適合于汽車(chē)照明應用的各種LED驅動(dòng)器方案及應用

近年來(lái)，隨著(zhù)LED在光效及成本等幾乎各個(gè)方面的持續改進(jìn)，其應用領(lǐng)域不斷拓寬，從傳統的便攜設備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車(chē)及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。本文將專(zhuān)門(mén)介紹適合于汽車(chē)照明應用的各種LED驅動(dòng)器方案，并探討一些典型應用。

LED為汽車(chē)照明應用提供眾多優(yōu)勢

LED在汽車(chē)中的應用領(lǐng)域非常廣泛，但可以簡(jiǎn)單歸納為內部照明及外部照明(參見(jiàn)圖1)。外部照明有如前照燈、尾部照明等，內部照明包括內部便利及舒適照明和儀表盤(pán)背光等。

圖1：多種多樣的汽車(chē)LED照明應用

推動(dòng)汽車(chē)LED照明應用的因素很多。以前照燈為例，采用LED作為光源擁有眾多優(yōu)勢：

利于靈活或新穎的造型設計——LED物理尺寸很小，能用于開(kāi)發(fā)極緊湊、極薄的模塊。與鹵素燈和氙氣燈相比，多串LED模塊需要更小、更簡(jiǎn)單的透鏡和光擴散片硬件。且多個(gè)LED光源的光更易于導向，大大減輕工程設計對造型的影響。

光強度及能效不斷提升——LED光強度處于極快的提升曲線(xiàn)上，呈現出每18至24個(gè)月光通量將會(huì )翻一番的趨勢。LED光輸出已經(jīng)超過(guò)鹵素燈，未來(lái)LED實(shí)際光效性能還將能氙氣燈相匹敵。

高可靠性及長(cháng)壽命——只要為L(cháng)ED前照燈模塊進(jìn)行有效的熱管理以保持較低的結溫，并保護其免受開(kāi)關(guān)導通/關(guān)閉、調光期間可能出現的電流尖峰和電池脈沖的影響，期望它們在汽車(chē)整個(gè)壽命周期內持續使用就并非不切實(shí)際。

顯著(zhù)節能——與其它方案相比，LED前照燈使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能電源技術(shù)/芯片，而非需多個(gè)外部元件的一般IC，可以更節能。

因此，LED在汽車(chē)照明中的應用日漸增多，且被眾多汽車(chē)制造商當作設計賣(mài)點(diǎn)。

應用于汽車(chē)照明的LED驅動(dòng)器方案比較

LED在汽車(chē)照明中的應用多種多樣，不同應用對LED電流的要求又各不相同，故需要結合具體應用要求，選擇適合的LED驅動(dòng)器方案。

LED驅動(dòng)方案的一項主要功能是在多種工作條件下穩流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動(dòng)方案必須符合能效、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。同時(shí)，所選方案必須易用及足夠強固，從而適應特定應用的嚴格環(huán)境。

汽車(chē)應用中的典型LED驅動(dòng)器方案包括電阻、線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器、開(kāi)關(guān)LED驅動(dòng)器及創(chuàng )新的照明管理LED驅動(dòng)器等。一般而言，根據應用中LED電流大小的不同，在20到200 mA的低電流應用中，可以選用分立元件(即電阻)或線(xiàn)性驅動(dòng)方案;在200至500 mA的中等電流應用中，可以選用線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器方案;而在大于500 mA的大電流應用中，一般選擇開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器方案。

實(shí)際上，電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的LED限流方案，但是它們并不“穩流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導致電流變化從而引起LED亮度變異時(shí)，簡(jiǎn)單地限制LED最大電流。雖然這種方案的成本低，但能效也最低，且存在著(zhù)LED篩選成本及熱失控等問(wèn)題。

CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線(xiàn)性驅動(dòng)器或開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的方案，適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應用。CCR廉價(jià)并強固，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在輸入電壓較高時(shí)保護LED免受過(guò)驅動(dòng)，且在低電池電壓條件下仍提供較高亮度。這種方案能夠減少或消除LED篩選產(chǎn)生的庫存，使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達50 V，能夠承受電池負載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝，能在嚴格熱環(huán)境下工作(125℃)，負溫度系數特性在高環(huán)境溫度條件下保護器件本身及LED。此外，CCR不產(chǎn)生電磁干擾，易于設計。

圖2：雙端及三端CCR電路圖。

線(xiàn)性穩壓器支持多條線(xiàn)路并行配置以擴散熱耗散，提供達±2%的穩流精度，無(wú)電磁干擾(EMI)問(wèn)題，成本中等，但能效也較低。而憑借高能效及靈活等優(yōu)勢，開(kāi)關(guān)穩壓器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復雜，但也提供顯著(zhù)優(yōu)勢，如支持任何類(lèi)型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線(xiàn)性驅動(dòng)器不同，它們對EMI很敏感，給設計人員帶來(lái)需要注意的設計約束。

值得一提的是，除了這些常見(jiàn)的LED驅動(dòng)器方案，安森美半導體推出了高集成LED照明管理集成電路(IC)。這些照明管理集成了多種LED驅動(dòng)及控制功能，相當于一個(gè)完整子系統，能夠承受高達125℃的環(huán)境溫度，用于汽車(chē)前照燈、組合尾燈及最新的高級前照燈系統(AFS)等應用，后文將會(huì )詳細論及。

典型汽車(chē)應用LED驅動(dòng)器產(chǎn)品及其應用

1) 適合低電流LED應用的CCR

安森美半導體運用專(zhuān)利自偏置晶體管(SBT)技術(shù)開(kāi)發(fā)出了NSI45系列CCR(參見(jiàn)圖2)。這系列CCR包含雙端固定輸出和三端可調節輸出兩種類(lèi)型，電流等級涵蓋10至180 mA。其中三端可調節輸出CCR包括電流30至80 mA(SOT-223)及60至150 mA(DPAK)等不同選擇，能夠用于滿(mǎn)足特定電流設置要求。

CCR易于設計，適合高邊(High-side)及低邊(Low-side)應用;既能用單個(gè)CCR驅動(dòng)1串或多串LED，也能并聯(lián)多個(gè)CCR驅動(dòng)一串或多串LED(詳見(jiàn)參考資料1)。

圖3：CCR汽車(chē)中央高位停車(chē)燈(CHMSL)應用電路圖。

2) 針對背光、內部照明控制及尾燈等應用的線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器

在線(xiàn)性驅動(dòng)器方案，典型產(chǎn)品包括安森美半導體的NUD4001及NUD4011線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器，兩款器件的額定輸入電壓范圍分別為6至30 V和48至200 V，額定輸出電流分別為高達500 mA和高達70 mA，在汽車(chē)中的應用領(lǐng)域包括尾燈、方向燈、剎車(chē)燈及車(chē)頂燈等。這兩款器件的設計均用于在交流-直流應用中替代分立方案，設計人員能夠利用外部電阻針對不同LED陣列設置驅動(dòng)電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖4顯示的是NUD4001在汽車(chē)停車(chē)燈中的應用。

圖4：NUD4001在汽車(chē)停車(chē)燈中的應用示例。

而在要求驅動(dòng)大電流的高亮度LED汽車(chē)照明應用中，可以采用安森美半導體的CAT4101高亮度線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器。CAT4101能驅動(dòng)一串電流高達1 A的高亮度LED，且滿(mǎn)載時(shí)的壓降僅為極低的0.5 V。這種簡(jiǎn)單方案不要求電感，消除開(kāi)關(guān)噪聲，將元件數量減至最少，并簡(jiǎn)化設計。