基于SSL2129AT的新型隔离式PWM调光LED驱动电路

付贤松，任梦奇

（1.天津工业大学 电气工程与自动化学院，天津 300387；2．天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387）

基于SSL2129AT的新型隔离式PWM调光LED驱动电路

付贤松1，任梦奇2

（1.天津工业大学 电气工程与自动化学院，天津 300387；2．天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387）

设计一种基于SSL2129AT的PWM占空比控制驱动电源输出电流大小的隔离式电路，电路设计需求输入电压为交流90～265 V，输出电压80 V，输出电流400 mA，调光范围2%～100%，效率高于85%，PF值高于0.9，在该要求下提出了详细的调光控制电路的设计与实现方案，给出了设计参数和测试结果，通过测试结果验证了所给出设计方案的可行性.

LED驱动；PWM；调光；占空比；隔离

新型的大功率LED照明作为一种节能、绿色的照明方式正在取代传统的气体放电灯和白炽灯[1].随着LED工艺的不断进步，对相应的驱动技术也提出了更高的要求，尤其是可控制的驱动电路设计.通常，LED驱动器的调光方式有3种：可控硅调光、模拟调光、PWM调光[2].模拟调光是通过改变输出电流的幅值来实现调光功能，电路简单易实现，但会产生LED色温漂移的现象，且调节精度低.可控硅调光是通过调节电流导通角大小来调节输出功率大小，以实现调光功能，但调节时，LED闪烁问题比较严重.PWM调光是在输出端以足够高的频率工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流的平均值，其输出电流只有2种状态：最大额定工作电流和零电流[3].因此PWM调光可以保证LED的色温恒定，同时配合MCU控制器，大大提高调节精确度，有效避免LED闪烁.

本文提出基于SSL2129AT的新型的隔离式PWM调光LED驱动电路，对驱动器的各个组成部分进行了详细的分析，并制作了一款样机来进行验证.

1 驱动电路的设计要求和EMI设计

1.1 设计要求

输入电压为交流90～265 V，额定值220 V，输出电压为直流80 V，输出电流400 mA，调光范围2%～ 100%，在额定输入下，PF＞0.9，效率高于85%，调光时整个电路稳定工作.

1.2 硬件设计

可调光驱动电路的硬件电路设计主要包括EMI滤波电路、SSL2129AT转换电路、STC单片机调光电路和5 V供电电路4部分组成.整体框图如图1所示.

图1 电路整体框图Fig.1 Block diagram of circuit

1.3 EMI滤波器设计

EMI滤波器主要用来抑制来自电网中的电磁干扰，同时也抑制驱动器自身产生的对电网的高频干扰.干扰主要分为共模干扰和差模干扰[4].EMI滤波器的电路如图2所示.

图2 EMI电路图Fig.2 Schematic diagram of EMI filter

图2主要包括一个共模电感L1和4个滤波电容CY1、CY2、CX1和CX2.L1对差模干扰不起作用，但出现共模干扰时，由于线圈的磁通方向相同，结果耦合后总电感量迅速增大，因此用来滤除共模干扰，再配合上CY1和CY2就能更好地消除共模干扰.CX1和CX2为差模电容，在扼流圈LX的两端，能够很好地滤除差模干扰.图2中：差模电容为X电容；共模电容为Y电容；RV1为压敏电阻；F1为保险电阻.

2 主电路设计

2.1 SSL2129AT转换电路设计

SSL2129AT是恩智浦半导体推出的一款新型的电源驱动芯片.主要优点有：①控制器提供了高效率的临界导通模式；②可进行直接PWM调光；③通过逐周期的电流控制实现快速的瞬态响应；④可用在交流输入切相调光LED驱动方案中，支持前沿、后沿的切相调光器；⑤完善的内部保护功能，包括输入欠压保护、前沿消隐、输出过电流保护、过温保护和布朗输出保护；⑥IC的寿命可以匹配或者超过LED的寿命.

主电路的电路原理图如图3所示.

图3 SSL2129AT电路图Fig.3 Schematic diagram of SSL2129AT

其工作原理是：当开关管M1导通时，母线电压经过EMI滤波器、整流桥和LC滤波网络之后，加载在TR1变压器的原边电感上，电感电流线性上升，此时二次侧D4二极管截止，副边电感储能.输出端由C5和C6两个并联电容向负载供电.当M1关闭时，次级侧的D4二极管导通，副边电感通过D4向负载提供电流，同时也给C5和C6充电.随着副边电感电流下降到0后，副边导通结束，开关管的漏极电压和芯片的高压端HV之间存在的差值使得芯片进行谷底检测，当检测到有效的谷底时，下一周期开始.在整个工作过程中，当VCC电压低于VCC(STOP)时，IC将停止工作.IC会通过HV引脚给VCC供电进行重启的尝试.如果电路工作中有Source引脚的电压达到Vth(ocp)source时，过流保护会被触发，IC停止工作，这个流过开关mos管的电流通过在source引脚与GND之间加上电阻的方法来检测.如果在工作过程中输入电压突然掉低到接近输出电压时，由于功率不变，输入电流就会增加，且有可能超过电路所能承受的范围，此时布朗输出保护启动，在该保护状态下，即便在输入电压掉低后的ton(high)时间内，输入电流也不会达到峰值电流.ton(high)的这个时间是可以通过在Tonmod引脚结电容的方法进行调节.

2.2 反激变压器的设计

设计变压器时需遵众多规则，必须注意设计顺序.首先应确定匝比Np/Ns，因为匝比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可承受的最大关断电压应力VMS(max).若忽略漏感尖峰并设整流管压降为1 V[5]，则直流输入电压最大时开关管的最大电压应力为：

式（1）中：VDC(max)为最恶劣条件下的整流后线电压值，即输入范围最大值；参数的选择应使VMS(max)尽量小，以保证即使有0.3 VDC(max)的漏感尖峰叠加于VMS(max)，对开关管的极限值仍留有30%的裕度.

保证变压器正负伏秒数相等，伏秒数反应的是磁通的变化量，且假设D4的正向导通压降是1 V，则有：

式（2）中：Tr为变压器的复位时间，也是次级电流降为零所需的时间；VDC(min)为经过整流后的线电压的最恶劣条件下的值，即范围电压最小值.

为保证电路工作于不连续模式，必须设定死区时间，即为原边和次级绕组中都无电流的时间，留出0.05～0.1 T的裕度[6].已知负载电流过大或输入VDC过低时，必须增加Ton来保持Vo恒定[7].Ton增加，必定会占用死区时间，而可能使副边电流在M1再次导通前无法归零，电路进入连续模式.因此确定Ton(max)为：

式（3）中：T为周期.VDC和VMS确定后，Np/Ns可由式（1）求得，此时式（2）和式（3）中仅有2个未知量，将这2个式子联立，可得

在得到了Ton和Tr之后[8]，占空比Dmax为：

根据电感公式和电感储能公式得到原边电感电流峰值和原边电感量公式（6）和（7）：

根据变压器的功率体积设计法[10]（即AP法），得到合适的磁芯骨架参数.

根据楞次定理得到原边最小匝数Np为：

式中：ΔB为最大磁通密度；A为磁芯有效截面积.

原边导线截面积：

副边导线截面积：

如考虑趋肤效应，需采用多股线绕制，则单根导线截直径应满足[7]：

根据推倒，样机采用的变压器为EE25骨架铁氧磁芯，原边85匝、副边50匝、辅助边10匝.本文中的其他变压器的设计也采取该方法进行设计.

3 辅助电路及调光电路设计

3.1 5 V供电电路设计

CR1510是iwatt出品的一款小功率电源管理芯片.该芯片的优点是：静态功耗低，隔离设计无需光耦反馈，支持宽的输入电压范围，内置开关管，外围器件少，是一款很好的线性电源替代产品，主要应用在固态照明、低功率的充电器适配器、掌上电脑和数码相机这些产品上.

在本设计中采用反激拓扑结构来实现输出5 V给单片机及以后的扩展模块供电，其电路图如图4所示.

图4 辅助电源5 V供电电路图Fig.4 Auxiliary power supply 5 V power supply circuit

工作原理为：交流输入通过整流桥及其滤波电路之后加到变压器的原边，原边电感电流从IC的内置三极管的集电极流入发射极流出，并在发射极与地之间加入检测电阻来检测电流的大小，反馈到Isense引脚.内部的逻辑器控制基极的开关，从而控制一次侧电路的通断.同时，在三极管关断期间，Vsense引脚检测从次级侧反馈回来的电压，通过检测的电阻的阻值比例关系，控制输出电压的大小实现恒压.

检测电阻R1、R2、R3与输出电压和输出电流的确定关系为：

变压器的参数为：EE13骨架铁氧磁芯，原边135匝，副边9匝，辅助边13匝.

3.2 基于STC单片机的调光电路设计

该设计采用STC12C5616AD这款单片机，该单片机高速低功耗，片内资源丰富[9].调光电路通过红外遥控控制，经过内部的A/D转换，利用I/O口驱动外置三极管电路.本设计使用单片机外部16 MHz晶振，输出波形频率为300 Hz，通过A/D转换获得电压值来控制比较寄存器的值，进而控制PWM波形的占空比，实现调光.

4 测试结果

按照上述电路图，设计了一款28 W可调光LED驱动器.整机实际测试的对应数据如表1和表2，其中辅助电源数据如表1所示，调光电源数据如表2所示.

表1 辅助供电电源性能测试数据Tab.1 Auxiliary power supply performance test data

表2 调光电源性能测试数据Tab.2 Dimming power supply performance test data

5 结论

本设计通过对家用照明的需求分析，选取了PWM调光的LED调光方案，利用SSL2129AT作为主控芯片，CR1510和STC12C5616AD作为PWM发生电路，设计并制作了一款样机.要求能在输入电压为交流90～265 V，额定值220 V，输出电压为直流80 V，输出电流400 mA，调光范围2%～100%下稳定工作，且在额定输入下，要求PF＞0.9，效率高于85%.

结果表明，该驱动器的样机能够完成设计要求，实现高效率、高功率因数及宽范围调光，是一款高性能的调光LED驱动器.

[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.可调光LED：应该选择哪种方案[J].中国电子商情：基础电子，2011（4）：55-58.

[3]田立东，周继军，秦会斌.PWM调光LED驱动器设计[J].机电工程，2012，29（4）：465-468.

[4]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计：修订版[M].北京：电子工业出版社，2004.

[5]刘毅莉，付贤松，张金建，等.一种有稳定输出的单端反激式LED开关电源的设计[J].天津工业大学学报，2012，31（3）：52-55.

[6]翟国富，胡泊，张宾瑞.LED路灯恒流驱动电源可靠性容差设计技术的研究 [J].电工技术学报，2011，26（1）：135-140，153.

[7]PRESSMAN Abraham I，BILLINGS Keith，MOREY Taylor.开关电源设计[M].3版.王志强，肖文勋，虞龙，译.北京：电子工业出版社，2010.

[8]葛涛，付贤松，牛萍娟.大功率LED路灯电源系统的设计[D].天津：天津工业大学，2011.

[9]杨巍巍.LED调光驱动电源的研究与设计[D].西安：陕西科技大学，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

国家科技支撑计划项目（2011BAE01B01）；天津市科技型中小企业创新资金项目（13ZXCXGX31700）

付贤松（1976—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为数模混合集成电路设计、专用集成电路设计与集成系统和LED驱动电源.E-mail：fuxians@163.com