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利用安森美半导体LED驱动器设计高效LED灯串


利用安森美半导体 LED 驱动器设计高效 LED 灯串 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, 。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。


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