DC-DC LED照明開關驅動器方案選擇

要使 LED照明系統能夠提供期望的長壽命等優勢，必須選擇恰當的LED驅動方案。戶外照明應用以及汽車照明、應急車輛照明、船舶應用及飛機內部照明等應用，可能采用離線交流適配器、密封鉛酸電池及12V直流(DC)和12V AC 電源等輸入電源，電壓一般都低于40V。船舶應用中的電壓范圍可能在直流8至超過14V之間，汽車應用中電壓范圍甚至為更寬的7～27V。這就要求LED驅動器能夠在寬輸入電壓范圍內工作，并能配置為不同拓撲結構，配合負載要求。

　　　典型DC/DC LED驅動方案比較

　　LED驅動方案的一項主要功能是在多種工作條件下穩流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動方案必須符合能效、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。同時，所選方案必須易用及足夠強固，從而適應特定應用的嚴格環境。

　　典型DC/DC LED驅動方案包括電阻、恒流穩流器(CCR)、線性驅動器及開關驅動器等。電阻是最簡單、最低成本的LED穩流方案。但實際上它們并不“穩流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導致電流變化從而引起LED亮度變異時，簡單地限制LED最大電流。對于低電流指示器應用而言，這可能可以接受;但隨著電流增大及串聯的LED數量增加，就變得有問題了。要克服這個問題，需要費錢又費時地對LED進行編碼及選擇恰當的電阻來匹配LED串正向電壓。即使采取這些步驟，仍然會有由輸入電壓變化導致的亮度變化問題。

　　CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅動器或開關驅動器的方案，適合于電流小于200mA的低電流LED照明應用。CCR易于設計，能夠提供有效的穩流及更多的特性。CCR的主要局限是輸入電壓必須始終高于輸出正向電壓以恰當工作，而且它們能效較低，熱耗散較高。

　　線性驅動器支持多條線路并行配置以擴散熱耗散，提供達±2%的穩流精度，無電磁干擾(EMI)問題，成本中等，但能效也較低。

　　憑借高能效及靈活等優勢，開關驅動器廣泛使用。這種方案成本更高，技術更復雜，但也提供顯著優勢，如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關系，且根據輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線性驅動器不同，它們對EMI很敏感，給設計人員帶來需要注意的設計約束。對于中到大功率應用或涉及寬輸入電壓范圍的應用而言，開關穩壓器是唯一可行的選擇;且許多應用中優化了開關穩壓器型LED驅動器，從而應用LED調光控制。

　　LED開關驅動器拓撲結構

　　根據輸入電壓與輸出電壓之間的關系，我們可將LED DC/DC開關驅動器/穩壓器的拓撲結構分為降壓、升壓及降壓-升壓等不同類型，并相應作簡要分析。

　　降壓：適合于所有工作條件下最小輸入電壓始終高于LED串最大電壓的應用(見圖1a)。例如，以12V電源驅動單顆功率為1W的LED時，使用這種拓撲結構。

　　圖1 典型DC/DC LED開關驅動器拓撲結構

　　這種拓撲結構的原理是：開關導通時，輸入電壓通過電感向負載供電，同時也向輸出電容充電。這個過程中，電感及輸出電容儲存能量。開關關斷時，儲存在電感中的電流不能突變，電感通過自感產生右正、左負的脈沖電壓，這時電感、輸出電容及續流二極管構成放電回路，回路電流繼續在電容兩端建立直流電壓，并由此直流電壓為負載供電。從能量關系可以看出，這種情況下輸出電壓始終低于輸入電壓，提供降壓效果。

　　升壓：適合于所有工作條件下最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時的應用。例如，以5V電源驅動6顆LED時，使用這種拓撲結構(見圖1b)。

　　這種拓撲結構的原理是：閉合導通時，通過電感的電流增加，在電感中積累能量;開關關斷時，電感電流通過二極管流向輸出電容。由于儲存來自電感的電流，多個開關周期后，輸出電容的電壓升高，結果輸出電壓就高于輸入電壓，從而提供升壓效果。

　　降壓-升壓，或單端初級電感轉換器(SEPIC)：適合于輸入電壓與輸出電壓有交迭的應用。如以12V汽車電池驅動4顆LED時，可使用這種拓撲結構(見圖1c)。

　　這種拓撲結構的原理非常簡單。開關處于導通狀態時，輸入電壓直接連接至電感，從而在電感中積聚能量。在這個階段，電容C為輸出負載提供能量。開關處于關閉狀態時，電感通過續流二極管連接至輸出負載及電容，從而傳輸能量給負載。這是一種反向(inverting)輸出，負輸出連接至LED的陽極，而正輸出連接至LED的陰極。這種拓撲結構可以提供眾多優勢，如提供更高能效、更小外形因數及更低成本等。

　　不同拓撲結構的LED DC/DC開關驅動器方案及其應用

　　1 降壓驅動器方案

　　典型LED DC/DC降壓應用有如在線槽燈、書架燈及展示柜燈等中使用的高亮度模塊化燈條，一般每條(11.5×1英寸)4顆LED，根據顏色的不同，光效為23～47lm/W，電壓為23～25V。

　　圖2 不同LED DC-DC降壓驅動器方案

　　根據頻率及電流的不同，這類應用中可以使用安森美半導體提供不同的LED DC-DC降壓驅動器方案，包括NCL30100控制器、CAT4201穩壓器，以及能夠配置為降壓穩壓器的NCP3065/NCV3065、NCP3066/NCV3066穩壓器及控制器等(見圖2)。這些方案各有其特點。

　　在LED DC/DC降壓應用中，客戶可以根據應用需要，選擇控制器方案或是穩壓器方案。

　　圖3 NCL30100 LED降壓控制器基本應用電路圖

　　而在12V及24V照明系統、汽車及飛機照明和通用照明等應用中，可以采用CAT4201穩壓器。這器件與NCL30100控制器不同，是集成了MOSFET的完整電源轉換器，采用小型TSOT5封裝，最高電壓36Vdc(可承受40V瞬態電壓)，能驅動總電壓達32V的7顆串聯LED，電源能效高達94%，提供限流及熱保護。但這器件在大多數應用中要求輸出電容，且LED輸出電流限流為最大350mA。

　　圖4 CAT4201 LED降壓驅動器典型應用電路圖

　　有些LED應用可能需要支持PWM調光。在這些應用中，可以采用NCP3065和NCP3066，以及相應通過汽車認證的版本NCV3065和NCV3066。NCP3065/6、NCV3065/6是靈活的開關穩壓器，能夠配置為降壓、升壓及降壓-升壓等不同結構。配置為LED降壓驅動器時，能在不采用輸出大電容的條件下工作，支持+40V/1.5A典型峰值開關電流，可以設定350mA、700mA及1 000mA等輸出電流，還能配合調光需求。適合的應用包括汽車及船舶照明、大功率LED驅動器、恒流源、低壓LED照明(景觀、道路、太陽能及MR16替代)等。

　　2 升壓驅動器方案

　　如上所述，NCP3065/6、NCV3065/6能夠配置為不同結構，圖5右顯示的是即是配置為升壓結構的應用電路圖。

　　圖5 NCP3065典型LED降壓應用電路(左)及典型LED升壓應用電路(右)

　　此外，在需要高能效驅動長串高亮度LED的應用中，可以采用安森美半導體將推出專門用于高能效升壓模式的NCL30131 LED升壓驅動器。這是一款能夠采用N溝道FET的開關升壓控制器，能夠用于構建高能效的LED升壓驅動器。這器件使用電壓模式PWM反饋機制，帶有運算跨導放大器(OTA)。這器件具有高驅動能力，能夠驅動大電流/高能效MOSFET。輸入電壓范圍極寬，介于4.5～28V之間。NCL30131提供300/600/1000kHz開關頻率，提供可編程限流、短路保護、熱關閉、過壓保護及欠壓鎖定等豐富的保護功能。