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圖文解析高效LED燈串驅(qū)動設(shè)計:利用安森美LED驅(qū)動器

發(fā)布時間:2013-08-01 來源:安森美半導(dǎo)體 責任編輯:Cynthiali

【導(dǎo)讀】近年來,高亮度LED的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增多,本文介紹利用較新的兩款安森美DC-DC LED驅(qū)動器設(shè)計高效LED燈串。其中,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;而NCL30160集成了MOSFET,同樣可最大限度地減少空間和成本。

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撲結(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。本文將重點介紹這兩款產(chǎn)品的關(guān)鍵特性及應(yīng)用設(shè)計要點。
 
圖2:NCL30161典型應(yīng)用降壓LED驅(qū)動器
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;控制器不需要進行環(huán)路補償,滯環(huán)控制可實現(xiàn)好的電源注入抑制和快速的負載瞬態(tài)響應(yīng);當有多串LED(如RGB)時,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,使用很小的外部元件,節(jié)省空間和成本;完善的保護功能包括可調(diào)節(jié)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: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。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(shè)置;PWM調(diào)光和使能控制通過芯片的DIM/Enable腳實現(xiàn);ROT用來設(shè)置初始關(guān)斷時間。

這是一個平均電流滯環(huán)控制倒置Buck拓撲結(jié)構(gòu),外置MOSFET可以實現(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1.4 MHz,可以通過外部電感進行調(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220 mV;谷值電流檢測,內(nèi)部設(shè)定在180 mV;LED短路檢測;關(guān)斷時間調(diào)整。

圖3:NCL30161內(nèi)部框圖
圖3:NCL30161內(nèi)部框圖
下頁內(nèi)容:NCL30161的設(shè)計應(yīng)用要點
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NCL30161的控制邏輯如下,通過檢測LED的峰值和谷值電流,可以實現(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,LED電流增加到達峰值電流220 mV時,MOSFET關(guān)斷;MOSFET關(guān)斷時,LED電流下降,內(nèi)部關(guān)斷時間定時器決定關(guān)斷時間,達到定時時間,MOSFET開通時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)斷時間,穩(wěn)態(tài)時谷值電流被控制在180 mV。

在圖4中右側(cè)可以看到NCL30161的典型電流波形,紅色為MOSFET開通時的電流路徑;綠色為MOSFET關(guān)斷時的電流路徑;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
圖4:電流波形

由于MOSFET關(guān)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(guān)斷時間設(shè)定電阻ROT來設(shè)置初始的關(guān)斷時間,關(guān)斷時間設(shè)定電阻只在啟動的時候起作用,啟動結(jié)束后由內(nèi)部時間關(guān)斷定時器來控制關(guān)斷時間。選擇電阻值ROT時,首先利用等式(1)計算關(guān)斷時間;然后利用(2)計算電阻值:

圖文解析高效LED燈串驅(qū)動設(shè)計:利用安森美LED驅(qū)動器  (1)
圖文解析高效LED燈串驅(qū)動設(shè)計:利用安森美LED驅(qū)動器  (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60 V NTTFS5826。左圖是300 mA輸出時不同LED數(shù)的效率曲線;右圖是1 A輸出時不同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
圖5:NCL30161典型應(yīng)用能效

PWM調(diào)光功能可以通過DIM/EN腳實現(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,從而實現(xiàn)模擬調(diào)光,如圖7。
 
圖6:PWM調(diào)光
圖6:PWM調(diào)光
 圖7:模擬調(diào)光
圖7:模擬調(diào)光
 
下頁內(nèi)容:多串LED的連接和降壓/升壓控制
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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,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
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40 V耐壓,在要擴展輸入電壓范圍時,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40 V以下為芯片Vin供電;功率輸入部分的電壓可以高于40 V,如75 V,如圖9。這時,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
圖9:擴展輸入電壓

NCL30161除了可以實現(xiàn)降壓控制之外,還可以實現(xiàn)升壓控制,圖10是其典型電路。當沒有R7時,NCL30161可以在恒流輸入狀態(tài)工作,加入前饋電路R7后可實現(xiàn)恒功率輸入升壓控制。
 
圖10:恒功率輸入升壓控制
圖10:恒功率輸入升壓控制
下頁內(nèi)容:NCL30160的不同之處
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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1.5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,并集成了多種保護功能。

這款器件接受6.3 V至40 V輸入電壓,利用集成的1 A/50 mΩ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98%的方案。由于集成MOSFET耐壓僅為40 V,因此NCL30160只適合于40 V以下輸入、1.2 A以下的應(yīng)用。與NCL30161相同,其最高1.4 MHz的高開關(guān)頻率使設(shè)計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
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)和不同電流時的能效曲線??梢钥吹?,其能效是非常高的。

 圖12:NCL30160典型應(yīng)用能效
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)計工具和支持,包括Excel表格工具、評估板和24 V LED燈條應(yīng)用注釋。在Excel表格設(shè)計工具中,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,即可自動計算出所需的結(jié)果,非??旖莘奖恪?br />
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