針對汽車(chē)頭燈應用研發(fā)節能高效的LED功率轉換器技術(shù)

近年來(lái)，LED產(chǎn)品在很多應用上正逐步取代白熾光源，由于其節能效率非常高，已被視為未來(lái)的重點(diǎn)照明技術(shù)。據統計數字預計，高亮度LED市場(chǎng)的銷(xiāo)售總額將會(huì )從2006年的66億美元增加至2011年的106億美元，平均每年增幅達10.6%。相比傳統的白熾燈技術(shù)，高亮度LED的功耗減少很多，其工作壽命也比白熾燈更長(cháng)。同時(shí)，LED產(chǎn)品更環(huán)保。

在過(guò)去的數10年里，LED僅使用在汽車(chē)警示燈或類(lèi)似的應用方面。然而，高亮度LED的面世使這些光源能夠擴大到汽車(chē)的內部照明上，而且還包括方向燈、尾燈及剎車(chē)燈。最新的發(fā)展是利用高亮度白光LED作為汽車(chē)的白天行車(chē)頭燈，并提供明暗燈兩種功能。由于LED十分省電，維修率低且具備較高的設計靈活性，預計將有越來(lái)越多的汽車(chē)制造商轉用LED技術(shù)提供各種頭燈功能。

LED汽車(chē)頭燈系統的要求

為產(chǎn)生頭燈所需的足夠亮度，有必要使用多個(gè)LED燈。這些LED可以被安排成單一燈串或以3個(gè)~15個(gè)為一組的多條燈串。為了安全起見(jiàn)，最好是將LED驅動(dòng)器的輸出電壓限制于60V以下，而LED驅動(dòng)器的輸入電壓范圍最少應為8V~16V。汽車(chē)LED頭燈一般需要較大輸入電壓范圍，以便在內燃機起動(dòng)和負載突降期間提供頭燈功能，具體電壓取決于汽車(chē)制造商，一般為4V~24V甚至36V。

這種應用中，可行的拓撲方法是升壓、降壓/升壓及SEPIC。

圖1所示為三種頭燈常用的LED驅動(dòng)器拓撲。

圖1最上方的電路為升壓拓撲，這是最簡(jiǎn)單及最高效率的配置，但其缺點(diǎn)是不能為輸出提供完全安全的短路保護。此外，其輸出電壓必須高于輸入電壓，并需視LED的安排而定，因此有可能形成限制。

圖1中間的電路為SEPIC拓撲。這種方法可提供短路保護及寬廣的輸入和輸出電壓范圍，而且輸出電壓可高于或低于輸入電壓。然而SEPIC拓撲的缺點(diǎn)是其對功率組件的要求比升壓及降壓/升壓的要高。

圖1最下方的電路是建立在一個(gè)標準的低邊升壓控制器基礎上的降壓/升壓浮動(dòng)拓撲，它可以將負載的能量送返到輸入。在這個(gè)特殊的配置中，一個(gè)高邊電流傳感放大器負責感測LED的電流。和傳統的降壓/升壓拓撲一樣，電感器電流相當于LED電流/(1-占空比)。但這種配置當遇到短路接地時(shí)不能為輸出提供完全的短路保護。

典型的設計實(shí)例

對于汽車(chē)LED頭燈來(lái)說(shuō)，直至現在還未能確定哪一種功率轉換拓撲才最適合它。對美國國國家半導體最近推出的一款高功率LED控制器LM3421來(lái)說(shuō)，它能適用于所有拓撲。該控制器適合恒流升壓、SEPIC、降壓/升壓及反激拓撲，而且還提供了各種不同拓撲的參考設計。例如，圖2中的LM3421低邊控制器是恒流SEPIC應用的實(shí)例，該電路具備高速的調光功能。

雖然市面上有很多其它的低邊功率控制器，但LM3421是專(zhuān)為高亮度LED應用而設計，并且可分別為數字調光或仿真調光提供快速的數字調光功能及準確的高邊電流感測。配合高邊電流感測，LED驅動(dòng)器在驅動(dòng)器與LED之間只需使用一條接線(xiàn)。接地回路方面，并不一定需要路由回到LED驅動(dòng)器，而是可以通過(guò)車(chē)身進(jìn)行接地。高開(kāi)關(guān)頻率讓設計人員可使用較細小的外部功率級組件，而強大的MOSFET驅動(dòng)器能力及低靜態(tài)電流則促成了高效率的功率轉換。

“預測性關(guān)斷時(shí)間”控制模式應該算是LM3421解決方案的最大優(yōu)點(diǎn)。與傳統的PWM電流模式控制相比，這種模式在沒(méi)有定時(shí)情況下，預測性關(guān)斷時(shí)間控制在任何占空比時(shí)均不會(huì )出現電流模式的不穩定現象，同時(shí)它還允許不能在定時(shí)電流模式系統中(尤其是升壓拓撲)實(shí)現的占空比及電壓轉換率。此外，這種控制也無(wú)需進(jìn)行斜率補償。針對那些需要更多功能要求的應用來(lái)說(shuō)，LM3423可以派上用場(chǎng)。該器件擁有一系列的額外功能，包括LED輸出狀態(tài)標記、故障標記、可編程的故