如何針對汽車(chē)照明應用合理選擇HB LED驅動(dòng)器

引言

　　隨著(zhù)消費者環(huán)保理念的加強，固態(tài)照明方案迅速成為汽車(chē)應用中首選的照明技術(shù)。按照市場(chǎng)調研公司Strategies Unlimited得出的結論，通用照明、背光及汽車(chē)應用將是高亮led (HB LED)市場(chǎng)在今后幾年的主要增長(cháng)動(dòng)力，到2011年，整個(gè)市場(chǎng)規模將會(huì )達到19億美元1。

　　與傳統的照明技術(shù)相比，HB LED具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：它們不含任何有害物質(zhì)，例如CCFL中的汞元素；消耗較低的功率而且具有更長(cháng)的使用壽命。另外，HB LED比傳統方案具有更高的成本競爭優(yōu)勢，大大降低了系統的整體成本(例如：運行和維護成本)。當然，HB LED的使用也面臨一些特殊挑戰，特別是汽車(chē)等嘈雜的工作環(huán)境。本文討論了HB LED驅動(dòng)器選擇的基本原則，比較了不同的驅動(dòng)器拓撲，針對不同的汽車(chē)照明應用提供了配置方案，其中包括：汽車(chē)頂燈、日間行駛燈(DRL)、尾燈(RCL)、霧燈和近光燈/遠光燈等。

　　HB LED需要恒流驅動(dòng)

　　HB LED驅動(dòng)器用于管理HB LED的供電，驅動(dòng)電路保持恒定的電流和最小的電壓波動(dòng)非常關(guān)鍵。過(guò)大的驅動(dòng)電流會(huì )提高HB LED的結溫，加快HB LED的退化。照明應用中，為了獲得更高的流明，需要使用大功率HB LED。這些HB LED的正向導通電流一般為350mA到1A。白光、藍光和綠光 HB LED的正向電壓在2.8至4.5V范圍內，紅光和琥珀光 HB LED的正向電壓在2.3至3.5V范圍。為了保持固定的色譜和亮度，HB LED驅動(dòng)必須滿(mǎn)足特定的額定電流要求。用電壓源驅動(dòng)HB LED、串聯(lián)電阻限流，可能產(chǎn)生不可接受的亮度及光譜的變化。

　　HB LED亮度調節

　　HB LED的發(fā)光顏色會(huì )隨著(zhù)電流的變化而發(fā)生變化，因此，采用脈寬調制(PWM)方式對固定電流進(jìn)行調節效果優(yōu)于調節實(shí)際電流的幅度，即將直流電流保持在HB LED廠(chǎng)商規定的固定值，按照一定的頻率和占空比進(jìn)行電流斬波，利用脈寬調制調節亮度可以在不同的亮度等級保持一致的光譜。為了避免視覺(jué)閃爍，調光頻率應高于100Hz。調光范圍取決于HB LED驅動(dòng)器所允許的最小占空比。

　　大部分LED驅動(dòng)器需要由微處理器或外部定時(shí)器產(chǎn)生亮度控制信號。MAX16806等HB LED驅動(dòng)器則由內部產(chǎn)生PWM信號，通過(guò)DIM輸入端作用的外部電壓進(jìn)行調制(圖1)。這種配置在汽車(chē)內部照明等應用中可以省去微處理器。

圖1：350mA線(xiàn)性HB LED驅動(dòng)器IC，MAX16806能夠省去微控制器或開(kāi)關(guān)模式轉換器

汽車(chē)內部照明——線(xiàn)性驅動(dòng)器

　　驅動(dòng)HB LED的最佳方案是使用恒流源。實(shí)現恒流源的簡(jiǎn)單電路是：用一個(gè)MOSFET與HB LED串聯(lián)，對HB LED的電流進(jìn)行檢測并將其與基準電壓相比較，比較信號反饋到運算放大器，進(jìn)而控制MOSFET的柵極。這種電路如同一個(gè)理想的電流源，可以在正向電壓、電源電壓變化時(shí)保持固定的電流。線(xiàn)性驅動(dòng)器相對于開(kāi)關(guān)模式驅動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是：電路結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，因為沒(méi)有高頻開(kāi)關(guān)，所以也不需要考慮EMI問(wèn)題。此外，線(xiàn)性驅動(dòng)器的外圍元件少，可有效降低系統的整體成本。

　　線(xiàn)性HB LED驅動(dòng)器，例如：MAX16806，內部集成了MOSFET和高精度基準，能夠使每串LED保持一致的亮度(圖1)。例如：MAX16806所要求的輸入電壓只需比LED總壓降高出1V。利用外部檢流電阻測量HB LED的電流，從而在輸入電壓和LED正向電壓變化時(shí)，MAX16806能夠保證輸出恒定的電流。線(xiàn)性驅動(dòng)器的功耗等于HB LED電流乘以?xún)炔浚ɑ蛲獠浚┐?lián)調整管的壓降。當HB LED電流或輸入電源電壓增大時(shí)，功耗也會(huì )增大，從而限制了線(xiàn)性驅動(dòng)器的應用。由于過(guò)熱會(huì )影響HB LED的使用壽命——這也是這類(lèi)燈源的一個(gè)缺陷——限制燈管的功耗非常重要。

　　值得慶幸的是，可以通過(guò)調節HB LED的亮度避免出現過(guò)熱。為了降低功耗，MAX16806對輸入電壓進(jìn)行監測，如果輸入電壓超過(guò)預先設定值，它將減小HB LED的驅動(dòng)電流以降低功耗。該項功能可以在某些應用中避免使用開(kāi)關(guān)電源，例如：汽車(chē)頂燈或DRL等，這些應用中通常會(huì )在出現不正常的高電池電壓時(shí)將燈光調暗。

　　汽車(chē)外部照明——開(kāi)關(guān)模式降壓驅動(dòng)器

　　當輸入電壓遠遠高于串聯(lián)HB LED的總壓降時(shí)，最好使用開(kāi)關(guān)模式降壓(buck)轉換驅動(dòng)器(圖2)，能夠使電源功耗降至最低，從而獲得較高的驅動(dòng)器效率。與一般HB LED驅動(dòng)的buck控制器不同，MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832采用滯回控制，沒(méi)有控制環(huán)路補償，從而簡(jiǎn)化了設計，有助于減少外部器件數量。集成高壓電流檢測放大器，能夠工作在高達2MHz的開(kāi)關(guān)頻率，有效降低電路板空間和元件數量，可理想用于汽車(chē)照明(RCL、DRL、霧燈/近光燈)。

圖2：利用開(kāi)關(guān)模式降壓轉換驅動(dòng)器降低功耗并提高照明組件的驅動(dòng)效率

汽車(chē)霧燈——開(kāi)關(guān)模式Buck-Boost (SEPIC)驅動(dòng)器

　　當輸入電壓高于或低于HB LED的總導通電壓時(shí)，必須使用buck-boost模式驅動(dòng)器。在buck-boost配置中，需要一個(gè)浮動(dòng)的電流檢測放大器檢測并調節HB LED電流。另外還需要提供額外的保護，例如過(guò)壓保護，在HB LED發(fā)生開(kāi)路或短路失效時(shí)保護系統不被損壞。對于汽車(chē)霧燈，輸入電壓的變化范圍可能在5.5V (冷啟動(dòng))至24V (電池倍壓)，此時(shí)，比較理想的選擇是buck-boost電路，用于提供大功率LED的驅動(dòng)。驅動(dòng)器還必須能夠承受40V以上的拋負載峰值電壓。

　　高度集成的HB LED驅動(dòng)器，例如：MAX16812或MAX16831，在汽車(chē)前燈設計中有助于減少元件數量、降低成本。例如：MAX16812內部集成了差分電流檢測放大器和額定電壓為76V的0.2Ω功率MOSFET，用于控制單串HB LED的電流(圖3)。此外，內部調光MOSFET驅動(dòng)器在拋負載時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉LED串的電源，增強了系統的可靠性。

圖3：當輸入電壓可能高于或低于串聯(lián)HB LED的總電壓時(shí)，應該選擇buck-boost驅動(dòng)器拓撲

　　汽車(chē)中的LCD背光方案——開(kāi)關(guān)模式boost驅動(dòng)器

　　如果輸入電壓始終低于HB LED串的總電壓，則需要使用boost轉換器。在2010年的新車(chē)型中，普遍增加了平視顯示器，升壓轉換器非常適合這類(lèi)應用或LCD背光。這些應用需要3000:1的亮度調節范圍，以適應車(chē)內寬范圍的環(huán)境光照條件。驅動(dòng)器必須提供一個(gè)額外的調光MOSFET驅動(dòng)器，以便在極短的時(shí)間內接通/關(guān)閉LED。調光MOSFET還能夠在拋負載時(shí)保護LED。圖4所示HB LED驅動(dòng)器電路用于汽車(chē)中LCD背光，MAX16834集成了高邊檢流放大器、PWM調光MOSFET驅動(dòng)器和高度可靠的保護電路，大大簡(jiǎn)化了LCD背光電路的設計。該款HB LED驅動(dòng)器能夠提供3000:1 PWM調光范圍，輸入電壓范圍為4.75V至28V，在冷啟動(dòng)和拋負載狀況下確保穩定工作。

圖4：具有3000:1調光范圍的boost驅動(dòng)器，內置保護電路，可理想用于汽車(chē)娛樂(lè )設施的LCD背光

　　結論

　　合理選擇HB LED驅動(dòng)器需要了解具體LED照明裝置的要求，以?xún)?yōu)化系統設計。設計人員首先需要確定電參數，例如：輸入電壓、LED電流、LED正向導通電壓以及這些參數的變化范圍。安全性、EMI、熱管理、機械性能以及可以利用的電路板面積也是必須考慮的因素。線(xiàn)性驅動(dòng)器比較適合低成本、低EMI應用，例如：汽車(chē)內部照明，設計簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)器則適用于大功率、高效率和寬輸入電壓范圍等應用場(chǎng)合，例如：汽車(chē)的外部照明，但成本較高，需要考慮EMI問(wèn)題。

　　Maxim針對不同應用提供廣泛的HB LED驅動(dòng)解決方案，能夠在汽車(chē)固態(tài)照明中減小系統尺寸，降低設計復雜度和成本。所有汽車(chē)照明方案均可工作在-40°C至+125°C溫度范圍，并且滿(mǎn)足汽車(chē)應用中對短路保護和熱關(guān)斷的要求。