LED驅動(dòng)器集成電路在汽車(chē)照明中的應用

　　引言

　　目前，對高亮度LED(發(fā)光二極管)的市場(chǎng)預測存在很大差別。盡管預測數據不同，但是趨勢是明顯的：高亮度(HB)LED市場(chǎng)正在以驚人的速度增長(cháng)。有些預測數據為年復合增長(cháng)率15%，另一些則為年復合增長(cháng)率35%。2007年汽車(chē)領(lǐng)域的LED照明處于起步階段，銷(xiāo)售額為6.7億美元，但是預計將以15%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)，到2011年(1)達到12億美元。如果將非汽車(chē)應用考慮在內，那么年復合增長(cháng)率接近35%，而且到2011年，總的高亮度LED市場(chǎng)有可能輕松超過(guò)25億美元。

　　這么高的增長(cháng)潛力靠什么驅動(dòng)?首先，LED產(chǎn)生光的效率是白熾燈的10倍，同時(shí)幾乎是熒光燈的兩倍，因此極大地降低了提供特定光輸出量(單位：流明)所需的電功率。第二，白熾燈使用1,000小時(shí)后需要更換，熒光燈可持續使用1萬(wàn)小時(shí)，而LED的壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。在大多數應用中，這允許LED永久性地嵌入到最終應用中而無(wú)需附屬裝置。例子包括用于裝在汽車(chē)車(chē)體上的顯示屏或HDTV的LCD顯示屏，因為這些LED在汽車(chē)、HDTV或運動(dòng)場(chǎng)館顯示器壽命期內不會(huì )需要更換。第三，LED比其它照明產(chǎn)品小幾個(gè)數量級，外形尺寸可以制作得非常扁平，這樣它們就可以永久性地嵌入到汽車(chē)內部和外部應用中。另外，通過(guò)使用紅光、綠光和藍光LED配置，可以實(shí)現無(wú)數種顏色。最后，LED能夠調光，而且其接通和斷開(kāi)時(shí)間很快，人眼察覺(jué)不到，這極大地改進(jìn)了HDTV和其它類(lèi)型顯示器的背光照明。沒(méi)有這些LED，不可能有極高對比度和清晰的高分辨率LCDHDTV。

　　盡管如此，照明系統設計師的最大挑戰之一是如何充分利用最新一代LED的所有優(yōu)勢。因為它們一般需要一個(gè)準確的直流電流源，還需要調光，因此LED驅動(dòng)器集成電路必須設計成能滿(mǎn)足各種不同應用的需求。電源解決方案必須高效率、功能可靠，而且與往常一樣，要非常緊湊和經(jīng)濟。有理由認為，最苛刻的LED驅動(dòng)應用之一是在汽車(chē)應用中，其中包括基于LED的內部照明、LCD顯示器背光照明、剎車(chē)/轉向信號指示燈，甚至包括前燈。

　　汽車(chē)LED照明

　　尺寸小、功耗低以及接通時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使高亮度LED開(kāi)始在今天的汽車(chē)中得到廣泛采用。最初的LED應用是中央高位剎車(chē)燈(CHMSL)，這類(lèi)應用采用紅光LED提供非常微小的照明陣列，這種陣列很容易安裝，而且從不需要更換。欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)

　　傳統上，白熾燈是最經(jīng)濟的光源，而且很多汽車(chē)仍在使用。不過(guò)，用于照明組件的可用空間縮小以及對長(cháng)工作壽命的需求，加之LED實(shí)現了明亮的自然色彩和簡(jiǎn)化設計，因此LED在很多應用中迅速取代了白熾燈。白光LED陣列取代傳統的冷陰極熒光照明(CCFL)TFT-LCD背光照明越來(lái)越常見(jiàn)了，白光LED提供更加精確和可調的背光照明，工作壽命將很容易超過(guò)汽車(chē)本身的壽命。甚至主要是鹵素/氙燈絲設計應用領(lǐng)域的前燈也正在逐步采用電子“可控”的大電流LED陣列(參見(jiàn)圖1)。包括內部/外部和背光照明應用的所有汽車(chē)照明應用都幾乎在轉向LED。在這種環(huán)境中使用LED有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們從不需要更換，因為其長(cháng)達10萬(wàn)余小時(shí)(11.5年的使用年限)的可靠壽命超過(guò)了汽車(chē)本身的壽命。這允許汽車(chē)制造商永久性地將其嵌入“艙內”照明系統，無(wú)需為了方便更換而進(jìn)行相應的設計。其款式也可以有很大變化，因為L(cháng)ED照明系統所需的深度和面積不像白熾燈那么大。

　　圖1：奧迪R8/雷克薩斯LED前燈/轉向信號指示燈/行車(chē)燈。

　　圖2所示是現代汽車(chē)中的各種LED照明應用。在汽車(chē)內部，有幾種采用各種類(lèi)型LED的“標準內置”照明模塊。有些是單個(gè)LED，而像導航儀表板背光照明等另一些應用則需要LED陣列。在外部照明方面，LED也得到了認可?，F在超過(guò)40%的中央高位剎車(chē)燈已經(jīng)采用紅光LED。另外，奧迪(Audi)2008 A8采用大電流LED陣列作為白天行車(chē)燈(DRL)。雷克薩斯(Lexus)600轎車(chē)和奧迪R8包括前燈在內的全部外部“前向照明”都是由LED完成的。類(lèi)似地，甚至更多中檔汽車(chē)和很多摩托車(chē)也采用了彩色LED陣列作為剎車(chē)/轉向信號指示燈。

　　圖2：LED照明在現代汽車(chē)中的典型應用。

　　汽車(chē)LED照明的設計參數

　　為確保最佳性能和更長(cháng)的使用壽命，LED需要一個(gè)有效的驅動(dòng)電路。這些驅動(dòng)電路必須能夠適應條件非?？量痰钠?chē)電源總線(xiàn)，而且要既經(jīng)濟又節省空間。為了保證更長(cháng)的使用壽命，首要的是不超過(guò)LED的電流和溫度限制。表1給出了大電流白光LED的典型正向電壓與驅動(dòng)電流。

　　表1：大電流白光LED的正向壓降與驅動(dòng)電流。

　　大多數前燈應用需要約50W LED電流。凌力爾特公司(Linear)的LT3755設計成服務(wù)于這種類(lèi)型的應用。它可以將汽車(chē)總線(xiàn)電壓(標稱(chēng)值為12V)提高到60V，以驅動(dòng)多達14個(gè)串聯(lián)連接的1A LED，如圖3所示。

　　圖4說(shuō)明，LT3755的效率可高達93%。這一點(diǎn)是非常重要，因為這消除了所有電源組件的散熱需求，從而可組成一個(gè)占板面積非常緊湊的解決方案。盡管圖3所示電路是一種升壓型拓撲，但是LT3755獨特的高壓側電流檢測設計使其能夠根據應用的具體要求，配置為升壓模式、降壓模式、降壓-升壓模式或反激式拓撲。

　　LT3755用穩定的內部7V電源驅動(dòng)外部低端N溝道MOSFET。固定頻率、電流模式架構允許在寬電源和輸出電壓范圍內穩定和準確地工作。LT3755提供一個(gè)恒定電流源，這對LED驅動(dòng)器集成電路在輸入電壓不穩定時(shí)實(shí)現恒定LED亮度非常重要，而且在汽車(chē)應用中尤其重要，因為在冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降等情況下遭遇瞬態(tài)后，輸入電壓可能有極大的擺動(dòng)。LT3755的最高輸入電壓為40V，使其能夠在主汽車(chē)總線(xiàn)遭遇40V瞬態(tài)時(shí)穩定LED電流和電壓，40V瞬態(tài)在負載突降情況下是常見(jiàn)的。

　　以地為基準的電壓反饋引腳用作很多LED保護電路的輸入，如LED開(kāi)路保護，而且還使轉換器有可能用作恒定電壓源。頻率調節引腳允許用戶(hù)在100kHz至1MHz范圍內對頻率編程，以?xún)?yōu)化效率和性能，同時(shí)最大限度減小外部組件尺寸。如果需要外部同步，LT3755-1版本在100kHz至1MHz的整個(gè)頻率范圍內還可以同步至外部時(shí)鐘。

　　圖3：采用LT3755的50W前燈電路。

　　圖4：圖3所示LT3755電路的效率。

　　LT3755的真彩PWM調光實(shí)現了高達3000:1的調光比，調光時(shí)所發(fā)光的顏色沒(méi)有改變，從而能夠持續調節LED前燈，以適應多種環(huán)境條件。因為凌力爾特公司的大電流LED驅動(dòng)器是電流模式穩壓器，因此它們不直接調制電源開(kāi)關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路控制每個(gè)周期的開(kāi)關(guān)峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改進(jìn)了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性，并實(shí)現了逐周期限流。

　　兩個(gè)LED應用

　　如圖2所示，很多嵌入式大電流LED應用都由單個(gè)或兩個(gè)大電流(ILED從1A至1.5A)LED組成。這類(lèi)應用包括內部照明，如頂燈、地圖燈、后備箱照明，還包括外部照明，如門(mén)檻或“水坑”燈。視應用的不同，可能采用彩色LED用于儀表板照明，或白光LED用于一般照明。因為這類(lèi)LED一般具有3V至4V的正向電壓，并用12V至14V的汽車(chē)總線(xiàn)供電，所以需要降壓型穩壓器。LT3475雙路降壓型LED驅動(dòng)器非常適用于這類(lèi)應用。

　　LT3475是一個(gè)雙路36V、2MHz降壓型DC/DC轉換器，用作雙路恒定電流LED驅動(dòng)器(參見(jiàn)圖3)。每個(gè)通道都有內部檢測電阻和調光控制，非常適用于驅動(dòng)需要高達1.5A電流的LED。兩個(gè)通道以180o的相位差開(kāi)關(guān)，從而降低了兩個(gè)通道的輸出紋波。在50mA至1.5A的寬電流范圍內，每個(gè)通道都獨立保持高輸出電流準確度，同時(shí)獨特的True Color PWMTM電路實(shí)現3000:1的調光范圍，而且沒(méi)有通常