);

⑥輸出短路保護(hù)和電感繞組短路保護(hù)(OSP);

⑦交流輸入市電電壓過低保護(hù)(掉電保護(hù))。

其中SWP和OSP為鎖定保護(hù)，解除這種保護(hù)需重新啟動(dòng)電路的工作，當(dāng) VCC低于復(fù)位電壓時(shí)，SSL2108X復(fù)位鎖定保護(hù)工作模式。而內(nèi)部的過溫度保護(hù)(OTP)和LED過溫度保護(hù)為自啟動(dòng)保護(hù)。

10)使用元件數(shù)量少，集成度高，可用于小形狀因子的應(yīng)用場(chǎng)合。

11)由于工作于ZCS工作模式，所以無需外接肖特基二極管。

12)具有軟啟動(dòng)功能。

13)SSL2108X的工作壽命和LED燈的工作壽命相匹配。

(2)SSL2108X的主要應(yīng)用場(chǎng)合

SSL2108X可用于以下的應(yīng)用場(chǎng)合。

1)用于LCD監(jiān)視器和電視機(jī)的LCD背光驅(qū)動(dòng);

2)PWM調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合;

3)7段顯示記分牌;

4)下射燈，各種通用照明的應(yīng)用場(chǎng)合;

5)交通信號(hào)燈的應(yīng)用場(chǎng)合。

在SSL2108X內(nèi)部設(shè)有先進(jìn)的 VCC供電電路，SSL2108X通過HV引腳由內(nèi)部的高壓電流源啟動(dòng)電路，啟動(dòng)后也可以通過接至漏極的耦合電容(如圖4中的電容C2)使SSL2108X由dV/dt供電，也可以通過接至VCC引腳的輔助繞組供電，在待機(jī)工作狀態(tài)，通過HV引腳有一個(gè)350 μA的工作電流。

SSL2108X的有關(guān)封裝圖如圖1和圖2所示，SSL2108X的引腳功能如表2所示。

表2 SSL2108X的引腳功能

圖1 SSL2108X的封裝圖

圖2 SSL2109的封裝圖

3 SSL2108X的內(nèi)部功能電路

SSL2108X的內(nèi)部功能電路和有關(guān)電路模塊如圖3所示，主要由6個(gè)功能模塊組成，他們是:

(1)和電源供電有關(guān)的模塊(JFET、電流源、VCC供電);

(2)和谷底檢測(cè)有關(guān)的模塊;

(3)內(nèi)置MOSFET功率開關(guān)管輸出(SSL2109的外接MOSFET功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)輸出);

(4)MOSFET功率開關(guān)管源極檢測(cè)電路(利用MOSFET功率開關(guān)管源極電流進(jìn)行過電流和輸出短路檢測(cè)保護(hù));

圖3 SSL2108X的內(nèi)部功能電路和有關(guān)電路模塊

(5)NTC溫度保護(hù)電路、軟啟動(dòng)和PWM調(diào)光控制模塊;

(6)芯片的邏輯控制和保護(hù)電路。

SSL2108X的典型應(yīng)用電路工作原理圖如圖4所示。圖4中接至第③引腳的電容用于VCC儲(chǔ)能和濾波，接至第⑤引腳電容用于dV/dt供電，接至第④引腳電阻NTC用于溫度保護(hù)、軟啟動(dòng)和PWM調(diào)光控制，接至第②引腳電阻用于過流保護(hù)和輸出短路保護(hù)，和LED并聯(lián)的電容用于儲(chǔ)能和去除LED工作電流的紋波。

圖4 SSL2108X的典型應(yīng)用電路工作原理圖

圖4所示電路中的NTC引腳具有以下控制功能。

1)過溫度保護(hù);

2)PWM調(diào)光控制;

3)通過一只和NTC引腳并聯(lián)的外接電容可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路軟啟動(dòng)。

MOSFET功率開關(guān)管源極電阻R2的參數(shù)可以按下式選擇。

有

電感L的電感量決定電路的開關(guān)工作頻率，有下式成立:

4 SSL2108X的工作波形和有關(guān)功能電路

(1)SSL2108X的工作波形

SSL2108X工作于邊界導(dǎo)通(BCM)、峰值電流控制的Buck變換工作模式，有關(guān)工作波形和谷底檢測(cè)波形如圖5所示，在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間電能存儲(chǔ)于電感L中，當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通瞬間電感電流Ii為零，所以電感中的電流線性上升，電感電流的幅度正比于電壓(VIN～VOUT)，當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流通過續(xù)流二極管和電容繼續(xù)流通，電流幅值線性下降，LED的工作電流基本上是峰值開關(guān)電流的1/2。一旦電感電流為0，一個(gè)新的開關(guān)工作周期開始。

圖5 工作于Buck變換的有關(guān)工作波形

(2)電路的工作頻率

電路的最高工作頻率為200 kHz，所以在選用電感的參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮給定的供電電壓范圍、LED的工作電壓、電流和有關(guān)元器件參數(shù)。

(3)零電流檢測(cè)(谷底檢測(cè))

如圖5所示，在t1時(shí)刻在SSL2108X的SOURCE引腳檢測(cè)到峰值電流，功率開關(guān)管關(guān)斷并持續(xù)到t3時(shí)刻，t3時(shí)刻電感電流下降為0，功率開關(guān)管的漏極電壓開始在VIN～VOUT的范圍內(nèi)變化。在SSL2108X內(nèi)部集成了谷底檢測(cè)電路，用以檢測(cè)功率開關(guān)管的漏極電壓是否達(dá)到了最低值，然后開始下一個(gè)開關(guān)工作周期，如果電路的開關(guān)工作頻率和電壓變化范圍在規(guī)定的范圍內(nèi)，電路的開關(guān)功耗可以做得非常低。

(4)SSL2108X的SWP和OSP保護(hù)

SSL2108X的SWP(變壓器繞組短路保護(hù))和OSP(輸出短路保護(hù))為鎖定保護(hù)，解除這種保護(hù)需重新啟動(dòng)電路的工作。

如果通過MOSFET功率開關(guān)管源極SOURCE引腳的電流過大時(shí)電感繞組短路保護(hù)(SWP)功能動(dòng)作，例如，電路中的續(xù)流二極管短路就可能出現(xiàn)這種情況。同時(shí)，接至輸入和漏極之間的電感短路也會(huì)出現(xiàn)這種情況，如果MOSFET功率開關(guān)管源極SOURCE引腳的電壓大于1.5 V，則在前沿消隱(LEB)時(shí)間后觸發(fā)電感繞組短路保護(hù)(SWP)控制功能。同時(shí)，如果Vcc低于復(fù)位電壓時(shí)SSL2108X復(fù)位鎖定保護(hù)工作模式。

如果第二個(gè)開關(guān)周期在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到谷底，表明輸出電壓低于允許的最低電壓值，這種情況在電路啟動(dòng)或由于輸出短路都有可能發(fā)生，這時(shí)內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器電路開始工作，這個(gè)定時(shí)器電路僅在下一個(gè)有效的谷底檢測(cè)出現(xiàn)時(shí)才會(huì)停止工作。如果在設(shè)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到谷底，表明有短路情況，電路不會(huì)啟動(dòng)，SSL2108X進(jìn)入鎖定保護(hù)工作狀態(tài)。如果Vcc低于復(fù)位電平則SSL2108X復(fù)位鎖定保護(hù)工作模式。在PWM調(diào)光工作模式，在功率開關(guān)管的關(guān)斷工作周期內(nèi)輸出短路保護(hù)(OSP)停止工作。

(5)SSL2108X的欠電壓鎖定輸出保護(hù)(UVLO)

當(dāng)SSL2108X的VCC引腳上電壓低于欠電壓鎖定輸出保護(hù)(UVLO)閾值電壓時(shí)，SSL2108X停止工作?？梢岳脕碜訦V引腳的高電壓來再啟動(dòng)SSL2108X的工作。

(6)前沿消隱(LEB)

為了避免電路沒用正確地檢測(cè)到變壓器繞組短路或過電流工作狀態(tài)，SSL2108X內(nèi)部設(shè)置了前沿消隱(LEB)電路，當(dāng)內(nèi)部MOSFET功率管開關(guān)工作時(shí)由于電容放電會(huì)在漏極和源極之間產(chǎn)生電流或電壓過沖，而在LEB時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)這種問題。

(7)過電流保護(hù)(OCP)

在SSL2108X內(nèi)部設(shè)有精確的峰值電流檢測(cè)電路，當(dāng)通過MOSFET功率開關(guān)管SOURCE的電流過高時(shí)，通過接至功率開關(guān)管SOURCE極引腳的電流檢測(cè)電阻可以檢測(cè)這個(gè)電流，檢測(cè)電路在經(jīng)歷前沿消隱(LEB)時(shí)間后開始動(dòng)作。由于LED的工作電流為開關(guān)峰值電流的1/2，過電流保護(hù)功能可以避免通過LED的工作電流超過允許的工作電流。在功率開關(guān)管的過電流檢測(cè)和關(guān)斷時(shí)間之間有一個(gè)延時(shí)時(shí)間。由于這個(gè)延時(shí)，實(shí)際的峰值電流要約大于由電流檢測(cè)電阻決定的過電流保護(hù)值。

(8)過溫度保護(hù)(OTP)

一旦SSL2108X的工作溫度超過允許的工作溫度時(shí)過溫度保護(hù)功能開始動(dòng)作，電路停止工作，一旦SSL2108X的工作溫度低于過溫度保護(hù)設(shè)定值時(shí)過溫度保護(hù)解除保護(hù)功能，電路重新開始工作。而內(nèi)部的OTP(過溫度保護(hù))和LED過溫度保護(hù)為自啟動(dòng)保護(hù)。

(9)交流輸入市電掉電保護(hù)

交流輸入市電掉電保護(hù)功能用于當(dāng)交流輸入市電電壓過低時(shí)為了限制LED的工作電流而設(shè)定的一種保護(hù)控制功能，在恒功率工作模式下，輸入電壓降低會(huì)導(dǎo)致輸入電流的增加，在SSL2108X內(nèi)部設(shè)有功率開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間限制的功能，以避免這種情況的出現(xiàn)。由于在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間通過電感的電流正比于輸入和輸出電壓差，使在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間通過電感的電流不會(huì)大于峰值電流。所以，通過LED的平均電流被限制了。

在SO12封裝的情況下，通過一個(gè)接至TONMAX引腳的電容可以縮短功率開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間，這個(gè)電容以電流ITONMAX充電，如果在功率開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間以前被充電到電壓VTONMAX，功率開關(guān)管關(guān)斷，如果沒有電容接到這個(gè)引腳，則會(huì)在低于毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到VTONMAX，在這種工作條件或TONMAX引腳接地的條件下，由電路內(nèi)部的時(shí)間常數(shù)決定功率開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間。

(10)VCC供電

SSL2108X可以采用以下供電工作模式。

1)在正常工作模式下，DVDT引腳上的電壓波動(dòng)被SSL2108X內(nèi)部電路整流為VCC引腳供電。

2)在啟動(dòng)期間，有一個(gè)接至HV引腳的內(nèi)部電流源，通過這個(gè)電流源為內(nèi)部電路供電，直至dV/dt供電或VCC引腳的外部電路(例如輔助繞組供電回路)可以正常地為SSL2108X電路供電。

3)外部電壓源可以接到 VCC引腳為 SSL2108X供電。

當(dāng)VCC引腳上的電壓高于SSL2108X的啟動(dòng)閾值電壓時(shí)，SSL2108X開始啟動(dòng)，當(dāng)VCC引腳上的電壓低于VCC的啟動(dòng)閾值電壓時(shí)SSL2108X的鎖定不工作，啟動(dòng)和停止之間的回滯電壓可以使SSL2108X通過緩沖電容供電，直至dV/dt供電建立。SSL2108X的VCC引腳內(nèi)部接有一只并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以箝位VCC引腳的電壓，如果dV/dt的最大供電電流減去SSL2108X消耗的電流(SSL2108X消耗的電流和功率開關(guān)MOSFET管的柵極驅(qū)動(dòng)電流有關(guān))低于IDD的最大值，則在dV/dt供電電路無需外加穩(wěn)壓二極管電路。

(11)DVDT供電

DVDT引腳連接至內(nèi)部的整流電路，當(dāng)一個(gè)幅度足夠高的交流電加到該引腳時(shí)，SSL2108X可以無需其他的供電直接由該DVDT引腳提供的供電即可工作。

(12)NTC的功能和PWM調(diào)光

利用NTC引腳的電壓就可以判定電路的工作狀態(tài)(如圖6所示)，當(dāng)NTC引腳的電壓高于0.5 V時(shí)，電路正常工作，當(dāng)NTC引腳的電壓低于0.5 V高于0.35 V時(shí)，輸出電流開始下降至1/2輸出峰值電流IP，當(dāng)NTC引腳的電壓為0.3 V時(shí)，芯片啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器電路，如果在100 μs的時(shí)間內(nèi)還未降低到0.2 V，則電路認(rèn)為出現(xiàn)了過溫度故障，如果在100 μs的時(shí)間內(nèi)降低到了0.2 V，則電路認(rèn)為是處于PWM調(diào)光工作狀態(tài)。

圖6 NTC的控制曲線

(13)軟啟動(dòng)功能

NTC引腳可以用于軟啟動(dòng)控制，在導(dǎo)通期間NTC引腳上的電壓為低電壓，和NTC電阻并接一只電容就可以確定一個(gè)時(shí)間常數(shù)。這個(gè)時(shí)間常數(shù)可以使NTC引腳的電壓緩慢上升，當(dāng)越過電平0.35 V并達(dá)到這個(gè)電平時(shí)(如圖6中的3所示)，變換器開始以1/2最大電流工作，輸出電流緩慢增加(如圖6中的4所示)。

5 SSL2108X的散熱

SSL2108X使用時(shí)需用散熱片，它利用有關(guān)地引腳(例如②，⑥，⑦，⑩和[11]引腳)把SSL2108X的熱傳導(dǎo)到PCB板的覆銅皮上，做好散熱片的熱連接、加大散熱面積有助于減小熱阻，改善電路的散熱效果，確保電路可靠工作。

式(7)表示最大允許功耗、最高結(jié)溫、環(huán)境溫度與熱阻的關(guān)系。

式中:

Rth(j-a)=PN結(jié)與環(huán)境之間的熱阻;

Tj(max)=最高結(jié)溫;

Tamb=環(huán)境溫度。

熱阻Rth(j-a)是PCB板面積、熱材料的傳熱特性的函數(shù)，如圖7所示。

圖7 熱阻Rth(j-a)與電路板散熱尺寸之間的關(guān)系曲線

6 SSL2108X的典型應(yīng)用電路

采用SSL2108X的典型應(yīng)用電路如圖8所示，采用SSL21081或SSL21082的19 W～22 W寬范圍交流市電供電的LED驅(qū)動(dòng)電路板元件面和印刷電路板面實(shí)物圖如圖9和圖10所示，圖9和圖10所示的電路可用于可控硅前沿/后沿晶體管調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖8 SSL21081/SSL21083用于Buck變換器的電路原理圖

圖9 采用SSL21081或SSL21082的LED驅(qū)動(dòng)電路板元件面

圖10 采用SSL21081或SSL21082的LED驅(qū)動(dòng)電路印刷電路板面

7 SSL2108X使用中EMC需注意的有關(guān)問題

(1)利用Π型濾波器可以解決EMC問題;

(2)Π型濾波器僅提供差模濾波功能;

(3)共模信號(hào)和高頻信號(hào)對(duì)周圍的耦合有關(guān)(例如，漏極、較少串?dāng)?shù)的 LED串)，所以電路結(jié)構(gòu)很重要。

具體使用時(shí)需注意以下問題。

(1)平衡Π型濾波器可以提供很好的EMC特性;

(2)濾波電容器的選用是件很重要的事，薄膜電容在高頻時(shí)具有較低的等效串聯(lián)電阻(ESR)，如需要可以用作旁路電容;

(3)選用Π型濾波器的截止頻率低于變換器工作頻率的1/10～1/20。

8 電路板布局的考慮(由于電路板的小形狀因數(shù)要求)

(1)確保電路板高電壓和低電壓電路之間的布線距離;

(2)確保電路板的干凈;

(3)布線之間要有一定的間距，以減小電路之間的電感耦合;

(4)電路布線的電流回路要短;

(5)可以借助于PCB地線的銅皮地作為電路板的散熱路徑。

［1］NXP SSL2108X平臺(tái)，Power＆Lighting Solutions September 28，2011，PPT

［2］SSL2108X，Drivers for LED lighting，Rev.1，9 September 2011，Preliminary data sheet，NXP Semiconductors

［3］UM10468，SSL2108X buck evaluation board，Rev.1-30 August 2011 User manual

［4］UM10482，SSL21081 LED driver reference board，Rev.1.1-30 August 2011 User manual

［5］AN10876，Buck converter for SSL applications，Rev.2-23 June 2011 Application note

［6］AN10912，SMPS EMC and layout guidelines，Rev.1-18 February 2011 Application note

［7］AN11041，SSL2108X driver for SSL applications，Rev.1.2-1 July 2011 Application note

［8］http://www.cn.nxp.com/campaigns/greenchip/

［9］基于GreenChip的緊湊非調(diào)光LED燈解決方案，EDN CHINA 2012.12

［10］UM10386，SSL2102 19W-22W mains dimmable LED driver，Rev.2-1 February 2011，User manual