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汽車照明電源的LED驅動器

2023年10月08日

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汽車製造商越來越多地利用最新固態 LED 照明技術提高 2007-2008 車型的美感和性能。與白熾燈、HID燈以及鹵素燈相比,大功率 LED 的優勢越來越多。
一般來說,用汽車電池直接驅動單個 LED 或 LED 串,需要一個 DC/DC 轉換器來準確調節一個恆定 LED 電流,進而獲得一致的光強和顏色完整性。這個轉換器還必須保護這些 LED 免受汽車電池總線變化的影響。該 DC/DC 轉換器應該針對 LED 串的數量和類型以及每個應用的功能而優化。
每種汽車 LED 應用採用哪種 DC/DC 轉換器集成電路及拓撲由以下因素決定:
拓撲――LED 電壓與電池電壓範圍之間的關係決定採用降壓、升壓還是降壓-升壓型拓撲,所採用的拓撲必須能在整個電池電壓範圍內控制 LED 電流,使其保持恆定。
調光――大比例 LED 調光必須在所有亮度等級上保持顏色特性不變,並避免眼睛可看出的波動或振蕩。
效率――在驅動高亮度(HB)LED 時,DC/DC 轉換器的高效率工作和低功耗是關鍵要求,因為功率損耗在不工作期間會導致電池電量的消耗,而在工作期間,功率損耗會轉化成熱量,給散熱壓力很大的汽車環境造成更大壓力。
驅動單個 LED
艙內白光頂燈和閱讀燈可以僅使用單個 3W LED,產生 75~100 流明的亮度。這種 LED(如Lumileds的Luxeon Ⅲ Star, )一般正向電壓範圍為 3V ~4.5V,最大電流為 1A ~1.5A。圖 1 所示是一個具有調光功能的單個 LED 內部照明電路。
汽車電池的典型工作電壓範圍為 9V~16V。一個電量耗光的電池在汽車啟動前可能降低至 9V,而交流發電機在發動機運行的同時將其充電至 14.4V。伴隨著一些尖峰和過沖,這種典型的直流電池電壓最高可達 16V。在通常情況下,當發動機不工作時,充好電的汽車電池電壓為 12V。
圖 1: 具 250:1 PWM 調光比的 LT3474 高壓降壓型 1A LED 驅動器
在冷車發動時,汽車電池電壓可能降至5V、甚至4V。關鍵的電子產品必須能在這麼低的電壓下保持工作,但是內部照明不必如此。
在汽車電池中,高瞬態電壓也非常常見。從電池到底盤上不同地方的長電纜和汽車環境中的電子噪聲總是會導致大的電壓尖峰。在為汽車設計選擇開關穩壓器時,典型的 36V 瞬態電壓必須考慮。在大多數情況下,用簡單的瞬態電壓抑制器或 RC 濾波器就可以濾掉更高的電壓尖峰。
圖 1 中的 LT3474 轉換器集成電路是一種高壓、大電流降壓型 LED 轉換器,具有寬 PWM 調光範圍,能以高達 1A 的電流驅動一個或更多 LED。它具有幾個特點,使其非常適用於在汽車環境中驅動 LED。
它是一個專用 LED 驅動器,具有一個片上高壓 NPN 電源開關和一個內部電流檢測電阻,可最大限度地縮小占板空間,減少器件數並簡化設計,同時保持高效率。
4V~36V 的寬輸入電壓範圍允許該 LED 驅動器轉換器在所有情況下都可直接用電池工作,同時保持恆定 LED 電流。
低壓內部電流檢測電阻去除了對昂貴的外部運算放大器的需求,在電流檢測電阻通路上提供了一個低壓基準。
LT3474 的降壓型穩壓器設計和可調高頻範圍使輸出電流的紋波極小,甚至在採用非常小和低成本陶瓷輸出電容器時也是這樣。推薦本文中討論的所有轉換器都使用 X5R 或 X7R 高溫度係數陶瓷電容器。
單個 LT3474 LED 降壓型穩壓器的效率在 12VIN、LED 電流高於 200mA 時高於 80%,如圖 2 所示。用 VADJ引腳實施模擬控制,隨著 LED 電流和亮度的降低,效率也會下降,但是功耗仍然保持很低。LT3474 是為汽車和由電池供電的應用而定製的,當置於停機狀態時,它消耗低於2μA(典型值為 10nA)的電流。停機還可以像物理按鈕或微控制器集成電路那樣,起到LED接通/斷開按鈕的作用。
PWM調光和亮度控制
圖 1 中的LED亮度可以在LT3474上控制,將一個模擬電壓輸入到VADJ引腳,或將一個數字PWM信號接到PWM 調光MOSFET的柵極和PWM引腳上即可。模擬亮度控制通過降低內部檢測電阻電壓將恆定LED電流從1A降至更低的值。這種降低LED亮度的方法確實簡單易行,但是在更低電流時 LED電流的準確度卻降低了,而且LED光線的顏色也會變化。圖4中的曲線顯示了LT3474的典型LED電流隨VADJ引腳電壓變化的情況。準確度由1A時的2%變為200mA時的3.5%。調光比實際限制在10:1左右。
另一種降低LED亮度的方法是數字PWM調光。當在1A 恆定電流上對單個白光LED調光時,與LED串聯的PWM MOSFET產生了如圖 3 所示的波型。當PWM接通期間LED 和PWM MOSFET接通時,可以非常好地對電流進行調節。在 PWM斷開期間,電流為零。這樣,任何LED的顏色和真彩特性都可以保持不變,同時降低了亮度。
由於PWM功能在該集成電路內部實現,所以在讓LED 回歸到編程電流時,PWM的響應速度非常快。LT3474有40μs的最短調光接通時間,提供250:1的數字PWM調光比,這對內部照明是足夠有餘的。
採用 LED 串的 LCD 監視器顯示照明
在豪華型汽車和主流消費類車型中,安裝 GPS 導航和艙內娛樂顯示器越來越流行。在日光下,這些 LCD 顯示器需要恆定和明亮的 LED 串照明,而在夜間工作時需要寬調光範圍。與單個 LED 頂燈相比,LED 串帶來了不同的挑戰。在這些顯示器中,6~10 個 LED 組成的多個 LED 串的電流通常是較低的(20V)。就這些監視器而言,具有高效率和高 PWM 調光能力的大功率升壓型 DC/DC LED 驅動器是必需的。
圖 2:降壓型 LT3474 以高效率驅動單個或多個 LED
圖 5 所示 LT3486 雙輸出升壓型 LED 驅動器驅動兩個具 100mA 恆定電流、LED 正向電壓高達 36V 的 LED 串。該升壓轉換器 LED 驅動器具有高效率,其低壓檢測電阻與 LED 串和 PWM 調光 MOSFET 串聯。9V~16V 的整個電池電壓範圍低於 LED 串的正向工作電壓。
採用兩個 LED驅動器和兩個 LED 串(每串具 10 個 LED)而不是一個LED 串(每串具 20 個 LED)的優點是,最高開關電壓保持為一個具 10 個 LED 的 LED 串的最高開關電壓(最高開關電壓為 42V,最高輸出電壓為 36V)。
圖 3:LT3474 PWM 調光 LED 電流波形
圖 4:LT3474 LED 電流與 VADJ 引腳電壓
圖 5:在 GPS LCD 監視器中,LT3486 以 100mA 驅動 20 個白光 LED
圖 6:圖 5 中的 LT3486 2 x 10 白光 LED驅動器的效率為 90%
如圖 6 所示,在電池工作電壓範圍內,效率大約為 90%。如果電池電壓降低至 4V,那麼 LT3486 仍將工作,但是可能處於一種限流狀態,具體取決於 LED 編程電流和 LED 串中 LED 的數量。該轉換器不僅工作效率高,而且停機電流消耗也低於 1μA(典型值為 100nA)。當轉換器斷開時,它僅從汽車電池獲取微量的電流。該 LED 電流通過選擇外部檢測電阻值來設定,檢測電阻電壓是非常低的 200mV,這樣可以獲得最高效率。每個 LED 串上的 LED 電流都可以用 CTRL 引腳上的模擬信號獨立調節, 實現 10:1 的準確調光比,或用 PWM 信號調節,以實現非常高的調光比。
就夜間觀看極亮的顯示器(這樣的顯示器也用於日光下)而言,1000:1 的調光比非常有用。LT3486 擁有獨特的內部 PWM 調光架構並在 100Hz(高於可視光譜)時採用一些外部 PWM 調光 MOSFET,因此擁有 1000:1 的 PWM 調光比。內部 LED 電流存儲器具有超快 PWM 響應時間,可在低於 10μs 的時間內讓 LED 電流從 0mA 回歸到 100mA,以實現真彩 PWM 調光。在高端顯示器中,將兩個 LT3486 用於 4 串 R-G-G-B,可提供 1000:1 的調光比,在非常暗的夜間工作時保持顯示器的真彩特性。
信號指示燈、尾燈和前燈照明
外部信號指示燈、尾燈和前燈需要功率最大的 DC/DC LED 驅動器,因為它們使用的 LED 最亮,數量也最多。儘管由於熱量和穩流限制,極亮的 LED 前燈尚不常見,但是紅色和黃褐色的剎車燈和信號指示燈卻由於其卓越的美感和耐用性而越來越普遍。驅動大功率黃褐色和紅色 LED 串對內部照明和照明微調帶來了類似的挑戰,但挑戰的艱巨性是不同的。一般情況下,高調光比不是必需的,但是簡單的接通/斷開和高/低亮度功能卻很有用。大功率 LED 串的電壓通常超出了汽車電池的電壓範圍,因此需要一個同時具有升壓和降壓能力的 LED 驅動器。
圖 7:降壓-升壓型 LT3477 以 80% 的效率驅動剎車燈和信號指示燈 1A LED 串
圖 7 所示的 LT3477降壓-升壓型LED驅動器以1A電流驅動兩個大功率LED。這些LED不需以地為基準,連接的兩個端子一般是轉換器的輸出和電池輸入。LT3477擁有兩個獨特的、100mV浮動電流檢測輸入引腳,連接到不以地為基準的電流檢測電阻上,該電阻與LED串串聯。在汽車電池的工作電壓範圍內以及低於這個範圍,在電流直到1A時都可以實現準確的LED穩流。LT3477的停機引腳用於車燈的接通/斷開,以及在未工作時將輸入電流降低至1μA(典型值為100nA)。IADJ引腳用於面向剎車燈和尾燈應用並高於 10:1的模擬調光,如後部信號指示燈和剎車燈。真彩PWM 調光就這些應用而言不是必需的。
汽車尾燈使用更紅的LED,電流達到更高的1.5A。由6~10個LED組成的LED串在各種車燈中相當常見,每個LED 可產生總共高達140流明的亮度,每個LED串大約為1000流明或更高。這些車燈不僅需要非常大的電流,而且還需要高電壓。它們直接由汽車電池驅動,不可能因高瞬態電池電壓而出故障。這些車燈離電池非常遠,輸入電壓的變化範圍非常大。
圖 8:用於 8 x 1.5A 紅光 LED 的 LTC3783 剎車燈 LED 驅動器
如圖 8 所示,大功率LED驅動器LTC3783採用降壓-升壓型拓撲,驅動6~10個3W 的紅光LED。外部開關MOSFET 和開關電流檢測電阻為大功率和高壓LED驅動器設計提供最大的設計靈活性。如果電池電壓降至低於9V,那麼9V~36V的輸入和在 1.5A 時高達25V的LED串輸出需要一個額定值為100V的開關以及高於8A的峰值開關電流能力。恆定的1.5A電池電流在整個汽車電池電壓範圍內是良好穩定的。就剎車燈和尾燈調光而言,在100Hz時將PWM信號直接連接到LTC3783的PWM引腳,就可將LED電流降低至實現200:1的調光比。在1kHz時,調光比降至20:1,但是就尾燈應用而言這足夠了。調節ILIM引腳也可以降低LED電流。
圖 9:LTC3783 降壓-升壓型 8 x 1.5A 紅光 LED 驅動器具 93% 的效率
在最大功率的汽車應用中,高效率是最重要的。在這種應用中,如果輸出高達 36W,那麼如圖 9 所示,93% 的效率在剎車時會降低對電池的消耗,尤其是在汽車沒有運行的時候,更是這樣。用於剎車燈接通/斷開控制的 RUN 引腳將 LED 電流降低至 20цA。
LTC3783 大功率LED驅動器的使用非常靈活,它也可以用作大功率升壓型穩壓器,將LED串連接到地而不是VIN,就變成了升壓型拓撲,這可以驅動高達60W的更高電壓LED串。在這種情況下,LED串的電壓要求高於36V的最高電池電壓,而且在車燈關閉時,LED的斷接是通過PWM引腳完成的。採用非常亮的白光LED高流明前燈應用很快就會採用這種大功率LED的升壓型拓撲驅動方式。
結 語
有很多不同的汽車 LED 應用需要專用大功率、但簡單和高效的 LED 驅動器。根據應用的不同有不同的 LED 組合,但是各種組合都需要在斷開時電流消耗低、高 PWM 和模擬調光比以及卓越的 LED 穩流性能。凌特公司提供各種不同的汽車 LED 驅動器以克服所有這些挑戰。

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