克服汽車(chē)系統中HB LED集成的挑戰

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冷陰極熒光燈更換成高亮度LED。這些HB LED廣泛用于導航及娛樂(lè )設備顯示器的背光和汽車(chē)內部、外部照明，例如：日間行駛燈、尾燈等。一些新應用 (如平視顯示器)也開(kāi)始使用HB LED。

然而，在把HB LED集成到各種系統時(shí)，為了提高工作效率、降低成本、獲得寬范圍調光及其它優(yōu)勢，設計人員還面臨諸多挑戰。由于第一代驅動(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LED驅動(dòng)器(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。

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，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還有助于改善汽車(chē)的安全性，這歸功于它們的快速開(kāi)、關(guān)速度(遠遠高于白熾燈)。也正是考慮到這一因素，剎車(chē)燈廣泛采用了高亮度LED。

此外，它為設計人員在汽車(chē)的個(gè)性化風(fēng)格設計上提供了更大的發(fā)揮空間，原因是：LED尺寸很小，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LED燈；這種小尺寸射燈非常適合作為指示燈；最后，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)，非常適合長(cháng)期保持照明狀態(tài)的環(huán)境，如日間行駛燈。

LED在汽車(chē)中的應用已經(jīng)從剎車(chē)燈、尾燈擴展到了前車(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)的近光燈和遠光燈)、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。此外，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)。

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，通過(guò)PWM調光，非常適合這類(lèi)需要根據環(huán)境光強在非常寬的范圍內調節燈光亮度的應用。

HB LED的設計挑戰

當然，把LED集成到汽車(chē)應用時(shí)也會(huì )面臨諸多挑戰，例如，必須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(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。降低方案成本的途徑之一是盡可能減少驅動(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)，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，其它部位的溫度會(huì )達到85°C。LED產(chǎn)生大量熱量，它們不會(huì )在IR或UV波段輻射能量，其功耗會(huì )提高周?chē)h(huán)境的溫度，這就需要降低驅動(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。

在汽車(chē)應用中，LED被排列成多串(每串定義為一個(gè)串聯(lián)LED組，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LED，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，電壓達到40V，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。多串驅動(dòng)器架構通常包含了LED串、升壓轉換器(將輸入電池電壓轉換成每串LED所需高壓)、多路線(xiàn)性吸電流調節器(用于建立每串的驅動(dòng)電流)，如圖2所示。

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，因為具有較大電流的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。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)而導致其它LED串失效。利用圖2方案可以避免出現這種狀況。

這種架構利用MOSFET調節LED串的電流，為使這些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，升壓轉換器的輸出電壓為：

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。能夠將該電壓設置到理想值的驅動(dòng)器稱(chēng)為具有自適應電壓優(yōu)化(AVO)功能。

大多數應用需要通過(guò)PWM調節LED亮度，例如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，從而使AVO設計變得更加復雜。當所有LED串關(guān)閉時(shí)，升壓轉換器的工作狀態(tài)有多種選擇和一些限制，后續內容中將詳細討論。

傳統的多串驅動(dòng)器

傳統的LED驅動(dòng)器方案采用圖2所示的拓撲，包含升壓開(kāi)關(guān)轉換器和多路獨立工作的電流調節器，這些轉換器在配合外部元件實(shí)現AVO功能時(shí)存在一些問(wèn)題。

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，提高系統成本。

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)始提升升壓的輸出電壓，試圖為這一串LED提供足夠的驅動(dòng)電壓。最終導致其它LED串的吸電流MOSFET上的電壓提升，可能造成管子失效或觸發(fā)升壓轉換器的輸出過(guò)壓保護(如果具備此項功能)，關(guān)閉轉換器和所有LED。

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)設置升壓輸出電壓。一種可能的解決辦法是增加另一個(gè)二極管，通過(guò)分壓電路連接到升壓輸出，如圖2中的紅色標記電路。LED關(guān)閉時(shí)，該二極管導通，將升壓輸出設置到預置電壓。這種方式存在的顯著(zhù)問(wèn)題是：進(jìn)行PWM調光時(shí)，升壓轉換器輸出具有較高的紋波，如圖3a所示。這會(huì )產(chǎn)生EMI噪聲，是汽車(chē)設計面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，它還會(huì )在輸出電容Cout上產(chǎn)生可聞噪聲。

新一代多串驅動(dòng)器

新一代多串LED驅動(dòng)器的升壓開(kāi)關(guān)轉換器和線(xiàn)性吸電流調節器可以進(jìn)行雙向通信(而不是獨立工作)，解決(或部分解決)了上述三個(gè)問(wèn)題，大大提高了系統性能。這些新型驅動(dòng)器在IC內部檢測LED串的電壓(