為汽車照明應用選擇HB LED驅(qū)動器

摘要：本文討論了如何針對汽車照明應用合理選擇HB LED驅(qū)動器，介紹了不同類型的HB LED驅(qū)動器拓撲，并根據(jù)各種汽車照明設計(包括：內(nèi)部照明、外部照明、顯示器背光等)的要求給出了推薦配置。

引言

隨著消費者環(huán)保理念的加強，固態(tài)照明(SSL)方案迅速成為通用照明及汽車照明應用中首選的照明技術(shù)。按照市場調(diào)研公司Strategies Unlimited的預測，通用照明、背光及汽車應用將是高亮度LED (HB LED)市場在今后幾年的主要增長動力，到2011年，HB LED驅(qū)動器IC的整個市場規(guī)模將會達到19億美元1。

與傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，HB LED具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：它們不含任何有害物質(zhì)，例如CCFL中的汞元素；消耗較低的功率而且具有更長的使用壽命。另外，HB LED比傳統(tǒng)方案具有更高的成本競爭優(yōu)勢，大大降低了系統(tǒng)的整體成本(例如：運行和維護成本)。

當然，HB LED的使用也面臨一些特殊挑戰(zhàn)，特別是汽車等嘈雜的工作環(huán)境。本文討論了HB LED驅(qū)動器選擇的基本原則，比較了不同的驅(qū)動器拓撲，針對不同的汽車照明應用提供了推薦配置方案，其中包括：汽車頂燈、日間行駛燈(DRL)、尾燈(RCL)、霧燈和近光燈/遠光燈等。

HB LED需要恒流驅(qū)動

HB LED驅(qū)動器電路用于管理HB LED的供電，驅(qū)動電路保持恒定的電流和最小的電壓波動非常關(guān)鍵。過大的驅(qū)動電流會提高HB LED的結(jié)溫，加快HB LED的退化。

照明應用中，為了獲得更高的流明，需要使用大功率HB LED。這些HB LED的正向?qū)娏饕话銥?50mA到1A以上。白光、藍光和綠光HB LED的正向電壓在2.8至4.5V范圍內(nèi)，紅光和琥珀光HB LED的正向電壓在2.3至3.5V范圍。

為了保持固定的色譜和亮度，HB LED驅(qū)動必須滿足特定的額定電流要求。用電壓源驅(qū)動HB LED、串聯(lián)電阻限流，可能產(chǎn)生不可接受的亮度及光譜的變化。

HB LED亮度調(diào)節(jié)

HB LED的發(fā)光顏色會隨著電流的變化而發(fā)生變化，因此，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式對固定電流進行調(diào)節(jié)效果優(yōu)于調(diào)節(jié)實際電流的幅度，即將直流電流保持在HB LED廠商規(guī)定的固定值，按照一定的頻率和占空比進行電流斬波，利用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)亮度可以在不同的亮度等級保持一致的光譜。為了避免視覺閃爍，調(diào)光頻率應高于100Hz。調(diào)光范圍取決于HB LED驅(qū)動器所允許的最小占空比。

大部分HB LED驅(qū)動器需要由微控制器或外部定時器產(chǎn)生亮度控制信號。MAX16806等HB LED驅(qū)動器則由內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號，通過DIM輸入端作用的外部電壓進行調(diào)制(圖1)。這種配置在汽車內(nèi)部照明等應用中可以省去外部微控制器或開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。


圖1. 350mA線性HB LED驅(qū)動器IC MAX16806能夠省去微控制器或開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器

汽車內(nèi)部照明的最佳選擇—線性驅(qū)動器

驅(qū)動HB LED的最佳方案是使用恒流源。實現(xiàn)恒流源的簡單電路是：用一個MOSFET與HB LED串聯(lián)，對HB LED的電流進行檢測并將其與基準電壓相比較，比較信號反饋到運算放大器，進而控制MOSFET的柵極。這種電路如同一個理想的電流源，可以在正向電壓、電源電壓變化時保持固定的電流。

線性驅(qū)動器相對于開關(guān)模式驅(qū)動器的優(yōu)點是：電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，因為沒有高頻開關(guān)，所以也不需要考慮EMI問題。此外，線性驅(qū)動器的外圍元件少，可有效降低系統(tǒng)的整體成本。

線性HB LED驅(qū)動器IC，例如：MAX16806，內(nèi)部集成了MOSFET和高精度基準，能夠使每串LED保持一致的亮度(圖1)。例如：MAX16806所要求的輸入電壓只需比HB LED總壓降高出1V。利用外部檢流電阻測量HB LED的電流，從而在輸入電壓或LED正向電壓變化時，MAX16806能夠保證輸出恒定的電流。

線性驅(qū)動器的功耗等于HB LED電流乘以內(nèi)部(或外部)串聯(lián)調(diào)整管的壓降。當HB LED電流或輸入電源電壓增大時，功耗也會增大，從而限制了線性驅(qū)動器的應用。由于過熱會影響HB LED的使用壽命—這也是這類燈源的一個缺陷—限制燈管的功耗非常重要。

值得慶幸的是，可以通過調(diào)節(jié)HB LED的亮度避免出現(xiàn)過熱。為了降低功耗，MAX16806對輸入電壓進行監(jiān)測，如果輸入電壓超過預先設定值，它將減小HB LED的驅(qū)動電流以降低功耗。該項功能可以在某些應用中避免使用開關(guān)電源，例如：汽車頂燈或DRL等，這些應用中通常會在出現(xiàn)不正常的高電池電壓時將燈光調(diào)暗。

汽車外部照明的理想選擇—開關(guān)模式降壓驅(qū)動器

當輸入電壓遠遠高于串聯(lián)HB LED的總壓降時，最好使用開關(guān)模式降壓(buck)轉(zhuǎn)換驅(qū)動器(圖2)，能夠使功耗降至最低，從而獲得較高的驅(qū)動器效率。


圖2. 利用開關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動器降低功耗并提高照明組件的驅(qū)動效率

與用于驅(qū)動HB LED的一般buck控制器不同，MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832 HB LED驅(qū)動器采用滯回控制，沒有控制環(huán)路補償，從而簡化了設計，有助于減少外部器件數(shù)量。集成高壓電流檢測放大器，能夠工作在高達2MHz的開關(guān)頻率，有效降低電路板空間和元件數(shù)量，可理想用于汽車前后部的照明(RCL、DRL、霧燈/近光燈)。

汽車前燈的理想選擇—開關(guān)模式buck-boost (SEPIC)驅(qū)動器

當輸入電壓高于或低于HB LED的總導通電壓時，必須使用buck-boost模式驅(qū)動器。在buck-boost配置中，需要一個浮動的電流檢測放大器檢測并調(diào)節(jié)HB LED電流。另外還需要提供額外的保護，例如過壓保護，在HB LED發(fā)生開路或短路失效時保護系統(tǒng)不被損壞。對于汽車前燈中的大功率LED，輸入電壓的變化范圍可能在5.5V (冷啟動)至24V (電池倍壓)，此時，比較理想的選擇是buck-boost電路。驅(qū)動器還必須能夠承受40V以上的拋負載峰值電壓。

高度集成的HB LED驅(qū)動器，例如：MAX16812或MAX16831，在汽車前燈設計中有助于減少元件數(shù)量、降低成本。例如：MAX16812內(nèi)部集成了差分電流檢測放大器和額定電壓為76V的0.2Ω功率MOSFET，用于控制單串HB LED的電流(圖3)。此外，內(nèi)部調(diào)光MOSFET驅(qū)動器在拋負載時可以自動關(guān)閉LED串的電源，增強了系統(tǒng)的可靠性。


圖3. 當輸入電壓可能高于或低于串聯(lián)HB LED的總電壓時，應該選擇buck-boost驅(qū)動器拓撲

汽車中的LCD背光方案—開關(guān)模式boost驅(qū)動器

如果輸入電壓始終低于HB LED串的總電壓，則需要使用boost轉(zhuǎn)換器。在2010年的新車型中，普遍增加了平視顯示器，升壓轉(zhuǎn)換器非常適合這類應用或LCD背光。這些應用需要3000:1的亮度調(diào)節(jié)范圍，以適應車內(nèi)寬范圍的環(huán)境光照條件。驅(qū)動器必須提供一個額外的調(diào)光MOSFET驅(qū)動器，以便在極短的時間內(nèi)接通/關(guān)閉LED。調(diào)光MOSFET還能夠在拋負載時保護LED。

圖4所示HB LED驅(qū)動器電路用于汽車中LCD背光，MAX16834集成了高邊檢流放大器、PWM調(diào)光MOSFET驅(qū)動器和高度可靠的保護電路，大大簡化了LCD背光電路的設計。該款HB LED驅(qū)動器能夠提供3000:1 PWM調(diào)光范圍，輸入電壓范圍為4.75V至28V，在冷啟動和拋負載狀況下確保穩(wěn)定工作。


圖4. 具有3000:1較寬調(diào)光范圍的boost驅(qū)動器，內(nèi)置保護電路，可理想用于汽車娛樂設施的LCD背光。

結(jié)論

合理選擇HB LED驅(qū)動器需要了解具體LED照明裝置的要求，以優(yōu)化系統(tǒng)設計。設計人員首先需要確定電參數(shù)，例如：輸入電壓、LED電流、LED正向?qū)妷阂约斑@些參數(shù)的變化范圍。安全性、EMI、熱管理、機械性能以及可以利用的電路板面積也是必須考慮的因素。

線性驅(qū)動器比較適合低成本、低EMI應用，例如：汽車內(nèi)部照明，設計簡單。開關(guān)型驅(qū)動器則適用于大功率、高效率和寬輸入電壓范圍等應用場合，例如：汽車的外部照明，但成本較高，需要考慮EMI問題。

Maxim針對不同應用提供廣泛的HB LED驅(qū)動解決方案，能夠在汽車固態(tài)照明中減小系統(tǒng)尺寸，降低設計復雜度和成本。所有汽車照明方案均可工作在-40°C至+125°C溫度范圍，并且滿足汽車應用中對短路保護和熱關(guān)斷的要求。