汽車電子的LED驅(qū)動解決方案

汽車電子的LED驅(qū)動解決方案

眾所周知，LED適用于各種汽車照明元件，例如大燈、白天行車燈、霧燈、轉(zhuǎn)向信號燈、內(nèi)部照明、資訊娛樂的背光照明，以及組合尾燈(RCL)和高位制動燈(CHMSL)。

在建立LED供電的電子驅(qū)動解決方案時，需要考慮兩個主要的DC/DC電源類別，分別是線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器具有減少零部件數(shù)和降低電磁干擾(EMI)的優(yōu)點，但在效率和熱耗方面有嚴重的弊端。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器是很多設(shè)計師的驅(qū)動解決方案首選。直流電源和需要的LED數(shù)目與類型決定了LED驅(qū)動器的拓撲結(jié)構(gòu)選擇。如果電源電壓超出總LED電壓，就需要降壓轉(zhuǎn)換器。如果LED組的電壓超出電源電壓，就需要升壓轉(zhuǎn)換器。最后，根據(jù)具體的條件，LED電壓可能高于或低于電源電壓，這樣，就應(yīng)該采用降壓/升壓或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等電源拓撲技術(shù)。

在設(shè)計照明系統(tǒng)時，除了LED供電外，還需要考慮很多因素。LED電路設(shè)計的另一項主要考慮因素是熱管理。LED驅(qū)動器集成電路改進熱性能的一種方式是通過控制LED正向電流，LED正向電流是關(guān)于溫度的函數(shù)。這可以通過使用外部電流來感應(yīng)溫度和控制對LED的電流供應(yīng)來實現(xiàn)，但更高效的解決方案是利用具有必要內(nèi)置功能的集成電路。

美國國家半導(dǎo)體的產(chǎn)品包含可實現(xiàn)多種拓撲結(jié)構(gòu)的眾多開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路。此外，美國國家半導(dǎo)體專為LED應(yīng)用開發(fā)了一系列集成電路，其中很多具有適合汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用的功能。本文將探討幾個汽車電子系統(tǒng)大燈驅(qū)動的應(yīng)用示例。

使用升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

LED正越來越多地用于汽車大燈及其他前視照明系統(tǒng)。典型的大燈應(yīng)用可能使用以多種方式排列的10個白色LED。對于各LED最大VF為4V的情況，如果設(shè)計師希望使用在一個燈組中串聯(lián)全部LED的拓撲結(jié)構(gòu)，將需要設(shè)置DC/DC級來驅(qū)動LED。在這種情況下，可以對標稱12V~14VDC電源總線使用單個升壓開關(guān)功率級。

美國國家半導(dǎo)體研發(fā)的多種集成電路正是符合這種應(yīng)用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列集成電路包含多種多用途部件，可用作升壓、降壓、降壓/升壓或SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)中低側(cè)外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和LM3429部件都使用峰值電流模式控制器和預(yù)測性關(guān)閉時間設(shè)計來調(diào)節(jié)LED電流。峰值電流模式控制器與預(yù)測性關(guān)閉時間設(shè)計的組合簡化了回路補償設(shè)計，同時提供內(nèi)在的輸入電壓前饋補償。LM3429是系列中的基本部件，是優(yōu)化了成本和尺寸特點的控制器解決方案。LM3421增設(shè)了用于控制外部調(diào)光FET和系統(tǒng)“零電流”關(guān)閉特點的集成驅(qū)動器。LM3423進一步增加了LED狀態(tài)輸出標記、故障標記、可編程故障計時器和邏輯針腳，用于控制調(diào)光驅(qū)動器的極性。最后，LM3424與LM3421類似，但使用標準峰值電流模式控制器。LM3424還具有對開關(guān)頻率編程的功能，或通過可編程斜率補償、軟啟動和LED電流熱返送功能使開關(guān)頻率與外部來源同步。

LM342x系列使用控制器集成電路實現(xiàn)所需功能和總體系統(tǒng)設(shè)計的最大靈活性。圖1以LM3421為例，顯示升壓配置中使用LM342x系列驅(qū)動LED燈組的一個示例。LM342x拓撲結(jié)構(gòu)的一個主要特點是在LED高側(cè)進行電流感應(yīng)，允許燈組中的最后LED的陰極局部在底盤接地，并使感應(yīng)電壓可以差分地饋送回集成電路。這是一個重要的優(yōu)點，因為使LED燈組和驅(qū)動器集成電路可以彼此分離。

圖1使用LM3421的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動10個LED

使用熱返送升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

LED制造商通常在數(shù)據(jù)表中包含顯示LED最大允許正向電流和溫度的圖線，以確保部件的可靠性，這也稱為安全工作區(qū)(SOA)。LED的最大電流額定值在較低溫度測得，但在超出特定溫度后，最大允許電流值降低。由于LED系統(tǒng)的首要設(shè)計要素是適當?shù)纳岷屯L(fēng)，因此很多應(yīng)用需要考慮不可預(yù)測的狀況，即使最佳的熱設(shè)計也可能無法預(yù)防這些狀況。例如大燈組件被污泥或其他碎屑堵塞的情況。由于對車輛的安全操作至關(guān)重要，因此在此類情況下，需要保持LED在較低操作點正常照明，同時使電流保持在安全工作區(qū)，以預(yù)防照明系統(tǒng)的災(zāi)難性故障。

為了實現(xiàn)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)LED電流的目標，可以使用多種不同的方法。一種方法是構(gòu)建溫度感應(yīng)電路，用于驅(qū)動LED驅(qū)動器集成電路的模擬電流調(diào)節(jié)針腳。更簡單的解決方法是使用LM3424等具有內(nèi)置熱返送(TFB)功能的LED驅(qū)動器集成電路。圖2顯示了LM3424熱返送功能所需的外部零部件示例。


圖2LM3424熱返送電路

使用LM3424驅(qū)動LED和執(zhí)行熱電流控制具有多項優(yōu)點。首先，不需要在外部配備大部分復(fù)雜的部件（例如多個運算放大器），因為這些在集成電路中已集成。在最簡單的配置中，實現(xiàn)熱返送只需要少量標準電阻器和負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。如果需要更高的精度，設(shè)計師可以使用LM94022等精確溫度傳感器替換RBIAS和RNTC。此外，LM3424使用戶可以設(shè)置LED電流開始熱返送的溫度（TBK，通過RREF1,2、RBIAS和RNTC設(shè)置）和電流返送的斜率（通過RGAIN設(shè)置）。這使設(shè)計師可以使用少量外部部件精確重現(xiàn)制造商數(shù)據(jù)表中提供的電流額定值下降曲線，同時提高隨溫度變化表現(xiàn)出的性能，如圖3所示。


圖3隨溫度變化的額定值下降曲線示例

如圖2使用LM3424所示，集成電路將在到達某溫度時返送LED電流，此時，LED電流為零。這與LED作為系統(tǒng)中主要熱發(fā)生器的情況不同。對于大燈組件等應(yīng)用，設(shè)計師可能想要設(shè)置一項安全功能，即使LED可能在超出安全工作區(qū)的條件下工作，也始終能夠提供光輸出。對于此類情況，LED電流與溫度曲線將如圖4中示例所示。雖然LM3424沒有這項內(nèi)置功能，但這可以使用外部箝位電路輕松實現(xiàn)，并且防止TSENSE針腳上的電壓低于預(yù)規(guī)定值。


圖4隨溫度變化的額定值下降曲線示例(最低值非零)

使用SEPIC穩(wěn)壓器的大燈示例

雖然汽車電氣系統(tǒng)通常在12V~14VDC條件下工作，但在特殊情況下，向系統(tǒng)部件的供電電壓可能超出或低于正常工作值范圍。例如，在冷啟動情況下，系統(tǒng)供電可能為4.5V或更低，在負載突降狀況下，電壓可能在40V到60V之間。如果在這些特殊情況下仍需要LED工作或保護，設(shè)計師可能希望選擇可提供恒定LED電流的功率級，而不管電源電壓與LED組電壓的關(guān)系如何。一種采用SEPIC的開關(guān)穩(wěn)壓器可以執(zhí)行升壓和降壓操作，如圖5所示。


圖5SEPIC轉(zhuǎn)換器基本拓撲結(jié)構(gòu)

SEPIC轉(zhuǎn)換器的效率可能不如降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，但拓撲結(jié)構(gòu)具有多項優(yōu)點。除了具有升壓和降壓功能外，另一項尤其適用于汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)點是CSEPIC電容器提供了輸入和輸出之間的隔離。SEPIC轉(zhuǎn)換器的不足是需要兩個電感器，但兩個電感器可以輕松地纏繞在同個芯上，而不是作為兩個分立的部件。圖6顯示同樣使用LM3421控制器的應(yīng)用電路示例。


圖6SEPIC配置中的LM3421

使用串聯(lián)/并聯(lián)LED的組合尾燈

另一個常見的照明應(yīng)用是尾燈/閃光燈組件，也被稱為組合尾燈(RCL)。對于在12V~14V直流電源供電中具有3V典型正向電壓(VF)的LED來說，一個可能的解決方案是使用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。由于最低值為12V，因此只允許3個LED串聯(lián)?？梢圆捎脠D7所示的串聯(lián)/并聯(lián)組合，因為在一個串聯(lián)燈組中所有必備的LED的總電壓將超過12V。


圖7串聯(lián)/并聯(lián)陣列

對于此應(yīng)用的調(diào)光和閃光部分，可以使用多種方法降低向LED陣列提供的功率。最常用的一種方法是脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光，這種方法通常使用專門的邏輯信號高速開啟和關(guān)閉LED以控制總體光輸出。這種方法簡單有效，但可能極少用于汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用，因為在線束中需要一根額外的線路用于調(diào)光信號。另一種方法稱為雙線調(diào)光，向LED驅(qū)動器提供的電源定期中斷以控制調(diào)光。1.5A整體式開關(guān)穩(wěn)壓器LM3406具有此功能，其真實電流平均值實現(xiàn)更嚴密的光輸出控制。集成的N通道MOSFET不提供控制器集成電路具有的靈活性，因此降低了板上的復(fù)雜性。圖8顯示了使用雙線調(diào)光方法的LM3406應(yīng)用示例。


圖8雙線調(diào)光的LM3406配置

LM3406包含輸入電壓感應(yīng)針腳(VINS)使照明設(shè)計師可以魚和熊掌兼得，因為他們可以實現(xiàn)標準PWM調(diào)光的優(yōu)點，同時降低系統(tǒng)接線復(fù)雜性（照明部件距離控制電路較遠）。阻擋二極管D2允許輸入電容器CIN保持與LM3406的連接，這與非雙線調(diào)光設(shè)置相同，因此使LM3406在調(diào)光階段可以保持完全供電。這比簡單的開啟和關(guān)閉零部件來實現(xiàn)調(diào)光更為高效，因為LM3406的所有內(nèi)部支持電路在調(diào)光過程中保持通電。因此，部件可以立即進入調(diào)光階段，集成電路沒有恢復(fù)和運行延時。這樣，在雙線調(diào)光設(shè)置中，LM3406的工作方式與輸出控制中使用邏輯調(diào)光針腳的方式相同。標準PWM設(shè)置需要的附加部件只有阻擋二極管D2、VINS下拉電阻器RPD和用于實現(xiàn)理想斬波開關(guān)S1的部件。

使用串聯(lián)LED和升壓/降壓穩(wěn)壓器組合的RCL示例

在并聯(lián)燈組陣列中，配置LED通過允許LED功率級在12V~14V軌道下直接運行，極大地簡化系統(tǒng)設(shè)計，但并聯(lián)/串聯(lián)組合也同樣具有一些缺點。在查看LED制造商數(shù)據(jù)表時，可以注意到兩個重要的事實：LED的光輸出與流經(jīng)的電流成正比，LED的動態(tài)電阻隨著VF而變化。制造商按VF、光通量和顏色（或色溫）對LED分級。例如，典型的VF級別可能包含范圍從3.27V到3.51V（25℃時）的LED，所有級別的整個范圍可以從2.8V到4.2V。由于LED制造商通常向客戶銷售多個級別的LED，關(guān)注成本的設(shè)計師依賴所有LED都具有緊密VF分布是不實際的。

下例顯示了VF變化的影響。在實驗中，使用圖9所示兩種設(shè)置收集數(shù)據(jù)。一種設(shè)置用于4個LED（每個LED都具有專門的電流源），另一種設(shè)置用于并聯(lián)的4個LED（共享一個電流源）。表1所示數(shù)據(jù)在25℃加電后5秒內(nèi)測得，以最大限度降低LED自發(fā)熱的影響。

圖9實驗性設(shè)置

表1多電流源設(shè)置(左)和單電流源設(shè)置(右)的數(shù)據(jù)


從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出LEDVF變化在并聯(lián)運行時將導(dǎo)致不均勻電流分布。即使對于分級的LED，也可以看到類似的影響，并聯(lián)陣列中各串聯(lián)燈組的電流分布不均。改進并聯(lián)燈組間電流分布的一種方式是向各燈組增加鎮(zhèn)流電阻器。這有助于使電流分布均勻化，但存在的主要問題是由于鎮(zhèn)流電阻器的功耗而降低了效率。

根據(jù)具體的設(shè)計，上述問題的影響可能可以忽略。但是，如果系統(tǒng)設(shè)計師對上述影響存有顧慮，可以采用單個串聯(lián)燈組作為首選拓撲結(jié)構(gòu)。在這種解決方法中，仍可以使用LM3406等部件，但將增大系統(tǒng)復(fù)雜性，因為需要新前端部件用于傳輸超出12V~14V的電源電壓為LED驅(qū)動器供電。然后，LED驅(qū)動器降低此新電壓，為單個LED燈組供電。這可以通過在直流電源和LM3406之間增加升壓DC/DC功率級輕松實現(xiàn)，如圖10所示。通過此拓撲結(jié)構(gòu)，串聯(lián)燈組中的所有LED均具有相同的電流，無論各LED的VF值是多少。


圖10升壓和降壓組合

還需要注意的一個問題是為什么應(yīng)包含降壓功率級，而不是直接使用升壓穩(wěn)壓器運行LED。這兩種拓撲結(jié)構(gòu)之間的重要區(qū)別是輸出電容器：升壓穩(wěn)壓器需要輸出電容器，而降壓穩(wěn)壓器可以使用或不使用輸出電容器操作。如果設(shè)置中使用輸出電容器，即使在穩(wěn)壓器已進入調(diào)光模式并停止向LED供電后，仍可以為LED輸送電流一段時間。因此，在LED輸出實際停止前，還需要額外的時間使輸出電容器放電。在LED組中使用串聯(lián)開關(guān)仍可以實現(xiàn)有效調(diào)光，但這需要附加的調(diào)光FET以及更復(fù)雜的驅(qū)動器集成電路和/或增加外部部件。

除了調(diào)光復(fù)雜性以外，升壓穩(wěn)壓器還存在其他LED驅(qū)動難題。升壓穩(wěn)壓器本身無法保護LED免受負載突降時產(chǎn)生的高線路電壓影響。在升壓/降壓拓撲結(jié)構(gòu)中，降壓穩(wěn)壓器可以承受高電壓，而不會發(fā)生損壞甚至中斷正常工作。升壓穩(wěn)壓器還易受到開路（使VO的上升不受約束）和短路（在VO低于VIN時，IO失去控制）影響。最后，由于輸出電流是關(guān)于升壓轉(zhuǎn)換器占空比的函數(shù)，因此必須感應(yīng)電感器電流和LED電流，這也導(dǎo)致了驅(qū)動器的復(fù)雜性增加。

總結(jié)

本文探討了多個汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用示例及相應(yīng)的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)和兼容的美國國家半導(dǎo)體集成電路，其中，很多LED驅(qū)動器集成電路都非常適合汽車電子系統(tǒng)設(shè)計師進行高效設(shè)計。