基于SSL2101T的LED可控硅調光驅動電路設計

周壯麗

(上海亮碩光電子科技有限公司，上海 201112)

引言

作為新型高效光源，LED具有發光效率高、使用壽命長、節能環保、響應快速等優點，被廣泛用于普通照明、汽車照明、景觀照明等領域。LED驅動器分為隔離型和非隔離型，非隔離型包括BUCK、BOOST、ZATA等拓撲結構，隔離型包括反激式、諧振式等拓撲結構[1]。

可控硅調光器亦稱TRIAC調光器(TRIode AC，三端雙向開關)，最早用在白熾燈和鹵素燈的調光，其工作原理是通過對輸入交流電波形進行切割，改變輸入交流電的有效值，從而調節電網傳遞給負載的能量，改變輸出功率，從而調節白熾燈的亮度。可控硅調光器具有巨大的節能效益，與TRIAC兼容的LED調光驅動技術目前成為了一個熱點[2]。

本文研究了LED可控硅調光驅動技術，設計了一款支持常規TRIAC的7W反激式LED驅動器，實驗結果表明電路具有良好的調光效果和較高的效率，實現了預期目標。

1 原理與設計

1.1 可控硅調光器的工作原理

可控硅調光器的典型內部結構如圖1所示，包括雙向晶體管TRIAC，雙向觸發二極管DIAC，可調電阻RP，限流電阻R和電容C。設雙向觸發二極管DIAC的轉折電壓為UBO，交流電在正半周時通過電阻RP和R給電容C充電，當電容C兩端電壓UC達到UBO時，雙向觸發二極管DIAC立即導通，觸發雙向晶體管TRIAC導通；交流電在負半周時，亦是通過給電容C充電觸發雙向晶體管TRIAC導通。如圖2所示，設從晶閘管開始承受正向電壓起到開始導通這一角度為控制角α，晶閘管導通的角度為導通角θ，θ=π-α。

因此，改變控制角α的大小即改變了負載上的電壓波形，就改變了整流輸出的直流平均電壓。在圖1電路中，設給電容C充電的電流為i，則：

(1)

式中，UAC為輸入交流電壓，RP為可調電阻，R為限流電阻，1/Cs為電容C的復阻抗。

(2)

根據公式(2)可知，RP增大，則Δt增大，即α=ω·Δt增大(0<α<π)。

圖1 可控硅調光器的電路原理Fig.1 typical circuit of TRIAC

圖2 TRIAC斬波后的交流電壓波形Fig.2 AC voltage curve after TRIAC

1.2 LED可控硅調光驅動電路

基于SSL2101T芯片設計了一款支持常規可控硅調光器的反激式LED驅動電路，電壓輸入為180V～240V，額定輸出電壓、電流為20V/350mA，額定負載為7W，用于驅動6個1W/350mA的大功率白光LED，電路基本結構如圖3所示。

U1為整流橋，R1、R2和C3組成電阻分壓采樣電路，對斬波整流后的直流脈動電壓有效值進行采樣，R6、R7為限流電阻。R3、R4為泄放電阻，R3可以在輸入電流較低時作為額外的電流回路，保持可控硅調光器的正常導通；R4用于調光器的過零重啟和可控硅鎖存。R5、R8和C4組成振蕩電路，用于設定開關頻率的上限和下限；R9、C5和D5組成RCD鉗位電路，吸收漏感電壓尖峰以保護開關管。T1為高頻開關變壓器，D6為輔助邊整流二極管，D7為輸出整流二極管，R14與R15為輸入電流采樣電阻；R17、R19為輸出電壓采樣電阻，與R16、R18、TL431和光耦PC817A組成輸出過壓保護電路。

圖3 LED可控硅調光驅動電路結構簡圖Fig.3 LED driving circuit for TRIAC

1.3 LED可控硅調光控制

LED可控硅調光控制常用的方法是，通過檢測整流橋后直流脈動電壓相位角或有效值的變化，來相應地控制開關頻率或占空比的變化，以改變輸出電壓和電流。這里使用NXP公司的SSL2101T芯片，在圖3中R1、R2和C3組成調光檢測電路，檢測整流橋輸出的直流脈動電壓的平均值，將該電壓平均值轉化為一個平滑的的直流電壓信號作為亮度控制電壓(VBRIGHTNESS)送給芯片。

2 電路參數分析與設計

2.1 變壓器的設計

驅動電路的額定輸出功率為7W，額定輸出電壓20V，因此選擇PC40材質的EE-20型變壓器磁芯，Bmax=0.275T，Ae=32mm2。考慮到輸入電壓變化較大，輸出電流要保持穩定，這里采用了SSL2101T芯片應用手冊AN10754[3]給出的變壓器匝數比計算公式：

(3)

代入數據得：N=4.6。

設占空比為δ1，次級邊放電時間占開關周期比例δ2，次級邊峰值電流IS，原邊峰值電流IP，原邊電感LP，原邊線圈匝數NP，次級邊線圈匝數NS，輔助邊線圈匝數Naux，則根據計算公式(4)～(10)：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，Pin=Pout/η=7.0/0.8=8.75W為輸入功率，η=0.8為轉換效率；fconv=100kHz為額定工作頻率，fring=300kHz為振鈴頻率，Vbuff(avg)=265V為交流電整流濾波平均電壓，VD=0.7V為輸出整流二極管D7的正向壓降，ILED=350mA為輸出電流。

代入相關數據得：δ1=25.3%，δ2=58.0%，IS=1.207A，IP=0.2624A，LP=2.56mH，NP=69，NS=15，Naux=22。

2.2 振蕩器的設計

外接振蕩器的頻率由電阻R5、R8和電容C4設定。計算公式為：

(11)

式中fosc為振蕩器頻率，tcharge為電容充電時間1μs。

設調光范圍為100%～5%，額定工作頻率為100kHz，則工作頻率范圍為100kHz～5kHz。把fosc=100kHz代入公式(10)得：RC=2.5714μs。取C=680pF，則R8=3.9kΩ；把fosc=5kHz代入公式(11)得R5=84kΩ。

2.3 原邊峰值電流的設定

電阻R15用于設定原邊峰值電流和最大輸入功率，閾值電壓為0.5V。計算公式如下：

(12)

代入相關數據得：R15=1.91Ω。

3 實驗結果與分析

實驗條件：輸入交流電壓180～240V，串聯接入可控硅調光器，負載為6個350mA/3.3V的LED燈珠串聯。

220V市電額定輸入下，輸出電壓為20.08V，輸出電流為347.7mA，電壓紋波為1.2V，還是較小的，如圖4所示。

圖4 輸出電壓波形截圖Fig.4 Output voltage curve

調節可控硅調光器旋鈕，位置5表示調光器導通角為最大(θ≈π)時，位置0表示調光器導通角為最小(θ≈0)時。由圖5可知，調光曲線近似對數曲線，調光范圍為0～347.7mA，調光過程無閃爍。

圖6示出不同輸入電壓下的輸出電流，當輸入電壓從180V增加到240V時，輸出電流從200.2mA近似線性地增加到385.4mA。這是因為，輸入電壓有效值的變化會引起亮度控制電壓VBRIGHTNESS變化，而VBRIGHTNESS的變化則會引起開關頻率和占空比同時變化，從而引起輸出電流的變化。在220V輸入電壓條件下，調節可控硅調光器旋鈕，改變亮度控制電壓VBRIGHTNESS，則VBRIGHTNESS與輸出電流Io的關系如圖7所示。

圖5 可控硅調光曲線Fig.5 Output current vs. tuning position

圖6 輸入交流電壓與輸出電流的關系Fig.6 Input AC voltage vs. output current

圖7 亮度控制電壓與輸出電流關系Fig.7 Control voltage for brightness vs. output current

5 結論

本文設計了一款基于SSL2101T的LED可控硅調光驅動電路。實驗結果表明，在220V額定輸入時，使用外接可控硅調光器，輸出電流變化范圍為0～347.7mA，電流變化近似對數曲線，調光過程無閃爍，具有良好的調光效果，滿載時電路整體轉換

效率為73%，功率因數為0.762。此電路具有結構簡單、成本低、效率和功率因數較好、支持常規可控硅調光器等優點，適合作為替換型小功率LED驅動器。

[1] YU Liu,YANG Jinming.The Topologies of White LED Lamps’ Power Drivers[A]. 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications[C]. 2009:1-6.

[2] Dustin R, Brad L, Anatoly S. Issues, Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps[A]. IEEE 38th Annual Power Electronics Specialists Conference[C]. 2007:1398-1404.

[3] NXP Semiconductors N.V. AN10754 SSL2101 and SSL2102 dimmable mains LED driver[EB/OL].[2010-11-22].http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10754.pdf.

[4] 郭津,葛良安,毛昭祺,等.用于傳統雙向可控硅(TRIAC)調光器的LED驅動方案比較[J]. 照明工程學報，2011，22(4)：65.

[5] 李慧,吳建德,鄧焰,等.基于Zigbee網絡和驅動LM3409HV的LED調光系統[J]. 照明工程學報，2011，22(4)：46.