克服汽車(chē)系統中高亮度(HB) LED集成方案的技術(shù)瓶頸

引言

目前，汽車(chē)廠(chǎng)商正在逐步將汽車(chē)照明系統從白熾燈和CCFL (冷陰極熒光燈)更換成HB (高亮度) LED。這些HB LED廣泛用于導航及娛樂(lè )設備顯示器的背光以及汽車(chē)內部、外部照明，例如：日間行駛燈、尾燈等。新應用中(例如：平視顯示器)也開(kāi)始使用HB LED。

由于第一代HB LED驅動(dòng)器的局限性，設計人員還無(wú)法在效率、最少的外部元件數量、最低EMI以及寬范圍PWM調光等方面進(jìn)行優(yōu)化。最新推向市場(chǎng)的多串HB LED驅動(dòng)器，例如：MAX16814，以極其巧妙的方式解決了上述技術(shù)瓶頸，這些驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性控制器之間能夠進(jìn)行雙向通信。本文介紹了一個(gè)用于日間行駛燈或平視顯示器的設計實(shí)例。

為什么選擇HB LED?

HB LED在汽車(chē)領(lǐng)域的應用越來(lái)越普及，這一點(diǎn)很容易理解，因為它們?yōu)槠?chē)設計人員帶來(lái)了眾多優(yōu)勢：與其它照明技術(shù)相比，HB LED是最環(huán)保的解決方案—具有出色的能效，不含汞，回收時(shí)只有極少的有害物質(zhì)。另外，HB LED還有助于提高汽車(chē)的安全性，這歸功于它們遠遠高于白熾燈的開(kāi)、關(guān)速度，也正是考慮到這一因素，它們被廣泛用于剎車(chē)燈。

HB LED為設計人員在汽車(chē)的“個(gè)性化”風(fēng)格設計上提供了更大的發(fā)揮空間。LED尺寸很小，燈源幾乎不占用面板背部的空間，設計人員可以按照任何形狀排列燈管，這要歸功于其小尺寸和照射的方向性。這種小尺寸射燈非常適合作為指示燈。

最后，HB LED比其它照明方案具有更長(cháng)的使用壽命，使用壽命達到50,000小時(shí)甚至更長(cháng)，基于這一原因，它們非常適合長(cháng)期保持照明狀態(tài)的任何環(huán)境，日間行駛燈就是一個(gè)很好的應用案例。

HB LED技術(shù)在一些全新應用中也占有重要地位，例如，汽車(chē)平視顯示器。LED具有較寬的調光范圍，特別適合需要根據環(huán)境光強調節燈光亮度的應用。正是在這些應用中體現了PWM調光的重要性。

如果了解“為什么”使用HB LED，也就不難理解它們在今天的汽車(chē)設計中為什么如此普及，其典型應用包括：剎車(chē)燈、尾燈、前車(chē)燈(日間行駛照明，中高端汽車(chē)的位置指示燈以及高端汽車(chē)的遠光燈和近光燈)、內部照明(RGB LED可以控制燈光顏色)，為汽車(chē)增添獨特風(fēng)采。另外，HB LED在導航、娛樂(lè )設備和儀表盤(pán)背光應用中也逐漸成為主流產(chǎn)品(圖1)。

圖1. HB LED正在滲透到汽車(chē)每個(gè)部位的照明設計中，從前車(chē)燈到剎車(chē)燈以及位于二者之間任何部位的照明。

HB LED的設計挑戰

當然，把HB LED集成到汽車(chē)應用時(shí)也會(huì )面臨諸多挑戰，例如，保持盡可能低的成本。就元件本身而言，LED燈的價(jià)格通常高于其它照明方案(例如：白熾燈、鹵素燈、 CCFL)。因此，必須降低LED方案的系統級成本，以提高該項技術(shù)的市場(chǎng)發(fā)展潛力。為了降低方案成本，必須盡可能減少驅動(dòng)器的元器件數量，這也有利于提高系統可靠性，因為PCB上的每個(gè)元件都可能是系統的一個(gè)失效點(diǎn)。

另一挑戰是效率，高能效在汽車(chē)中的重要性越來(lái)越高，特別是對于混合動(dòng)力車(chē)。必須盡可能提高效率使功耗(發(fā)熱)降至最低，汽車(chē)部件一般工作在高溫環(huán)境，發(fā)動(dòng)機周?chē)沫h(huán)境溫度可能達到+105°C，其它許多應用中溫度也會(huì )達到+85°C。LED產(chǎn)生大量熱量(與其它燈源不同，它們不會(huì )在IR或UV波段輻射能量)，其功耗會(huì )提高周?chē)沫h(huán)境溫度。這就需要降低LED驅動(dòng)器的功耗，避免驅動(dòng)器IC或驅動(dòng)模塊中的其它器件過(guò)熱。

當然，汽車(chē)環(huán)境下同樣面臨EMI問(wèn)題，任何照明子系統都不能干擾車(chē)內的其它子系統，AM收音機通常是最敏感的部件之一。由于LED需要開(kāi)關(guān)型或線(xiàn)性驅動(dòng)電路，這些電路會(huì )引發(fā)EMI噪聲(特別是開(kāi)關(guān)電路)或EMI干擾問(wèn)題，設計中需要關(guān)注這一問(wèn)題。驅動(dòng)器電路還會(huì )引入音頻噪聲，例如：陶瓷電容產(chǎn)生的噪聲。

多串LED的優(yōu)點(diǎn)

汽車(chē)應用中，LED被排列成多串，每串定義為一組串聯(lián)LED，具有相同電流?？梢愿鶕@示器的尺寸方便地排列LED支持背光，將LED排列成多串有助于提高故障容限。如果一個(gè)LED開(kāi)路，只會(huì )關(guān)閉與該LED串聯(lián)的燈管，而非所有LED。使用多串LED的另一個(gè)原因是限制每串LED的電壓，提高系統安全性。例如，一串總電壓為80V的LED分成兩串后，電壓變?yōu)?0V，避免在與LED或其連線(xiàn)接觸時(shí)出現對人體構成威脅的高壓。

由此可見(jiàn)，能夠驅動(dòng)多串LED的單片IC具有明顯優(yōu)勢。多串架構通常包括：LED串、一個(gè)boost轉換器(將輸入電池電壓轉換成LED串所需的高壓)、多路線(xiàn)性吸電流調節器(用于建立每串的驅動(dòng)電流) (圖2)。

圖2. 多串驅動(dòng)器的基礎配置，利用單芯片控制多串LED的電流。Boost轉換器和線(xiàn)性電流調節器獨立工作時(shí)，可增加紅色標記元件來(lái)自適應調節電壓。

與具有多路開(kāi)關(guān)轉換器的方案相比，這種方案的元件數較少，成本較低(只需要一個(gè)電感和少數旁路電容)。與單串驅動(dòng)器直接驅動(dòng)并聯(lián)LED的方案相比，這種方案的優(yōu)勢是可以在每串之間均衡電流。如果多串LED直接并聯(lián)，因為有些LED的正向導通電壓較高，電流不可能在每串之間均分。另外，LED的正向導通電壓會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低，電流的不均衡會(huì )導致熱量失控：具有較大電流的LED串發(fā)熱較多，其正向導通電壓隨之降低，從而吸收更大電流，導致該串LED的溫度進(jìn)一步提升，如此循環(huán)。隨著(zhù)電流差異的增大，可能導致一串或多串大電流LED失效。最后，如果LED串只是簡(jiǎn)單地并聯(lián)在一起，由于驅動(dòng)器只能控制總電流，失效的LED電流會(huì )增加到其它LED串，從而由于過(guò)驅動(dòng)導致其它LED串失效。利用圖2所示方案可以避免出現這種狀況。

不可否認，圖2所示架構也存在一定限制：它利用MOSFET調整串聯(lián)電流，為了使這些MOSFET的溫度盡可能低，需確保管子兩端的電壓盡可能低，但需足夠的電壓使管子處于飽和區。理想條件下，boost輸出電壓為：

VBOOST = max(VSTRING,I) + VSAT

式中，VSTRING,I為第I串LED的正向導通總電壓，VSAT為MOSFET處于飽和狀態(tài)時(shí)的VDS。能夠將VBOOST電壓設置到理想值的LED驅動(dòng)器稱(chēng)為具有AVO (自適應電壓優(yōu)化)功能。

因為大多數應用中需要通過(guò)PWM調節LED亮度，從而使AVO設計變得更加復雜。它們必須按照一定的占空比進(jìn)行通、斷控制，使線(xiàn)性吸電流調節器打開(kāi)、關(guān)閉。但是，當所有LED串關(guān)閉時(shí)，boost轉換器應該處于何種狀態(tài)呢? 這是設計面臨的另一問(wèn)題，答案可能有多種，每種都有一定的限制，后續內容中將詳細討論。

傳統多串LED驅動(dòng)器的問(wèn)題

傳統的多串LED驅動(dòng)器方案采用圖2所示拓撲，包含boost開(kāi)關(guān)轉換器和多路獨立工作的吸電流調節器，使用這些驅動(dòng)器構建AVO時(shí)，需要一些外部元件，這會(huì )引起一系列的問(wèn)題。

其中一個(gè)問(wèn)題是：外部電路必須檢測哪一串LED具有最高的正向導通電壓(或最低的陰極電壓);利用圖2中紅色標記的幾個(gè)二極管可以實(shí)現這一功能。這種方案會(huì )占用更大的電路板面積，增加系統成本。

該方案在出現LED故障時(shí)還存在另一潛在問(wèn)題，如果一個(gè)LED失效發(fā)生開(kāi)路，這一串的陰極電壓將跌落至零，二極管檢測電路將判斷這一串具有最高的正向導通電壓，并開(kāi)始提升VBOOST，試圖為這一串LED提供足夠的驅動(dòng)電壓。這將引出幾個(gè)潛在問(wèn)題，提升后的電壓作用在其它串的吸電流MOSFET上，可能造成全部管子失效;或者，電壓的提升將觸發(fā)boost轉換器的輸出過(guò)壓保護(OVP)，如果器件具有此項功能，則關(guān)閉轉換器和所有LED串。

該架構的第三個(gè)問(wèn)題是LED的PWM調光，當LED關(guān)閉時(shí)，二極管電路沒(méi)有電壓參考點(diǎn)來(lái)設置VBOOST。一種可能的解決辦法是增加另一個(gè)二極管，通過(guò)分壓電路連接到boost輸出，如圖2中的紅色標記電路。LED關(guān)閉時(shí)，該二極管導通，將VBOOST設置到預置電壓。這種方式存在的顯著(zhù)問(wèn)題是：進(jìn)行PWM調光時(shí)，boost轉換器的輸出電壓具有較高的紋波，紋波頻率為PWM調光頻率(見(jiàn)圖3)。電壓紋波會(huì )產(chǎn)生EMI噪聲，如上所述，這是汽車(chē)設計面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，它還會(huì )從輸出電容COUT上產(chǎn)生音頻噪聲。

圖3a. 傳統驅動(dòng)器進(jìn)行PWM調光時(shí)的波形，利用圖2所示外部電路，VBOOST在LED電流通、斷期間發(fā)生變化，電源上存在較大噪聲。

圖3b. 在新一代驅動(dòng)器架構中，boost轉換器在LED電流斷開(kāi)期間停止開(kāi)關(guān)工作，轉換器輸出電壓由其輸出電容保持，由于漏電流的作用，電壓略有下降。

新一代多串LED驅動(dòng)器的優(yōu)勢

新一代多串LED驅動(dòng)器在性能上有較大改進(jìn)，boost開(kāi)關(guān)轉換器與線(xiàn)性吸電流調節器部分可以進(jìn)行雙向通信，而不是獨立工作。因此，新型多串驅動(dòng)器解決了上述三個(gè)問(wèn)題。

這些新型驅動(dòng)器在IC內部檢測LED串的電壓，即每個(gè)吸電流MOSFET的漏極電壓，IC利用內部二極管或模擬開(kāi)關(guān)電路選擇最低串電壓(圖4)。這種方案大大降低了外部元件數量和方案成本。

圖4. 新一代HB LED驅動(dòng)器IC中，內部LED吸電流調節器與boost轉換器之間的通信功能有助于獲得更高效率，避免了許多傳統驅動(dòng)器所面臨的問(wèn)題。

另外，雙向通信功能還解決了上述一個(gè)LED失效或開(kāi)路引發(fā)的問(wèn)題，新設計中一旦一個(gè)LED發(fā)生故障，VBOOST開(kāi)始上升，電壓達到OVP門(mén)限時(shí)即可識別出發(fā)生故障的串，從AVO控制環(huán)路中禁止或移出該串，其它LED串保持正常工作。除了降低照明亮度外(而不是全部關(guān)閉LED)，不會(huì )對用戶(hù)造成其它影響。

通過(guò)PWM調節LED亮度時(shí)，需要考慮LED驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)操作的幾個(gè)因素。集成開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性調節環(huán)路采用了與圖2不同的方式，具有更低噪聲。LED關(guān)閉時(shí)，新型boost轉換器可禁止工作，如圖3b所示。如果轉換器在此期間停止了開(kāi)關(guān)操作，功率開(kāi)關(guān)MOSFET將保持在斷開(kāi)狀態(tài)，補償電路也處于開(kāi)路。此時(shí)，補償電容保持其電荷量，這是補償環(huán)路的狀態(tài)。VBOOST由輸出電容COUT維持，由于LED關(guān)閉電容不會(huì )放電，COUT的放電電流只是漏電流。LED恢復導通時(shí)，轉換器重新啟動(dòng)開(kāi)關(guān)操作，具有極小紋波。這種方案中，VBOOST在PWM亮度調節期間幾乎保持恒定，大大降低了EMI噪聲和輸出電容產(chǎn)生的音頻噪聲。

這種方案的唯一限制是PWM調光的導通周期需要大于幾個(gè)(例如：三個(gè)或四個(gè))開(kāi)關(guān)周期，以便boost轉換器為COUT重新充電，補償關(guān)斷期間的漏電流損耗。這限制了能夠獲得的最小占空比。

新一代驅動(dòng)器應用

汽車(chē)的日間行駛燈和平視顯示器具有一個(gè)相同的性能要求：在汽車(chē)行駛過(guò)程中始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，要求較高的可靠性/冗余設計，任何情況下確保正常工作。利用MAX16814等新一代多串驅動(dòng)器能夠保證行駛燈和平視顯示器高度可靠，同時(shí)還大大減少了外部元件的數量。較少的元件數量降低了故障概率，有助于提高系統可靠性，降低系統成本。

這類(lèi)涉及人身安全的應用還具有一些類(lèi)似要求：工作在較寬的輸入電壓范圍，能夠承受典型值高達40V的汽車(chē)電池峰值電壓(拋負載)并具有極低的EMI。

故障容限是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，即使在發(fā)生故障時(shí)也不允許關(guān)閉LED燈，這一點(diǎn)非常重要。MAX16814利用多串驅動(dòng)架構能夠在出現一個(gè)LED開(kāi)路或短路時(shí)只關(guān)閉出現故障的LED串，其它LED保持有效工作。此外，MAX16814的故障指示輸出還可以提供LED失效報警(圖5)。

平視顯示器還要求較寬(1000:1或更大)的PWM調光范圍，MAX16814集成了一個(gè)獨特的PWM調光電路，能夠有效抑制VBOOST的紋波(頻率為調光頻率)，從而降低了EMI和可聞噪聲。該MAX16814方案與圖3b使用的方案類(lèi)似，但能夠以200Hz提供5000:1的超寬PMW調光范圍，這一調光范圍高于任何同類(lèi)產(chǎn)品，克服了上述最小導通時(shí)間的限制。

MAX16814可以驅動(dòng)4串LED，每串電流可達150mA，開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性調節器之間可進(jìn)行雙向通信。該芯片大大減少了外部元件的數量。另外，MAX16814具有完備的故障保護措施和檢測功能，任何一串出現開(kāi)路或短路的LED時(shí)將關(guān)閉這一串的工作，并向系統發(fā)出故障報警輸出。此外，該IC 滿(mǎn)足汽車(chē)產(chǎn)品設計的所有要求，可承受40V拋負載，工作在-40°C至+125°C溫度范圍。

圖5. 這是一個(gè)完整的汽車(chē)平視顯示器或行駛燈驅動(dòng)子系統的設計案例，電路包含了所有外部元件和輸入EMI濾波器，借助MAX16814的低噪聲特性，外部EMI濾波元件值可以很小。

設計HB LED系統時(shí)需要折衷考慮多方面因素，例如：元件數量、效率、可靠性等。表1對多種LED驅動(dòng)方案進(jìn)行了對比和歸納，有助于設計人員針對具體應用選擇最佳方案。

表1. HB LED驅動(dòng)方案總結

新一代LED驅動(dòng)器大大減少了外部元件數量，此外，利用開(kāi)關(guān)電路與線(xiàn)性調整電路之間的雙向通信能夠實(shí)現高性?xún)r(jià)比方案，具有更高效率，并有效改善系統性能，包括：故障保護與檢測。MAX16814是一款多串驅動(dòng)器，具有上述所有優(yōu)勢，PWM調光范圍高于市場(chǎng)上任何類(lèi)似產(chǎn)品。