利用安森美半導(dǎo)體LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)高效LED燈串

近年來，高亮度LED的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增多，涵蓋從移動設(shè)備背光、中大尺寸LCD背光、汽車內(nèi)部及外部照明及通用照明等寬廣范圍。常見DC-DC LED照明應(yīng)用包括景觀照明、內(nèi)部低壓道路照明、太陽能供電照明、汽車照明、應(yīng)用車輛照明、船舶應(yīng)用、低壓鹵素類替代及飛機(jī)內(nèi)部照明等。

安森美半導(dǎo)體提供DC-DC低功率LED照明應(yīng)用的多款LED驅(qū)動器，涵蓋升壓、降壓以及升降壓等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。在這系列產(chǎn)品中，NCL30160和NCL30161是安森美半導(dǎo)體較新的兩款DC-DC LED驅(qū)動器。NCL30161 LED驅(qū)動器適合于寬電壓應(yīng)用，它可通過平均電流控制使LED紋波電流控制在平均電流的10%，輸出不需要濾波電容，而且支持PWM或模擬調(diào)光；還有一款轉(zhuǎn)換器NCL30160集成了MOSFET，同樣可最大限度地減少空間和成本。本文將重點(diǎn)介紹這兩款產(chǎn)品的關(guān)鍵特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖1：安森美半導(dǎo)體DC-DC LED驅(qū)動器選型決策鏈。

NCL30161的優(yōu)勢和典型應(yīng)用

NCL30161是一款平均電流滯環(huán)控制模式高亮度LED降壓控制器。由于LED紋波電流得到了有效的控制，輸出不需要濾波電容；高達(dá)1.4 MHz頻率下的工作，外圍可以使用小尺寸的被動元件；通過外接電阻或線性降壓給芯片提供電壓，可以支持高壓輸入；支持脈寬調(diào)制(PWM)或模擬調(diào)光。模擬調(diào)光簡單地調(diào)節(jié)LED串的DC電流，以改變LED的光輸出；而PWM調(diào)光則是改變LED串中恒定電流的占空比，以有效改變LED串中的平均電流，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

NCL30161具有很多特色功能，如Vin輸入電壓范圍6.3 V至40 V，可外部擴(kuò)展至更高的輸入電壓；LED電流可通過外部電阻設(shè)定，可以在100%占空比工作；控制器不需要進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償，滯環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)好的電源注入抑制和快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；當(dāng)有多串LED(如RGB)時(shí)，地端電流檢測可以采用多串LED如RGB共陽連接，減少LED串的連線數(shù)量；單一管腳實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光和使能控制，調(diào)光范圍寬；支持輸出全陶瓷電容或無輸出電容設(shè)計(jì)，使用很小的外部元件，節(jié)省空間和成本；完善的保護(hù)功能包括可調(diào)節(jié)的LED電流、LED短路保護(hù)和輸入欠壓保護(hù)，以及過熱保護(hù)功能。

由于采用極少的外部元件，NCL30161是汽車、工業(yè)和通用照明的理想解決方案，市場和應(yīng)用包括LED驅(qū)動器、恒流源、汽車照明、通用照明和工業(yè)照明。

圖2：NCL30161典型應(yīng)用降壓LED驅(qū)動器

圖2是NCL30161的典型應(yīng)用降壓LED驅(qū)動器的框圖?？梢钥吹?，LED直接連接到輸入電壓，電流通過連接到地端的R_SENSE設(shè)置；PWM調(diào)光和使能控制通過芯片的DIM/Enable腳實(shí)現(xiàn)；R_OT用來設(shè)置初始關(guān)斷時(shí)間。

這是一個平均電流滯環(huán)控制倒置Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，外置MOSFET可以實(shí)現(xiàn)大電流LED驅(qū)動，連續(xù)電流模式不需要輸出電容；工作頻率高達(dá)1.4MHz，可以通過外部電感進(jìn)行調(diào)整。

圖3是NCL30161內(nèi)部框圖，它由7個部分組成：內(nèi)部LDO部分把輸入的高電壓變?yōu)?V穩(wěn)壓，為內(nèi)部邏輯供電，包括外部MOSFET的驅(qū)動；PWM調(diào)光和使能控制部分；MOSFET驅(qū)動部分；內(nèi)部比較器峰值電流檢測部分，比較電壓為220mV；谷值電流檢測，內(nèi)部設(shè)定在180mV；LED短路檢測；關(guān)斷時(shí)間調(diào)整。

圖3：NCL30161內(nèi)部框圖

NCL30161的控制邏輯如下，通過檢測LED的峰值和谷值電流，可以實(shí)現(xiàn)LED電流的滯環(huán)控制，LED的紋波電流控制在平均電流的±10%以內(nèi)，由于同時(shí)控制LED的峰值電流和谷值電流，LED的平均電流恒定，不隨輸入電壓和串聯(lián)LED數(shù)量的變化而變化。MOSFET開通時(shí)，LED電流增加到達(dá)峰值電流220mV時(shí)，MOSFET關(guān)斷；MOSFET關(guān)斷時(shí)，LED電流下降，內(nèi)部關(guān)斷時(shí)間定時(shí)器決定關(guān)斷時(shí)間，達(dá)到定時(shí)時(shí)間，MOSFET開通時(shí)檢測谷值電流并根據(jù)檢測到的谷值電流調(diào)整下一次關(guān)斷時(shí)間，穩(wěn)態(tài)時(shí)谷值電流被控制在180mV。

在圖4中右側(cè)可以看到NCL30161的典型電流波形，紅色為MOSFET開通時(shí)的電流路徑；綠色為MOSFET關(guān)斷時(shí)的電流路徑；右側(cè)最下面是LED電流波形，可以看到它是連續(xù)的，且紋波電流在±10%以內(nèi)。

圖4：電流波形

由于MOSFET關(guān)斷時(shí)沒有電流，地端的電流檢測電阻無法檢測到電流，因此需要關(guān)斷時(shí)間設(shè)定電阻R_OT來設(shè)置初始的關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間設(shè)定電阻只在啟動的時(shí)候起作用，啟動結(jié)束后由內(nèi)部時(shí)間關(guān)斷定時(shí)器來控制關(guān)斷時(shí)間。選擇電阻值R_OT時(shí)，首先利用等式(1)計(jì)算關(guān)斷時(shí)間；然后利用(2)計(jì)算電阻值：

(1)

(2)

圖5是NCL30161典型應(yīng)用的能效曲線。其外部MOSFET是安森美半導(dǎo)體的60V NTTFS5826。左圖是300mA輸出時(shí)不同LED數(shù)的效率曲線；右圖是1A輸出時(shí)不同LED數(shù)的效率曲線，可以看到整個效率是比較高的。

圖5：NCL30161典型應(yīng)用能效

PWM調(diào)光功能可以通過DIM/EN腳實(shí)現(xiàn)；圖6中左圖是PWM調(diào)光占空比和輸出平均電流的曲線，可以看到PWM占空比和輸出電流的線性度很好。右圖是PWM調(diào)光信號高/低時(shí)LED電流的變化，可以看到電流的波動范圍很小。NCL30161也可以通過在CS腳的R7加入一個直流偏置電壓信號來實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。這樣，施加的模擬電壓不同，LED電流就會變化，從而實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光，如圖7。

圖6：PWM調(diào)光

圖7：模擬調(diào)光

由于NCL30161是在輸入端連接LED串(電流檢測在地端)），在連接多串LED時(shí)，LED串的陽極可以共用一條母線，LED串連線數(shù)為n+1；而上端檢測LED電流的方式需要2n的連線數(shù)量，如圖8。

圖8：多串LED的連接

如果應(yīng)用的輸入電壓范圍超過芯片的40V耐壓，在要擴(kuò)展輸入電壓范圍時(shí)，可以在Vin端串聯(lián)電阻或增加線性調(diào)節(jié)器，圖9中使用了一個三極管、一個穩(wěn)壓管和一個電阻，將芯片Vin的電壓限定在40V以下為芯片Vin供電；功率輸入部分的電壓可以高于40V，如75V，如圖9。這時(shí)，可以選用高耐壓的MOSFET來滿足高壓輸入的要求。

圖9：擴(kuò)展輸入電壓

NCL30161除了可以實(shí)現(xiàn)降壓控制之外，還可以實(shí)現(xiàn)升壓控制，圖10是其典型電路。當(dāng)沒有R7時(shí)，NCL30161可以在恒流輸入狀態(tài)工作，加入前饋電路R7后可實(shí)現(xiàn)恒功率輸入升壓控制。

圖10：恒功率輸入升壓控制

NCL30160的不同之處

除NCL30161以外，安森美半導(dǎo)體還為驅(qū)動大功率LED新推出一款NFET遲滯降壓、恒流高亮度LED驅(qū)動器NCL30160。這個新一代高能效的解決方案集成了MOSFET，電流提升到了1.5A，損耗非常低，體積也更小，可最大限度地減少空間和成本，并集成了多種保護(hù)功能。

這款器件接受6.3 V至40 V輸入電壓，利用集成的1A/50mΩ低導(dǎo)通阻抗內(nèi)部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能夠提供能效高達(dá)98%的方案。由于集成MOSFET耐壓僅為40V，因此NCL30160只適合于40V以下輸入、1.2A以下的應(yīng)用。與NCL30161相同，其最高1.4MHz的高開關(guān)頻率使設(shè)計(jì)人員可采用更小的外部元件，將電路板尺寸減至最小，成本降至最低。圖11是NCL30160的內(nèi)部框圖。

圖11：NCL30160內(nèi)部框圖

NCL30160為區(qū)域照明及路燈等講究高能效、高亮度的中大功率LED通用照明應(yīng)用提供了極佳的方案，同時(shí)適用于MR16 LED燈泡等住宅應(yīng)用。

圖12是NCL30160連接不同LED數(shù)和不同電流時(shí)的能效曲線?？梢钥吹剑淠苄欠浅８叩?。

圖12：NCL30160典型應(yīng)用能效

安森美半導(dǎo)體還為上述器件提供輔助設(shè)計(jì)工具和支持，包括Excel表格工具、評估板和24V LED燈條應(yīng)用注釋。在Excel表格設(shè)計(jì)工具中，工程師只需要填入輸入電壓、輸出LED的數(shù)量、LED的壓降和LED的數(shù)量，即可自動計(jì)算出所需的結(jié)果，非?？旖莘奖?。