汽车LED驱动器功率转换拓扑指南

LED不同於传统的具有灯丝或气体成分的电灯。利用特定的半导体结，LED制造商可以产生整个可见光范围的特定颜色的光，以及红外线和紫外线。在汽车应用中，LED可以提高白天和夜间驾驶的安全性。效率的提高可以延长电动车的电池寿命，而在单一系统中使用多个LED可以避免单一零件的故障问题。

由於其多功能性，LED能够以多种不同的方式驱动。由於LED的输出有良好的照明控制，因此LED负载与电力系统的传统负载不同。LED只靠透过半导体结的精准控制电流来发光，而埠到系统接地（或汽车系统中的底盘）的相对电压则与此无关。因此，LED系统可以利用开关技术提供的不同拓扑。

为汽车LED系统选择正确的开关拓扑

汽车系统中特定开关拓扑的选择关系到整个系统设计；应考虑最小输入电压、最大串电压、底盘??路能力、短路输出能力、最大输入电流、输出/LED电流和PWM调光。

降压（Buck）转换器

降压LED驱动器透过高於LED串总电压的电压调节LED串中的电流。降压LED驱动器可以安全短接到系统接地，确保其本质安全。其具有底盘回流的能力（一条线用於供电），并且可以轻松适应矩阵或动画应用。图一和图二中的示例原理图显示了控制器调节高压侧开关进行电流控制的基本系统图。

图一 : 降压转换器

降压LED驱动器需要具备几个关键特性：固定频率操作、透过卓越的开关控制和低电阻开关实现高效率、在整个类比调光范围内提供高精度，以及为获得出色的EMI，适当设计扩频调频。

升压（BOOST）转换器

升压LED驱动器透过低於LED串总电压的电压调节LED串中的电流，这是汽车系统中的实用特性，其中很多LED都需要在单个灯串中导通。典型的12 V汽车系统的工作电压范围为6 V至18 V，这需要将LED驱动器的电压降到6 V，进而为LED提供较大的升压比，以保持点亮。图三和图四中的示例原理图显示了控制器调节低压侧开关进行电流控制的基本系统图。

图二 : 降压转换器示例：LT3932

表一 使用降压转换器作为LED驱动器的优势和权衡取舍

降压LED驱动器的优点	降压LED驱动器的权衡取舍	应用
接地灯串-底盘??路	输入电压必须高於LED电压	远光灯/近光灯
矩阵开关可并联整个灯串	大多数汽车系统需要预升压调节器	转向灯/动画
更高的频宽（> f<sub>SW</sub>的1/5）		矩阵式前照灯
卓越的EMI性能		短路安全系统
最小电感尺寸

图三 : 升压转换器

图四 : 升压转换器示例： LT8356-1

表二 使用升压转换器作为LED驱动器的优势和权衡取舍

升压LED驱动器的优势	升压LED驱动器的权衡取舍	应用
接地-底盘??路	输入电压必须高於LED电压	远光灯/近光灯
通常情况下总值最小解决方案尺寸	更低的频宽（<fSW的1/20）	平视显示器
良好的EMI性能	更高的额定电感电流	背光
电池直接向LED转换	无法将输出短接到地

使用升压转换器进行升压-降压

一些升压LED驱动器可配置为将LED阴极返回电源。此种配置称为降压-升压。总输出电压为V_IN （V_BATTERY），该电压加到LED串总电压中。此种拓扑结构的优点是能够驱动一个高於、低於或等於电源电压的LED串。此种拓扑结构的局限性是只受转换器的限制低端受控制器IC的最小电源电压限制，高端受控制器IC的最大输出电压限制。

图五 : 升压-降压转换器

图六 : 升压-降压转换器 LT8386

表三 使用升压-降压转换器作为LED驱动器的优势和权衡取舍

升压-降压LED驱动器的优势	升压-降压LED驱动器的权衡取舍	应用
电池直接向LED转换	效率较低	远光灯/近光灯
LED电压可能高於或低於电源电压	更低的频宽（<f<sub>SW</sub>的1/20）	转向灯
良好的EMI性能	更高的额定电感电流	日间行车灯
可使用矩阵来短接整个灯串	无法将输出短接到地	同一输出上有多个灯串

使用升压转换器的降压模式

一些升压LED驱动器可配置为从电源降压（而不是在标准降压模式下以地为叁考），进而构成降压模式配置。此种配置与降压模式具有同样的局限性，即LED串的总电压必须低於输入电源电压。

图七 : 降压模式转换器

图八 : 压模式示例：LT3756-2

表四 使用降压模式转换器作为LED驱动器的优势和权衡取舍

降压模式LED驱动器的优势	降压模式LED驱动器的权衡取舍	应用
良好的EMI性能	输入电压必须高於LED电压	远光灯/近光灯
可使用矩阵来短接整个灯串	大多数汽车系统需要预升压调节器	转向灯
可将同一驱动器用於多种应用	无法将输出（LED阴极）短接到地	日间行车灯

降压-升压转换器

降压-升压LED驱动器透过高於或低於LED串总电压的电源调节LED电流。该转换器在降压模式下调节连接到输入电压的高压侧开关，在升压模式下调节输出侧的低压侧开关。此种拓扑结构最复杂，但也是最弹性的。VIN和VOUT的范围仅受控制器IC的限制，适合於矩阵型应用。

图九 : 降压-升压转换器

图十 : 降压升压示例：LT8391

表五 使用降压-升压转换器作为LED驱动器的优势和权衡取舍

降压-升压LED驱动器的 优势	降压-升压LED驱动器的权衡取舍	应用
最通用的拓扑	至少需要两个开关和两个续流二极体	远光灯/近光灯
可使用矩阵来短接整个灯串	通常情况下，转换效率最低	转向灯
可将同一驱动器用於多种应用	通常情况下，EMI性能最低（差）	日间行车灯
		短路安全系统

结论

汽车LED照明系统可透过多种不同的方式使用开关稳压器驱动。根据应用的不同，照明设计人员可透过选择开关拓扑和配置来因应设计完整的子系统。为系统选择正确的功率转换开关拓扑和配置可优化复杂性、效率、EMI和安全性等要求。

（本文作者Joshua Caldwell为ADI设计总监）