一種汽車(chē)冷啟動(dòng)條件下的LED驅動(dòng)器設計

圖1 由升壓轉換器和線(xiàn)性電流調節器組成的LED驅動(dòng)器

冷啟動(dòng)條件

　　在汽車(chē)應用中電池電壓會(huì )發(fā)生改變。通常，一個(gè)12V電池，其電壓會(huì )在9V到16V之間變化。因此，汽車(chē)電池供電的電路在設計時(shí)均應考慮輸入電壓的變化情況。此外，如果考慮冷啟動(dòng)條件，對于15ms左右較短的持續時(shí)間，最壞情況下，電池電壓將低至3V±0.2V，如2.8V。而后電池電壓升到6V，并持續數秒，在數秒的上升時(shí)間內將恢復到標稱(chēng)電壓范圍內。冷啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線(xiàn)與之類(lèi)似，但不同汽車(chē)制造商所提供的產(chǎn)品的電平和變化/持續時(shí)間會(huì )有所不同。圖2給出了典型示例。冷啟動(dòng)可能發(fā)生在汽車(chē)負載突降及低溫環(huán)境下。盡管冷啟動(dòng)持續時(shí)間不長(cháng)，但仍需確保LCD面板和安全電子部件等重要的汽車(chē)組件以保證正常運行。

設計考量

　　考慮到冷啟動(dòng)條件，在設計LED驅動(dòng)器時(shí)需要強大的升壓轉換器。參看圖1，電池電壓的變化僅會(huì )影響升壓轉換器，如果升壓轉換器可以在冷啟動(dòng)條件下保持輸出電壓，那么線(xiàn)性穩流器的工作就不受影響，LED燈串的亮度也會(huì )保持不變。由于冷啟動(dòng)條件下的輸入電壓值極低，因此設計時(shí)還需要考慮一些其他因素，包括：

圖2 典型冷啟動(dòng)電池電壓曲線(xiàn)

升壓控制器工作范圍

　　理論上說(shuō)，只要沒(méi)有達到占空比的上限，升壓轉換器（而非升壓控制器）的輸入電壓可以設置的很低，但是“升壓控制器”（通常是一個(gè)IC芯片）的工作電壓則有一個(gè)更低的下限值。大部分升壓控制器的工作電壓不得低于3V。不過(guò)如前所述，在冷啟動(dòng)時(shí)，最壞情況下電池電壓可以低至2.8V，令升壓控制器工作（而不是上電即可）在低輸入電壓下的常規方法是以雙電源路徑為升壓控制器供電，包括電池電壓和升壓轉換器的輸出電壓，通過(guò)二極管回連到升壓控制器的輸入端子（如圖3）。此類(lèi)情況下，在上電過(guò)程中“升壓控制器”由電池供電，之后則由升壓轉換器的輸出進(jìn)行供電。這樣，只要升壓轉換器可以提供正常的輸出電壓，輸入電壓的壓降就不會(huì )影響升壓控制器的工作。

輸入電流

　　LED燈串的亮度和升壓轉換器的輸出功率需要保持不變，所以，輸入電流會(huì )隨著(zhù)輸入電壓的減小而增大。這即意味著(zhù)在冷啟動(dòng)條件下，電感器和MOSFET開(kāi)關(guān)的峰值電流都要遠大于正常工作下的值（當電池電壓降在標稱(chēng)范圍內時(shí)）。例如，電池電壓為3V時(shí)其輸入電流大約是12V時(shí)的4倍。所以在選擇時(shí)，電感器需要有更大的飽和電流，而MOSFET開(kāi)關(guān)需要承受更高的導通電流。

圖3 帶雙電源供電的升壓轉換器

熱管理

　　冷啟動(dòng)條件下，MOSFET開(kāi)關(guān)的電流和占空比都要大于標稱(chēng)工作時(shí)的值，這意味著(zhù)MOSFET開(kāi)關(guān)的傳導損耗會(huì )大幅增加。盡管冷啟動(dòng)條件的持續時(shí)間很短，但MOSFET開(kāi)關(guān)的溫度會(huì )大幅上升。如果MOSFET開(kāi)關(guān)集成在升壓控制器IC 內，為了使元件數量和解決方案尺寸最小化，那么有效的散熱方案就非常重要，因為不佳的熱管理會(huì )觸發(fā)IC芯片的熱保護電路，使LED意外斷電。

推薦電路

　　圖4展示了考慮到冷啟動(dòng)情況下，汽車(chē)中使用的LCD面板背光普遍采用LED驅動(dòng)器的電路，該電路使用了美國國家半導體的LM3492芯片。該電路驅動(dòng)2個(gè)LED燈串，每個(gè)燈串都含有工作電流為100mA的6個(gè)LED。電路的標稱(chēng)輸入電壓范圍為9V至16V，標稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率為300kHz。該電路的基本組成元素包括一個(gè)升壓轉換器和一個(gè)雙通道線(xiàn)性穩流器。MOSFET開(kāi)關(guān)集成在LM3492內，實(shí)現了更小的方案體積。LM3492的VIN針腳通過(guò)二極管連到輸入電壓，當電池電壓低于最低要求的4.5V時(shí)，芯片內部連接了VIN和VOUT引腳（后者連接升壓轉換器的輸出電壓）的電路就會(huì )為L(cháng)M3492供電。這里選用了一個(gè)飽和電流為3.36A 的33μH電感器，盡管對于正常輸入電壓而言，1A的飽和電流就已足夠。

圖4 考慮冷啟動(dòng)條件的LM3492參考設計

測量結果

　　圖5和圖6顯示了輸入電壓為12V（標稱(chēng)值）和2.8V（冷啟動(dòng)時(shí)的最壞情況）下LM3492電路的波形。表1總結了LM3492電路工作在標稱(chēng)條件和冷啟動(dòng)條件下的測量結果?？梢钥吹?，即使輸入電壓低至2.8V，LED電流也保持不變，這表示背光亮度并不受冷啟動(dòng)條件影響。從圖6的波形可知，輸入電壓為2.8V時(shí)的占空比大于90%，同時(shí)還測量了2.61A的大輸入電流，如表1所示。為此，其內部MOSFET開(kāi)關(guān)的功率損耗也就相對較大。LM3492外殼上可測得90℃的溫升（標稱(chēng)輸入電壓范圍下僅為30℃）。參考表1中的效率可知，冷啟動(dòng)條件下的效率會(huì )下降到56%，盡管標稱(chēng)輸入電壓范圍內的效率可高達90%。

圖5 輸入電壓為12V時(shí)LM3492電路的波形

圖6 冷啟動(dòng)條件下LM3492電路的波形

表1. 測量結果總結

結論

　　考慮到汽車(chē)應用中的冷啟動(dòng)條件，本文介紹了一款普遍用于LCD面板背光的LED驅動(dòng)器電路。前面已經(jīng)討論了一些特殊設計考慮，包括雙電源供電、飽和電流更高的電感器選擇和熱管理。測量波形顯示，LED電流并未受影響，即使輸入電壓降到2.8V時(shí)仍可保證正常工作。在9V至16V的標稱(chēng)輸入電壓下，可以實(shí)現約90%的高效率。