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，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：