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针对汽车照明合理选择HB LED驱动器
摘要:随着消费者环保理念的加强,固态照明方案迅速成为汽车应用中首选的照明技术。按照市场调研公司Strategies Unlimited得出的结论,通用照明、背光及汽车应用将是高亮LED (HB LED)市场在今后几年的主要增长动力,到2011年,整个市场规模将会达到19亿美元¹。
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引言

随着消费者环保理念的加强,固态照明方案迅速成为汽车应用中首选的照明技术。按照市场调研公司Strategies Unlimited得出的结论,通用照明、背光及汽车应用将是高亮LED(HB LED)市场在今后几年的主要增长动力,到2011年,整个市场规模将会达到19亿美元¹。

与传统的照明技术相比,HB LED具有几个关键优势:它们不含任何有害物质,例如CCFL中的汞元素;消耗较低的功率而且具有更长的使用寿命。另外,HB LED比传统方案具有更高的成本竞争优势,大大降低了系统的整体成本(例如:运行和维护成本)。当然,HB LED的使用也面临一些特殊挑战,特别是汽车等嘈杂的工作环境。本文讨论了HBLED驱动器选择的基本原则,比较了不同的驱动器拓扑,针对不同的汽车照明应用提供了配置方案,其中包括:汽车顶灯、日间行驶灯(DRL)、尾灯(RCL)、雾灯和近光灯/远光灯等。

HB LED需要恒流驱动

HB LED驱动器用于管理HB LED的供电,驱动电路保持恒定的电流和最小的电压波动非常关键。过大的驱动电流会提高HB LED的结温,加快HB LED的退化。照明应用中,为了获得更高的流明,需要使用大功率HB LED。这些HB LED的正向导通电流一般为350mA到1A。白光、蓝光和绿光 HB LED的正向电压在2.8至4.5V范围内,红光和琥珀光 HB LED的正向电压在2.3至3.5V范围。为了保持固定的色谱和亮度,HB LED驱动必须满足特定的额定电流要求。用电压源驱动HB LED、串联电阻限流,可能产生不可接受的亮度及光谱的变化。

HB LED亮度调节

HB LED的发光颜色会随着电流的变化而发生变化,因此,采用脉宽调制(PWM)方式对固定电流进行调节效果优于调节实际电流的幅度,即将直流电流保持在HB LED厂商规定的固定值,按照一定的频率和占空比进行电流斩波,利用脉宽调制调节亮度可以在不同的亮度等级保持一致的光谱。为了避免视觉闪烁,调光频率应高于100Hz。调光范围取决于HB LED驱动器所允许的最小占空比。

大部分LED驱动器需要由微处理器或外部定时器产生亮度控制信号。MAX16806等HB LED驱动器则由内部产生PWM信号,通过DIM输入端作用的外部电压进行调制(图1)。这种配置在汽车内部照明等应用中可以省去微处理器。

350mA线性HB LED驱动器IC——MAX16806

图1:350mA线性HB LED驱动器IC,MAX16806能够省去微控制器开关模式转换器

汽车内部照明——线性驱动器

驱动HB LED的最佳方案是使用恒流源。实现恒流源的简单电路是:用一个MOSFET与HB LED串联,对HB LED的电流进行检测并将其与基准电压相比较,比较信号反馈到运算放大器,进而控制MOSFET的栅极。这种电路如同一个理想的电流源,可以在正向电压、电源电压变化时保持固定的电流。线性驱动器相对于开关模式驱动器的优点是:电路结构简单,易于实现,因为没有高频开关,所以也不需要考虑EMI问题。此外,线性驱动器的外围元件少,可有效降低系统的整体成本。

线性HB LED驱动器,例如:MAX16806,内部集成了MOSFET和高精度基准,能够使每串LED保持一致的亮度(图1)。例如:MAX16806所要求的输入电压只需比LED总压降高出1V。利用外部检流电阻测量HB LED的电流,从而在输入电压和LED正向电压变化时,MAX16806能够保证输出恒定的电流。线性驱动器的功耗等于HB LED电流乘以内部(或外部)串联调整管的压降。当HB LED电流或输入电源电压增大时,功耗也会增大,从而限制了线性驱动器的应用。由于过热会影响HB LED的使用寿命——这也是这类灯源的一个缺陷——限制灯管的功耗非常重要。

值得庆幸的是,可以通过调节HB LED的亮度避免出现过热。为了降低功耗,MAX16806对输入电压进行监测,如果输入电压超过预先设定值,它将减小HB LED的驱动电流以降低功耗。该项功能可以在某些应用中避免使用开关电源,例如:汽车顶灯或DRL等,这些应用中通常会在出现不正常的高电池电压时将灯光调暗。

汽车外部照明——开关模式降压驱动器

当输入电压远远高于串联HB LED的总压降时,最好使用开关模式降压(buck)转换驱动器(图2),能够使电源功耗降至最低,从而获得较高的驱动器效率。与一般HB LED驱动的buck控制器不同,MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832采用滞回控制,没有控制环路补偿,从而简化了设计,有助于减少外部器件数量。集成高压电流检测放大器,能够工作在高达2MHz的开关频率,有效降低电路板空间和元件数量,可理想用于汽车照明(RCL、DRL、雾灯/近光灯)。

利用开关模式降压转换驱动器降低功耗并提高照明组件的驱动效率

图2:利用开关模式降压转换驱动器降低功耗并提高照明组件的驱动效率

汽车雾灯——开关模式Buck-Boost(SEPIC)驱动器

当输入电压高于或低于HB LED的总导通电压时,必须使用buck-boost模式驱动器。在buck-boost配置中,需要一个浮动的电流检测放大器检测并调节HB LED电流。另外还需要提供额外的保护,例如过压保护,在HB LED发生开路或短路失效时保护系统不被损坏。对于汽车雾灯,输入电压的变化范围可能在5.5V (冷启动)至24V (电池倍压),此时,比较理想的选择是buck-boost电路,用于提供大功率LED的驱动。驱动器还必须能够承受40V以上的抛负载峰值电压。

高度集成的HB LED驱动器,例如:MAX16812或MAX16831,在汽车前灯设计中有助于减少元件数量、降低成本。例如:MAX16812内部集成了差分电流检测放大器和额定电压为76V的0.2Ω功率MOSFET,用于控制单串HB LED的电流(图3)。此外,内部调光MOSFET驱动器在抛负载时可以自动关闭LED串的电源,增强了系统的可靠性。

当输入电压可能高于或低于串联HB LED的总电压时,应该选择buck-boost驱动器拓扑

图3:当输入电压可能高于或低于串联HB LED的总电压时,应该选择buck-boost驱动器拓扑

汽车中的LCD背光方案——开关模式boost驱动器

如果输入电压始终低于HB LED串的总电压,则需要使用boost转换器。在2010年的新车型中,普遍增加了平视显示器,升压转换器非常适合这类应用或LCD背光。这些应用需要3000:1的亮度调节范围,以适应车内宽范围的环境光照条件。驱动器必须提供一个额外的调光MOSFET驱动器,以便在极短的时间内接通/关闭LED。调光MOSFET还能够在抛负载时保护LED。图4所示HB LED驱动器电路用于汽车中LCD背光,MAX16834集成了高边检流放大器、PWM调光MOSFET驱动器和高度可靠的保护电路,大大简化了LCD背光电路的设计。该款HB LED驱动器能够提供3000:1 PWM调光范围,输入电压范围为4.75V至28V,在冷启动和抛负载状况下确保稳定工作。

具有3000:1调光范围的boost驱动器,内置保护电路,可理想用于汽车娱乐设施的LCD背光

图4:具有3000:1调光范围的boost驱动器,内置保护电路,可理想用于汽车娱乐设施的LCD背光

结论

合理选择HB LED驱动器需要了解具体LED照明装置的要求,以优化系统设计。设计人员首先需要确定电参数,例如:输入电压、LED电流、LED正向导通电压以及这些参数的变化范围。安全性、EMI、热管理、机械性能以及可以利用的电路板面积也是必须考虑的因素。线性驱动器比较适合低成本、低EMI应用,例如:汽车内部照明,设计简单。开关型驱动器则适用于大功率、高效率和宽输入电压范围等应用场合,例如:汽车的外部照明,但成本较高,需要考虑EMI问题。

Maxim针对不同应用提供广泛的HB LED驱动解决方案,能够在汽车固态照明中减小系统尺寸,降低设计复杂度和成本。所有汽车照明方案均可工作在-40°C至+125°C温度范围,并且满足汽车应用中对短路保护和热关断的要求。

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