为不同DC-DC LED照明应用选择适合的开关驱动器方案

　　高亮度LED的应用领域越来越广。要使LED照明系统能够提供期望的长寿命等优势，必须选择恰当的LED驱动方案。就LED建筑物及室内照明应用而言，输入电源通常是交流(AC)主电源。而景观照明、低压道路照明、太阳能供电照明等户外照明应用，以及汽车照明、应急车辆照明、船舶应用及飞机内部照明等应用，则可能采用离线交流适配器、密封铅酸电池及12V直流(DC)和12V AC电源等输入电源，电压一般都低于40V。这些LED照明应用中，某些输入电源的稳压精度较低，如汽车或太阳能供电、船舶应用中的铅酸电池的电压范围可能在直流8至超过14V之间，汽车应用中电压范围甚至为更宽的7～27V。这就要求LED驱动器能够在宽输入电压范围内工作，并能配置为不同拓扑结构，配合负载要求。
   　　典型DC/DC LED驱动方案比较
   　　LED驱动方案的一项主要功能是在多种工作条件下稳流，而不论输入条件如何及正向电压如何变化。驱动方案必须符合能效、外形因数、成本及安全性方面的应用要求。同时，所选方案必须易用及足够强固，从而适应特定应用的严格环境。
   　　典型DC/DC LED驱动方案包括电阻、恒流稳流器(CCR)、线性驱动器及开关驱动器等。电阻是最简单、最低成本的LED稳流方案。但实际上它们并不“稳流”，只是在LED正向电压变化及输入电源电压变化并导致电流变化从而引起LED亮度变异时，简单地限制LED最大电流。对于低电流指示器应用而言，这可能可以接受；但随着电流增大及串联的LED数量增加，就变得有问题了。要克服这个问题，需要费钱又费时地对LED进行编码及选择恰当的电阻来匹配LED串正向电压。即使采取这些步骤，仍然会有由输入电压变化导致的亮度变化问题。
   　　CCR是一种比电阻方案性能更高但成本又低于线性驱动器或开关驱动器的方案，适合于电流小于200mA的低电流LED照明应用。CCR易于设计，能够提供有效的稳流及更多的特性。CCR的主要局限是输入电压必须始终高于输出正向电压以恰当工作，而且它们能效较低，热耗散较高。
   　　线性驱动器支持多条线路并行配置以扩散热耗散，提供达±2%的稳流精度，无电磁干扰(EMI)问题，成本中等，但能效也较低。
   　　凭借高能效及灵活等优势，开关驱动器广泛使用。这种方案成本更高，技术更复杂，但也提供显着优势，如支持任何类型的输入电压与输出电压关系，且根据输入/输出条件，能效能够高于90%。与线性驱动器不同，它们对EMI很敏感，给设计人员带来需要注意的设计约束。对于中到大功率应用或涉及宽输入电压范围的应用而言，开关稳压器是唯一可行的选择；且许多应用中优化了开关稳压器型LED驱动器，从而应用LED调光控制。
   　　LED开关驱动器拓扑结构
   　　根据输入电压与输出电压之间的关系，我们可将LED DC/DC开关驱动器/稳压器的拓扑结构分为降压、升压及降压-升压等不同类型，并相应作简要分析。
   　　降压：适合于所有工作条件下最小输入电压始终高于LED串最大电压的应用(见图1a)。例如，以12V电源驱动单颗功率为1W的LED时，使用这种拓扑结构。
   
   图1 典型DC/DC LED开关驱动器拓扑结构
   　　这种拓扑结构的原理是：开关导通时，输入电压通过电感向负载供电，同时也向输出电容充电。这个过程中，电感及输出电容储存能量。开关关断时，储存在电感中的电流不能突变，电感通过自感产生右正、左负的脉冲电压，这时电感、输出电容及续流二极管构成放电回路，回路电流继续在电容两端建立直流电压，并由此直流电压为负载供电。从能量关系可以看出，这种情况下输出电压始终低于输入电压，提供降压效果。
   　　升压：适合于所有工作条件下最大输入电压始终低于LED串最小电压时的应用。例如，以5V电源驱动6颗LED时，使用这种拓扑结构(见图1b)。
   　　这种拓扑结构的原理是：闭合导通时，通过电感的电流增加，在电感中积累能量；开关关断时，电感电流通过二极管流向输出电容。由于储存来自电感的电流，多个开关周期后，输出电容的电压升高，结果输出电压就高于输入电压，从而提供升压效果。
   　　降压-升压，或单端初级电感转换器(SEPIC)：适合于输入电压与输出电压有交迭的应用。如以12V汽车电池驱动4颗LED时，可使用这种拓扑结构(见图1c)。
   　　这种拓扑结构的原理非常简单。开关处于导通状态时，输入电压直接连接至电感，从而在电感中积聚能量。在这个阶段，电容C为输出负载提供能量。开关处于关闭状态时，电感通过续流二极管连接至输出负载及电容，从而传输能量给负载。这是一种反向(inverting)输出，负输出连接至LED的阳极，而正输出连接至LED的阴极。这种拓扑结构可以提供众多优势，如提供更高能效、更小外形因数及更低成本等。
   　　不同拓扑结构的LED DC/DC开关驱动器方案及其应用
   　　1 降压驱动器方案
   
   　　典型LED DC/DC降压应用有如在线槽灯、书架灯及展示柜灯等中使用的高亮度模块化灯条，一般每条(11.5×1英寸)4颗LED，根据颜色的不同，光效为23～47lm/W，电压为23～25V。
   
   图2  不同LED DC-DC降压驱动器方案
   　　根据频率及电流的不同，这类应用中可以使用安森美半导体提供不同的LED DC-DC降压驱动器方案，包括NCL30100控制器、CAT4201稳压器，以及能够配置为降压稳压器的NCP3065/NCV3065、NCP3066/NCV3066稳压器及控制器等(见图2)。这些方案各有其特点。
   　　在LED DC/DC降压应用中，客户可以根据应用需要，选择控制器方案或是稳压器方案。例如，在MR16灯泡、12V景观照明、太阳能供电LED照明、线性照明及广告牌文字电路和标志背光等应用中，可以采用NCL30100控制器。这器件本身并未集成FET，但它支持使用高性价比的N沟道MOSFET作为外部元件，能够调节电流，并以100%的占空比工作。但这器件电源电压(VCC)能达18V，需要外部器件以支持较高电压，且需要用于确定数量的LED设计。
   
   图3 NCL30100 LED降压控制器基本应用电路图
   　　而在12V及24V照明系统、汽车及飞机照明和通用照明等应用中，可以采用CAT4201稳压器。这器件与NCL30100控制器不同，是集成了MOSFET的完整电源转换器，采用小型TSOT5封装，最高电压36Vdc(可承受40V瞬态电压)，能驱动总电压达32V的7颗串联LED，电源能效高达94%，提供限流及热保护。但这器件在大多数应用中要求输出电容，且LED输出电流限流为最大350mA。
   
   图4 CAT4201 LED降压驱动器典型应用电路图
   　　有些LED应用可能需要支持PWM调光。在这些应用中，可以采用NCP3065和NCP3066，以及相应通过汽车认证的版本NCV3065和NCV3066。NCP3065/6、NCV3065/6是灵活的开关稳压器，能够配置为降压、升压及降压-升压等不同结构。配置为LED降压驱动器时，能在不采用输出大电容的条件下工作，支持+40V/1.5A典型峰值开关电流，可以设定350mA、700mA及1 000mA等输出电流，还能配合调光需求。适合的应用包括汽车及船舶照明、大功率LED驱动器、恒流源、低压LED照明(景观、道路、太阳能及MR16替代)等。
   　　2 升压驱动器方案
   　　如上所述，NCP3065/6、NCV3065/6能够配置为不同结构，图5右显示的是即是配置为升压结构的应用电路图。
   
   图5 NCP3065典型LED降压应用电路(左)及典型LED升压应用电路(右)
   　　此外，在需要高能效驱动长串高亮度LED的应用中，可以采用安森美半导体将推出专门用于高能效升压模式的NCL30131 LED升压驱动器。这是一款能够采用N沟道FET的开关升压控制器，能够用于构建高能效的LED升压驱动器。这器件使用电压模式PWM反馈机制，带有运算跨导放大器(OTA)。这器件具有高驱动能力，能够驱动大电流/高能效MOSFET。输入电压范围极宽，介于4.5～28V之间。NCL30131提供300/600/1000kHz开关频率，提供可编程限流、短路保护、热关闭、过压保护及欠压锁定等丰富的保护功能。
   
   图6  NCL30131高能效升压LED驱动器典型电路图
   　　3升降压驱动器方案
   　　典型LED降压-升压应用包括以12V交流或12V直流电源驱动包含3～4颗LED的模块。这种应用中就可以采用配置为降压-升压拓扑结构的NCP3065/6控制器，从而满足输入电压与输出电压有交迭的应用需求。