基于SSL2101T的LED可控硅调光驱动电路设计

周壮丽

(上海亮硕光电子科技有限公司，上海 201112)

引言

作为新型高效光源，LED具有发光效率高、使用寿命长、节能环保、响应快速等优点，被广泛用于普通照明、汽车照明、景观照明等领域。LED驱动器分为隔离型和非隔离型，非隔离型包括BUCK、BOOST、ZATA等拓扑结构，隔离型包括反激式、谐振式等拓扑结构[1]。

可控硅调光器亦称TRIAC调光器(TRIode AC，三端双向开关)，最早用在白炽灯和卤素灯的调光，其工作原理是通过对输入交流电波形进行切割，改变输入交流电的有效值，从而调节电网传递给负载的能量，改变输出功率，从而调节白炽灯的亮度。可控硅调光器具有巨大的节能效益，与TRIAC兼容的LED调光驱动技术目前成为了一个热点[2]。

本文研究了LED可控硅调光驱动技术，设计了一款支持常规TRIAC的7W反激式LED驱动器，实验结果表明电路具有良好的调光效果和较高的效率，实现了预期目标。

1 原理与设计

1.1 可控硅调光器的工作原理

可控硅调光器的典型内部结构如图1所示，包括双向晶体管TRIAC，双向触发二极管DIAC，可调电阻RP，限流电阻R和电容C。设双向触发二极管DIAC的转折电压为UBO，交流电在正半周时通过电阻RP和R给电容C充电，当电容C两端电压UC达到UBO时，双向触发二极管DIAC立即导通，触发双向晶体管TRIAC导通；交流电在负半周时，亦是通过给电容C充电触发双向晶体管TRIAC导通。如图2所示，设从晶闸管开始承受正向电压起到开始导通这一角度为控制角α，晶闸管导通的角度为导通角θ，θ=π-α。

因此，改变控制角α的大小即改变了负载上的电压波形，就改变了整流输出的直流平均电压。在图1电路中，设给电容C充电的电流为i，则：

(1)

式中，UAC为输入交流电压，RP为可调电阻，R为限流电阻，1/Cs为电容C的复阻抗。

(2)

根据公式(2)可知，RP增大，则Δt增大，即α=ω·Δt增大(0<α<π)。

图1 可控硅调光器的电路原理Fig.1 typical circuit of TRIAC

图2 TRIAC斩波后的交流电压波形Fig.2 AC voltage curve after TRIAC

1.2 LED可控硅调光驱动电路

基于SSL2101T芯片设计了一款支持常规可控硅调光器的反激式LED驱动电路，电压输入为180V～240V，额定输出电压、电流为20V/350mA，额定负载为7W，用于驱动6个1W/350mA的大功率白光LED，电路基本结构如图3所示。

U1为整流桥，R1、R2和C3组成电阻分压采样电路，对斩波整流后的直流脉动电压有效值进行采样，R6、R7为限流电阻。R3、R4为泄放电阻，R3可以在输入电流较低时作为额外的电流回路，保持可控硅调光器的正常导通；R4用于调光器的过零重启和可控硅锁存。R5、R8和C4组成振荡电路，用于设定开关频率的上限和下限；R9、C5和D5组成RCD钳位电路，吸收漏感电压尖峰以保护开关管。T1为高频开关变压器，D6为辅助边整流二极管，D7为输出整流二极管，R14与R15为输入电流采样电阻；R17、R19为输出电压采样电阻，与R16、R18、TL431和光耦PC817A组成输出过压保护电路。

图3 LED可控硅调光驱动电路结构简图Fig.3 LED driving circuit for TRIAC

1.3 LED可控硅调光控制

LED可控硅调光控制常用的方法是，通过检测整流桥后直流脉动电压相位角或有效值的变化，来相应地控制开关频率或占空比的变化，以改变输出电压和电流。这里使用NXP公司的SSL2101T芯片，在图3中R1、R2和C3组成调光检测电路，检测整流桥输出的直流脉动电压的平均值，将该电压平均值转化为一个平滑的的直流电压信号作为亮度控制电压(VBRIGHTNESS)送给芯片。

2 电路参数分析与设计

2.1 变压器的设计

驱动电路的额定输出功率为7W，额定输出电压20V，因此选择PC40材质的EE-20型变压器磁芯，Bmax=0.275T，Ae=32mm2。考虑到输入电压变化较大，输出电流要保持稳定，这里采用了SSL2101T芯片应用手册AN10754[3]给出的变压器匝数比计算公式：

(3)

代入数据得：N=4.6。

设占空比为δ1，次级边放电时间占开关周期比例δ2，次级边峰值电流IS，原边峰值电流IP，原边电感LP，原边线圈匝数NP，次级边线圈匝数NS，辅助边线圈匝数Naux，则根据计算公式(4)～(10)：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，Pin=Pout/η=7.0/0.8=8.75W为输入功率，η=0.8为转换效率；fconv=100kHz为额定工作频率，fring=300kHz为振铃频率，Vbuff(avg)=265V为交流电整流滤波平均电压，VD=0.7V为输出整流二极管D7的正向压降，ILED=350mA为输出电流。

代入相关数据得：δ1=25.3%，δ2=58.0%，IS=1.207A，IP=0.2624A，LP=2.56mH，NP=69，NS=15，Naux=22。

2.2 振荡器的设计

外接振荡器的频率由电阻R5、R8和电容C4设定。计算公式为：

(11)

式中fosc为振荡器频率，tcharge为电容充电时间1μs。

设调光范围为100%～5%，额定工作频率为100kHz，则工作频率范围为100kHz～5kHz。把fosc=100kHz代入公式(10)得：RC=2.5714μs。取C=680pF，则R8=3.9kΩ；把fosc=5kHz代入公式(11)得R5=84kΩ。

2.3 原边峰值电流的设定

电阻R15用于设定原边峰值电流和最大输入功率，阈值电压为0.5V。计算公式如下：

(12)

代入相关数据得：R15=1.91Ω。

3 实验结果与分析

实验条件：输入交流电压180～240V，串联接入可控硅调光器，负载为6个350mA/3.3V的LED灯珠串联。

220V市电额定输入下，输出电压为20.08V，输出电流为347.7mA，电压纹波为1.2V，还是较小的，如图4所示。

图4 输出电压波形截图Fig.4 Output voltage curve

调节可控硅调光器旋钮，位置5表示调光器导通角为最大(θ≈π)时，位置0表示调光器导通角为最小(θ≈0)时。由图5可知，调光曲线近似对数曲线，调光范围为0～347.7mA，调光过程无闪烁。

图6示出不同输入电压下的输出电流，当输入电压从180V增加到240V时，输出电流从200.2mA近似线性地增加到385.4mA。这是因为，输入电压有效值的变化会引起亮度控制电压VBRIGHTNESS变化，而VBRIGHTNESS的变化则会引起开关频率和占空比同时变化，从而引起输出电流的变化。在220V输入电压条件下，调节可控硅调光器旋钮，改变亮度控制电压VBRIGHTNESS，则VBRIGHTNESS与输出电流Io的关系如图7所示。

图5 可控硅调光曲线Fig.5 Output current vs. tuning position

图6 输入交流电压与输出电流的关系Fig.6 Input AC voltage vs. output current

图7 亮度控制电压与输出电流关系Fig.7 Control voltage for brightness vs. output current

5 结论

本文设计了一款基于SSL2101T的LED可控硅调光驱动电路。实验结果表明，在220V额定输入时，使用外接可控硅调光器，输出电流变化范围为0～347.7mA，电流变化近似对数曲线，调光过程无闪烁，具有良好的调光效果，满载时电路整体转换

效率为73%，功率因数为0.762。此电路具有结构简单、成本低、效率和功率因数较好、支持常规可控硅调光器等优点，适合作为替换型小功率LED驱动器。

[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.用于传统双向可控硅(TRIAC)调光器的LED驱动方案比较[J]. 照明工程学报，2011，22(4)：65.

[5] 李慧,吴建德,邓焰,等.基于Zigbee网络和驱动LM3409HV的LED调光系统[J]. 照明工程学报，2011，22(4)：46.