LED驱动控制集成电路SSL2108X与应用

2012-07-26路秋生

灯与照明 2012年2期

关键词：调光电感短路

路秋生

(北京信息职业技术学院，北京100050)

1 对LED驱动电路的要求

LED驱动电路的功能是把输入交流电压转换为适合驱动LED的直流电压，并同时完成LED工作电压和电流的匹配，LED驱动电源是影响LED光源工作可靠性和适应性的一个重要因素，在设计时须认真考虑。

对LED驱动电路主要有以下要求。

(1)LED正常工作除了要有稳定的工作电流，并且需要在输入电压和环境温度等因素发生变化时能控制LED工作电流的大小;

(2)发光效率高是LED的优点，同样LED驱动电路的工作效率也要求高，否则会影响LED照明的整体工作效率，而失去LED照明节能的优点;

(3)有效地控制LED照明电路的成本将有利于LED照明的推广应用;

(4)新型散热材料的开发和高压LED的开发是LED照明的一个发展趋势。

2 SSL2108X的特点

SSL2108X可用于LED常规非调光照明和PWM调光照明或可控硅前沿/晶体管后沿相控调光LED驱动的应用场合，也可以用于LCD背光驱动的应用场合。SSL2108X是工作于临界导通(BCM，又称边界导通)的降压变换(Buck)控制集成电路。SSL2108X具有不低于±5%的电流控制精度，利用SSL2108X构成的LED驱动电路工作效率高达95%。

采用SSL2108X构成的LED驱动电路仅需14个元件，使用简单方便，降低了LED灯终端用户的拥有成本。

SSL2108X基于微型化、集成化和效率化理念设计，SSL2108X参考PCB面积仅为18 mm×22 mm，支持降压或降压/升压工作模式。利用直接脉冲宽度调制(PWM)可以支持调光控制，具有外部温度反馈、欠电压锁定(UVLO)、前沿消隐(LEB)、过电流保护(OCP)、掉电保护等多种保护功能。有助于LED替换灯生产制造商降低实际应用尺寸和成本，推出结构更小的LED照明应用设备。

SSL21081为SO8封装，内含耐压300 V的MOSFET功率开关管，主要用于交流输入市电电压为100～120 V，输出功率不大于 8 W的应用场合。SSL21082为SO14封装，内含耐压300 V的MOSFET功率开关管，主要用于交流输入市电电压为100～120 V，输出功率不大于15 W的应用场合。SSL21083为SO8封装，内含耐压600 V的MOSFET功率开关管，主要用于交流输入市电电压为100/230 V，输出功率不大于8 W的应用场合。SSL21084为SO14封装，内含MOSFET功率开关管，主要用于交流输入市电电压为100/230 V，输出功率不大于15 W的应用场合。SSL2109内含控制电路，外置MOSFET功率开关管，可用于宽交流输入电压供电和较高输出功率的应用场合。SSL2108X平台的有关器件性能对比如表1所示。

表1 SSL2108X平台的有关器件性能对比

(1)SSL2108X的特点

SSL2108X具有以下特点。

1)可用于交流输入市电供电的AC/DC降压变换LED恒流驱动应用场合。

2)工作效率高(高达95%)。

3)工作于临界导通工作模式(BCM)。

4)所需的电感量小，相应电感的体积也较小。

5)可用于直接PWM调光的应用场合。

6)通过逐周期电流控制可以实现快速的瞬态响应。

7)在最小总电容值的条件下，LED工作电流中交流市电频率的纹波电流可以忽略。

8)对LED的正向电压降无分级要求。

9)SSL2108X内含以下保护功能。

①欠电压锁定输出(UVLO);

②MOSFET管导通前沿消隐(LEB);

③输出短路保护和输出过电流保护(OCP);

④变压器绕组短路保护(SWP);

⑤IC内部过温度保护(OTP)，可以利用外接负温度系数热敏电阻NTC完成温度保护;

⑥输出短路保护和电感绕组短路保护(OSP);

⑦交流输入市电电压过低保护(掉电保护)。

其中SWP和OSP为锁定保护，解除这种保护需重新启动电路的工作，当 VCC低于复位电压时，SSL2108X复位锁定保护工作模式。而内部的过温度保护(OTP)和LED过温度保护为自启动保护。

10)使用元件数量少，集成度高，可用于小形状因子的应用场合。

11)由于工作于ZCS工作模式，所以无需外接肖特基二极管。

12)具有软启动功能。

13)SSL2108X的工作寿命和LED灯的工作寿命相匹配。

(2)SSL2108X的主要应用场合

SSL2108X可用于以下的应用场合。

1)用于LCD监视器和电视机的LCD背光驱动;

2)PWM调光的应用场合;

3)7段显示记分牌;

4)下射灯，各种通用照明的应用场合;

5)交通信号灯的应用场合。

在SSL2108X内部设有先进的 VCC供电电路，SSL2108X通过HV引脚由内部的高压电流源启动电路，启动后也可以通过接至漏极的耦合电容(如图4中的电容C2)使SSL2108X由dV/dt供电，也可以通过接至VCC引脚的辅助绕组供电，在待机工作状态，通过HV引脚有一个350 μA的工作电流。

SSL2108X的有关封装图如图1和图2所示，SSL2108X的引脚功能如表2所示。

表2 SSL2108X的引脚功能

图1 SSL2108X的封装图

图2 SSL2109的封装图

3 SSL2108X的内部功能电路

SSL2108X的内部功能电路和有关电路模块如图3所示，主要由6个功能模块组成，他们是:

(1)和电源供电有关的模块(JFET、电流源、VCC供电);

(2)和谷底检测有关的模块;

(3)内置MOSFET功率开关管输出(SSL2109的外接MOSFET功率开关管驱动输出);

(4)MOSFET功率开关管源极检测电路(利用MOSFET功率开关管源极电流进行过电流和输出短路检测保护);

图3 SSL2108X的内部功能电路和有关电路模块

(5)NTC温度保护电路、软启动和PWM调光控制模块;

(6)芯片的逻辑控制和保护电路。

SSL2108X的典型应用电路工作原理图如图4所示。图4中接至第③引脚的电容用于VCC储能和滤波，接至第⑤引脚电容用于dV/dt供电，接至第④引脚电阻NTC用于温度保护、软启动和PWM调光控制，接至第②引脚电阻用于过流保护和输出短路保护，和LED并联的电容用于储能和去除LED工作电流的纹波。

图4 SSL2108X的典型应用电路工作原理图

图4所示电路中的NTC引脚具有以下控制功能。

1)过温度保护;

2)PWM调光控制;

3)通过一只和NTC引脚并联的外接电容可以实现驱动电路软启动。

MOSFET功率开关管源极电阻R2的参数可以按下式选择。

有

电感L的电感量决定电路的开关工作频率，有下式成立:

4 SSL2108X的工作波形和有关功能电路

(1)SSL2108X的工作波形

SSL2108X工作于边界导通(BCM)、峰值电流控制的Buck变换工作模式，有关工作波形和谷底检测波形如图5所示，在功率开关管导通期间电能存储于电感L中，当功率开关管导通瞬间电感电流Ii为零，所以电感中的电流线性上升，电感电流的幅度正比于电压(VIN～VOUT)，当功率开关管关断时，电流通过续流二极管和电容继续流通，电流幅值线性下降，LED的工作电流基本上是峰值开关电流的1/2。一旦电感电流为0，一个新的开关工作周期开始。

图5 工作于Buck变换的有关工作波形

(2)电路的工作频率

电路的最高工作频率为200 kHz，所以在选用电感的参数时应考虑给定的供电电压范围、LED的工作电压、电流和有关元器件参数。

(3)零电流检测(谷底检测)

如图5所示，在t1时刻在SSL2108X的SOURCE引脚检测到峰值电流，功率开关管关断并持续到t3时刻，t3时刻电感电流下降为0，功率开关管的漏极电压开始在VIN～VOUT的范围内变化。在SSL2108X内部集成了谷底检测电路，用以检测功率开关管的漏极电压是否达到了最低值，然后开始下一个开关工作周期，如果电路的开关工作频率和电压变化范围在规定的范围内，电路的开关功耗可以做得非常低。

(4)SSL2108X的SWP和OSP保护

SSL2108X的SWP(变压器绕组短路保护)和OSP(输出短路保护)为锁定保护，解除这种保护需重新启动电路的工作。

如果通过MOSFET功率开关管源极SOURCE引脚的电流过大时电感绕组短路保护(SWP)功能动作，例如，电路中的续流二极管短路就可能出现这种情况。同时，接至输入和漏极之间的电感短路也会出现这种情况，如果MOSFET功率开关管源极SOURCE引脚的电压大于1.5 V，则在前沿消隐(LEB)时间后触发电感绕组短路保护(SWP)控制功能。同时，如果Vcc低于复位电压时SSL2108X复位锁定保护工作模式。

如果第二个开关周期在关断时间内没有检测到谷底，表明输出电压低于允许的最低电压值，这种情况在电路启动或由于输出短路都有可能发生，这时内部的一个定时器电路开始工作，这个定时器电路仅在下一个有效的谷底检测出现时才会停止工作。如果在设定的检测时间内没有检测到谷底，表明有短路情况，电路不会启动，SSL2108X进入锁定保护工作状态。如果Vcc低于复位电平则SSL2108X复位锁定保护工作模式。在PWM调光工作模式，在功率开关管的关断工作周期内输出短路保护(OSP)停止工作。

(5)SSL2108X的欠电压锁定输出保护(UVLO)

当SSL2108X的VCC引脚上电压低于欠电压锁定输出保护(UVLO)阈值电压时，SSL2108X停止工作。可以利用来自HV引脚的高电压来再启动SSL2108X的工作。

(6)前沿消隐(LEB)

为了避免电路没用正确地检测到变压器绕组短路或过电流工作状态，SSL2108X内部设置了前沿消隐(LEB)电路，当内部MOSFET功率管开关工作时由于电容放电会在漏极和源极之间产生电流或电压过冲，而在LEB时间内不会出现这种问题。

(7)过电流保护(OCP)

在SSL2108X内部设有精确的峰值电流检测电路，当通过MOSFET功率开关管SOURCE的电流过高时，通过接至功率开关管SOURCE极引脚的电流检测电阻可以检测这个电流，检测电路在经历前沿消隐(LEB)时间后开始动作。由于LED的工作电流为开关峰值电流的1/2，过电流保护功能可以避免通过LED的工作电流超过允许的工作电流。在功率开关管的过电流检测和关断时间之间有一个延时时间。由于这个延时，实际的峰值电流要约大于由电流检测电阻决定的过电流保护值。

(8)过温度保护(OTP)

一旦SSL2108X的工作温度超过允许的工作温度时过温度保护功能开始动作，电路停止工作，一旦SSL2108X的工作温度低于过温度保护设定值时过温度保护解除保护功能，电路重新开始工作。而内部的OTP(过温度保护)和LED过温度保护为自启动保护。

(9)交流输入市电掉电保护

交流输入市电掉电保护功能用于当交流输入市电电压过低时为了限制LED的工作电流而设定的一种保护控制功能，在恒功率工作模式下，输入电压降低会导致输入电流的增加，在SSL2108X内部设有功率开关管最大导通时间限制的功能，以避免这种情况的出现。由于在功率开关管导通期间通过电感的电流正比于输入和输出电压差，使在功率开关管导通期间通过电感的电流不会大于峰值电流。所以，通过LED的平均电流被限制了。

在SO12封装的情况下，通过一个接至TONMAX引脚的电容可以缩短功率开关管的最大导通时间，这个电容以电流ITONMAX充电，如果在功率开关管的最大导通时间以前被充电到电压VTONMAX，功率开关管关断，如果没有电容接到这个引脚，则会在低于毫秒级的时间内达到VTONMAX，在这种工作条件或TONMAX引脚接地的条件下，由电路内部的时间常数决定功率开关管的最大导通时间。

(10)VCC供电

SSL2108X可以采用以下供电工作模式。

1)在正常工作模式下，DVDT引脚上的电压波动被SSL2108X内部电路整流为VCC引脚供电。

2)在启动期间，有一个接至HV引脚的内部电流源，通过这个电流源为内部电路供电，直至dV/dt供电或VCC引脚的外部电路(例如辅助绕组供电回路)可以正常地为SSL2108X电路供电。

3)外部电压源可以接到 VCC引脚为 SSL2108X供电。

当VCC引脚上的电压高于SSL2108X的启动阈值电压时，SSL2108X开始启动，当VCC引脚上的电压低于VCC的启动阈值电压时SSL2108X的锁定不工作，启动和停止之间的回滞电压可以使SSL2108X通过缓冲电容供电，直至dV/dt供电建立。SSL2108X的VCC引脚内部接有一只并联稳压二极管，以箝位VCC引脚的电压，如果dV/dt的最大供电电流减去SSL2108X消耗的电流(SSL2108X消耗的电流和功率开关MOSFET管的栅极驱动电流有关)低于IDD的最大值，则在dV/dt供电电路无需外加稳压二极管电路。

(11)DVDT供电

DVDT引脚连接至内部的整流电路，当一个幅度足够高的交流电加到该引脚时，SSL2108X可以无需其他的供电直接由该DVDT引脚提供的供电即可工作。

(12)NTC的功能和PWM调光

利用NTC引脚的电压就可以判定电路的工作状态(如图6所示)，当NTC引脚的电压高于0.5 V时，电路正常工作，当NTC引脚的电压低于0.5 V高于0.35 V时，输出电流开始下降至1/2输出峰值电流IP，当NTC引脚的电压为0.3 V时，芯片启动一个定时器电路，如果在100 μs的时间内还未降低到0.2 V，则电路认为出现了过温度故障，如果在100 μs的时间内降低到了0.2 V，则电路认为是处于PWM调光工作状态。