為汽車照明應用選擇HB LED驅動器

摘要：本文討論了如何針對汽車照明應用合理選擇HB LED驅動器，介紹了不同類型的HB LED驅動器拓撲，并根據各種汽車照明設計(包括：內部照明、外部照明、顯示器背光等)的要求給出了推薦配置。

引言

隨著消費者環保理念的加強，固態照明(SSL)方案迅速成為通用照明及汽車照明應用中首選的照明技術。按照市場調研公司Strategies Unlimited的預測，通用照明、背光及汽車應用將是高亮度LED (HB LED)市場在今后幾年的主要增長動力，到2011年，HB LED驅動器IC的整個市場規模將會達到19億美元1。

與傳統的照明技術相比，HB LED具有幾個關鍵優勢：它們不含任何有害物質，例如CCFL中的汞元素；消耗較低的功率而且具有更長的使用壽命。另外，HB LED比傳統方案具有更高的成本競爭優勢，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，特別是汽車等嘈雜的工作環境。本文討論了HB LED驅動器選擇的基本原則，比較了不同的驅動器拓撲，針對不同的汽車照明應用提供了推薦配置方案，其中包括：汽車頂燈、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

HB LED驅動器電路用于管理HB LED的供電，驅動電路保持恒定的電流和最小的電壓波動非常關鍵。過大的驅動電流會提高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以上。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驅動必須滿足特定的額定電流要求。用電壓源驅動HB LED、串聯電阻限流，可能產生不可接受的亮度及光譜的變化。

HB LED亮度調節

HB LED的發光顏色會隨著電流的變化而發生變化，因此，采用脈寬調制(PWM)方式對固定電流進行調節效果優于調節實際電流的幅度，即將直流電流保持在HB LED廠商規定的固定值，按照一定的頻率和占空比進行電流斬波，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。為了避免視覺閃爍，調光頻率應高于100Hz。調光范圍取決于HB LED驅動器所允許的最小占空比。

大部分HB LED驅動器需要由微控制器或外部定時器產生亮度控制信號。MAX16806等HB LED驅動器則由內部產生PWM信號，通過DIM輸入端作用的外部電壓進行調制(圖1)。這種配置在汽車內部照明等應用中可以省去外部微控制器或開關模式轉換器。


圖1. 350mA線性HB LED驅動器IC MAX16806能夠省去微控制器或開關模式轉換器

汽車內部照明的最佳選擇—線性驅動器

驅動HB LED的最佳方案是使用恒流源。實現恒流源的簡單電路是：用一個MOSFET與HB LED串聯，對HB LED的電流進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，進而控制MOSFET的柵極。這種電路如同一個理想的電流源，可以在正向電壓、電源電壓變化時保持固定的電流。

線性驅動器相對于開關模式驅動器的優點是：電路結構簡單，易于實現，因為沒有高頻開關，所以也不需要考慮EMI問題。此外，線性驅動器的外圍元件少，可有效降低系統的整體成本。

線性HB LED驅動器IC，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HB LED總壓降高出1V。利用外部檢流電阻測量HB LED的電流，從而在輸入電壓或LED正向電壓變化時，MAX16806能夠保證輸出恒定的電流。

線性驅動器的功耗等于HB LED電流乘以內部(或外部)串聯調整管的壓降。當HB LED電流或輸入電源電壓增大時，功耗也會增大，從而限制了線性驅動器的應用。由于過熱會影響HB LED的使用壽命—這也是這類燈源的一個缺陷—限制燈管的功耗非常重要。

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

汽車外部照明的理想選擇—開關模式降壓驅動器

當輸入電壓遠遠高于串聯HB LED的總壓降時，最好使用開關模式降壓(buck)轉換驅動器(圖2)，能夠使功耗降至最低，從而獲得較高的驅動器效率。


圖2. 利用開關模式降壓轉換驅動器降低功耗并提高照明組件的驅動效率

與用于驅動HB LED的一般buck控制器不同，MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832 HB LED驅動器采用滯回控制，沒有控制環路補償，從而簡化了設計，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的開關頻率，有效降低電路板空間和元件數量，可理想用于汽車前后部的照明(RCL、DRL、霧燈/近光燈)。

汽車前燈的理想選擇—開關模式buck-boost (SEPIC)驅動器

當輸入電壓高于或低于HB LED的總導通電壓時，必須使用buck-boost模式驅動器。在buck-boost配置中，需要一個浮動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，例如過壓保護，在HB LED發生開路或短路失效時保護系統不被損壞。對于汽車前燈中的大功率LED，輸入電壓的變化范圍可能在5.5V (冷啟動)至24V (電池倍壓)，此時，比較理想的選擇是buck-boost電路。驅動器還必須能夠承受40V以上的拋負載峰值電壓。

高度集成的HB LED驅動器，例如：MAX16812或MAX16831，在汽車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驅動器在拋負載時可以自動關閉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HB LED的總電壓時，應該選擇buck-boost驅動器拓撲

汽車中的LCD背光方案—開關模式boost驅動器

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年的新車型中，普遍增加了平視顯示器，升壓轉換器非常適合這類應用或LCD背光。這些應用需要3000:1的亮度調節范圍，以適應車內寬范圍的環境光照條件。驅動器必須提供一個額外的調光MOSFET驅動器，以便在極短的時間內接通/關閉LED。調光MOSFET還能夠在拋負載時保護LED。

圖4所示HB LED驅動器電路用于汽車中LCD背光，MAX16834集成了高邊檢流放大器、PWM調光MOSFET驅動器和高度可靠的保護電路，大大簡化了LCD背光電路的設計。該款HB LED驅動器能夠提供3000:1 PWM調光范圍，輸入電壓范圍為4.75V至28V，在冷啟動和拋負載狀況下確保穩定工作。


圖4. 具有3000:1較寬調光范圍的boost驅動器，內置保護電路，可理想用于汽車娛樂設施的LCD背光。

結論

合理選擇HB LED驅動器需要了解具體LED照明裝置的要求，以優化系統設計。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。

線性驅動器比較適合低成本、低EMI應用，例如：汽車內部照明，設計簡單。開關型驅動器則適用于大功率、高效率和寬輸入電壓范圍等應用場合，例如：汽車的外部照明，但成本較高，需要考慮EMI問題。

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