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利用安森美半导体LED驱动器设计高效LED灯串

2013-08-02
作者:安森美半导体

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。

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