LED驅動控制集成電路SSL2108X與應用

路秋生

(北京信息職業技術學院，北京100050)

1 對LED驅動電路的要求

LED驅動電路的功能是把輸入交流電壓轉換為適合驅動LED的直流電壓，并同時完成LED工作電壓和電流的匹配，LED驅動電源是影響LED光源工作可靠性和適應性的一個重要因素，在設計時須認真考慮。

對LED驅動電路主要有以下要求。

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

(2)發光效率高是LED的優點，同樣LED驅動電路的工作效率也要求高，否則會影響LED照明的整體工作效率，而失去LED照明節能的優點;

(3)有效地控制LED照明電路的成本將有利于LED照明的推廣應用;

(4)新型散熱材料的開發和高壓LED的開發是LED照明的一個發展趨勢。

2 SSL2108X的特點

SSL2108X可用于LED常規非調光照明和PWM調光照明或可控硅前沿/晶體管后沿相控調光LED驅動的應用場合，也可以用于LCD背光驅動的應用場合。SSL2108X是工作于臨界導通(BCM，又稱邊界導通)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構成的LED驅動電路工作效率高達95%。

采用SSL2108X構成的LED驅動電路僅需14個元件，使用簡單方便，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計，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制(PWM)可以支持調光控制，具有外部溫度反饋、欠電壓鎖定(UVLO)、前沿消隱(LEB)、過電流保護(OCP)、掉電保護等多種保護功能。有助于LED替換燈生產制造商降低實際應用尺寸和成本，推出結構更小的LED照明應用設備。

SSL21081為SO8封裝，內含耐壓300 V的MOSFET功率開關管，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的應用場合。SSL21082為SO14封裝，內含耐壓300 V的MOSFET功率開關管，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的應用場合。SSL21083為SO8封裝，內含耐壓600 V的MOSFET功率開關管，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的應用場合。SSL21084為SO14封裝，內含MOSFET功率開關管，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的應用場合。SSL2109內含控制電路，外置MOSFET功率開關管，可用于寬交流輸入電壓供電和較高輸出功率的應用場合。SSL2108X平臺的有關器件性能對比如表1所示。

表1 SSL2108X平臺的有關器件性能對比

(1)SSL2108X的特點

SSL2108X具有以下特點。

1)可用于交流輸入市電供電的AC/DC降壓變換LED恒流驅動應用場合。

2)工作效率高(高達95%)。

3)工作于臨界導通工作模式(BCM)。

4)所需的電感量小，相應電感的體積也較小。

5)可用于直接PWM調光的應用場合。

6)通過逐周期電流控制可以實現快速的瞬態響應。

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LED的正向電壓降無分級要求。

9)SSL2108X內含以下保護功能。

①欠電壓鎖定輸出(UVLO);

②MOSFET管導通前沿消隱(LEB);

③輸出短路保護和輸出過電流保護(OCP);

④變壓器繞組短路保護(SWP);

⑤IC內部過溫度保護(OTP)，可以利用外接負溫度系數熱敏電阻NTC完成溫度保護;

⑥輸出短路保護和電感繞組短路保護(OSP);

⑦交流輸入市電電壓過低保護(掉電保護)。

其中SWP和OSP為鎖定保護，解除這種保護需重新啟動電路的工作，當 VCC低于復位電壓時，SSL2108X復位鎖定保護工作模式。而內部的過溫度保護(OTP)和LED過溫度保護為自啟動保護。

10)使用元件數量少，集成度高，可用于小形狀因子的應用場合。

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的主要應用場合

SSL2108X可用于以下的應用場合。

1)用于LCD監視器和電視機的LCD背光驅動;

2)PWM調光的應用場合;

3)7段顯示記分牌;

4)下射燈，各種通用照明的應用場合;

5)交通信號燈的應用場合。

在SSL2108X內部設有先進的 VCC供電電路，SSL2108X通過HV引腳由內部的高壓電流源啟動電路，啟動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，在待機工作狀態，通過HV引腳有一個350 μA的工作電流。

SSL2108X的有關封裝圖如圖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的內部功能電路

SSL2108X的內部功能電路和有關電路模塊如圖3所示，主要由6個功能模塊組成，他們是:

(1)和電源供電有關的模塊(JFET、電流源、VCC供電);

(2)和谷底檢測有關的模塊;

(3)內置MOSFET功率開關管輸出(SSL2109的外接MOSFET功率開關管驅動輸出);

(4)MOSFET功率開關管源極檢測電路(利用MOSFET功率開關管源極電流進行過電流和輸出短路檢測保護);

圖3 SSL2108X的內部功能電路和有關電路模塊

(5)NTC溫度保護電路、軟啟動和PWM調光控制模塊;

(6)芯片的邏輯控制和保護電路。

SSL2108X的典型應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、軟啟動和PWM調光控制，接至第②引腳電阻用于過流保護和輸出短路保護，和LED并聯的電容用于儲能和去除LED工作電流的紋波。

圖4 SSL2108X的典型應用電路工作原理圖

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;

2)PWM調光控制;

3)通過一只和NTC引腳并聯的外接電容可以實現驅動電路軟啟動。

MOSFET功率開關管源極電阻R2的參數可以按下式選擇。

有

電感L的電感量決定電路的開關工作頻率，有下式成立:

4 SSL2108X的工作波形和有關功能電路

(1)SSL2108X的工作波形

SSL2108X工作于邊界導通(BCM)、峰值電流控制的Buck變換工作模式，有關工作波形和谷底檢測波形如圖5所示，在功率開關管導通期間電能存儲于電感L中，當功率開關管導通瞬間電感電流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)，當功率開關管關斷時，電流通過續流二極管和電容繼續流通，電流幅值線性下降，LED的工作電流基本上是峰值開關電流的1/2。一旦電感電流為0，一個新的開關工作周期開始。

圖5 工作于Buck變換的有關工作波形

(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時應考慮給定的供電電壓范圍、LED的工作電壓、電流和有關元器件參數。

(3)零電流檢測(谷底檢測)

如圖5所示，在t1時刻在SSL2108X的SOURCE引腳檢測到峰值電流，功率開關管關斷并持續到t3時刻，t3時刻電感電流下降為0，功率開關管的漏極電壓開始在VIN～VOUT的范圍內變化。在SSL2108X內部集成了谷底檢測電路，用以檢測功率開關管的漏極電壓是否達到了最低值，然后開始下一個開關工作周期，如果電路的開關工作頻率和電壓變化范圍在規定的范圍內，電路的開關功耗可以做得非常低。

(4)SSL2108X的SWP和OSP保護

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

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

如果第二個開關周期在關斷時間內沒有檢測到谷底，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或由于輸出短路都有可能發生，這時內部的一個定時器電路開始工作，這個定時器電路僅在下一個有效的谷底檢測出現時才會停止工作。如果在設定的檢測時間內沒有檢測到谷底，表明有短路情況，電路不會啟動，SSL2108X進入鎖定保護工作狀態。如果Vcc低于復位電平則SSL2108X復位鎖定保護工作模式。在PWM調光工作模式，在功率開關管的關斷工作周期內輸出短路保護(OSP)停止工作。

(5)SSL2108X的欠電壓鎖定輸出保護(UVLO)

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

(6)前沿消隱(LEB)

為了避免電路沒用正確地檢測到變壓器繞組短路或過電流工作狀態，SSL2108X內部設置了前沿消隱(LEB)電路，當內部MOSFET功率管開關工作時由于電容放電會在漏極和源極之間產生電流或電壓過沖，而在LEB時間內不會出現這種問題。

(7)過電流保護(OCP)

在SSL2108X內部設有精確的峰值電流檢測電路，當通過MOSFET功率開關管SOURCE的電流過高時，通過接至功率開關管SOURCE極引腳的電流檢測電阻可以檢測這個電流，檢測電路在經歷前沿消隱(LEB)時間后開始動作。由于LED的工作電流為開關峰值電流的1/2，過電流保護功能可以避免通過LED的工作電流超過允許的工作電流。在功率開關管的過電流檢測和關斷時間之間有一個延時時間。由于這個延時，實際的峰值電流要約大于由電流檢測電阻決定的過電流保護值。

(8)過溫度保護(OTP)

一旦SSL2108X的工作溫度超過允許的工作溫度時過溫度保護功能開始動作，電路停止工作，一旦SSL2108X的工作溫度低于過溫度保護設定值時過溫度保護解除保護功能，電路重新開始工作。而內部的OTP(過溫度保護)和LED過溫度保護為自啟動保護。

(9)交流輸入市電掉電保護

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

在SO12封裝的情況下，通過一個接至TONMAX引腳的電容可以縮短功率開關管的最大導通時間，這個電容以電流ITONMAX充電，如果在功率開關管的最大導通時間以前被充電到電壓VTONMAX，功率開關管關斷，如果沒有電容接到這個引腳，則會在低于毫秒級的時間內達到VTONMAX，在這種工作條件或TONMAX引腳接地的條件下，由電路內部的時間常數決定功率開關管的最大導通時間。

(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引腳上的電壓波動被SSL2108X內部電路整流為VCC引腳供電。

2)在啟動期間，有一個接至HV引腳的內部電流源，通過這個電流源為內部電路供電，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VCC引腳上的電壓高于SSL2108X的啟動閾值電壓時，SSL2108X開始啟動，當VCC引腳上的電壓低于VCC的啟動閾值電壓時SSL2108X的鎖定不工作，啟動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引腳內部接有一只并聯穩壓二極管，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MOSFET管的柵極驅動電流有關)低于IDD的最大值，則在dV/dt供電電路無需外加穩壓二極管電路。

(11)DVDT供電

DVDT引腳連接至內部的整流電路，當一個幅度足夠高的交流電加到該引腳時，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調光

利用NTC引腳的電壓就可以判定電路的工作狀態(如圖6所示)，當NTC引腳的電壓高于0.5 V時，電路正常工作，當NTC引腳的電壓低于0.5 V高于0.35 V時，輸出電流開始下降至1/2輸出峰值電流IP，當NTC引腳的電壓為0.3 V時，芯片啟動一個定時器電路，如果在100 μs的時間內還未降低到0.2 V，則電路認為出現了過溫度故障，如果在100 μs的時間內降低到了0.2 V，則電路認為是處于PWM調光工作狀態。

圖6 NTC的控制曲線

(13)軟啟動功能

NTC引腳可以用于軟啟動控制，在導通期間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時間常數。這個時間常數可以使NTC引腳的電壓緩慢上升，當越過電平0.35 V并達到這個電平時(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使用時需用散熱片，它利用有關地引腳(例如②，⑥，⑦，⑩和[11]引腳)把SSL2108X的熱傳導到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、最高結溫、環境溫度與熱阻的關系。

式中:

Rth(j-a)=PN結與環境之間的熱阻;

Tj(max)=最高結溫;

Tamb=環境溫度。

熱阻Rth(j-a)是PCB板面積、熱材料的傳熱特性的函數，如圖7所示。

圖7 熱阻Rth(j-a)與電路板散熱尺寸之間的關系曲線

6 SSL2108X的典型應用電路

采用SSL2108X的典型應用電路如圖8所示，采用SSL21081或SSL21082的19 W～22 W寬范圍交流市電供電的LED驅動電路板元件面和印刷電路板面實物圖如圖9和圖10所示，圖9和圖10所示的電路可用于可控硅前沿/后沿晶體管調光的應用場合。

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驅動電路板元件面

圖10 采用SSL21081或SSL21082的LED驅動電路印刷電路板面

7 SSL2108X使用中EMC需注意的有關問題

(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)共模信號和高頻信號對周圍的耦合有關(例如，漏極、較少串數的 LED串)，所以電路結構很重要。

具體使用時需注意以下問題。

(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，薄膜電容在高頻時具有較低的等效串聯電阻(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，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