冷啟動(dòng)條件下的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

近年來，采用LED燈串為汽車提供LCD面板背光越來越普遍。使用LED的好處包括快速的響應(yīng)時(shí)間、更高的對(duì)比度和更低的功耗?？刂?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED">LED燈串的LED驅(qū)動(dòng)器一般由汽車電池供電，為簡化LED的光學(xué)和散熱設(shè)計(jì)，每個(gè)燈串中的LED數(shù)量一般不多于6個(gè)。對(duì)于標(biāo)稱電壓為12V的電池，帶有線性穩(wěn)流器的升壓轉(zhuǎn)換器(如圖1)可實(shí)現(xiàn)此功能。

　　圖1 由升壓轉(zhuǎn)換器和線性電流調(diào)節(jié)器組成的LED驅(qū)動(dòng)器

　　冷啟動(dòng)條件

　　在汽車應(yīng)用中電池電壓會(huì)發(fā)生改變。通常，一個(gè)12V電池，其電壓會(huì)在9V到16V之間變化。因此，汽車電池供電的電路在設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)考慮輸入電壓的變化情況。此外，如果考慮冷啟動(dòng)條件，對(duì)于15ms左右較短的持續(xù)時(shí)間，最壞情況下，電池電壓將低至3V±0.2V，如2.8V。而后電池電壓升到6V，并持續(xù)數(shù)秒，在數(shù)秒的上升時(shí)間內(nèi)將恢復(fù)到標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)。冷啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線與之類似，但不同汽車制造商所提供的產(chǎn)品的電平和變化/持續(xù)時(shí)間會(huì)有所不同。圖2給出了典型示例。冷啟動(dòng)可能發(fā)生在汽車負(fù)載突降及低溫環(huán)境下。盡管冷啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不長，但仍需確保LCD面板和安全電子部件等重要的汽車組件以保證正常運(yùn)行。

　　設(shè)計(jì)考量

　　考慮到冷啟動(dòng)條件，在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要強(qiáng)大的升壓轉(zhuǎn)換器。參看圖1，電池電壓的變化僅會(huì)影響升壓轉(zhuǎn)換器，如果升壓轉(zhuǎn)換器可以在冷啟動(dòng)條件下保持輸出電壓，那么線性穩(wěn)流器的工作就不受影響，LED燈串的亮度也會(huì)保持不變。由于冷啟動(dòng)條件下的輸入電壓值極低，因此設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮一些其他因素，包括：

　　圖2 典型冷啟動(dòng)電池電壓曲線

　　升壓控制器工作范圍

　　理論上說，只要沒有達(dá)到占空比的上限，升壓轉(zhuǎn)換器(而非升壓控制器)的輸入電壓可以設(shè)置的很低，但是“升壓控制器”(通常是一個(gè)IC芯片)的工作電壓則有一個(gè)更低的下限值。大部分升壓控制器的工作電壓不得低于3V。不過如前所述，在冷啟動(dòng)時(shí)，最壞情況下電池電壓可以低至2.8V，令升壓控制器工作(而不是上電即可)在低輸入電壓下的常規(guī)方法是以雙電源路徑為升壓控制器供電，包括電池電壓和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，通過二極管回連到升壓控制器的輸入端子(如圖3)。此類情況下，在上電過程中“升壓控制器”由電池供電，之后則由升壓轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行供電。這樣，只要升壓轉(zhuǎn)換器可以提供正常的輸出電壓，輸入電壓的壓降就不會(huì)影響升壓控制器的工作。

　　輸入電流

　　LED燈串的亮度和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率需要保持不變，所以，輸入電流會(huì)隨著輸入電壓的減小而增大。這即意味著在冷啟動(dòng)條件下，電感器和MOSFET開關(guān)的峰值電流都要遠(yuǎn)大于正常工作下的值(當(dāng)電池電壓降在標(biāo)稱范圍內(nèi)時(shí))。例如，電池電壓為3V時(shí)其輸入電流大約是12V時(shí)的4倍。所以在選擇時(shí)，電感器需要有更大的飽和電流，而MOSFET開關(guān)需要承受更高的導(dǎo)通電流。

　　圖3 帶雙電源供電的升壓轉(zhuǎn)換器

　　熱管理

　　冷啟動(dòng)條件下，MOSFET開關(guān)的電流和占空比都要大于標(biāo)稱工作時(shí)的值，這意味著MOSFET開關(guān)的傳導(dǎo)損耗會(huì)大幅增加。盡管冷啟動(dòng)條件的持續(xù)時(shí)間很短，但MOSFET開關(guān)的溫度會(huì)大幅上升。如果MOSFET開關(guān)集成在升壓控制器IC 內(nèi)，為了使元件數(shù)量和解決方案尺寸最小化，那么有效的散熱方案就非常重要，因?yàn)椴患训臒峁芾頃?huì)觸發(fā)IC芯片的熱保護(hù)電路，使LED意外斷電。