LED與CCFL光源的電源解決方案

在汽車(chē)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，照明一直扮演著(zhù)相當重要的角色，一開(kāi)始汽車(chē)僅配備方便在黑暗中尋找道路的前燈，不久之后，在交通流量逐漸增大的情況下出于安全與秩序的考慮，其它照明源，例如尾燈、指示燈以及其它信號燈則陸續加入，并針對一些特殊情況下加上了警告燈與霧燈，另一方面，車(chē)廂內裝的光源，例如儀表板燈、車(chē)頂燈、地圖燈或車(chē)門(mén)踏板照明燈等也為駕駛者與乘客帶來(lái)更高的方便性。

除了最早期的車(chē)型外，所有這些照明都采用電源，并使用白熾燈泡，最近幾年，其它光源，例如發(fā)光二極管（Light EmittingDiode；LED）以及冷陰極管（Cold Cathode FluorescentLamps；CCFL）則逐漸應用到汽車(chē)上，這些新光源的主要優(yōu)勢在于更長(cháng)的使用壽命以及更佳的發(fā)光效率，白熾燈泡的標準壽命大約在一萬(wàn)小時(shí)，熒光燈管則可以達到五萬(wàn)小時(shí)，發(fā)光二極管甚至可長(cháng)達十萬(wàn)小時(shí)。
　
LED壽命長(cháng)而且故障率極低，可以大幅降低維修的成本，LED的其它優(yōu)勢還包括低電壓運作、低電磁發(fā)射、不受機械應力影響、更輕薄的尺寸、寬廣的工作溫度范圍以及幅度更大的明暗調整范圍，通過(guò)LED技術(shù)的改進(jìn)，可以預期這項技術(shù)將逐漸取代其它光源，不過(guò)目前CCFL在部分特定應用，例如大區域背光以及高功率非聚焦照明場(chǎng)合還是擁有相當明顯的優(yōu)勢。

CCFL與LED光源都需要一個(gè)電源，同時(shí)不同的技術(shù)也有各自的特殊要求，此外，這些電源也必須執行其它特定應用的額外功能，本文將介紹LED與CCFL光源的電源解決方案，并討論各種汽車(chē)內裝與外部燈光應用的設計。

讓該亮的地方就有燈光：車(chē)室照明
　
車(chē)室照明應用包括了儀表板以及指示背光、車(chē)頂燈或地圖燈、車(chē)門(mén)踏板照明燈或后車(chē)廂燈以及顯示背光等，由于顯示背光有其它特殊要求，因此我們在后面再加以討論。
　
所有這些汽車(chē)內部燈光應用都可以采用LED作為光源，雖然地圖燈與車(chē)頂燈通?？梢允褂靡活w高亮度LED來(lái)解決，但儀表板燈與車(chē)門(mén)踏板照明燈則通常需要超過(guò)一個(gè)LED串聯(lián)形成的光源，之所以采用串聯(lián)連接方式主要是為了避免不同LED間的電流不同造成顏色差異。所有應用都必須要有內建明暗調整功能的定電流電源，而擁有這些功能組合的一個(gè)例子為美商美信（Maxim）公司的MAX16800，這款芯片整合了所有的控制以及電流供應電路，請參考圖1（a）。

MAX16800擁有高達40V的輸入電壓范圍，因此能夠在不需要加入保護組件的情況下直接連接到汽車(chē)電池，這些保護主要用來(lái)避免電池電路因負載突降而帶來(lái)的突波，芯片為L(cháng)ED提供定電流輸出，電流大小則可以通過(guò)與LED串接的感測電阻RSENSE來(lái)加以設定，請見(jiàn)圖1（b）。為了改善電流設定的精確度并提高對外部噪聲的抵抗能力，MAX16800采用了差動(dòng)式電流感測輸入。

LED的色溫會(huì )隨著(zhù)流經(jīng)的電流變化，因此要控制LED的亮度最好采用定電流脈寬調制（Pulse WidthModulation；PWM）的方式，而非直接改變實(shí)際電流的大小，MAX16800通過(guò)在芯片的使能（Enable）輸入接腳加上PWM信號來(lái)控制LED的亮度，流經(jīng)LED的電流將由PWM所設定的速度進(jìn)行亮滅控制。
　
抗EMI電磁干擾能力在汽車(chē)應用中相當重要，同樣地也必須注意不要產(chǎn)生任何EMI，將流經(jīng)LED電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換就是造成EMI幅射的來(lái)源，因此，為了降低PWM運作時(shí)所發(fā)出的EMI，MAX16800整合了波形整形電路來(lái)使切換邊緣變得平緩。

許多照明應用并沒(méi)有包含可以用來(lái)產(chǎn)生明暗控制信號的微控制器，對于這類(lèi)應用就可以采用MAX16805以及MAX16806，請參考圖2（a）、（b）與（c），這些LED驅動(dòng)器包含了所有需要的功能，例如斜波產(chǎn)生器、脈沖偵測器、穩壓電路、帶隙參考電路以及其它更多功能，因此可以節省微控制器或開(kāi)關(guān)式轉換器的需求，請參考圖2（a）。這兩款芯片都能夠通過(guò)加到DIM輸入的外部模擬電壓控制內部所產(chǎn)生的PWM信號，其中MAX16806同時(shí)還提供有可以遮蔽模擬明暗控制設定的開(kāi)關(guān)輸入SW（SwitchInput），這個(gè)開(kāi)關(guān)輸入不僅能夠檢測開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，同時(shí)擁有去彈跳功能，并提供穩定開(kāi)關(guān)用的封閉電流（wetting current）。

在某些照明應用中我們必須緊密地監控LED的溫度，這在空間受限同時(shí)散熱不佳的場(chǎng)合特別重要，LED過(guò)熱會(huì )縮短其壽命，因而影響到采用這項光源的一個(gè)主要優(yōu)勢，幸運的是這個(gè)過(guò)熱情況在大部分應用中都可以通過(guò)暫時(shí)降低LED的亮度來(lái)加以避免，要達成這個(gè)功能，MAX16806提供有外部溫度傳感器的輸入，請參考圖2（c），當偵測到溫度過(guò)高情況發(fā)生時(shí)，組件會(huì )將亮度變暗，直到溫度回到可接受的范圍，溫度與明暗控制的臨界值可以通過(guò)串行接口進(jìn)行控制并存儲在EEPROM內存中，這個(gè)功能讓我們可以避免使用昂貴且大型的散熱片。
　
MAX16805M806的內部參考電路應用在反饋回路中來(lái)監測LED電流，同時(shí)可以通過(guò)串行接口加以調整，這將能夠讓所有的LED串共享一個(gè)固定的感測電阻，有效簡(jiǎn)化生產(chǎn)并降低成本。

加強顯示背光

目前有越來(lái)越多的LCD被應用在儀表總成、車(chē)用電腦、收音機、導航系統以及娛樂(lè )系統上，用來(lái)顯示信息，和以上的例子不同，背光主要是將光分散在大區域面積上而非產(chǎn)生一個(gè)聚焦光束。

傳統上LCD面板使用CCFL燈管作為背光源，主要是這項技術(shù)擁有良好效率、低溫以及高照明能力等優(yōu)勢，雖然CCFL控制器在非汽車(chē)類(lèi)應用中，例如液晶電視或液晶顯示器上相當成功，但汽車(chē)的工作環(huán)境卻對這項技術(shù)帶來(lái)特殊的挑戰與要求，為了讓元件數減少，CCFL控制器必須包含包括如EMI抑制、燈管電流過(guò)度驅動(dòng)（overdrive）能力，以及將接腳數降到最低的串行控制接口、各信道燈管失效監測、燈管頻率與DPWM控制用精確內建振蕩電路以及其它功能等，這類(lèi)解決方案有美信（Maxim）公司的DS3881，請參考圖3（a），其只需少許的外加電路，就能夠組合出完整的CCFL電源控制子系統，請參考圖3（b）。DS3881主要針對汽車(chē)應用環(huán)境進(jìn)行最佳化設計，由于所采用的基礎電路組態(tài)，因此外部晶體管、變壓器以及燈管本身就形成了EMI的噪聲來(lái)源，DS3881通過(guò)使用展頻與頻率偏移技術(shù)來(lái)降低EMI發(fā)射，并將任何未移除噪聲移到非關(guān)鍵頻帶來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

汽車(chē)應用的另一個(gè)獨特要求是能夠在低溫下工作，DS3881擁有特殊的燈管電流過(guò)度驅動(dòng)模式，可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管，帶來(lái)幾乎立即激活的效果，這款產(chǎn)品同時(shí)擁有大量的錯誤監測功能，例如燈管失效、燈管開(kāi)路、過(guò)電流、激活失敗以及過(guò)電壓等情況。

汽車(chē)應用的另一個(gè)獨特要求是能夠在低溫下工作，DS3881擁有特殊的燈管電流過(guò)度驅動(dòng)模式，可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管，帶來(lái)幾乎立即激活的效果，這款產(chǎn)品同時(shí)擁有大量的錯誤監測功能，例如燈管失效、燈管開(kāi)路、過(guò)電流、激活失敗以及過(guò)電壓等情況。

由于具有高度整合的特性，DS3881只需搭配相當少的外部元件，因此能夠降低材料成本并簡(jiǎn)化量產(chǎn)流程，對于需要超過(guò)一根燈管的大型顯示應用，則可以直接將多個(gè)DS3881控制器加以串接，所有的功能都能夠通過(guò)電路聯(lián)機或串行接口進(jìn)行控制，而設定值則可以存儲在內建的非揮發(fā)性?xún)却嬷小?br />　
對于較小型的顯示面板，就可以使用LED矩陣來(lái)取代CCFL背光，不過(guò)使用多個(gè)LED串也會(huì )帶來(lái)相對的設計挑戰，其中最明顯的是如何能夠在整個(gè)區域提供一致的照明與色彩輸出。推動(dòng)LED背光矩陣的一個(gè)方式是采用內含8個(gè)LED驅動(dòng)通道，分別可以提供55mA電流輸出的MAX16807與MAX16808，請參考圖4（a），圖4（b）則顯示了采用MAX16807的典型電路如何簡(jiǎn)化系統，只需少數幾個(gè)元件就能夠完成背光驅動(dòng)子系統的設計。

MAX16807M808可以應用在降壓、升壓或SEPIC模式下，依輸入電壓范圍以及每個(gè)輸出上所串聯(lián)的LED數量而定，加上一個(gè)外部電阻以及一個(gè)齊納二極管就可以讓組件不受負載突降的影響。雖然所有LED串的電流只通過(guò)一個(gè)電阻控制，但是每個(gè)LED串的電流也可以獨立控制，這樣的結構可以達到每個(gè)LED串間±3%以下的電流匹配誤差，不需外加任何元件。

由于每個(gè)LED串可以獨立進(jìn)行控制來(lái)調整相互間不匹配的情形，因此所有LED串的明暗可以同時(shí)通過(guò)使能（Enable）接腳加以控制，通過(guò)50Hz到30kHz的明暗控制頻率范圍，可以達到5000：1的明暗比變化，這么高的明暗比對必須在黑暗以及明亮陽(yáng)光照射下還能輕松檢視的汽車(chē)顯示相當重要，由20kHz到1MHz的可調切換頻率范圍更讓我們可以選擇不會(huì )與系統中其它部分，例如收音機接收器干擾的頻率，此外，MAX16808更加入了LED開(kāi)路錯誤監測等功能，這些控制器也可以通過(guò)串接來(lái)推動(dòng)較大的LED矩陣。

外部照明需求

外部照明應用帶來(lái)了安全性與維護等新問(wèn)題，因此需要更高功率的照明，外部照明，例如尾燈、剎車(chē)指示燈以及緊急警告燈或霧燈等，都必須能夠正常運作以避免發(fā)生嚴重的安全問(wèn)題，尾燈必須在遠距離就能看清，同時(shí)不會(huì )對大區域提供照明，因此汽車(chē)內部照明所使用的相同LED與電流規格也可以使用在這些外部照明應用上，這代表了以上所討論，針對內部照明應用設計的MAX16800、807與808驅動(dòng)芯片也可以應用在這些場(chǎng)合，由于尾燈所使用的LED數量通常高于內裝應用，因此必須使用多顆驅動(dòng)芯片，使用多顆驅動(dòng)芯片同時(shí)還可以帶來(lái)單一線(xiàn)路失效仍能保證運作的容錯備用功能，相同的作法也可以應用在剎車(chē)指示燈或其它信號燈的設計上。

對于需要高照明功率，例如照明燈或霧燈等應用就必須使用多個(gè)高亮度LED（High BrightLED；HBLED），但是高亮度LED卻需要超高驅動(dòng)電流，要產(chǎn)生所需的電流會(huì )使用太多的驅動(dòng)芯片，因此較簡(jiǎn)單的解決方案是使用可以推動(dòng)高電流晶體管的控制器，為高亮度LED提供高達30A的電流，這類(lèi)組件的一個(gè)范例為MAX16818，請參考圖5。

MAX16818可以以降壓、升壓以及SEPIC模式運作，同時(shí)高達1.5MHz的寬廣切換頻率范圍更使得它可以搭配小型外接元件，外部照明應用通常需要快速激活或立即切換亮度，為了達成這個(gè)目標，MAX16818是美信（Maxim）公司第一款可以達到20AMms快速電流切換的LED驅動(dòng)器產(chǎn)品，如果需要更高的電流或容錯備用能力，MAX16818擁有一個(gè)180°的延遲脈沖輸出，可以用來(lái)控制第二顆LED驅動(dòng)器。

以上提出的所有解決方案都能夠滿(mǎn)足包括短路安全輸出、溫度過(guò)熱關(guān)機以及-40℃到+125℃工作的汽用應用要求，這些產(chǎn)品以小型強化散熱的QFN或TSSOP封裝形式，可以簡(jiǎn)單地安排在汽車(chē)照明應用中空間受限的電子模塊里。