常用汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用LED驅(qū)動(dòng)解決案例分析

　　使用LM3424驅(qū)動(dòng)LED和執(zhí)行熱電流控制具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，不需要在外部配備大部分復(fù)雜的部件（例如多個(gè)運(yùn)算放大器），因?yàn)檫@些在集成電路中已集成。在最簡(jiǎn)單的配置中，實(shí)現(xiàn)熱返送只需要少量標(biāo)準(zhǔn)電阻器和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻。如果需要更高的精度，設(shè)計(jì)師可以使用LM94022等精確溫度傳感器替換RBIAS和RNTC。此外，LM3424使用戶可以設(shè)置LED電流開(kāi)始熱返送的溫度（TBK,通過(guò)RREF1,2、RBIAS和RNTC設(shè)置）和電流返送的斜率（通過(guò)RGAIN設(shè)置）。這使設(shè)計(jì)師可以使用少量外部部件精確重現(xiàn)制造商數(shù)據(jù)表中提供的電流額定值下降曲線，同時(shí)提高隨溫度變化表現(xiàn)出的性能，如圖3所示。

圖3 隨溫度變化的額定值下降曲線示例

　　如圖2使用LM3424所示，集成電路將在到達(dá)某溫度時(shí)返送LED電流，此時(shí)，LED電流為零。這與LED作為系統(tǒng)中主要熱發(fā)生器的情況不同。對(duì)于大燈組件等應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可能想要設(shè)置一項(xiàng)安全功能，即使LED可能在超出安全工作區(qū)的條件下工作，也始終能夠提供光輸出。對(duì)于此類情況，LED電流與溫度曲線將如圖4中示例所示。雖然LM3424沒(méi)有這項(xiàng)內(nèi)置功能，但這可以使用外部箝位電路輕松實(shí)現(xiàn)，并且防止TSENSE針腳上的電壓低于預(yù)規(guī)定值。

圖4 隨溫度變化的額定值下降曲線示例（最低值非零）

　　使用SEPIC穩(wěn)壓器的大燈示例

　　雖然汽車電氣系統(tǒng)通常在12V~14VDC條件下工作，但在特殊情況下，向系統(tǒng)部件的供電電壓可能超出或低于正常工作值范圍。例如，在冷啟動(dòng)情況下，系統(tǒng)供電可能為4。5V或更低，在負(fù)載突降狀況下，電壓可能在40V到60V之間。如果在這些特殊情況下仍需要LED工作或保護(hù)，設(shè)計(jì)師可能希望選擇可提供恒定LED電流的功率級(jí)，而不管電源電壓與LED組電壓的關(guān)系如何。一種采用SEPIC的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以執(zhí)行升壓和降壓操作，如圖5所示。

圖5 SEPIC轉(zhuǎn)換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　SEPIC轉(zhuǎn)換器的效率可能不如降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。除了具有升壓和降壓功能外，另一項(xiàng)尤其適用于汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是CSEPIC電容器提供了輸入和輸出之間的隔離。SEPIC轉(zhuǎn)換器的不足是需要兩個(gè)電感器，但兩個(gè)電感器可以輕松地纏繞在同個(gè)芯上，而不是作為兩個(gè)分立的部件。圖6顯示同樣使用LM3421控制器的應(yīng)用電路示例。

圖6 SEPIC配置中的LM3421

　　使用串聯(lián)/并聯(lián)LED的組合尾燈

　　另一個(gè)常見(jiàn)的照明應(yīng)用是尾燈/閃光燈組件，也被稱為組合尾燈（RCL）。對(duì)于在12V~14V直流電源供電中具有3V典型正向電壓（VF）的LED來(lái)說(shuō)，一個(gè)可能的解決方案是使用降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。由于最低值為12V,因此只允許3個(gè)LED串聯(lián)?？梢圆捎脠D7所示的串聯(lián)/并聯(lián)組合，因?yàn)樵谝粋€(gè)串聯(lián)燈組中所有必備的LED的總電壓將超過(guò)12V。

圖7 串聯(lián)/并聯(lián)陣列

　　對(duì)于此應(yīng)用的調(diào)光和閃光部分，可以使用多種方法降低向LED陣列提供的功率。最常用的一種方法是脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光，這種方法通常使用專門(mén)的邏輯信號(hào)高速開(kāi)啟和關(guān)閉LED以控制總體光輸出。這種方法簡(jiǎn)單有效，但可能極少用于汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用，因?yàn)樵诰€束中需要一根額外的線路用于調(diào)光信號(hào)。另一種方法稱為雙線調(diào)光，向LED驅(qū)動(dòng)器提供的電源定期中斷以控制調(diào)光。1。5A整體式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM3406具有此功能，其真實(shí)電流平均值實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)密的光輸出控制。集成的N通道MOSFET不提供控制器集成電路具有的靈活性，因此降低了板上的復(fù)雜性。圖8顯示了使用雙線調(diào)光方法的LM3406應(yīng)用示例。

圖8 雙線調(diào)光的LM3406配置

　　LM3406包含輸入電壓感應(yīng)針腳（VINS）使照明設(shè)計(jì)師可以魚(yú)和熊掌兼得，因?yàn)樗麄兛梢詫?shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低系統(tǒng)接線復(fù)雜性（照明部件距離控制電路較遠(yuǎn)）。阻擋二極管D2允許輸入電容器CIN保持與LM3406的連接，這與非雙線調(diào)光設(shè)置相同，因此使LM3406在調(diào)光階段可以保持完全供電。這比簡(jiǎn)單的開(kāi)啟和關(guān)閉零部件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光更為高效，因?yàn)長(zhǎng)M3406的所有內(nèi)部支持電路在調(diào)光過(guò)程中保持通電。因此，部件可以立即進(jìn)入調(diào)光階段，集成電路沒(méi)有恢復(fù)和運(yùn)行延時(shí)。這樣，在雙線調(diào)光設(shè)置中，LM3406的工作方式與輸出控制中使用邏輯調(diào)光針腳的方式相同。標(biāo)準(zhǔn)PWM設(shè)置需要的附加部件只有阻擋二極管D2、VINS下拉電阻器RPD和用于實(shí)現(xiàn)理想斬波開(kāi)關(guān)S1的部件。

　　使用串聯(lián)LED和升壓/降壓穩(wěn)壓器組合的RCL示例

　　在并聯(lián)燈組陣列中，配置LED通過(guò)允許LED功率級(jí)在12V~14V軌道下直接運(yùn)行，極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但并聯(lián)/串聯(lián)組合也同樣具有一些缺點(diǎn)。在查看LED制造商數(shù)據(jù)表時(shí)，可以注意到兩個(gè)重要的事實(shí)：LED的光輸出與流經(jīng)的電流成正比，LED的動(dòng)態(tài)電阻隨著VF而變化。制造商按VF、光通量和顏色（或色溫）對(duì)LED分級(jí)。例如，典型的VF級(jí)別可能包含范圍從3。27V到3。51V（25℃時(shí)）的LED,所有級(jí)別的整個(gè)范圍可以從2。8V到4。2V。由于LED制造商通常向客戶銷售多個(gè)級(jí)別的LED,關(guān)注成本的設(shè)計(jì)師依賴所有LED都具有緊密VF分布是不實(shí)際的。

　　下例顯示了VF變化的影響。在實(shí)驗(yàn)中，使用圖9所示兩種設(shè)置收集數(shù)據(jù)。一種設(shè)置用于4個(gè)LED（每個(gè)LED都具有專門(mén)的電流源），另一種設(shè)置用于并聯(lián)的4個(gè)LED（共享一個(gè)電流源）。表1所示數(shù)據(jù)在25℃加電后5秒內(nèi)測(cè)得，以最大限度降低LED自發(fā)熱的影響。

圖9 實(shí)驗(yàn)性設(shè)置

表1 多電流源設(shè)置（左）和單電流源設(shè)置（右）的數(shù)據(jù)

　　從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出LEDVF變化在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)將導(dǎo)致不均勻電流分布。即使對(duì)于分級(jí)的LED,也可以看到類似的影響，并聯(lián)陣列中各串聯(lián)燈組的電流分布不均。改進(jìn)并聯(lián)燈組間電流分布的一種方式是向各燈組增加鎮(zhèn)流電阻器。這有助于使電流分布均勻化，但存在的主要問(wèn)題是由于鎮(zhèn)流電阻器的功耗而降低了效率。

　　根據(jù)具體的設(shè)計(jì)，上述問(wèn)題的影響可能可以忽略。但是，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)上述影響存有顧慮，可以采用單個(gè)串聯(lián)燈組作為首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種解決方法中，仍可以使用LM3406等部件，但將增大系統(tǒng)復(fù)雜性，因?yàn)樾枰虑岸瞬考糜趥鬏敵?2V~14V的電源電壓為LED驅(qū)動(dòng)器供電。然后，LED驅(qū)動(dòng)器降低此新電壓，為單個(gè)LED燈組供電。這可以通過(guò)在直流電源和LM3406之間增加升壓DC/DC功率級(jí)輕松實(shí)現(xiàn)，如圖10所示。通過(guò)此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，串聯(lián)燈組中的所有LED均具有相同的電流，無(wú)論各LED的VF值是多少。

圖10 升壓和降壓組合

　　還需要注意的一個(gè)問(wèn)題是為什么應(yīng)包含降壓功率級(jí)，而不是直接使用升壓穩(wěn)壓器運(yùn)行LED。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的重要區(qū)別是輸出電容器：升壓穩(wěn)壓器需要輸出電容器，而降壓穩(wěn)壓器可以使用或不使用輸出電容器操作。如果設(shè)置中使用輸出電容器，即使在穩(wěn)壓器已進(jìn)入調(diào)光模式并停止向LED供電后，仍可以為L(zhǎng)ED輸送電流一段時(shí)間。因此，在LED輸出實(shí)際停止前，還需要額外的時(shí)間使輸