汽車LED驅(qū)動器功率轉(zhuǎn)換拓撲指南
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技術(shù)方案與實用技巧
LED不同于傳統(tǒng)的帶有燈絲或氣體成分的電燈。利用特定的半導體結(jié)，LED制造商可以生成整個可見光范圍的特定顏色的光，以及紅外線和紫外線。在汽車應(yīng)用中，LED可以提高白天和夜間駕駛的安全性。效率的提高可以延長電動汽車的電池壽命，而在單個系統(tǒng)中使用多個LED可以避免單一部件的故障問題。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202209/438328.htm由于其多功能性，LED能夠以多種不同的方式驅(qū)動。由于LED的輸出有良好的照明控制，因此LED負載與電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)負載不同。LED只靠通過半導體結(jié)的精確控制電流來發(fā)光，而端口到系統(tǒng)接地（或汽車系統(tǒng)中的底盤）的相對電壓則與此無關(guān)。因此，LED系統(tǒng)可以利用開關(guān)技術(shù)提供的不同拓撲。
如何為汽車LED系統(tǒng)選擇正確的開關(guān)拓撲
汽車系統(tǒng)中特定開關(guān)拓撲的選擇關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計；應(yīng)考慮最小輸入電壓、最大串電壓、底盤回路能力、短路輸出能力、最大輸入電流、輸出/LED電流和PWM調(diào)光。
降壓(Buck)轉(zhuǎn)換器
降壓LED驅(qū)動器通過高于LED串總電壓的電壓調(diào)節(jié)LED串中的電流。降壓LED驅(qū)動器可以安全地短接至系統(tǒng)接地，確保其本質(zhì)安全。它們具有底盤回流的能力（一條線用于供電），并且可以輕松適應(yīng)矩陣或動畫應(yīng)用。圖1和圖2中的示例原理圖顯示了控制器調(diào)節(jié)高壓側(cè)開關(guān)進行電流控制的基本系統(tǒng)圖。
圖1 降壓轉(zhuǎn)換器
圖2 降壓轉(zhuǎn)換器示例:ADI LT3932
降壓LED驅(qū)動器需要具備幾個關(guān)鍵特性：固定頻率操作、通過出色的開關(guān)控制和低電阻開關(guān)實現(xiàn)高效率、在整個模擬調(diào)光范圍內(nèi)提供高精度，以及為獲得出色的EMI，適當設(shè)計擴頻調(diào)頻。
表1 使用降壓轉(zhuǎn)換器作為LED驅(qū)動器的優(yōu)勢和權(quán)衡取舍
降壓LED驅(qū)動器的優(yōu)點 | 降壓LED驅(qū)動器的權(quán)衡取舍 | 應(yīng)用 |
接地燈串-底盤回路 | 輸入電壓必須高于LED電壓 | 遠光燈/近光燈 |
矩陣開關(guān)可以并聯(lián)整個燈串 | 大多數(shù)汽車系統(tǒng)需要預升壓調(diào)節(jié)器 | 轉(zhuǎn)向燈/動畫 |
更高的帶寬（>fSW的1/5） | 矩陣式前照燈 | |
出色的EMI性能 | 短路安全系統(tǒng) | |
最小電感尺寸 |
升壓(BOOST)轉(zhuǎn)換器
升壓LED驅(qū)動器通過低于LED串總電壓的電壓調(diào)節(jié)LED串中的電流。這在很多汽車系統(tǒng)中很有用，其中很多LED都需要在單個串中導通。典型的12V汽車系統(tǒng)的工作電壓范圍為6V至18V，這需要將LED驅(qū)動器的電壓降到6V，從而為LED提供較大的升壓比，以保持點亮。圖3和圖4中的示例原理圖顯示了控制器調(diào)節(jié)低壓側(cè)開關(guān)進行電流控制的基本系統(tǒng)圖。
圖3 升壓轉(zhuǎn)換器
圖4 升壓轉(zhuǎn)換器示例：LT8356-1
表2 使用升壓轉(zhuǎn)換器作為LED驅(qū)動器的優(yōu)勢和權(quán)衡取舍
升壓LED驅(qū)動器的優(yōu)勢 | 升壓LED驅(qū)動器的權(quán)衡取舍 | 應(yīng)用 |
接地-底盤回路 | 輸入電壓必須高于LED電壓 | 遠光燈/近光燈 |
通常情況下總值最小 解決方案尺寸 | 更低的帶寬（<fSW的1/20） | 平視顯示器 |
良好的EMI性能 | 更高的額定電感電流 | 背光 |
電池直接向LED轉(zhuǎn)換 | 無法將輸出短接到地 |
使用升壓轉(zhuǎn)換器進行升壓-降壓
一些升壓LED驅(qū)動器可配置為將LED陰極返回電源。這種配置稱為降壓-升壓?？傒敵鲭妷簽閂IN (VBATTERY)，該電壓加到LED串總電壓中。這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠驅(qū)動一個高于、低于或等于電源電壓的LED串。這種拓撲結(jié)構(gòu)的局限性是只受轉(zhuǎn)換器的限制--低端受控制器IC的最小電源電壓限制，高端受控制器IC的最大輸出電壓限制。
圖5 升壓-降壓轉(zhuǎn)換器
圖6 升壓-降壓轉(zhuǎn)換器ADI LT8386
表3 使用升壓-降壓轉(zhuǎn)換器作為LED驅(qū)動器的優(yōu)勢和權(quán)衡取舍
升壓-降壓LED驅(qū)動器的優(yōu)勢 | 升壓-降壓LED驅(qū)動器的權(quán)衡取舍 | 應(yīng)用 |
電池直接向LED轉(zhuǎn)換 | 效率較低 | 遠光燈/近光燈 |
LED電壓可能高于或低于電源電壓 | 更低的帶寬（<fSW的1/20） | 轉(zhuǎn)向燈 |
良好的EMI性能 | 更高的額定電感電流 | 日間行車燈 |
可使用矩陣來短接整個燈串 | 無法將輸出短接到地 | 同一輸出上有多個燈串 |
使用升壓轉(zhuǎn)換器的降壓模式
一些升壓LED驅(qū)動器可配置為從電源降壓（而不是在標準降壓模式下以地為參考），從而構(gòu)成降壓模式配置。這種配置與降壓模式具有同樣的局限性，即LED串的總電壓必須低于輸入電源電壓。
圖7 降壓模式轉(zhuǎn)換器
圖8 降壓模式示例:ADI LT3756-2
表4 使用降壓模式轉(zhuǎn)換器作為LED驅(qū)動器的優(yōu)勢和權(quán)衡取舍
降壓模式LED驅(qū)動器的優(yōu)勢 | 降壓模式LED驅(qū)動器的權(quán)衡取舍 | 應(yīng)用 |
良好的EMI性能 | 輸入電壓必須高于LED電壓 | 遠光燈/近光燈 |
可使用矩陣來短接整個燈串 | 大多數(shù)汽車系統(tǒng)需要預升壓調(diào)節(jié)器 | 轉(zhuǎn)向燈 |
可將同一驅(qū)動器用于多種應(yīng)用 | 無法將輸出（LED陰極）短接到地 | 日間行車燈 |
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
降壓-升壓LED驅(qū)動器通過高于或低于LED串總電壓的電源調(diào)節(jié)LED電流。該轉(zhuǎn)換器在降壓模式下調(diào)節(jié)連接到輸入電壓的高壓側(cè)開關(guān)，在升壓模式下調(diào)節(jié)輸出側(cè)的低壓側(cè)開關(guān)。這種拓撲結(jié)構(gòu)最復雜，但也是最靈活的。VIN和VOUT的范圍僅受控制器IC的限制。對于矩陣型應(yīng)用，這是一種不錯的選擇。
圖9 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
圖10 降壓升壓示例: LT8391
表5 使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器作為LED驅(qū)動器的優(yōu)勢和權(quán)衡取舍
降壓-升壓LED驅(qū)動器的優(yōu)勢 | 降壓-升壓LED驅(qū)動器的權(quán)衡取舍 | 應(yīng)用 |
最通用的拓撲 | 至少需要兩個開關(guān)和兩個續(xù)流二極管 | 遠光燈/近光燈 |
可使用矩陣來短接整個燈串 | 通常情況下，轉(zhuǎn)換效率最低 | 轉(zhuǎn)向燈 |
可將同一驅(qū)動器用于多種應(yīng)用 | 通常情況下，EMI性能最低（差） | 日間行車燈 |
短路安全系統(tǒng) |
結(jié)論
汽車LED照明系統(tǒng)可通過多種不同的方式使用開關(guān)穩(wěn)壓器驅(qū)動。根據(jù)應(yīng)用的不同，照明設(shè)計人員可通過選擇開關(guān)拓撲和配置，針對整個汽車的不同照明要求，設(shè)計完整的子系統(tǒng)。顯然，為系統(tǒng)選擇正確的功率轉(zhuǎn)換開關(guān)拓撲和配置，無疑會優(yōu)化復雜性、效率、EMI和安全性等要求。
關(guān)于作者
Josh Caldwell曾在凌力爾特（現(xiàn)在為ADI公司的一部分）工作了10年，目前擔任設(shè)計工程部門主管，負責單芯片降壓、升壓和控制器LED驅(qū)動器的定義、設(shè)計和開發(fā)工作。他擁有科羅拉多大學電氣工程學士學位。業(yè)余時間，他喜歡騎自行車和繪畫。
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