引言
隨著消費(fèi)者環(huán)保理念的加強(qiáng)，固態(tài)照明(SSL)方案迅速成為通用照明及汽車(chē)照明應(yīng)用中首選的照明技術(shù)。按照市場(chǎng)調(diào)研公司Strategies Unlimited的預(yù)測(cè)，通用照明、背光及汽車(chē)應(yīng)用將是高亮度LED (HB LED)市場(chǎng)在今后幾年的主要增長(zhǎng)動(dòng)力，到2011年，HB LED驅(qū)動(dòng)器IC的整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到19億美元¹。
與傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，HB LED具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：它們不含任何有害物質(zhì)，例如CCFL中的汞元素；消耗較低的功率而且具有更長(zhǎng)的使用壽命。另外，HB LED比傳統(tǒng)方案具有更高的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，大大降低了系統(tǒng)的整體成本(例如：運(yùn)行和維護(hù)成本)。
當(dāng)然，HB LED的使用也面臨一些特殊挑戰(zhàn)，特別是汽車(chē)等嘈雜的工作環(huán)境。本文討論了HB LED驅(qū)動(dòng)器選擇的基本原則，比較了不同的驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?，針?duì)不同的汽車(chē)照明應(yīng)用提供了推薦配置方案，其中包括：汽車(chē)頂燈、日間行駛燈(DRL)、尾燈(RCL)、霧燈和近光燈/遠(yuǎn)光燈等。
HB LED需要恒流驅(qū)動(dòng)
HB LED驅(qū)動(dòng)器電路用于管理HB LED的供電，驅(qū)動(dòng)電路保持恒定的電流和最小的電壓波動(dòng)非常關(guān)鍵。過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)提高HB LED的結(jié)溫，加快HB LED的退化。
照明應(yīng)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?qū)娏饕话銥?50mA到1A以上。白光、藍(lán)光和綠光HB LED的正向電壓在2.8至4.5V范圍內(nèi)，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(qū)動(dòng)必須滿足特定的額定電流要求。用電壓源驅(qū)動(dòng)HB LED、串聯(lián)電阻限流，可能產(chǎn)生不可接受的亮度及光譜的變化。
HB LED亮度調(diào)節(jié)
HB LED的發(fā)光顏色會(huì)隨著電流的變化而發(fā)生變化，因此，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式對(duì)固定電流進(jìn)行調(diào)節(jié)效果優(yōu)于調(diào)節(jié)實(shí)際電流的幅度，即將直流電流保持在HB LED廠商規(guī)定的固定值，按照一定的頻率和占空比進(jìn)行電流斬波，利用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)亮度可以在不同的亮度等級(jí)保持一致的光譜。為了避免視覺(jué)閃爍，調(diào)光頻率應(yīng)高于100Hz。調(diào)光范圍取決于HB LED驅(qū)動(dòng)器所允許的最小占空比。
大部分HB LED驅(qū)動(dòng)器需要由微控制器或外部定時(shí)器產(chǎn)生亮度控制信號(hào)。MAX16806等HB LED驅(qū)動(dòng)器則由內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過(guò)DIM輸入端作用的外部電壓進(jìn)行調(diào)制(圖1)。這種配置在汽車(chē)內(nèi)部照明等應(yīng)用中可以省去外部微控制器或開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。
圖1：350mA線性HB LED驅(qū)動(dòng)器IC MAX16806能夠省去微控制器或開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器
汽車(chē)內(nèi)部照明的最佳選擇—線性驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)HB LED的最佳方案是使用恒流源。實(shí)現(xiàn)恒流源的簡(jiǎn)單電路是：用一個(gè)MOSFET與HB LED串聯(lián)，對(duì)HB LED的電流進(jìn)行檢測(cè)并將其與基準(zhǔn)電壓相比較，比較信號(hào)反饋到運(yùn)算放大器，進(jìn)而控制MOSFET的柵極。這種電路如同一個(gè)理想的電流源，可以在正向電壓、電源電壓變化時(shí)保持固定的電流。
線性驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于開(kāi)關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆](méi)有高頻開(kāi)關(guān)，所以也不需要考慮EMI問(wèn)題。此外，線性驅(qū)動(dòng)器的外圍元件少，可有效降低系統(tǒng)的整體成本。
線性HB LED驅(qū)動(dòng)器IC，例如：MAX16806，內(nèi)部集成了MOSFET和高精度基準(zhǔn)，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(cè)量HB LED的電流，從而在輸入電壓或LED正向電壓變化時(shí)，MAX16806能夠保證輸出恒定的電流。
線性驅(qū)動(dòng)器的功耗等于HB LED電流乘以?xún)?nèi)部(或外部)串聯(lián)調(diào)整管的壓降。當(dāng)HB LED電流或輸入電源電壓增大時(shí)，功耗也會(huì)增大，從而限制了線性驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。由于過(guò)熱會(huì)影響HB LED的使用壽命—這也是這類(lèi)燈源的一個(gè)缺陷—限制燈管的功耗非常重要。
值得慶幸的是，可以通過(guò)調(diào)節(jié)HB LED的亮度避免出現(xiàn)過(guò)熱。為了降低功耗，MAX16806對(duì)輸入電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果輸入電壓超過(guò)預(yù)先設(shè)定值，它將減小HB LED的驅(qū)動(dòng)電流以降低功耗。該項(xiàng)功能可以在某些應(yīng)用中避免使用開(kāi)關(guān)電源，例如：汽車(chē)頂燈或DRL等，這些應(yīng)用中通常會(huì)在出現(xiàn)不正常的高電池電壓時(shí)將燈光調(diào)暗。
汽車(chē)外部照明的理想選擇—開(kāi)關(guān)模式降壓驅(qū)動(dòng)器
當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串聯(lián)HB LED的總壓降時(shí)，最好使用開(kāi)關(guān)模式降壓(buck)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器(圖2)，能夠使功耗降至最低，從而獲得較高的驅(qū)動(dòng)器效率。
圖2：利用開(kāi)關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器降低功耗并提高照明組件的驅(qū)動(dòng)效率
與用于驅(qū)動(dòng)HB LED的一般buck控制器不同，MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832 HB LED驅(qū)動(dòng)器采用滯回控制，沒(méi)有控制環(huán)路補(bǔ)償，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，有助于減少外部器件數(shù)量。集成高壓電流檢測(cè)放大器，能夠工作在高達(dá)2MHz的開(kāi)關(guān)頻率，有效降低電路板空間和元件數(shù)量，可理想用于汽車(chē)前后部的照明(RCL、DRL、霧燈/近光燈)。
汽車(chē)前燈的理想選擇—開(kāi)關(guān)模式buck-boost (SEPIC)驅(qū)動(dòng)器
當(dāng)輸入電壓高于或低于HB LED的總導(dǎo)通電壓時(shí)，必須使用buck-boost模式驅(qū)動(dòng)器。在buck-boost配置中，需要一個(gè)浮動(dòng)的電流檢測(cè)放大器檢測(cè)并調(diào)節(jié)HB LED電流。另外還需要提供額外的保護(hù)，例如過(guò)壓保護(hù)，在HB LED發(fā)生開(kāi)路或短路失效時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不被損壞。對(duì)于汽車(chē)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(dòng))至24V (電池倍壓)，此時(shí)，比較理想的選擇是buck-boost電路。驅(qū)動(dòng)器還必須能夠承受40V以上的拋負(fù)載峰值電壓。
高度集成的HB LED驅(qū)動(dòng)器，例如：MAX16812或MAX16831，在汽車(chē)前燈設(shè)計(jì)中有助于減少元件數(shù)量、降低成本。例如：MAX16812內(nèi)部集成了差分電流檢測(cè)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(nèi)部調(diào)光MOSFET驅(qū)動(dòng)器在拋負(fù)載時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉LED串的電源，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
圖3. 當(dāng)輸入電壓可能高于或低于串聯(lián)HB LED的總電壓時(shí)，應(yīng)該選擇buck-boost驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; " />
汽車(chē)中的LCD背光方案—開(kāi)關(guān)模式boost驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器。在2010年的新車(chē)型中，普遍增加了平視顯示器，升壓轉(zhuǎn)換器非常適合這類(lèi)應(yīng)用或LCD背光。這些應(yīng)用需要3000:1的亮度調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)車(chē)內(nèi)寬范圍的環(huán)境光照條件。驅(qū)動(dòng)器必須提供一個(gè)額外的調(diào)光MOSFET驅(qū)動(dòng)器，以便在極短的時(shí)間內(nèi)接通/關(guān)閉LED。調(diào)光MOSFET還能夠在拋負(fù)載時(shí)保護(hù)LED。
圖4所示HB LED驅(qū)動(dòng)器電路用于汽車(chē)中LCD背光，MAX16834集成了高邊檢流放大器、PWM調(diào)光MOSFET驅(qū)動(dòng)器和高度可靠的保護(hù)電路，大大簡(jiǎn)化了LCD背光電路的設(shè)計(jì)。該款HB LED驅(qū)動(dòng)器能夠提供3000:1 PWM調(diào)光范圍，輸入電壓范圍為4.75V至28V，在冷啟動(dòng)和拋負(fù)載狀況下確保穩(wěn)定工作。
圖4. 具有3000:1較寬調(diào)光范圍的boost驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置保護(hù)電路，可理想用于汽車(chē)娛樂(lè)設(shè)施的LCD背光。
結(jié)論
合理選擇HB LED驅(qū)動(dòng)器需要了解具體LED照明裝置的要求，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員首先需要確定電參數(shù)，例如：輸入電壓、LED電流、LED正向?qū)妷阂约斑@些參數(shù)的變化范圍。安全性、EMI、熱管理、機(jī)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(qū)動(dòng)器比較適合低成本、低EMI應(yīng)用，例如：汽車(chē)內(nèi)部照明，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)器則適用于大功率、高效率和寬輸入電壓范圍等應(yīng)用場(chǎng)合，例如：汽車(chē)的外部照明，但成本較高，需要考慮EMI問(wèn)題。
Maxim針對(duì)不同應(yīng)用提供廣泛的HB LED驅(qū)動(dòng)解決方案，能夠在汽車(chē)固態(tài)照明中減小系統(tǒng)尺寸，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。所有汽車(chē)照明方案均可工作在-40°C至+125°C溫度范圍，并且滿足汽車(chē)應(yīng)用中對(duì)短路保護(hù)和熱關(guān)斷的要求。
參考文獻(xiàn)
¹Strategies Unlimited, The Market for High-Brightness LEDs in Lighting: Application Analysis and Forecast—2007 (January 2007).