利用安森美半导体LED驱动器设计高效LED灯串 驱动器, 半导体

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近年来，高亮度LED的应用领域不断增多，涵盖从移动设备背光、中大尺寸LCD背光、汽车内部及外部照明及通用照明等宽广范围。常见DC-DC LED照明应用包括景观照明、内部低压道路照明、太阳能供电照明、汽车照明、应用车辆照明、船舶应用、低压卤素类替代及飞机内部照明等。

安森美半导体提供DC-DC低功率 LED照明应用的多款LED驱动器，涵盖升压、降压以及升降压等不同拓扑结构，如图1所示。在这系列产品中，NCL30160和NCL30161是安森美半导体较新的两款DC-DC LED驱动器。NCL30161 LED驱动器适合于宽电压应用，它可通过平均电流控制使LED纹波电流控制在平均电流的10%，输出不需要滤波电容，而且支持PWM或模拟调光；还有一款转换器NCL30160集成了MOSFET，同样可最大限度地减少空间和成本。本文将重点介绍这两款产品的关键特性及应用设计要点。



图1：安森美半导体DC-DC LED驱动器选型决策链。

NCL30161的优势和典型应用

NCL30161是一款平均电流滞环控制模式高亮度LED降压控制器。由于LED纹波电流得到了有效的控制，输出不需要滤波电容；高达1.4 MHz频率下的工作，外围可以使用小尺寸的被动元件；通过外接电阻或线性降压给芯片提供电压，可以支持高压输入；支持脉宽调制(PWM)或模拟调光。模拟调光简单地调节LED串的DC电流，以改变LED的光输出；而PWM调光则是改变LED串中恒定电流的占空比，以有效改变LED串中的平均电流，以此实现调光。

NCL30161具有很多特色功能，如Vin输入电压范围6.3 V至40 V，可外部扩展至更高的输入电压；LED电流可通过外部电阻设定，可以在100%占空比工作；控制器不需要进行环路补偿，滞环控制可实现好的电源注入抑制和快速的负载瞬态响应；当有多串LED(如RGB)时，地端电流检测可以采用多串LED如RGB共阳连接，减少LED串的连线数量；单一管脚实现PWM调光和使能控制，调光范围宽；支持输出全陶瓷电容或无输出电容设计，使用很小的外部元件，节省空间和成本；完善的保护功能包括可调节的LED电流、LED短路保护和输入欠压保护，以及过热保护功能。

由于采用极少的外部元件，NCL30161是汽车、工业和通用照明的理想解决方案，市场和应用包括LED驱动器、恒流源、汽车照明、通用照明和工业照明。



图2：NCL30161典型应用降压LED驱动器

图2是NCL30161的典型应用降压LED驱动器的框图。可以看到，LED直接连接到输入电压，电流通过连接到地端的RSENSE设置；PWM调光和使能控制通过芯片的DIM/Enable脚实现；ROT用来设置初始关断时间。

这是一个平均电流滞环控制倒置Buck拓扑结构，外置MOSFET可以实现大电流LED驱动，连续电流模式不需要输出电容；工作频率高达1.4 MHz，可以通过外部电感进行调整。

图3是NCL30161内部框图，它由7个部分组成：内部LDO部分把输入的高电压变为5 V稳压，为内部逻辑供电，包括外部MOSFET的驱动；PWM调光和使能控制部分；MOSFET驱动部分；内部比较器峰值电流检测部分，比较电压为220 mV；谷值电流检测，内部设定在180 mV；LED短路检测；关断时间调整。



图3：NCL30161内部框图

NCL30161的控制逻辑如下，通过检测LED的峰值和谷值电流，可以实现LED电流的滞环控制，LED的纹波电流控制在平均电流的±10%以内，由于同时控制LED的峰值电流和谷值电流，LED的平均电流恒定，不随输入电压和串联LED数量的变化而变化。MOSFET开通时，LED电流增加到达峰值电流220 mV时，MOSFET关断；MOSFET关断时，LED电流下降，内部关断时间定时器决定关断时间，达到定时时间，MOSFET开通时检测谷值电流并根据检测到的谷值电流调整下一次关断时间，稳态时谷值电流被控制在180 mV。

在图4中右侧可以看到NCL30161的典型电流波形，红色为MOSFET开通时的电流路径；绿色为MOSFET关断时的电流路径；右侧最下面是LED电流波形，可以看到它是连续的，且纹波电流在±10%以内。



图4：电流波形

由于MOSFET关断时没有电流，地端的电流检测电阻无法检测到电流，因此需要关断时间设定电阻ROT来设置初始的关断时间，关断时间设定电阻只在启动的时候起作用，启动结束后由内部时间关断定时器来控制关断时间。选择电阻值ROT时，首先利用等式(1)计算关断时间；然后利用(2)计算电阻值：

            (1)
                               (2)

图5是NCL30161典型应用的能效曲线。其外部MOSFET是安森美半导体的60 V NTTFS5826。左图是300 mA输出时不同LED数的效率曲线；右图是1 A输出时不同LED数的效率曲线，可以看到整个效率是比较高的。



图5：NCL30161典型应用能效

PWM调光功能可以通过DIM/EN脚实现；图6中左图是PWM调光占空比和输出平均电流的曲线，可以看到PWM占空比和输出电流的线性度很好。右图是PWM调光信号高/低时LED电流的变化，可以看到电流的波动范围很小。NCL30161也可以通过在CS脚的R7加入一个直流偏置电压信号来实现模拟调光。这样，施加的模拟电压不同，LED电流就会变化，从而实现模拟调光，如图7。



图6：PWM调光



图7：模拟调光

由于NCL30161是在输入端连接LED串(电流检测在地端)），在连接多串LED时，LED串的阳极可以共用一条母线，LED串连线数为n+1；而上端检测LED电流的方式需要2n的连线数量，如图8。



图8：多串LED的连接

如果应用的输入电压范围超过芯片的40 V耐压，在要扩展输入电压范围时，可以在Vin端串联电阻或增加线性调节器，图9中使用了一个三极管、一个稳压管和一个电阻，将芯片Vin的电压限定在40 V以下为芯片Vin供电；功率输入部分的电压可以高于40 V，如75 V，如图9。这时，可以选用高耐压的MOSFET来满足高压输入的要求。



图9：扩展输入电压

NCL30161除了可以实现降压控制之外，还可以实现升压控制，图10是其典型电路。当没有R7时，NCL30161可以在恒流输入状态工作，加入前馈电路R7后可实现恒功率输入升压控制。



图10：恒功率输入升压控制

NCL30160的不同之处

除NCL30161以外，安森美半导体还为驱动大功率LED新推出一款NFET迟滞降压、恒流高亮度LED驱动器NCL30160。这个新一代高能效的解决方案集成了MOSFET，电流提升到了1.5安培，损耗非常低，体积也更小，可最大限度地减少空间和成本，并集成了多种保护功能。

这款器件接受6.3 V至40 V输入电压，利用集成的1 A/50 mΩ低导通阻抗内部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能够提供能效高达98%的方案。由于集成MOSFET耐压仅为40 V，因此NCL30160只适合于40 V以下输入、1.2 A以下的应用。与NCL30161相同，其最高1.4 MHz的高开关频率使设计人员可采用更小的外部元件，将电路板尺寸减至最小，成本降至最低。图11是NCL30160的内部框图。



图11：NCL30160内部框图

NCL30160为区域照明及路灯等讲究高能效、高亮度的中大功率LED通用照明应用提供了极佳的方案，同时适用于MR16 LED灯泡等住宅应用。

图12是NCL30160连接不同LED数和不同电流时的能效曲线。可以看到，其能效是非常高的。



图12：NCL30160典型应用能效

安森美半导体还为上述器件提供辅助设计工具和支持，包括Excel表格工具、评估板和24 V LED灯条应用注释。在Excel表格设计工具中，工程师只需要填入输入电压、输出LED的数量、LED的压降和LED的数量，即可自动计算出所需的结果，非常快捷方便。

安森美半导体供稿