汽車應(yīng)用中的LED照明方案

1.架構(gòu)― LED 電壓與電池電壓之間的關(guān)系決定采用降壓、升壓或升降壓架構(gòu)，所選擇的架構(gòu)要能在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)保持對(duì) LED 電流的控制性。
2.調(diào)光―大比例的 LED 調(diào)光必須在亮度等級(jí)上保持顏色特性不變，并且沒有肉眼看得見的起伏或振蕩。
3.效率―在非運(yùn)行狀態(tài)功率損耗消耗電池電量，而且在汽車這種熱量壓力已經(jīng)很大的環(huán)境中，消耗的電量又轉(zhuǎn)變成了熱量。

驅(qū)動(dòng)單一LED
車內(nèi)白光頭燈和化妝燈可能采用一顆或兩顆 3W LED，每顆 LED 產(chǎn)生 75 至 100 流明的亮度。這些 LED的典型順向電壓范圍為 3V 至 4.5V，最大電流為 1A 至 1.5A，例如 Lumileds 公司的 Luxeon III Star。最簡(jiǎn)單的 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用降壓穩(wěn)壓器，其直接以汽車電池驅(qū)動(dòng)單顆 LED。

如圖1所示，為具有調(diào)光功能的單顆 LED 內(nèi)部照明電路。汽車電池的典型工作電壓范圍為 9V 至 16V（典型值為 12V）。一個(gè)消耗電量的電池在汽車啟動(dòng)前，電壓也許降至 9V，汽車啟動(dòng)后交流發(fā)電機(jī)對(duì)其充電，使其電壓回復(fù)到高達(dá) 14.4V，在冷啟動(dòng)時(shí)，電池電壓也許會(huì)降至 4V，這時(shí)只有關(guān)鍵的電子電路必須工作。

在電池和底盤上，不同位置之間的長電纜以及電子噪聲環(huán)境使得汽車中總是存在著高電壓尖峰。在為汽車設(shè)計(jì)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，36V 瞬變是必須考慮的，通常會(huì)透過簡(jiǎn)單保護(hù)二極管或?yàn)V波器來處理較高的電壓尖峰。圖 1 所采用的 LT3471 轉(zhuǎn)換器集成電路，是一個(gè)高電壓、高電流降壓 LED 轉(zhuǎn)換器，該組件具備寬廣 PWM 調(diào)光比，可驅(qū)動(dòng)一顆或多顆 LED 電流達(dá) 1A 。LT3471提供4V至36V的寬廣輸入電壓范圍，使該 LED 驅(qū)動(dòng)器能直接以汽車電池工作，同時(shí)提供恒定LED電流，而其降壓架構(gòu)和可調(diào)式的寬帶范圍，允許使用小型、低成本、具高溫度系數(shù)的陶瓷電容，提供低漣波的LED電流。

LT3474 單一LED 降壓轉(zhuǎn)換器的效率，在 12VIN 時(shí)高于 80%。通過 VADJ 接腳進(jìn)行模擬控制時(shí)，隨著 LED 電流和亮度的降低，效率會(huì)下降，但功耗仍保持很低的狀況。LT3474 特別針對(duì)汽車和電池供電應(yīng)用而定制，在關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)僅消耗低于 2uA（典型值10nA）的電流。關(guān)機(jī)時(shí)，并仍可提供 LED 接通/斷開按鈕功能，如同按鈕或微控制器的作用。LT3475 LED 驅(qū)動(dòng)器是 LT3474 的雙信道版本，可驅(qū)動(dòng)電流均為 1.5A 的兩組個(gè)別LED 或多串LED。

PWM 調(diào)光和亮度控制
LED 亮度可由圖 1的 LT3474 加以控制，其將一個(gè)模擬電壓輸入連接至 VADJ 接腳、或把一個(gè)數(shù)字 PWM 信號(hào)送至 PWM 調(diào)光 MOSFET 的閘極和 PWM 接腳。簡(jiǎn)單的模擬亮度控制，透過降低內(nèi)部感測(cè)電阻的電壓，將恒定 LED 電流從 1A 降至更低值，但 LED 光線的顏色在低電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化。調(diào)光比的實(shí)際限制大約為 10:1。

另一種降低亮度的方法是數(shù)字 PWM 調(diào)光。在 PWM 接通期間，LED 電流保持于穩(wěn)定的1A。在 PWM 關(guān)斷期間， LED 電流為零。這在降低亮度的同時(shí)保持了 LED 光線顏色和真實(shí)色彩特性。

在集成電路內(nèi)部，PWM 功能使LED 回歸至設(shè)定電流值時(shí)，達(dá)到對(duì) PWM 調(diào)光的快速響應(yīng)。LT3474 的最大數(shù)字 PWM 調(diào)光比為 250:1，這對(duì)內(nèi)部照明來說綽綽有余。LT3475 可以高于 1000:1 的調(diào)光比進(jìn)行調(diào)光。


LCD 顯示器以多串LED 照明
GPS 導(dǎo)航和車內(nèi)娛樂顯示器，在日光條件下需要使用明亮的串聯(lián)LED ，而在夜間工作時(shí)又需要寬調(diào)光比，串聯(lián)LED 帶來了與單個(gè) LED 頭燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的 LED 而言，多串由 6 至 10 個(gè) LED 組成的 LED 串聯(lián)電流通常都較低（150mA），但是所聚集的電壓卻高于汽車電池電壓，對(duì)這些顯示器來說，具有高效率和 PWM 調(diào)光能力的大功率升壓架構(gòu) LED 驅(qū)動(dòng)器是必要的。

圖2顯示 LT3486 雙組輸出升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，其以 100mA 恒定電流驅(qū)動(dòng)兩串 LED，LED 電壓高達(dá) 36V。這個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器以小電壓感測(cè)電阻與 LED 串聯(lián)和 PWM 調(diào)光 MOSFET 串行，并具有高效率。9V 至 16V 的整個(gè)電池電壓范圍低于 LED串聯(lián)的電壓。雙信道 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 20 顆 LED 組成的兩個(gè) LED串聯(lián)，同時(shí)保持最高開關(guān)電壓低于該集成電路的 42V 額定值，20 顆LED 組成的單串 LED串聯(lián)則需要更高的電壓。

在電池工作電壓范圍內(nèi)，效率大約為 90%，如果電池電壓降至 4V，LT3486 仍會(huì)工作，但視 LED 設(shè)定電流和 LED 數(shù)量而定，亦可能進(jìn)入電流限制狀態(tài)。該轉(zhuǎn)換器關(guān)機(jī)時(shí)僅消耗低于1uA（典型值為 100nA）的電流。LED 電流透過選擇外部感測(cè)電阻值設(shè)定，選擇感測(cè)電阻時(shí)，以基于非常低的200mV 感測(cè)電阻電壓實(shí)現(xiàn)高效率。每個(gè) LED 串聯(lián)的電流都可透過CTRL 接腳上的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)，最高調(diào)光比為 10:1，或者可用 PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)光比。

如需在夜間觀看極亮的顯示器，LT3486 以其獨(dú)特的內(nèi)部 PWM 調(diào)光架構(gòu)提供 1000:1 的 PWM 調(diào)光比。內(nèi)部 LED 電流內(nèi)存具有超快 PWM 響應(yīng)時(shí)間，可以低于 10us 的時(shí)間使 LED 電流從零返回100mA，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)色彩 PWM 調(diào)光。在高端顯示器中，以兩個(gè) LT3486 驅(qū)動(dòng)分別代表紅、綠、綠、藍(lán)（R-G-G-B）的 4 個(gè) LED 串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn) 1000:1 的調(diào)光比，并在非常暗的夜間工作環(huán)境下保持顯示器的真實(shí)色彩特性。


信號(hào)指示燈、尾燈和前照燈照明
外部信號(hào)指示燈、尾燈和前照燈需要最高功率的 DC/DC LED 驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)檫@些燈所運(yùn)用的 LED 亮度最高，數(shù)量也最多。盡管基于熱量和穩(wěn)流的限制，極亮的 LED 前燈還不多見，但是紅色及黃褐色的剎車燈和信號(hào)指示燈，卻因所具有的美感和耐用性而變得越來越常見。驅(qū)動(dòng)大功率黃褐色和紅色 LED 串聯(lián)，為內(nèi)部照明和照明微調(diào)帶來了相同的挑戰(zhàn)，但是挑戰(zhàn)的困難度則不同，高調(diào)光比不是必要的，但是簡(jiǎn)單的接通/斷開和高/低亮度功能則是有用的。LED 串聯(lián)的電壓常常超出汽車電池的電壓范圍，因而需要具有降壓和升壓、或升降壓功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器。

圖 3 所顯示的 LT3477 升降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器，以 1A 電流驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大功率 LED。這兩個(gè) LED 無需以接地端為基準(zhǔn)，連接的兩個(gè)端子一般是轉(zhuǎn)換器的輸出和電池輸入。LT3477 具備兩個(gè)獨(dú)特、和100mV 浮動(dòng)電流感測(cè)輸入接腳，此接腳連接與 LED 多串并聯(lián)、且不以接地端為基準(zhǔn)的電流感測(cè)電阻。在汽車電池的工作電壓范圍內(nèi)以及低于此范圍時(shí)，在電流直到 1A 的情況下都可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的 LED 穩(wěn)流。LT3477 的關(guān)機(jī)接腳用于達(dá)到車燈的接通/斷開功能，并在未使用時(shí)將輸入電流降至1uA（典型值為 100nA）。IADJ 接腳用來為剎車燈和尾燈應(yīng)用，如后端信號(hào)指示燈或剎車燈等實(shí)現(xiàn)高于 10:1 的模擬調(diào)光比，此類應(yīng)用無需真實(shí)色彩 PWM 調(diào)光。
　

圖 3：升降壓 LT3477 以 80% 的效率驅(qū)動(dòng) 1A 剎車燈和信號(hào)指示燈多串LED。
　

如圖 4 所示，大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器 LTC3783 采用升降壓架構(gòu)，驅(qū)動(dòng)用于汽車尾燈應(yīng)用之6至10顆3W紅光 LED。外部開關(guān) MOSFET 和開關(guān)電流感測(cè)電阻為大功率和高壓 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)提供了最大的設(shè)計(jì)彈性。如果電池電壓降至低于 9V，則9V 至 36V 輸入和在電流為 1.5A 時(shí)，高達(dá)25V的LED 串聯(lián)輸出便需要100V的額定開關(guān)電壓，以及高于 8A 的峰值開關(guān)電流能力。在整個(gè)汽車電池電壓范圍內(nèi)，1.5A 恒定電池電流是良好穩(wěn)定的，就剎車燈和尾燈調(diào)光而言，在 100Hz 時(shí)，可以透過直接連接到 LTC3783 PWM接腳的 PWM 信號(hào)降低 LED 電流，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 200:1 的調(diào)光比。在 1kHz 時(shí)，調(diào)光比降低至 20:1，這對(duì)尾燈應(yīng)用來說已足夠了。調(diào)節(jié) ILIM 接腳也可降低 LED 電流。
　

圖 4：LTC3783 剎車燈 LED 驅(qū)動(dòng)器以高于 90% 的效率驅(qū)動(dòng) 8 顆 1.5A 紅光 LED。
　

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