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LED汽车应用为电源管理IC带来新挑战
 

【作者: Jeff Gruetter】2008年04月01日 星期二

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汽车电子产品在过去十年间有了突破性的发展,不管在数量上或精密程度上,车载电子控制、车载资讯服务以及娱乐系统均有显著的提升。展望未来,车载电子产品的发展可望进一步加速。根据Strategy Analytics预测:汽车电子系统在车辆总成本中所占的比例将从目前的25%飙升至2008年的35%以上。几项重大发展趋势,更对汽车电子产品的高速成长带来推波助澜的作用;在汽车系列的一端,诸如油门控制、煞车和悬吊控制等众多传统上的机械系统,目前均采用电子系统来进行控制和优化。而在另一端,LED照明、娱乐和无线导航正迅速成为非豪华型汽车的标准配备。所有这些系统均要求某种程度的电源管理以实现高效能运作。这些新型汽车应用所面临的电子技术挑战很多,而维持解决方案的高可靠性也是极为重要的。


本文将重点探讨这种成长的主要组成部分之一,亦即:当今以及下一代汽车中LED照明使用率的快速提高。这种新型照明领域为汽车电子产品的设计者和制造商均带来了新挑战。了解这些挑战并找到可行的解决方案是最为重要的,因为与这些照明系统相关联的发展似乎是无止境的。


LED照明

因小巧的外形、低功耗和快速导通时间等优势,使得高亮度LED被当今汽车广泛应用。 LED在汽车中的初始应用是中央高架停车灯(CHMSL),这些应用运用红光LED来提供一个非常扁薄的照明阵列,该照明阵列易于安装,而且永远不需要更换。


根据Strategies Unlimited的统计,2006年间制造的全部高亮度LED当中,大约有20%应用在汽车上,其市价超过7.5亿美元。


在传统上,白炽灯泡是最为经济的光源,而且仍然被许多汽车所采用。然而,随着可用照明空间日益缩小以及对照明光源使用寿命要求的不断提高,由LED所提供的灯光色彩和设计方案正迅速取代白炽灯泡应用。即使是传统的CCFL TFT-LCD背光源应用,目前也逐渐被白光LED阵列所取代。除此之外,人们也利用一种电「可操纵」型高电流LED阵列来开发车前灯,而该领域一直是被卤素/氙灯丝设计所寡占的。几乎所有的汽车照明应用(包括车身内部/外部照明和背光照明应用)都将逐步过渡为采用LED。采用LED的优点具有诸多积极的含意。首先(也许是最重要的一点),它永远不需要更换,因为其长达10万小时的固态寿命(年限为11年半)比汽车的使用寿命还要长。这使得汽车制造商能够把它们永久性地嵌入车舱内的照明系统中,而无需像以往预留用于更换灯丝灯泡的入口。由于LED照明系统不需白炽灯泡所要求的安装深度或面积,因此还可使汽车的造型进行改变。 LED的另一项优势是低功耗,因而​​能够使得耗油量减少。图二显示了一辆现代化轿车中的众多LED照明应用。在汽车内部,安装了多个采用各类LED的「标准车内」照明模组,有的是单颗LED,而其他的应用(如导航仪表板背面照明等)则需要采用LED阵列。在车身外部照明中,LED的使用率也迅速提高中,今日,有40%以上的中央高架停车灯正在运用红光LED。此外,奥迪(Audi)的2007 A8型车还采用一个高电流LED阵列来作为日间行驶灯(DRL),而其R8型车则提供了完整的外部前照灯系统(内含采用LED制成的车前灯),同样,而即使在更普通的轿车甚至摩托车上,配备用于?车/转向讯号照明装置的彩色LED阵列也是司空见惯的。


《图一 Audi R8 LED车前灯/转向讯号/行驶灯》
《图一 Audi R8 LED车前灯/转向讯号/行驶灯》

《图二 LED照明在现代化汽车中的典型应用》
《图二 LED照明在现代化汽车中的典型应用》

汽车LED照明的设计参数

为确保最佳的性能和长久的工作寿命,LED需要一个有效的驱动电路。这些特殊的驱动电路必须能从一相当严苛的汽车电源汇流排中获取工作电源,而且还应兼具成本和空间「效益性」。为了维持其长久的工作寿命,其一定不得超过LED的电流和温度限值。表一陈列了针对一个高电流白光LED的典型顺向电压与驱动电流的相互关系。在单颗LED至3颗(串联) LED的应用中,将需要一个降压LED驱动器(如凌力尔特LT3475),用于将汽车汇流排电压(标称值为12V)降至一个更合适的LED电压,根据应用的LED彩色和亮度要求的不同,该LED电压的变化范围可在2.68V至4.88V(每个LED)之间。与此相反的,在如?车灯等需要多个由多达8个串联LED组成的LED串的应用中,所需的输出电压为21V至39V,所以必需采用一个升压LED驱动器(如凌力尔特LT3496)。凌力尔特提供的所有LED驱动器均采用了电流模式架构以传送定电流。


如欲在输入电压不规则的情况下产生固定的LED亮度,就必须从这些驱动器IC获得固定的电流源。一个内部检测电阻器可用于监视输出电流,以实现准确的电流调节。在一个宽广的电流范围内(35mA至1A)若保持高输出电流准确度则能实现宽宽调光范围。由于凌力尔特的高电流LED驱动器是电流模式稳压器,因此并不直接调整电源开关的工作周期,而是由回授回路来控制每个周期中流经开关的峰值电流。相较于电压模式控制,电流模式控制改善了回路的动态性能,并提供了周期对周期的限流功能。


在许多应用(特别是背光和车内照明)中,都有可能需要进行调光控制,因而要求驱动器IC提供一种用于调节输出电流/LED亮度的简单方法。利用合适的驱动器IC,即可通过一个PWM讯号、DC电压或外部NMOS电晶体来完成调光操作,调光范围可高达3000:1。


最后,车载电子产品可能对杂讯很敏感,尤其是导航系统、无线电路和AM无线电波段接收机。为了最大限度地降低发生杂讯干扰的可能性,凌力尔特在其LED驱动器IC中采用了定频开关架构。此外,使用者还可在200kHz至2MHz的范围内设定开关频率,以使开关杂讯远离严苛的频段(比如:AM无线电波段)。高开关频率还允许使用小型的电感和陶瓷电容,从而最大限度地缩减了解决方案尺寸和成本。


  • 表一 高电流白光LED的顺向电压降与驱动电流的相互关系
































































  • 电流


  • [mA]

  • VF,MIN


  • [V]

  • VF,TYP


  • [V]

  • VF,MAX


  • [V]

  • 200

    2.68

    3.27

    3.77

    350

    2.79

    3.42

    3.99

    700

    3.05

    3.76

    4.47

    1000

    3.16

    3.95

    4.88




双LED应用

由图二可见,许多嵌入式高电流LED应用将包括单个或两个高电流(ILED的范围从1A至1.5A)LED。这些应用包括车内照明(如车顶灯、地图灯、储物盒照明灯等)和车外照明(如车门门槛灯或「地面照明」灯等)。根据应用的不同,它们可以采用彩色LED(用于车载仪器的背面照明)或白光LED(用于普通照明)。由于这些LED通常具有一个3V至4V的顺向电压,并由一12V至14V的汽车汇流排供电,因此需要采用一个降压转换器(如LT3475)。


LT3475是一款双通道、36V、2MHz降压DC/DC转换器,其专为用作定电流双LED驱动器而设计,如图三所示。每个通道均具有一个内部检测电阻和调光控制功能,因此非常适合驱动需要高达1.5A电流的LED。一个通道的开关操作与另一个通道为反相180°,因而使两个通道的输出涟波均有所减小。每个通道均独立地在一个50mA至1.5A的宽电流范围内保持高输出电流准确度,而独特的True Color PWM电路提供了一个3000:1的调光范围,且未发生任何的色偏(这种现象在LED电流调光中很常见)。凭借其4V至36V(暂态电压高达40V)的宽输入电压范围,LT3475成为汽车电源系统的选择。其切换频率可设定于200kHz至2MHz之间,因而允许使用纤巧型电感和陶瓷电容,并使切换杂讯远离AM无线电波段。再加上其采用散热强化型TSSOP20封装,因此提供了适合于驱动高电流LED的精小型解决方案。


LT3475采用高压端感测,实现了LED负极的接地连接,从而免除了大多数应用中所需的接地线。其并具有一个用于每个通道的内建升压二极体,因而进一步缩减了解决方案的接脚占位和成本。其它特点尚包括LED开路和短路保护。



《图三 LT3475双信道1.5A降压LED驱动器的典型应用和效率》 - BigPic:849x360
《图三 LT3475双信道1.5A降压LED驱动器的典型应用和效率》 - BigPic:849x360

用于导航显示器的LCD TFT背光照明

传统上,汽车中的大型(对角线尺寸为6吋至9吋)TFT-LCD显示器一直采用冷阴极萤光灯(CCFL)来提供背光照明。因采用CCFL而引发的问题是多方面的。首先,驱动CCFL所需的高电压电源不仅体积庞​​大,而且相当复杂。其次,CCFL灯泡本身的体积也较大,而且容易故障。由于该照明装置内嵌于导航系统之中,因此,一旦CCFL发生故障,则往往需要更换整个昂贵的装置。


如图四所示,白光LED阵列与之相反,其为一结构更加纤小、可靠性更高的背光照明解决方案。由于功率调节电路较为简单而紧凑,因此这种照明方案的外形尺寸较小。 LED及其电源的固态特性将令其使用期限轻易地超越车辆的寿命。值得注意的是:这种背光照明方案的效率非常高,达89%,因此可减少所需的散热量,这一点也是很重要的。


图四中的LT3496是一款2MHz DC/DC转换器,专为用作一个三通道定电流LED驱动器而设计。 LT3496的每个通道可驱动多达10颗串联的100mA LED(在升压模式中);因而使得LT3496能够驱动多达30颗100mA LED,并实现高达96%的效率。三个通道均由一个独立的True Color PWM讯号来运作,从而可对每个通道进行独立调光(调光比高达3000:1)。 3V至30V的输入电压范围和高达40V的暂态电压保护能力非常适合汽车电源汇流排。定频、电流模式架构在一个宽广的电源电压和输出电压范围内确保了稳定的操作。而频率调节针脚则使用户能够在330kHz至2.1MHz的范围内设定切换频率,以优化效率,并将外部元件尺寸减至最小,同时避开对杂讯敏感的AM无线电波段。其散热强化型4mm×5mm QFN封装提供了一个适合15W(升压)LED应用、接脚占位十分精小的解决方案。


LT3496在LED的高压端感测输出电流,因而实现了降压、升降压或升压配置。大多数汽车应用都将需要进行升压或升降压操作。利用一个外部感测电阻,使用者可设定每个通道的输出电流范围。三个独立驱动器通道均利用了一个内部​​700mA、45V NPN开关,并具有一个用于PMOS断开的内建闸极驱动器。其他特点包括LED开路保护和热限制。



《图四 用于30颗100mA白光LED的LT3496背光照明电路》
《图四 用于30颗100mA白光LED的LT3496背光照明电路》
《图五 LT3496的效率(采用图四所示的电路时)》
《图五 LT3496的效率(采用图四所示的电路时)》

?车灯

迄今为止,LED在汽车中最为常见的应用是中央高架停车灯(CHMSL)。截止2006年底,至少有60%的汽车都安装了LED型CHMSL。其优点包括更快的照明速度、更高的效率、更长的工作寿命,而且,非常扁薄的红光LED阵列还具有设计/安装上的简易性。 LED能够在不到1ms的时间内达到全照度(传统的灯泡则需要长达200ms的时间才能产生其最大亮度),因此,后方车辆的驾驶者识别?车灯的时间将大为缩短,进而降低了发生追尾碰撞事故的机率。与白炽灯泡相比,其功耗也降低了80%之多,因此能达到节省耗油量的优势。其有效使用期限可轻易超过车辆寿命,因而免除了更换的需要。除了CHMSL之外,有些汽车和摩托车还在主?车灯中用LED替代了白炽?车灯。


为了实现这些LED?车灯的效能和工作寿命的最大化,应采用一种能够驱动这些?车系统所需的红光LED串的合适LED驱动器,这是必不可少的。凌力尔特的LT3486便是专为此类汽车应用而开发的。


如图六所示,LT3486是一款双通道升压DC/DC转换器,其专为从一12V至14V汽车汇流排以定电流来驱动多达16颗LED(每个转换器驱动8颗串联的LED)而设计。采用LED串联的方式能够提供相等的LED电流,从而获得均匀的LED亮度。在必要时,两个独立的转换器还能够驱动不对称的LED串列。


两个LED串列的调光也可通过各自的CTRL针脚来独立控制。透过将PWM讯号馈送至各自的PWM针脚,内部PWM调光系统可使调光范围扩展至高达1000:1。 LT3486的工作频率可由一个外部电阻设定于200kHz至2MHz的范围内。一个200mV的低回授电压(2%准确度)则最大限度地减少了电流设定电阻中的功耗,而能提升效率。其它特点包括LED断开时的输出电压限制。


LT3486提供了一款接架占位非常精小的解决方案,并可采用节省空间的16接脚DFN(5mm×3mm×0.75mm)封装或16接脚散热强化型TSSOP封装。



《图六 LT3486汽车LED驱动器电路》
《图六 LT3486汽车LED驱动器电路》

结语

由于LED照明在当今和未来汽车中的普及速度大幅提高,因此对高电流LED汽车应用中的LED驱动器IC产生了许多非常特殊的性能要求。 LED驱动器必须提供定电流,以保持均匀的亮度(而不受输入电压或LED顺向电压变化的影响),且必须实现高效率运作。其还须能承受汽车电源汇流排相当严苛的电气特性。另外,这些应用还需要接脚占位非常精小和散热效率很高的解决方案,而凌力尔特则因应这些汽车设计要求,开发出一系列旨在解决上述汽车挑战的完整高电流LED驱动器产品。


--作者为Linear凌力尔特产品行销工程师--


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