安森美半导体NCL30160和NCL30161驱动器的特性及应用设计
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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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
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(1)
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图8：多串led的连接
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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。
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图11：ncl30160内部框图
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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。
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