HB LED驅(qū)動(dòng)汽車照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

背景信息

盡管 LED 用在很多汽車照明應(yīng)用中已經(jīng)有幾年，例如白天行車燈 (DRL)、剎車燈、轉(zhuǎn)向指示信號燈和內(nèi)部照明，但是特定于前燈的應(yīng)用依然相對較新。目前，僅少數(shù)量產(chǎn)車具備 LED 前燈，包括本田雅閣、謳歌 RLX 和 MDX、奧迪 A8 和 R8、雷克薩斯 LS600h 和 RX450h、豐田普銳斯、凱迪拉克的凱雷德以及保時(shí)捷卡宴。更多汽車平臺(tái)已經(jīng)采用了 DRL，而且其形狀常常隨不同汽車品牌而不同。一些行業(yè)預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，到 2014 年，LED DRL / 前燈市場將超過 40 億美元，而且由于此后該市場繼續(xù)快速增長，預(yù)計(jì)到 2015 年將超過 80 億美元。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，怎樣最充分地利用最新一代高亮度 (HB) LED 的所有優(yōu)點(diǎn)。HB LED 需要一個(gè)準(zhǔn)確、高效率、能夠調(diào)光的 DC 電流源，而且必須包括保護(hù)功能。此外，這類 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 還必須設(shè)計(jì)為，能夠在各種環(huán)境和電氣條件下滿足這些要求。因此，電源解決方案必須效率非常高、噪聲很低、功能強(qiáng)大且可靠性高，同時(shí)還要緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠?？梢哉f，就驅(qū)動(dòng) HB LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用是汽車前向照明應(yīng)用，即 DRL 和前燈應(yīng)用，因?yàn)檫@兩種應(yīng)用處于最嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境中，必須提供很大的功率，一般在 15W 至 75W 之間，而且必須放入空間非常受限的外殼中，滿足所有這一切要求的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)參數(shù)

汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器必須緊湊、高效率，且支持無閃爍 PWM 調(diào)光。這些驅(qū)動(dòng)器不能在 AM 收音機(jī)頻段及該頻段周圍產(chǎn)生很大的傳導(dǎo) EMI。不幸的是，大功率開關(guān)模式電源本質(zhì)上不是低 EMI 的，恒定開關(guān)頻率在一些頻點(diǎn)上產(chǎn)生極大的 EMI 分量，包括電源的基本工作頻率及其諧波。但這些不好的東西總會(huì)落入 AM 頻段。

最大限度地減小 EMI 峰值的一種方法是，通過采用擴(kuò)展頻譜切換，允許開關(guān)模式電源 (SMPS) 的工作頻率覆蓋一系列頻率值。希望擴(kuò)展頻譜切換起到的作用是，壓低可能出現(xiàn)在 SMPS 基本工作頻率及其諧波上的 EMI 峰值，將 EMI 能量擴(kuò)展到一系列頻率范圍上。

LED 驅(qū)動(dòng)器 SPMS 有一個(gè)額外的要求：頻率擴(kuò)展還要與 PWM 調(diào)光 (亮度控制) 信號頻率同步，以確保不產(chǎn)生 LED 閃爍。

為了解決這個(gè)問題，LT3795 自己產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號，并運(yùn)用一項(xiàng)正在申請專利的技術(shù)，讓該信號與較低頻率的 PWM 調(diào)光輸入取得頻率一致。這樣一來，甚至在最高 PWM 調(diào)光比時(shí)，也能消除擴(kuò)展頻譜信號與 PWM 信號相結(jié)合以使 LED 產(chǎn)生可見閃爍的可能性。

大功率汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器

LT3795 是一款大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器，采用與 LT3756 / LT3796 系列同樣的高性能 PWM 調(diào)光方法，但增加了內(nèi)部產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號的功能，以降低 EMI。LT3795 是一款單開關(guān)控制器 IC，輸入范圍為 4.5V 至 110V，輸出范圍為 0V 至 110V，可配置為升壓模式、SEPIC、降壓-升壓模式或降壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器。該器件具備 100kHz 至 1MHz 開關(guān)頻率范圍、LED 開路保護(hù)和短路保護(hù)，還可以作為具備電流限制的恒定電壓穩(wěn)壓器工作，或者作為恒定電流 SLA 電池或超級電容器充電器使用。

LT3795 自己產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號，并運(yùn)用正在申請專利的技術(shù)，使該信號與較低頻率 PWM 調(diào)光輸入取得頻率一致。這樣一來，即使在最高 PWM 調(diào)光比時(shí)，擴(kuò)展頻譜信號也不可能與 PWM 信號相結(jié)合、使 LED 產(chǎn)生可見閃爍了。

圖 1 所示是效率高達(dá) 92%、80V、400mA、300kHz 至 450kHz 汽車 LED 前燈驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具備擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制和短路保護(hù)。DRL 應(yīng)用看起來幾乎是相同的，但是最大 LED 電流要求接近 200mA。

圖 1：80V、400mA 汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器具備內(nèi)部擴(kuò)展頻譜功能以降低 EMI

內(nèi)部擴(kuò)展頻譜可減輕 EMI 問題

與很多大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器不同，LT3795 自己產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號，以產(chǎn)生比所設(shè)定開關(guān)頻率低 30% 的開關(guān)頻率調(diào)制。這降低了其傳導(dǎo)的 EMI 峰值，減少了對昂貴和笨重的 EMI 輸入濾波電容器和電感器的需求。

運(yùn)用內(nèi)部或單獨(dú)的擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘產(chǎn)生 LED 驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，可能在 PWM 調(diào)光時(shí)產(chǎn)生可見閃爍，因?yàn)閿U(kuò)展頻譜頻率變化與 PWM 周期是不同步的。由于這個(gè)原因，在很多高端 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻譜并非微不足道的任務(wù)。如果沒有擴(kuò)展頻譜，設(shè)計(jì)師就必須依靠笨重的 EMI 濾波器、采用降低開關(guān)邊沿的柵極電阻 (這會(huì)降低效率) 以及在開關(guān)及箝位二極管上安裝減震器。

圖 2 比較了在擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制啟用和禁止時(shí)，LT3795 LED 驅(qū)動(dòng)器在 AM 頻帶周圍的傳導(dǎo) EMI 測量值。正常 (無擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制) 工作時(shí)，在開關(guān)頻率及其諧波上產(chǎn)生能量很高的尖峰。在汽車等 EMI 敏感應(yīng)用中，這些尖峰可能使設(shè)計(jì)達(dá)不到嚴(yán)格的 EMI 要求。圖 2 給出了 CISPR 25 Class 5汽車傳導(dǎo) EMI 限制以供參考。圖 3 顯示了在較寬頻帶上擴(kuò)展頻譜的效果。

圖 2：采用 LT3795 的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制時(shí)，AM 頻段周圍的傳導(dǎo) EMI 峰值降低 3dBμV ~ 6dBμV。圖中提供了 CISPR25 Class 5 AM 頻帶限制以供參考。

圖 3：用頻譜分析儀掃描的 LT3795 在 150kHz 至 30MHz 范圍內(nèi)的傳導(dǎo) EMI 峰值，圖中顯示，在很寬的頻率范圍內(nèi)，EMI 峰值降低了。

既然在 300kHz 至 580kHz 之間沒有限制，那么這就是設(shè)定基頻的絕佳頻率范圍了。在這個(gè)應(yīng)用中，基頻設(shè)定在 450kHz，并擴(kuò)展至 300kHz。簡單地將 RAMP 引腳接地，就可以禁止擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制。

RAMP 引腳端的 6.8nF 電容器將擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制信號設(shè)定為 1kHz 三角波，也就是說，LT3795 的工作頻率每毫秒在 300kHz 至 450kHz 頻率范圍內(nèi)來回變化一次。增加 1kHz 三角波擴(kuò)展頻譜信號對 LED 紋波電流的影響可以忽略不計(jì)，如圖 4 所示。

圖 4：在 LT3795 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制對 LED 亮度的影響很小，察覺不到。與無擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制 (a) 相比，圖 1 所示 1kHz 擴(kuò)展頻譜頻率范圍對 LED 紋波電流 (b) 的影響可以忽略不計(jì)，而且這個(gè)頻率太高，人眼是看不出閃爍的。

之所以選擇 1kHz 的調(diào)制頻率，是因?yàn)檫@個(gè)頻率在 LT3795 帶寬范圍內(nèi)足夠低，但是對于大幅衰減 AM 頻帶的傳導(dǎo) EMI 峰值而言，又足夠高。進(jìn)一步降低調(diào)制頻率，會(huì)減弱 AM 頻帶的峰值衰減，這對于分類可能有最重要的影響。選擇更高的擴(kuò)展頻譜調(diào)制頻率，似乎不影響 EMI 峰值衰減。只要高于 100Hz，人眼就察覺不到。

無閃爍 PWM 調(diào)光

運(yùn)用未與 PWM 信號同步的擴(kuò)展頻譜信號可以降低 EMI，但是開關(guān)頻率和 PWM 信號之間的差頻可能使 LED 產(chǎn)生可見閃爍。當(dāng)使用 PWM 調(diào)光時(shí)，LT3795 內(nèi)部產(chǎn)生的擴(kuò)展頻譜斜坡信號使自己與 PWM 周期同步。這提供了可重復(fù)、無閃爍的 PWM 調(diào)光，即使在 1000:1 的高調(diào)光比時(shí)也是如此。

圖 5 比較了兩種擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制解決方案的 PWM 調(diào)光電流波形：一種采用了正在申請專利的 LT3795 擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制信號至 PWM 信號同步技術(shù)，另一種則沒有采用這種技術(shù)。兩臺(tái)示波器捕獲的波形都是在無窮余輝條件下產(chǎn)生的，顯示了 1% PWM 調(diào)光波形多個(gè)周期的重疊。圖 5 (a) 顯示了 LT3795 擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制對 PWM LED 電流的影響。該波形每周期是一致的，從而不會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。圖 5 (b) 顯示了可比較、非 LT3795 擴(kuò)展頻譜解決方案的結(jié)果。在接通時(shí)間波形中的逐周期變化導(dǎo)致 LED 平均電流的變化，在高調(diào)光比時(shí)，可以看到這種變化以 LED 閃爍的形式表現(xiàn)出來。

圖 5：比較兩種擴(kuò)展頻譜 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案及其對 PWM 調(diào)光的影響。無窮余輝示波器捕獲的波形顯示了重復(fù)和重疊的 PWM LED 電流波形。在圖 (a) 中，正在申請專利的 LT3795 擴(kuò)展頻譜技術(shù)產(chǎn)生了逐周期一致的 LED PWM 接通時(shí)間波形。結(jié)果是在高調(diào)光比時(shí)無閃爍工作。圖 (b) 中的波形顯示了可比較、非 LT3795 擴(kuò)展頻譜 LED 驅(qū)動(dòng)器的結(jié)果。在這種情況下，沒有 LT3795 的擴(kuò)展頻率至 PWM 同步，LED 電流波形每周期是不一致的，在高 PWM 調(diào)光比時(shí)產(chǎn)生了可察覺的閃爍。

請注意，擴(kuò)展頻譜驅(qū)動(dòng)器 IC，即使未采用正在申請專利的 LT3795 擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制技術(shù)，也可以降低 EMI，產(chǎn)生干凈的擴(kuò)展頻譜 EMI 結(jié)果，但是閃爍可能仍然存在。必須觀察 LED 或 LED 電流波形，以了解閃爍是否存在。在采用 LT3795 的情況下，傳導(dǎo) EMI 的頻譜分析儀掃描圖和 LED 電流的示波器波形都很好。

能承受短路的升壓模式

圖 1 所示 LT3795 升壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器具備防短路功能。當(dāng) LED+ 終端短路至地時(shí)，高壓側(cè) PMOS 斷接不僅用于 PWM 調(diào)光，而且用于短路保護(hù)。當(dāng)輸出電流過大、LED+ 電壓過低時(shí)，獨(dú)特的內(nèi)部電路進(jìn)行監(jiān)視、關(guān)斷該斷接 PMOS 并報(bào)告出現(xiàn)了 LED 短路故障。類似地，如果 LED 串被去掉或開路，那么該 IC 就限制其最高輸出電壓，并報(bào)告出現(xiàn)了 LED 開路故障。

多拓?fù)浣鉀Q方案

LT3795 可用來在升壓型設(shè)置中驅(qū)動(dòng) LED，如圖 1 所示，或者按照 LED 串的電壓與輸入電壓范圍之間關(guān)系的要求，以降壓模式、降壓-升壓模式、SEPIC 和反激式拓?fù)涫褂?。所有拓?fù)涠季邆湎嗤臄U(kuò)展頻譜頻率調(diào)制和短路保護(hù)。LT3795 甚至可以配置為具備擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制的恒定升壓型或 SEPIC 穩(wěn)壓器。

結(jié)論

HB LED 應(yīng)用不斷加速采用，尤其是對更高性能和成本效益永不滿足的需求，正在推動(dòng) HB LED 在汽車 DRL 及其前燈中的應(yīng)用。要滿足這些需求，必須使用堅(jiān)固的最新 HB LED 驅(qū)動(dòng)器 IC。LT3795 等 LED 驅(qū)動(dòng)器為輸入高達(dá) 110V 的應(yīng)用提供了解決方案。該 IC 還提供內(nèi)置擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制以降低 EMI。這簡化了必須通過嚴(yán)格 EMI 測試的 LED 應(yīng)用之設(shè)計(jì)。擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制僅需要單個(gè)電容器，而且與基于外部時(shí)鐘的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制解決方案不同，該器件的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制在 PWM 調(diào)光時(shí)不會(huì)產(chǎn)生 LED 閃爍。該 IC 在所有拓?fù)渲卸继峁┒搪繁Ｗo(hù)，從而成為驅(qū)動(dòng)汽車 LED 的堅(jiān)固和強(qiáng)大之解決方案。