基于SSL2129AT的新型隔離式PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路

付賢松，任夢奇

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；2．天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

基于SSL2129AT的新型隔離式PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路

付賢松1，任夢奇2

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；2．天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

設(shè)計(jì)一種基于SSL2129AT的PWM占空比控制驅(qū)動(dòng)電源輸出電流大小的隔離式電路，電路設(shè)計(jì)需求輸入電壓為交流90～265 V，輸出電壓80 V，輸出電流400 mA，調(diào)光范圍2%～100%，效率高于85%，PF值高于0.9，在該要求下提出了詳細(xì)的調(diào)光控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，給出了設(shè)計(jì)參數(shù)和測試結(jié)果，通過測試結(jié)果驗(yàn)證了所給出設(shè)計(jì)方案的可行性.

LED驅(qū)動(dòng)；PWM；調(diào)光；占空比；隔離

新型的大功率LED照明作為一種節(jié)能、綠色的照明方式正在取代傳統(tǒng)的氣體放電燈和白熾燈[1].隨著LED工藝的不斷進(jìn)步，對相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)也提出了更高的要求，尤其是可控制的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).通常，LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光方式有3種：可控硅調(diào)光、模擬調(diào)光、PWM調(diào)光[2].模擬調(diào)光是通過改變輸出電流的幅值來實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，電路簡單易實(shí)現(xiàn)，但會產(chǎn)生LED色溫漂移的現(xiàn)象，且調(diào)節(jié)精度低.可控硅調(diào)光是通過調(diào)節(jié)電流導(dǎo)通角大小來調(diào)節(jié)輸出功率大小，以實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，但調(diào)節(jié)時(shí)，LED閃爍問題比較嚴(yán)重.PWM調(diào)光是在輸出端以足夠高的頻率工作，通過設(shè)置周期和占空比來改變輸出電流的平均值，其輸出電流只有2種狀態(tài)：最大額定工作電流和零電流[3].因此PWM調(diào)光可以保證LED的色溫恒定，同時(shí)配合MCU控制器，大大提高調(diào)節(jié)精確度，有效避免LED閃爍.

本文提出基于SSL2129AT的新型的隔離式PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路，對驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并制作了一款樣機(jī)來進(jìn)行驗(yàn)證.

1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求和EMI設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

輸入電壓為交流90～265 V，額定值220 V，輸出電壓為直流80 V，輸出電流400 mA，調(diào)光范圍2%～ 100%，在額定輸入下，PF＞0.9，效率高于85%，調(diào)光時(shí)整個(gè)電路穩(wěn)定工作.

1.2 硬件設(shè)計(jì)

可調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括EMI濾波電路、SSL2129AT轉(zhuǎn)換電路、STC單片機(jī)調(diào)光電路和5 V供電電路4部分組成.整體框圖如圖1所示.

圖1 電路整體框圖Fig.1 Block diagram of circuit

1.3 EMI濾波器設(shè)計(jì)

EMI濾波器主要用來抑制來自電網(wǎng)中的電磁干擾，同時(shí)也抑制驅(qū)動(dòng)器自身產(chǎn)生的對電網(wǎng)的高頻干擾.干擾主要分為共模干擾和差模干擾[4].EMI濾波器的電路如圖2所示.

圖2 EMI電路圖Fig.2 Schematic diagram of EMI filter

圖2主要包括一個(gè)共模電感L1和4個(gè)濾波電容CY1、CY2、CX1和CX2.L1對差模干擾不起作用，但出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于線圈的磁通方向相同，結(jié)果耦合后總電感量迅速增大，因此用來濾除共模干擾，再配合上CY1和CY2就能更好地消除共模干擾.CX1和CX2為差模電容，在扼流圈LX的兩端，能夠很好地濾除差模干擾.圖2中：差模電容為X電容；共模電容為Y電容；RV1為壓敏電阻；F1為保險(xiǎn)電阻.

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 SSL2129AT轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

SSL2129AT是恩智浦半導(dǎo)體推出的一款新型的電源驅(qū)動(dòng)芯片.主要優(yōu)點(diǎn)有：①控制器提供了高效率的臨界導(dǎo)通模式；②可進(jìn)行直接PWM調(diào)光；③通過逐周期的電流控制實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)；④可用在交流輸入切相調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)方案中，支持前沿、后沿的切相調(diào)光器；⑤完善的內(nèi)部保護(hù)功能，包括輸入欠壓保護(hù)、前沿消隱、輸出過電流保護(hù)、過溫保護(hù)和布朗輸出保護(hù)；⑥IC的壽命可以匹配或者超過LED的壽命.

主電路的電路原理圖如圖3所示.

圖3 SSL2129AT電路圖Fig.3 Schematic diagram of SSL2129AT

其工作原理是：當(dāng)開關(guān)管M1導(dǎo)通時(shí)，母線電壓經(jīng)過EMI濾波器、整流橋和LC濾波網(wǎng)絡(luò)之后，加載在TR1變壓器的原邊電感上，電感電流線性上升，此時(shí)二次側(cè)D4二極管截止，副邊電感儲能.輸出端由C5和C6兩個(gè)并聯(lián)電容向負(fù)載供電.當(dāng)M1關(guān)閉時(shí)，次級側(cè)的D4二極管導(dǎo)通，副邊電感通過D4向負(fù)載提供電流，同時(shí)也給C5和C6充電.隨著副邊電感電流下降到0后，副邊導(dǎo)通結(jié)束，開關(guān)管的漏極電壓和芯片的高壓端HV之間存在的差值使得芯片進(jìn)行谷底檢測，當(dāng)檢測到有效的谷底時(shí)，下一周期開始.在整個(gè)工作過程中，當(dāng)VCC電壓低于VCC(STOP)時(shí)，IC將停止工作.IC會通過HV引腳給VCC供電進(jìn)行重啟的嘗試.如果電路工作中有Source引腳的電壓達(dá)到Vth(ocp)source時(shí)，過流保護(hù)會被觸發(fā)，IC停止工作，這個(gè)流過開關(guān)mos管的電流通過在source引腳與GND之間加上電阻的方法來檢測.如果在工作過程中輸入電壓突然掉低到接近輸出電壓時(shí)，由于功率不變，輸入電流就會增加，且有可能超過電路所能承受的范圍，此時(shí)布朗輸出保護(hù)啟動(dòng)，在該保護(hù)狀態(tài)下，即便在輸入電壓掉低后的ton(high)時(shí)間內(nèi)，輸入電流也不會達(dá)到峰值電流.ton(high)的這個(gè)時(shí)間是可以通過在Tonmod引腳結(jié)電容的方法進(jìn)行調(diào)節(jié).

2.2 反激變壓器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)需遵眾多規(guī)則，必須注意設(shè)計(jì)順序.首先應(yīng)確定匝比Np/Ns，因?yàn)樵驯葲Q定了不考慮漏感尖峰時(shí)開關(guān)管可承受的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力VMS(max).若忽略漏感尖峰并設(shè)整流管壓降為1 V[5]，則直流輸入電壓最大時(shí)開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力為：

式（1）中：VDC(max)為最惡劣條件下的整流后線電壓值，即輸入范圍最大值；參數(shù)的選擇應(yīng)使VMS(max)盡量小，以保證即使有0.3 VDC(max)的漏感尖峰疊加于VMS(max)，對開關(guān)管的極限值仍留有30%的裕度.

保證變壓器正負(fù)伏秒數(shù)相等，伏秒數(shù)反應(yīng)的是磁通的變化量，且假設(shè)D4的正向?qū)▔航凳? V，則有：

式（2）中：Tr為變壓器的復(fù)位時(shí)間，也是次級電流降為零所需的時(shí)間；VDC(min)為經(jīng)過整流后的線電壓的最惡劣條件下的值，即范圍電壓最小值.

為保證電路工作于不連續(xù)模式，必須設(shè)定死區(qū)時(shí)間，即為原邊和次級繞組中都無電流的時(shí)間，留出0.05～0.1 T的裕度[6].已知負(fù)載電流過大或輸入VDC過低時(shí)，必須增加Ton來保持Vo恒定[7].Ton增加，必定會占用死區(qū)時(shí)間，而可能使副邊電流在M1再次導(dǎo)通前無法歸零，電路進(jìn)入連續(xù)模式.因此確定Ton(max)為：

式（3）中：T為周期.VDC和VMS確定后，Np/Ns可由式（1）求得，此時(shí)式（2）和式（3）中僅有2個(gè)未知量，將這2個(gè)式子聯(lián)立，可得

在得到了Ton和Tr之后[8]，占空比Dmax為：

根據(jù)電感公式和電感儲能公式得到原邊電感電流峰值和原邊電感量公式（6）和（7）：

根據(jù)變壓器的功率體積設(shè)計(jì)法[10]（即AP法），得到合適的磁芯骨架參數(shù).

根據(jù)楞次定理得到原邊最小匝數(shù)Np為：

式中：ΔB為最大磁通密度；A為磁芯有效截面積.

原邊導(dǎo)線截面積：

副邊導(dǎo)線截面積：

如考慮趨膚效應(yīng)，需采用多股線繞制，則單根導(dǎo)線截直徑應(yīng)滿足[7]：

根據(jù)推倒，樣機(jī)采用的變壓器為EE25骨架鐵氧磁芯，原邊85匝、副邊50匝、輔助邊10匝.本文中的其他變壓器的設(shè)計(jì)也采取該方法進(jìn)行設(shè)計(jì).

3 輔助電路及調(diào)光電路設(shè)計(jì)

3.1 5 V供電電路設(shè)計(jì)

CR1510是iwatt出品的一款小功率電源管理芯片.該芯片的優(yōu)點(diǎn)是：靜態(tài)功耗低，隔離設(shè)計(jì)無需光耦反饋，支持寬的輸入電壓范圍，內(nèi)置開關(guān)管，外圍器件少，是一款很好的線性電源替代產(chǎn)品，主要應(yīng)用在固態(tài)照明、低功率的充電器適配器、掌上電腦和數(shù)碼相機(jī)這些產(chǎn)品上.

在本設(shè)計(jì)中采用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輸出5 V給單片機(jī)及以后的擴(kuò)展模塊供電，其電路圖如圖4所示.

圖4 輔助電源5 V供電電路圖Fig.4 Auxiliary power supply 5 V power supply circuit

工作原理為：交流輸入通過整流橋及其濾波電路之后加到變壓器的原邊，原邊電感電流從IC的內(nèi)置三極管的集電極流入發(fā)射極流出，并在發(fā)射極與地之間加入檢測電阻來檢測電流的大小，反饋到Isense引腳.內(nèi)部的邏輯器控制基極的開關(guān)，從而控制一次側(cè)電路的通斷.同時(shí)，在三極管關(guān)斷期間，Vsense引腳檢測從次級側(cè)反饋回來的電壓，通過檢測的電阻的阻值比例關(guān)系，控制輸出電壓的大小實(shí)現(xiàn)恒壓.

檢測電阻R1、R2、R3與輸出電壓和輸出電流的確定關(guān)系為：

變壓器的參數(shù)為：EE13骨架鐵氧磁芯，原邊135匝，副邊9匝，輔助邊13匝.

3.2 基于STC單片機(jī)的調(diào)光電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用STC12C5616AD這款單片機(jī)，該單片機(jī)高速低功耗，片內(nèi)資源豐富[9].調(diào)光電路通過紅外遙控控制，經(jīng)過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，利用I/O口驅(qū)動(dòng)外置三極管電路.本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)外部16 MHz晶振，輸出波形頻率為300 Hz，通過A/D轉(zhuǎn)換獲得電壓值來控制比較寄存器的值，進(jìn)而控制PWM波形的占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)光.

4 測試結(jié)果

按照上述電路圖，設(shè)計(jì)了一款28 W可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器.整機(jī)實(shí)際測試的對應(yīng)數(shù)據(jù)如表1和表2，其中輔助電源數(shù)據(jù)如表1所示，調(diào)光電源數(shù)據(jù)如表2所示.

表1 輔助供電電源性能測試數(shù)據(jù)Tab.1 Auxiliary power supply performance test data

表2 調(diào)光電源性能測試數(shù)據(jù)Tab.2 Dimming power supply performance test data

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過對家用照明的需求分析，選取了PWM調(diào)光的LED調(diào)光方案，利用SSL2129AT作為主控芯片，CR1510和STC12C5616AD作為PWM發(fā)生電路，設(shè)計(jì)并制作了一款樣機(jī).要求能在輸入電壓為交流90～265 V，額定值220 V，輸出電壓為直流80 V，輸出電流400 mA，調(diào)光范圍2%～100%下穩(wěn)定工作，且在額定輸入下，要求PF＞0.9，效率高于85%.

結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)器的樣機(jī)能夠完成設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)高效率、高功率因數(shù)及寬范圍調(diào)光，是一款高性能的調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器.

[1]TJOKRORAHARDJO Andre.Simple Triac Dimmable CompactFluorescent Lamp Ballast and Light Emitting Diode Driver [C].25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conferenceand Exposition（APEC），2010，1352-1357.

[2]PATTERSON James.可調(diào)光LED：應(yīng)該選擇哪種方案[J].中國電子商情：基礎(chǔ)電子，2011（4）：55-58.

[3]田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2012，29（4）：465-468.

[4]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)：修訂版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5]劉毅莉，付賢松，張金建，等.一種有穩(wěn)定輸出的單端反激式LED開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（3）：52-55.

[6]翟國富，胡泊，張賓瑞.LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源可靠性容差設(shè)計(jì)技術(shù)的研究 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：135-140，153.

[7]PRESSMAN Abraham I，BILLINGS Keith，MOREY Taylor.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].3版.王志強(qiáng)，肖文勛，虞龍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8]葛濤，付賢松，牛萍娟.大功率LED路燈電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2011.

[9]楊巍巍.LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：陜西科技大學(xué)，2014.

A new isolation dimming LED driver based on SSL2129AT

FU Xian-song1，REN Meng-qi2
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

An isolation LED driver circuit based on SSL2129AT by PWM control is presented，the design of the dimming circuit is introduced in detail，the experimental parameters and test results are given.The isolation LED driver circuit is designed to meet the following requirements：input voltage of 90-265 V，output voltage 80 V，output current 400 mA，the dimming range of 2%-100%，the efficiency higher than 85%，PF value higher than 0.9.The results of the experiments verify the feasibility of the given design scheme which has promising application prospects in the field of domestic LED lamps.

LED driver；PWM；dimming；duty cycle；isolation

TN312.8

A

1671－024X（2015）05－0085－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.05.018

2015-01-26

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAE01B01）；天津市科技型中小企業(yè)創(chuàng)新資金項(xiàng)目（13ZXCXGX31700）

付賢松（1976—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閿?shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)、專用集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)和LED驅(qū)動(dòng)電源.E-mail：fuxians@163.com