近年來，高亮度LED的應用領域不斷增多，涵蓋從行動裝置背光、中大尺寸LCD背光、汽車內部及外部照明及一般照明等寬廣範圍。常見DC-DC LED照明應用包括景觀照明、內部低壓道路照明、太陽能供電照明、汽車照明、應急車輛照明、船舶應用、低壓鹵素類替代及飛機內部照明等。本文將重點探討如何為不同DC-DC LED照明應用選擇適合的安森美半導體高能效驅動器方案。               

LED DC-DC開關穩壓器拓撲結構
根據輸入電壓與輸出電壓之間的關係，我們可將LED DC-DC開關穩壓器的拓撲結構分為以下幾種類型：
 降壓：適合於在所有工作條件下最小輸入電壓始終高於LED串最大電壓的應用。例如，以12 V電源驅動單顆1 W LED時，使用此拓撲結構。    
升壓：適合於在所有工作條件下最大輸入電壓始終低於LED串最小電壓時的應用。例如，以5 V電源驅動6顆LED時，使用此拓撲結構。
降壓-升壓，或單端初級電感轉換器(SEPIC)：適合於輸入電壓與輸出電壓有交迭的應用。例如，以12 V汽車電池驅動4顆LED時，可使用此拓撲結構。

不同拓撲結構適合採用不同的LED驅動器方案。安森美半導體身為應用於高能效電子產品的首要高性能矽方案供應商，運用公司在電源管理方面的專業技術及專知，針對各種LED照明應用提供寬廣範圍的高能效驅動器方案，其中包括各種高能效DC-DC LED照明方案。

LED DC-DC降壓驅動器方案
典型LED DC-DC降壓應用有如線槽燈、書架燈及展示櫃燈等中使用的高亮度模組化燈條，一般每條(11.5 x 1英寸) 4顆LED，根據顏色的不同，光效為23至47 lm/W，電壓為23至25 V 。

根據頻率及電流的不同，此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1)。這些方案各有其特點。

圖1：不同LED DC-DC降壓驅動器方案。

例如，NCL30100作為控制器，本身並未整合FET，但它支援使用高性價比的N通道MOSFET作為外部元件，能夠調節電流，並以100%的占空比工作。但此元件的電源電壓(VCC)能達18 V，需要外部元件以支援較高電壓，且需要用於確定數量的LED設計。NCL30100適合MR16燈泡、12 V景觀照明、太陽能供電LED照明、線性照明及看板文字電路和標誌背光等應用。
 
CAT4201則是整合了MOSFET開關的完整電源轉換器，採用小型TSOT5封裝，最高電壓36 Vdc(可承受40 V暫態電壓)，能驅動總電壓達32 V的7顆串列LED，電源能效高達94%，提供限流及熱保護。但此元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350 mA。CAT4201適用於12 V及24 V照明系統、汽車及飛機照明和通用照明等應用。


NCP3065和NCP3066，以及相應通過汽車認證的版本NCV3065和NCV3066，是彈性的開關穩壓器，能夠配置為降壓、升壓及降壓-升壓等不同結構。配置為LED降壓穩壓器時，能在不採用輸出大電容的條件下工作，支援+40 V/1.5 A典型峰值開關電流，可以設定350 mA、700 mA及1,000 mA等不同輸出電流，還能夠配合調光需求。NCP3065/6、NCV3065/6適合於汽車及船舶照明、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)等應用。

LED DC-DC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4右顯示的是即是配置為升壓結構的應用電路圖。

此外，安森美半導體還將推出專門用於高能效升壓模式的NCL30131 LED升壓驅動器，適合於驅動長串高亮度LED。NCL30131是一款能夠採用N溝道FET的開關升壓控制器，能夠用於構建高能效的LED升壓驅動器。此元件使用電壓模式脈寬調變(PWM)回饋機制，帶有運算跨導放大器(OTA)。此元件具有高驅動能力，能驅動大電流/高能效MOSFET。輸入電壓範圍極寬，介於4.5 V至28 V之間。NCL30131提供300/600/1,000 kHz開關頻率，提供可程式設計限流、短路保護、熱關閉、過壓保護及欠壓鎖定等豐富保護功能，適合MR16建築物照明、燈條、景觀照明及櫥櫃內照明等應用。

圖5：NCL30131高能效升壓LED驅動器典型電路圖。

基於NCL30131構建的驅動10顆高亮度LED的+12 Vin @ ~700 mA演示板測試顯示，能效高於90%，線路穩壓精度達到低於0.2%。

除了NCL30131，安森美半導體還提供另一款LED DC-DC升壓轉換器——CAT4240。此元件採用1 MHz的固定開關頻率工作，能夠使用小量值的外部陶瓷電容及電感。此元件的高壓輸出段極適合驅動包含多達10個串列白光LED的中等尺寸及大尺寸面板顯示器，能效高達94%。

LED DC-DC降壓-升壓驅動器方案
典型LED降壓-升壓應用包括以12 V交流或12 V直流電源驅動包含3至4顆LED的模組。這種應用中就可以採用配置為降壓-升壓拓撲結構的NCP3065/6控制器，從而滿足輸入電壓與輸出電壓有交迭的應用需求。圖6顯示的是NCP3065在此類應用中的電路圖。


圖6：NCP3065 LED降壓-升壓應用電路圖。

GreenPoint®網上設計模擬工具加快DC-DC LED照明設計
安森美半導體身為應用於高能效電子產品的首要高性能矽方案供應商，針對各種 LED照明應用(包括DC-DC LED照明應用)提供完整的系統方案，包括電源、通訊、光感測器、MOSFET、整流器、保護、濾波器及熱管理產品等。

此外，為了幫助設計人員加快LED照明設計，安森美半導體還提供GreenPoint®網上設計模擬工具，讓設計人員坐在工作檯前，即可以輕鬆地通過“選定LED驅動器”、“確定設計要求”、“自動產生設計電路圖”、“模擬及驗證”、“產生物料單及報告”、“下載報告為PDF檔案”及“保存檔案和分享”等幾個步驟，大幅縮短開發時間，加快產品上市進程。

此網上設計工具目前已經支援多款安森美半導體的高能效LED驅動器產品的應用設計，其中支援的DC-DC LED驅動器包括NCP3065、NCP3066、NCL30100、CAT4201、NCP1529(降壓方案)、NCP5030(降壓-升壓方案)及NCP5050(升壓方案)等。後續還將支援更多產品。
 
圖7：安森美半導體GreenPoint®網上設計工具幫助加快LED照明設計。

總結
安森美半導體身為應用於高能效電子產品的首要高性能矽方案供應商，提供不同的高能效DC-DC LED照明產品，方便使用者根據應用需求來選擇 。安森美半導體同時提供線上模擬設計工具、演示板及多款參考設計，説明客戶簡化設計中標及使用。安森美半導體的LED驅動器產品的設計持續趨向小尺寸、高能效及低成本，幫助推動LED照明市場不斷向前發展。

供稿：安森美半導體
參考資料：
1、    安森美半導體網站LED照明應用專區， www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=15102
2、    安森美半導體LED照明網上設計資源中心，thinkonsemi.cn/LED