LED驅(qū)動(dòng)器集成電路在汽車照明中的應(yīng)用

　　引言

　　目前，對(duì)高亮度LED(發(fā)光二極管)的市場(chǎng)預(yù)測(cè)存在很大差別。盡管預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不同，但是趨勢(shì)是明顯的：高亮度(HB)LED市場(chǎng)正在以驚人的速度增長。有些預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為年復(fù)合增長率15%，另一些則為年復(fù)合增長率35%。2007年汽車領(lǐng)域的LED照明處于起步階段，銷售額為6.7億美元，但是預(yù)計(jì)將以15%的年復(fù)合增長率增長，到2011年(1)達(dá)到12億美元。如果將非汽車應(yīng)用考慮在內(nèi)，那么年復(fù)合增長率接近35%，而且到2011年，總的高亮度LED市場(chǎng)有可能輕松超過25億美元。

　　這么高的增長潛力靠什么驅(qū)動(dòng)?首先，LED產(chǎn)生光的效率是白熾燈的10倍，同時(shí)幾乎是熒光燈的兩倍，因此極大地降低了提供特定光輸出量(單位：流明)所需的電功率。第二，白熾燈使用1,000小時(shí)后需要更換，熒光燈可持續(xù)使用1萬小時(shí)，而LED的壽命超過10萬小時(shí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這允許LED永久性地嵌入到最終應(yīng)用中而無需附屬裝置。例子包括用于裝在汽車車體上的顯示屏或HDTV的LCD顯示屏，因?yàn)檫@些LED在汽車、HDTV或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館顯示器壽命期內(nèi)不會(huì)需要更換。第三，LED比其它照明產(chǎn)品小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，外形尺寸可以制作得非常扁平，這樣它們就可以永久性地嵌入到汽車內(nèi)部和外部應(yīng)用中。另外，通過使用紅光、綠光和藍(lán)光LED配置，可以實(shí)現(xiàn)無數(shù)種顏色。最后，LED能夠調(diào)光，而且其接通和斷開時(shí)間很快，人眼察覺不到，這極大地改進(jìn)了HDTV和其它類型顯示器的背光照明。沒有這些LED，不可能有極高對(duì)比度和清晰的高分辨率LCDHDTV。

　　盡管如此，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的最大挑戰(zhàn)之一是如何充分利用最新一代LED的所有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗鼈円话阈枰粋€(gè)準(zhǔn)確的直流電流源，還需要調(diào)光，因此LED驅(qū)動(dòng)器集成電路必須設(shè)計(jì)成能滿足各種不同應(yīng)用的需求。電源解決方案必須高效率、功能可靠，而且與往常一樣，要非常緊湊和經(jīng)濟(jì)。有理由認(rèn)為，最苛刻的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用之一是在汽車應(yīng)用中，其中包括基于LED的內(nèi)部照明、LCD顯示器背光照明、剎車/轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈，甚至包括前燈。

　　汽車LED照明

　　尺寸小、功耗低以及接通時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使高亮度LED開始在今天的汽車中得到廣泛采用。最初的LED應(yīng)用是中央高位剎車燈(CHMSL)，這類應(yīng)用采用紅光LED提供非常微小的照明陣列，這種陣列很容易安裝，而且從不需要更換。欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.wenjunhu.com)

　　傳統(tǒng)上，白熾燈是最經(jīng)濟(jì)的光源，而且很多汽車仍在使用。不過，用于照明組件的可用空間縮小以及對(duì)長工作壽命的需求，加之LED實(shí)現(xiàn)了明亮的自然色彩和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，因此LED在很多應(yīng)用中迅速取代了白熾燈。白光LED陣列取代傳統(tǒng)的冷陰極熒光照明(CCFL)TFT-LCD背光照明越來越常見了，白光LED提供更加精確和可調(diào)的背光照明，工作壽命將很容易超過汽車本身的壽命。甚至主要是鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的前燈也正在逐步采用電子“可控”的大電流LED陣列(參見圖1)。包括內(nèi)部/外部和背光照明應(yīng)用的所有汽車照明應(yīng)用都幾乎在轉(zhuǎn)向LED。在這種環(huán)境中使用LED有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們從不需要更換，因?yàn)槠溟L達(dá)10萬余小時(shí)(11.5年的使用年限)的可靠壽命超過了汽車本身的壽命。這允許汽車制造商永久性地將其嵌入“艙內(nèi)”照明系統(tǒng)，無需為了方便更換而進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。其款式也可以有很大變化，因?yàn)長ED照明系統(tǒng)所需的深度和面積不像白熾燈那么大。

　　圖1：奧迪R8/雷克薩斯LED前燈/轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈/行車燈。

　　圖2所示是現(xiàn)代汽車中的各種LED照明應(yīng)用。在汽車內(nèi)部，有幾種采用各種類型LED的“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置”照明模塊。有些是單個(gè)LED，而像導(dǎo)航儀表板背光照明等另一些應(yīng)用則需要LED陣列。在外部照明方面，LED也得到了認(rèn)可?，F(xiàn)在超過40%的中央高位剎車燈已經(jīng)采用紅光LED。另外，奧迪(Audi)2008 A8采用大電流LED陣列作為白天行車燈(DRL)。雷克薩斯(Lexus)600轎車和奧迪R8包括前燈在內(nèi)的全部外部“前向照明”都是由LED完成的。類似地，甚至更多中檔汽車和很多摩托車也采用了彩色LED陣列作為剎車/轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈。

　　圖2：LED照明在現(xiàn)代汽車中的典型應(yīng)用。

　　汽車LED照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

　　為確保最佳性能和更長的使用壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路必須能夠適應(yīng)條件非?？量痰钠囯娫纯偩€，而且要既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省空間。為了保證更長的使用壽命，首要的是不超過LED的電流和溫度限制。表1給出了大電流白光LED的典型正向電壓與驅(qū)動(dòng)電流。

　　表1：大電流白光LED的正向壓降與驅(qū)動(dòng)電流。

　　大多數(shù)前燈應(yīng)用需要約50W LED電流。凌力爾特公司(Linear)的LT3755設(shè)計(jì)成服務(wù)于這種類型的應(yīng)用。它可以將汽車總線電壓(標(biāo)稱值為12V)提高到60V，以驅(qū)動(dòng)多達(dá)14個(gè)串聯(lián)連接的1A LED，如圖3所示。

　　圖4說明，LT3755的效率可高達(dá)93%。這一點(diǎn)是非常重要，因?yàn)檫@消除了所有電源組件的散熱需求，從而可組成一個(gè)占板面積非常緊湊的解決方案。盡管圖3所示電路是一種升壓型拓?fù)洌荓T3755獨(dú)特的高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)使其能夠根據(jù)應(yīng)用的具體要求，配置為升壓模式、降壓模式、降壓-升壓模式或反激式拓?fù)洹?/P>

　　LT3755用穩(wěn)定的內(nèi)部7V電源驅(qū)動(dòng)外部低端N溝道MOSFET。固定頻率、電流模式架構(gòu)允許在寬電源和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定和準(zhǔn)確地工作。LT3755提供一個(gè)恒定電流源，這對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器集成電路在輸入電壓不穩(wěn)定時(shí)實(shí)現(xiàn)恒定LED亮度非常重要，而且在汽車應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)樵诶滠嚢l(fā)動(dòng)和負(fù)載突降等情況下遭遇瞬態(tài)后，輸入電壓可能有極大的擺動(dòng)。LT3755的最高輸入電壓為40V，使其能夠在主汽車總線遭遇40V瞬態(tài)時(shí)穩(wěn)定LED電流和電壓，40V瞬態(tài)在負(fù)載突降情況下是常見的。

　　以地為基準(zhǔn)的電壓反饋引腳用作很多LED保護(hù)電路的輸入，如LED開路保護(hù)，而且還使轉(zhuǎn)換器有可能用作恒定電壓源。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz范圍內(nèi)對(duì)頻率編程，以優(yōu)化效率和性能，同時(shí)最大限度減小外部組件尺寸。如果需要外部同步，LT3755-1版本在100kHz至1MHz的整個(gè)頻率范圍內(nèi)還可以同步至外部時(shí)鐘。

　　圖3：采用LT3755的50W前燈電路。

　　圖4：圖3所示LT3755電路的效率。

　　LT3755的真彩PWM調(diào)光實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3000:1的調(diào)光比，調(diào)光時(shí)所發(fā)光的顏色沒有改變，從而能夠持續(xù)調(diào)節(jié)LED前燈，以適應(yīng)多種環(huán)境條件。因?yàn)榱枇柼毓镜拇箅娏鱈ED驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們不直接調(diào)制電源開關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路控制每個(gè)周期的開關(guān)峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改進(jìn)了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性，并實(shí)現(xiàn)了逐周期限流。

　　兩個(gè)LED應(yīng)用

　　如圖2所示，很多嵌入式大電流LED應(yīng)用都由單個(gè)或兩個(gè)大電流(ILED從1A至1.5A)LED組成。這類應(yīng)用包括內(nèi)部照明，如頂燈、地圖燈、后備箱照明，還包括外部照明，如門檻或“水坑”燈。視應(yīng)用的不同，可能采用彩色LED用于儀表板照明，或白光LED用于一般照明。因?yàn)檫@類LED一般具有3V至4V的正向電壓，并用12V至14V的汽車總線供電，所以需要降壓型穩(wěn)壓器。LT3475雙路降壓型LED驅(qū)動(dòng)器非常適用于這類應(yīng)用。

　　LT3475是一個(gè)雙路36V、2MHz降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，用作雙路恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器(參見圖3)。每個(gè)通道都有內(nèi)部檢測(cè)電阻和調(diào)光控制，非常適用于驅(qū)動(dòng)需要高達(dá)1.5A電流的LED。兩個(gè)通道以180o的相位差開關(guān)，從而降低了兩個(gè)通道的輸出紋波。在50mA至1.5A的寬電流范圍內(nèi)，每個(gè)通道都獨(dú)立保持高輸出電流準(zhǔn)確度，同時(shí)獨(dú)特的True Color PWMTM電路實(shí)現(xiàn)3000:1的調(diào)光范圍，而且沒有通常與LED電流調(diào)光相關(guān)的顏色改變。LT3475具有4V至36V(瞬態(tài)高達(dá)40V)的寬輸入電壓范圍，非常適應(yīng)汽車電源系統(tǒng)。其開關(guān)頻率可以在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)設(shè)定，從而允許使用纖巧的電感器和陶瓷電容器，同時(shí)保持開關(guān)噪聲在調(diào)幅收音機(jī)頻段之外。該器件采用耐熱增強(qiáng)型TSSOP-20封裝，為驅(qū)動(dòng)大電流LED提供了一個(gè)非常緊湊的解決方案。

　　圖5：LT3475雙路1.5A降壓型LED驅(qū)動(dòng)器原理圖和有關(guān)的效率曲線。

　　LT3475采用高壓側(cè)檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了接地的LED陰極連接，因此在大多數(shù)應(yīng)用中無需接地線。它的每個(gè)通道還具有集成的升壓二極管，進(jìn)一步減少了解決方案占板面積和成本。其它特點(diǎn)包括LED開路和短路保護(hù)。

　　本文小結(jié)

　　在當(dāng)前和未來的汽車中，LED照明應(yīng)用將前所未有地加速增長，這已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)大電流LED汽車應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)器集成電路產(chǎn)生了很多非常具體的性能要求。這些應(yīng)用從前燈到內(nèi)部照明，種類很多。另外，在汽車市場(chǎng)之外的大量商用和工業(yè)環(huán)境中也有很多LED應(yīng)用，汽車應(yīng)用中的大多數(shù)高性能要求在這些應(yīng)用中也需要。欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.wenjunhu.com) 這些LED驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，以在輸入電壓或LED正向電壓變化時(shí)保持一致的亮度，而且必須以高效率工作。它們還必須能夠承受汽車電源總線嚴(yán)酷的電氣特性。這些應(yīng)用還要求非常緊湊的、高熱效率解決方案。凌力爾特公司已經(jīng)注意到了這些汽車設(shè)計(jì)需求，而且為滿足汽車和多種通用LED照明應(yīng)用需求，已經(jīng)開發(fā)出一系列大電流LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在有了一個(gè)非常方便的LED驅(qū)動(dòng)器來源，可以進(jìn)行具有挑戰(zhàn)性的照明設(shè)計(jì)了。