利用安森美半導體LED驅動器設計高效LED燈串
近年來，高亮度LED(HB-LED)的應用領域不斷增多，涵蓋從行動裝置背光、中大尺寸LCD背光、汽車內部及外部照明及通用照明等寬廣範圍。常見DC-DC LED照明應用包括景觀照明、內部低壓道路照明、太陽能供電照明、汽車照明、應用車輛照明、船舶應用、低壓鹵素類替代及飛機內部照明等。
安森美半導體提供DC-DC低功率LED照明應用的多款LED驅動器，涵蓋升壓、降壓以及升壓-降壓等不同拓撲結構，如圖1所示。在此系列產品中，NCL30160和NCL30161是安森美半導體較新的兩款DC-DC LED驅動器。NCL30161 LED驅動器適合於寬電壓應用，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或類比調光；還有一款轉換器NCL30160整合了MOSFET，同樣可最大限度地減少空間和成本。本文將重點介紹此兩款產品的關鍵特性及應用設計要點。
圖1：安森美半導體DC-DC LED驅動器選型決策鏈。
NCL30161的優勢和典型應用
NCL30161是一款平均電流磁滯控制模式高亮度LED降壓控制器。由於LED紋波電流得到了有效的控制，輸出不需要濾波電容；高達1.4 MHz頻率下的工作，週邊可以使用小尺寸的被動元件；通過外接電阻或線性降壓給晶片提供電壓，可以支持高壓輸入；支持脈衝寬度調變(PWM)或類比調光。類比調光簡單地調節LED串的DC電流，以改變LED的光輸出；而PWM調光則是改變LED串中恆定電流的占空比，以有效改變LED串中的平均電流，以此實現調光。
NCL30161具有很多特色功能，如Vin輸入電壓範圍6.3 V至40 V，可外部擴展至更高的輸入電壓；LED電流可通過外部電阻設定，可以在100%占空比工作；控制器不需要進行環路補償，磁滯控制可實現好的電源注入抑制和快速的負載瞬態回應；當有多串LED(如RGB)時，地端電流檢測可以採用多串LED如RGB共陽連接，減少LED串的連線數量；單一管腳實現PWM調光和使能控制，調光範圍寬；支持輸出全陶瓷電容或無輸出電容設計，使用很小的外部元件，節省空間和成本；完善的保護功能包括可調節的LED電流、LED短路保護和輸入欠壓保護，以及過熱保護功能。
由於採用極少的外部元件，NCL30161是汽車、工業和通用照明的理想解決方案，市場和應用包括LED驅動器、恆流源、汽車照明、通用照明和工業照明。
圖2：NCL30161典型應用降壓LED驅動器
圖2是NCL30161的典型應用降壓LED驅動器的框圖。可以看到，LED直接連接到輸入電壓，電流通過連接到地端的RSENSE設置；PWM調光和使能控制通過晶片的DIM/Enable腳實現；ROT用來設置初始關斷時間。
這是一個平均電流磁滯控制倒置Buck拓撲結構，外置MOSFET可以實現大電流LED驅動，連續電流模式不需要輸出電容；工作頻率高達1.4 MHz，可以通過外部電感進行調整。
圖3是NCL30161內部框圖，它由7個部分組成：內部LDO部分把輸入的高電壓變為5 V穩壓，為內部邏輯供電，包括外部MOSFET的驅動；PWM調光和使能控制部分；MOSFET驅動部分；內部比較器峰值電流檢測部分，比較電壓為220 mV；波谷電流檢測，內部設定在180 mV；LED短路檢測；關斷時間調整。
圖3：NCL30161內部框圖
NCL30161的控制邏輯如下，通過檢測LED的峰值和波谷電流，可以實現LED電流的磁滯控制，LED的紋波電流控制在平均電流的±10%以內，由於同時控制LED的峰值電流和波谷電流，LED的平均電流恆定，不隨輸入電壓和串聯LED數量的變化而變化。MOSFET開通時，LED電流增加到達峰值電流220 mV時，MOSFET關斷；MOSFET關斷時，LED電流下降，內部關斷時間定時器決定關斷時間，達到定時時間，MOSFET開通時檢測波谷電流並根據檢測到的波谷電流調整下一次關斷時間，穩態時波谷電流被控制在180 mV。
在圖4中右側可以看到NCL30161的典型電流波形，紅色為MOSFET開通時的電流路徑；綠色為MOSFET關斷時的電流路徑；右側最下面是LED電流波形，可以看到它是連續的，且紋波電流在±10%以內。
圖4：電流波形
由於MOSFET關斷時沒有電流，地端的電流檢測電阻無法檢測到電流，因此需要關斷時間設定電阻ROT來設置初始的關斷時間，關斷時間設定電阻只在啟動的時候起作用，啟動結束後由內部時間關斷定時器來控制關斷時間。選擇電阻值ROT時，首先利用等式(1)計算關斷時間；然後利用(2)計算電阻值：
(1)
(2)
圖5是NCL30161典型應用的能效曲線。其外部MOSFET是安森美半導體的60 V NTTFS5826。左圖是300 mA輸出時不同LED數的效率曲線；右圖是1 A輸出時不同LED數的效率曲線，可以看到整個效率是比較高的。
圖5：NCL30161典型應用能效
PWM調光功能可以通過DIM/EN腳實現；圖6中左圖是PWM調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調光訊號高/低時LED電流的變化，可以看到電流的波動範圍很小。NCL30161也可以通過在CS腳的R7加入一個直流偏置電壓訊號來實現類比調光。這樣，施加的類比電壓不同，LED電流就會變化，從而實現類比調光，如圖7。
圖6：PWM調光
圖7：類比調光
由於NCL30161是在輸入端連接LED串(電流檢測在地端)），在連接多串LED時，LED串的陽極可以共用一條母線，LED串連線數為n+1；而上端檢測LED電流的方式需要2n的連線數量，如圖8。
圖8：多串LED的連接
如果應用的輸入電壓範圍超過晶片的40 V耐壓，在要擴展輸入電壓範圍時，可以在Vin端串聯電阻或增加線性調節器，圖9中使用了一個三極管、一個穩壓管和一個電阻，將晶片Vin的電壓限定在40 V以下為晶片Vin供電；功率輸入部分的電壓可以高於40 V，如75 V，如圖9。此時，可以選用高耐壓的MOSFET來滿足高壓輸入的要求。
圖9：擴展輸入電壓
NCL30161除了可以實現降壓控制之外，還可以實現升壓控制，圖10是其典型電路。當沒有R7時，NCL30161可以在恆流輸入狀態工作，加入前饋電路R7後可實現恆功率輸入升壓控制。
圖10：恆功率輸入升壓控制
NCL30160的不同之處
除NCL30161以外，安森美半導體還為驅動大功率LED新推出一款NFET遲滯降壓、恆流高亮度LED驅動器NCL30160。此新一代高能效的解決方案整合了MOSFET，電流提升到了1.5安培，損耗非常低，體積也更小，可最大限度地減少空間和成本，並整合了多種保護功能。
此款元件接受6.3 V至40 V輸入電壓，利用整合的1 A/50 mΩ低導通阻抗內部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能夠提供能效高達98%的方案。由於整合MOSFET耐壓僅為40 V，因此NCL30160只適合於40 V以下輸入、1.2 A以下的應用。與NCL30161相同，其最高1.4 MHz的高開關頻率使設計人員可採用更小的外部元件，將電路板尺寸減至最小，成本降至最低。圖11是NCL30160的內部框圖。
圖11：NCL30160內部框圖
NCL30160為區域照明及路燈等講究高能效、高亮度的中大功率LED通用照明應用提供了極佳的方案，同時適用於MR16 LED燈泡等住宅應用。
圖12是NCL30160連接不同LED數和不同電流時的能效曲線。可以看到，其能效是非常高的。
圖12：NCL30160典型應用能效
安森美半導體還為上述元件提供輔助設計工具和支持，包括Excel表格工具、評估板和24 V LED燈條應用注釋。在Excel表格設計工具中，工程師只需要填入輸入電壓、輸出LED的數量、LED的壓降和LED的數量，即可自動計算出所需的結果，非常快捷方便。
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