《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向汽車應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)淺談

2011-01-27

     OFweek半導(dǎo)體照明網(wǎng):在過(guò)去的十年里,汽車電子產(chǎn)品有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,車載電子控制、車載信息服務(wù)以及娛樂系統(tǒng)不管是在數(shù)量上還是在精細(xì)程度上都有了顯著的提高。本文將重點(diǎn)探討這種成長(zhǎng)的主要組成部分之一,即:目前以及下一代汽車中LED照明使用率的飛速提高。這種新型照明領(lǐng)域給汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師和制造商均帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。了解這些挑戰(zhàn)并找到可行的解決方案是最為重要的,因?yàn)榕c這些照明系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的發(fā)展似乎是沒有止境的。
 
  LED照明

  諸如小外形尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)勢(shì)開創(chuàng)了高亮度LED被當(dāng)今汽車所廣泛采用的局面。LED在汽車中的初始應(yīng)用是中央高架停車燈(CHMSL);這些應(yīng)用使用紅光LED來(lái)提供一個(gè)非常扁薄的照明陣列,該照明陣列易于安裝,而且永遠(yuǎn)不需要更換。

  傳統(tǒng)上,白熾燈泡是最為經(jīng)濟(jì)的光源,而且仍然被許多汽車所采用。然而,隨著可用照明空間的日益縮小以及對(duì)照明光源使用壽命要求的不斷提高,由LED所提供的燈光色彩和設(shè)計(jì)方案正在迅速取代白熾燈泡應(yīng)用。即使是傳統(tǒng)的CCFLTFT-LCD背光源應(yīng)用,目前也在逐漸地被白光LED陣列所取代。

  更有甚者,人們還在利用一種電“可操縱”型高電流LED陣列來(lái)開發(fā)車前燈,而該領(lǐng)域一直是被鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)所把持的。幾乎所有的汽車照明應(yīng)用(包括車身內(nèi)部/外部照明和背光照明應(yīng)用)都將逐步過(guò)渡為采用LED。采用LED的好處具有諸多積極的含意。首先(也許是最重要的一點(diǎn)),它永遠(yuǎn)不需要更換,因?yàn)槠溟L(zhǎng)達(dá)100,000小時(shí)的固態(tài)壽命(服役年限:11年半)比汽車的使用壽命還要長(zhǎng)。這使得汽車制造商能夠把它們永久性地嵌入車艙內(nèi)的照明系統(tǒng)中,而無(wú)需像以往那樣留有用于更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需要白熾燈泡所要求的安裝深度或面積,因此還可使汽車的造型發(fā)生顯著的變化。LED的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是其具有低功耗,因而能夠使得耗油量有所減少。

  汽車LED照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

  為了確保最佳的性能和長(zhǎng)久的工作壽命,LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些特殊的驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從一根相當(dāng)苛刻的汽車電源總線獲取工作電源,而且還應(yīng)兼具成本和空間“效益性”。為了維持其長(zhǎng)久的工作壽命,一定不得超過(guò)LED的電流和溫度限值。表1羅列了針對(duì)一個(gè)高電流白光LED的典型正向電壓與驅(qū)動(dòng)電流的相互關(guān)系。

  在單個(gè)LED至三個(gè)(串聯(lián))LED的應(yīng)用中,將需要一個(gè)降壓型LED驅(qū)動(dòng)器(比如:凌力爾特的LT3475),用于把汽車總線電壓(標(biāo)稱值為12V)降至一個(gè)更加合適的LED電壓,根據(jù)應(yīng)用的LED彩色和亮度要求的不同,該LED電壓的變化范圍可在2.68V至4.88V(每個(gè)LED)之間。與此相反,在諸如剎車燈等需要多個(gè)由多達(dá)8個(gè)串聯(lián)LED組成的LED串的應(yīng)用中,所需的輸出電壓為21V至39V,所以必需采用一個(gè)升壓型LED驅(qū)動(dòng)器(例如:凌力爾特的LT3496)。凌力爾特公司提供的所有LED驅(qū)動(dòng)器均采用了電流模式架構(gòu),旨在輸送恒定的電流。

     OFweek半導(dǎo)體照明網(wǎng):在過(guò)去的十年里,汽車電子產(chǎn)品有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,車載電子控制、車載信息服務(wù)以及娛樂系統(tǒng)不管是在數(shù)量上還是在精細(xì)程度上都有了顯著的提高。本文將重點(diǎn)探討這種成長(zhǎng)的主要組成部分之一,即:目前以及下一代汽車中LED照明使用率的飛速提高。這種新型照明領(lǐng)域給汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師和制造商均帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。了解這些挑戰(zhàn)并找到可行的解決方案是最為重要的,因?yàn)榕c這些照明系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的發(fā)展似乎是沒有止境的。
 
  LED照明

  諸如小外形尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)勢(shì)開創(chuàng)了高亮度LED被當(dāng)今汽車所廣泛采用的局面。LED在汽車中的初始應(yīng)用是中央高架停車燈(CHMSL);這些應(yīng)用使用紅光LED來(lái)提供一個(gè)非常扁薄的照明陣列,該照明陣列易于安裝,而且永遠(yuǎn)不需要更換。

  傳統(tǒng)上,白熾燈泡是最為經(jīng)濟(jì)的光源,而且仍然被許多汽車所采用。然而,隨著可用照明空間的日益縮小以及對(duì)照明光源使用壽命要求的不斷提高,由LED所提供的燈光色彩和設(shè)計(jì)方案正在迅速取代白熾燈泡應(yīng)用。即使是傳統(tǒng)的CCFLTFT-LCD背光源應(yīng)用,目前也在逐漸地被白光LED陣列所取代。

  更有甚者,人們還在利用一種電“可操縱”型高電流LED陣列來(lái)開發(fā)車前燈,而該領(lǐng)域一直是被鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)所把持的。幾乎所有的汽車照明應(yīng)用(包括車身內(nèi)部/外部照明和背光照明應(yīng)用)都將逐步過(guò)渡為采用LED。采用LED的好處具有諸多積極的含意。首先(也許是最重要的一點(diǎn)),它永遠(yuǎn)不需要更換,因?yàn)槠溟L(zhǎng)達(dá)100,000小時(shí)的固態(tài)壽命(服役年限:11年半)比汽車的使用壽命還要長(zhǎng)。這使得汽車制造商能夠把它們永久性地嵌入車艙內(nèi)的照明系統(tǒng)中,而無(wú)需像以往那樣留有用于更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需要白熾燈泡所要求的安裝深度或面積,因此還可使汽車的造型發(fā)生顯著的變化。LED的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是其具有低功耗,因而能夠使得耗油量有所減少。

  汽車LED照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

  為了確保最佳的性能和長(zhǎng)久的工作壽命,LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些特殊的驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從一根相當(dāng)苛刻的汽車電源總線獲取工作電源,而且還應(yīng)兼具成本和空間“效益性”。為了維持其長(zhǎng)久的工作壽命,一定不得超過(guò)LED的電流和溫度限值。表1羅列了針對(duì)一個(gè)高電流白光LED的典型正向電壓與驅(qū)動(dòng)電流的相互關(guān)系。

  在單個(gè)LED至三個(gè)(串聯(lián))LED的應(yīng)用中,將需要一個(gè)降壓型LED驅(qū)動(dòng)器(比如:凌力爾特的LT3475),用于把汽車總線電壓(標(biāo)稱值為12V)降至一個(gè)更加合適的LED電壓,根據(jù)應(yīng)用的LED彩色和亮度要求的不同,該LED電壓的變化范圍可在2.68V至4.88V(每個(gè)LED)之間。與此相反,在諸如剎車燈等需要多個(gè)由多達(dá)8個(gè)串聯(lián)LED組成的LED串的應(yīng)用中,所需的輸出電壓為21V至39V,所以必需采用一個(gè)升壓型LED驅(qū)動(dòng)器(例如:凌力爾特的LT3496)。凌力爾特公司提供的所有LED驅(qū)動(dòng)器均采用了電流模式架構(gòu),旨在輸送恒定的電流。

  如欲在輸入電壓不規(guī)則的情況下產(chǎn)生恒定的LED亮度,就必須從這些驅(qū)動(dòng)器IC獲得一個(gè)恒定的電流源。一個(gè)內(nèi)部檢測(cè)電阻器用于監(jiān)視輸出電流,以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。在一個(gè)很寬的電流范圍內(nèi)(35mA至1A)保持了高輸出電流準(zhǔn)確度,從而實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)光范圍。由于凌力爾特的高電流LED驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器,因此它們并不直接調(diào)整電源開關(guān)的占空比,而是由反饋環(huán)路來(lái)控制每個(gè)周期中流經(jīng)開關(guān)的峰值電流。與電壓模式控制相比,電流模式控制改善了環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能,并提供了逐周期電流限制功能。

  在許多應(yīng)用(特別是背面照明和車內(nèi)照明)中,都有可能需要進(jìn)行調(diào)光控制,因而要求驅(qū)動(dòng)器IC提供一種用于調(diào)節(jié)輸出電流/LED亮度的簡(jiǎn)單方法。利用合適的驅(qū)動(dòng)器IC,即可通過(guò)一個(gè)PWM信號(hào)、DC電壓或外部NMOS晶體管來(lái)完成調(diào)光操作,調(diào)光范圍可高達(dá)3000:1。

  最后,車載電子產(chǎn)品可能對(duì)噪聲很敏感,尤其是導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電路和AM無(wú)線電波段接收機(jī)。為了最大限度地降低發(fā)生噪聲干擾的可能性,凌力爾特在其LED驅(qū)動(dòng)器IC中采用了恒定頻率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外,用戶還可在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)設(shè)置開關(guān)頻率,以使開關(guān)噪聲遠(yuǎn)離關(guān)鍵頻段(比如:AM無(wú)線電波段)。高開關(guān)頻率還允許使用小的電感器和陶瓷電容器,從而最大限度地縮減了解決方案的尺寸和成本。

  雙LED應(yīng)用

  許多嵌入式高電流LED應(yīng)用將包括單個(gè)或兩個(gè)高電流(ILED的范圍從1A至1.5A)LED。這些應(yīng)用包括車內(nèi)照明(比如:車頂燈、地圖燈、儲(chǔ)物盒照明燈)和車外照明(比如:車門門檻燈或“地面照明”燈)。根據(jù)應(yīng)用的不同,它們可以采用彩色LED(用于車載儀器的背面照明)或白光LED(用于普通照明)。由于這些LED通常具有一個(gè)3V至4V的正向電壓,并由一根12V至14V的汽車總線來(lái)供電,因此需要采用一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器(例如:LT3475)。

  LT3475是一款雙通道、36V、2MHz降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器,專為用作恒定電流雙 LED驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)(見圖1)。每個(gè)通道具有一個(gè)內(nèi)部檢測(cè)電阻器和調(diào)光控制功能,從而使其非常適合于驅(qū)動(dòng)那些需要高達(dá)1.5A電流的LED。一個(gè)通道的開關(guān)操作與另一個(gè)通道異相180°,因而使得兩個(gè)通道的輸出紋波均有所減小。每個(gè)通道均獨(dú)立地在一個(gè)50mA至1.5A的寬電流范圍內(nèi)保持了很高的輸出電流準(zhǔn)確度,而獨(dú)特的TrueColorPWMTM電路提供了一個(gè)3000:1的調(diào)光范圍,且未發(fā)生任何的色偏移(這種現(xiàn)象在LED電流調(diào)光中很常見)。

  憑借其4V至36V(瞬態(tài)電壓高達(dá)40V)的寬輸入電壓范圍,LT3475成為了汽車電源系統(tǒng)的理想選擇。其開關(guān)頻率可被設(shè)定在200kHz至2MHz之間,因而允許使用纖巧型電感器和陶瓷電容器,并使開關(guān)噪聲遠(yuǎn)離AM無(wú)線電波段。再加上采用了一種耐熱增強(qiáng)型TSSOP-20封裝,該器件提供了一款適合于驅(qū)動(dòng)高電流LED的緊湊型解決方案。

  LT3475采用高壓側(cè)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了LED負(fù)極的接地連接,從而免除了大多數(shù)應(yīng)用中所需的一根接地線。它還具有一個(gè)用于每個(gè)通道的集成升壓二極管,因而進(jìn)一步地縮減了解決方案的占板面積和成本。另外的特點(diǎn)包括LED開路和短路保護(hù)。

  剎車燈

  迄今為止,LED在汽車中最為常見的應(yīng)用是中央高架停車燈(CHMSL)。截止2006年底,至少有60%的汽車都安裝了LED型CHMSL。其好處包括較快的照明速度、更高的效率、更長(zhǎng)的工作壽命,而且,非常扁薄的紅光LED陣列還具有設(shè)計(jì)/安裝上的簡(jiǎn)易性。LED能夠在不到1ms的時(shí)間里達(dá)到全照度(而傳統(tǒng)的燈泡則需要長(zhǎng)達(dá)200ms的時(shí)間才能產(chǎn)生其最大亮度),這樣,后方車輛的駕駛者識(shí)別剎車燈的時(shí)間將大為縮短,從而降低了發(fā)生追尾碰撞事故的概率。

  而且,與白熾燈泡相比,功耗也下降了80%之多,最終起到了節(jié)省耗油量的效果。其有效使用期限將輕而易舉地超過(guò)車輛的壽命,因而免除了更換的需要。除了CHMSL之外,有些汽車和摩托車還在主剎車燈中用LED替代了白熾剎車燈。

  為了實(shí)現(xiàn)這些LED剎車燈的性能和工作壽命的最大化,應(yīng)采用一種能夠驅(qū)動(dòng)這些剎車系統(tǒng)所需的紅光LED串的合適LED驅(qū)動(dòng)器,這是必不可少的。凌力爾特的LT3486便是專為此類汽車應(yīng)用而開發(fā)的。LT3486是一款雙通道升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器(如圖2所示),專為從一根12V至14V汽車總線以恒定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)LED(每個(gè)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)8個(gè)串聯(lián)LED)而設(shè)計(jì)。采用LED串聯(lián)的方式能夠提供相等的LED電流,從而獲得均勻的LED亮度。在需要的時(shí)候,兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器還能夠驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱的LED串。

  兩個(gè)LED串的調(diào)光也可通過(guò)各自的CTRL引腳來(lái)單獨(dú)地控制。通過(guò)把一個(gè)PWM信號(hào)饋送至各自的PWM引腳,一個(gè)內(nèi)部PWM調(diào)光系統(tǒng)可使調(diào)光范圍擴(kuò)展至高達(dá)1000:1。LT3486的工作頻率可由一個(gè)外部電阻器設(shè)置在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)。一個(gè)200mV的低反饋電壓(2%準(zhǔn)確度)最大限度地減少了電流設(shè)定電阻器中的功率損耗,旨在提升效率。另外的特點(diǎn)包括LED斷接時(shí)的輸出電壓限制。LT3486提供了一款占板面積非常緊湊的解決方案,并可采用節(jié)省空間的16引腳DFN(5mmx3mmx0.75mm)封裝或16引腳耐熱增強(qiáng)型 TSSOP封裝。

  本文小結(jié)

  由于LED照明在當(dāng)今和未來(lái)汽車中的普及速度空前提高,因此對(duì)高電流LED汽車應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生了許多非常特殊的性能要求。LED驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定的電流,以保持均勻的亮度(而不受輸入電壓或LED正向電壓變化的影響),且必須實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。它們還必須能夠承受汽車電源總線相當(dāng)苛刻的電特性。另外,這些應(yīng)用還需要占板面積非常緊湊和散熱效率很高的解決方案。面對(duì)這些汽車設(shè)計(jì)要求,凌力爾特公司開發(fā)出了旨在解決上述汽車難題的完整高電流 LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列。

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