面向汽車(chē)應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析

在過(guò)去的十年里，汽車(chē)電子產(chǎn)品有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，車(chē)載電子控制、車(chē)載信息服務(wù)以及娛樂(lè)系統(tǒng)不管是在數(shù)量上還是在精細(xì)程度上都有了顯著的提高。本文將重點(diǎn)探討這種成長(zhǎng)的主要組成部分之一，即：目前以及下一代汽車(chē)中l(wèi)ed照明使用率的飛速提高。這種新型照明領(lǐng)域給汽車(chē)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師和制造商均帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。了解這些挑戰(zhàn)并找到可行的解決方案是最為重要的，因?yàn)榕c這些照明系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的發(fā)展似乎是沒(méi)有止境的。

LED照明

諸如小外形尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)勢(shì)開(kāi)創(chuàng)了高亮度LED被當(dāng)今汽車(chē)所廣泛采用的局面。LED在汽車(chē)中的初始應(yīng)用是中央高架停車(chē)燈（CHMSL）；這些應(yīng)用使用紅光LED來(lái)提供一個(gè)非常扁薄的照明陣列，該照明陣列易于安裝，而且永遠(yuǎn)不需要更換。

傳統(tǒng)上，白熾燈泡是最為經(jīng)濟(jì)的光源，而且仍然被許多汽車(chē)所采用。然而，隨著可用照明空間的日益縮小以及對(duì)照明光源使用壽命要求的不斷提高，由LED所提供的燈光色彩和設(shè)計(jì)方案正在迅速取代白熾燈泡應(yīng)用。即使是傳統(tǒng)的CCFLTFT-LCD背光源應(yīng)用，目前也在逐漸地被白光LED陣列所取代。
　　
更有甚者，人們還在利用一種電“可操縱”型高電流LED陣列來(lái)開(kāi)發(fā)車(chē)前燈，而該領(lǐng)域一直是被鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)所把持的。幾乎所有的汽車(chē)照明應(yīng)用（包括車(chē)身內(nèi)部/外部照明和背光照明應(yīng)用）都將逐步過(guò)渡為采用LED。采用LED的好處具有諸多積極的含意。首先（也許是最重要的一點(diǎn)），它永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)槠溟L(zhǎng)達(dá)100,000小時(shí)的固態(tài)壽命（服役年限：11年半）比汽車(chē)的使用壽命還要長(zhǎng)。這使得汽車(chē)制造商能夠把它們永久性地嵌入車(chē)艙內(nèi)的照明系統(tǒng)中，而無(wú)需像以往那樣留有用于更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需要白熾燈泡所要求的安裝深度或面積，因此還可使汽車(chē)的造型發(fā)生顯著的變化。LED的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是其具有低功耗，因而能夠使得耗油量有所減少。

汽車(chē)LED照明的設(shè)計(jì)參數(shù)
　　
為了確保最佳的性能和長(zhǎng)久的工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些特殊的驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從一根相當(dāng)苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)獲取工作電源，而且還應(yīng)兼具成本和空間“效益性”。為了維持其長(zhǎng)久的工作壽命，一定不得超過(guò)LED的電流和溫度限值。表1羅列了針對(duì)一個(gè)高電流白光LED的典型正向電壓與驅(qū)動(dòng)電流的相互關(guān)系。
　　
在單個(gè)LED至三個(gè)（串聯(lián)）LED的應(yīng)用中，將需要一個(gè)降壓型LED驅(qū)動(dòng)器（比如：凌力爾特的LT3475），用于把汽車(chē)總線(xiàn)電壓（標(biāo)稱(chēng)值為12V）降至一個(gè)更加合適的LED電壓，根據(jù)應(yīng)用的LED彩色和亮度要求的不同，該 LED電壓的變化范圍可在2.68V至4.88V（每個(gè)LED）之間。與此相反，在諸如剎車(chē)燈等需要多個(gè)由多達(dá)8個(gè)串聯(lián)LED組成的LED串的應(yīng)用中，所需的輸出電壓為21V至39V，所以必需采用一個(gè)升壓型LED驅(qū)動(dòng)器（例如：凌力爾特的LT3496）。凌力爾特公司提供的所有LED驅(qū)動(dòng)器均采用了電流模式架構(gòu)，旨在輸送恒定的電流。

如欲在輸入電壓不規(guī)則的情況下產(chǎn)生恒定的LED亮度，就必須從這些驅(qū)動(dòng)器IC獲得一個(gè)恒定的電流源。一個(gè)內(nèi)部檢測(cè)電阻器用于監(jiān)視輸出電流，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。在一個(gè)很寬的電流范圍內(nèi)（35mA至1A）保持了高輸出電流準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)光范圍。由于凌力爾特的高電流LED驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們并不直接調(diào)整電源開(kāi)關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路來(lái)控制每個(gè)周期中流經(jīng)開(kāi)關(guān)的峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能，并提供了逐周期電流限制功能。

在許多應(yīng)用（特別是背面照明和車(chē)內(nèi)照明）中，都有可能需要進(jìn)行調(diào)光控制，因而要求驅(qū)動(dòng)器IC提供一種用于調(diào)節(jié)輸出電流/LED亮度的簡(jiǎn)單方法。利用合適的驅(qū)動(dòng)器IC，即可通過(guò)一個(gè)PWM信號(hào)、DC電壓或外部NMOS晶體管來(lái)完成調(diào)光操作，調(diào)光范圍可高達(dá)3000:1。

最后，車(chē)載電子產(chǎn)品可能對(duì)噪聲很敏感，尤其是導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電路和AM無(wú)線(xiàn)電波段接收機(jī)。為了最大限度地降低發(fā)生噪聲干擾的可能性，凌力爾特在其 LED驅(qū)動(dòng)器IC中采用了恒定頻率開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，用戶(hù)還可在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，以使開(kāi)關(guān)噪聲遠(yuǎn)離關(guān)鍵頻段（比如：AM無(wú)線(xiàn)電波段）。高開(kāi)關(guān)頻率還允許使用小的電感器和陶瓷電容器，從而最大限度地縮減了解決方案的尺寸和成本。

雙LED應(yīng)用
　　
許多嵌入式高電流LED應(yīng)用將包括單個(gè)或兩個(gè)高電流（ILED的范圍從1A至 1.5A）LED。這些應(yīng)用包括車(chē)內(nèi)照明（比如：車(chē)頂燈、地圖燈、儲(chǔ)物盒照明燈）和車(chē)外照明（比如：車(chē)門(mén)門(mén)檻燈或“地面照明”燈）。根據(jù)應(yīng)用的不同，它們可以采用彩色LED（用于車(chē)載儀器的背面照明）或白光LED（用于普通照明）。由于這些LED通常具有一個(gè)3V至4V的正向電壓，并由一根12V至14V 的汽車(chē)總線(xiàn)來(lái)供電，因此需要采用一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器（例如：LT3475）。

LT3475是一款雙通道、36V、2MHz降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，專(zhuān)為用作恒定電流雙LED驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。每個(gè)通道具有一個(gè)內(nèi)部檢測(cè)電阻器和調(diào)光控制功能，從而使其非常適合于驅(qū)動(dòng)那些需要高達(dá)1.5A電流的LED。一個(gè)通道的開(kāi)關(guān)操作與另一個(gè)通道異相180°，因而使得兩個(gè)通道的輸出紋波均有所減小。每個(gè)通道均獨(dú)立地在一個(gè)50mA至1.5A的寬電流范圍內(nèi)保持了很高的輸出電流準(zhǔn)確度，而獨(dú)特的TrueColorPWMTM電路提供了一個(gè)3000:1的調(diào)光范圍，且未發(fā)生任何的色偏移（這種現(xiàn)象在LED電流調(diào)光中很常見(jiàn)）。

憑借其4V至36V（瞬態(tài)電壓高達(dá)40V）的寬輸入電壓范圍，LT3475成為了汽車(chē)電源系統(tǒng)的理想選擇。其開(kāi)關(guān)頻率可被設(shè)定在200kHz至 2MHz之間，因而允許使用纖巧型電感器和陶瓷電容器，并使開(kāi)關(guān)噪聲遠(yuǎn)離AM無(wú)線(xiàn)電波段。再加上采用了一種耐熱增強(qiáng)型TSSOP-20封裝，該器件提供了一款適合于驅(qū)動(dòng)高電流LED的緊湊型解決方案。

LT3475采用高壓側(cè)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了LED負(fù)極的接地連接，從而免除了大多數(shù)應(yīng)用中所需的一根接地線(xiàn)。它還具有一個(gè)用于每個(gè)通道的集成升壓二極管，因而進(jìn)一步地縮減了解決方案的占板面積和成本。另外的特點(diǎn)包括LED開(kāi)路和短路保護(hù)。

剎車(chē)燈
　　
迄今為止，LED在汽車(chē)中最為常見(jiàn)的應(yīng)用是中央高架停車(chē)燈（CHMSL）。截止 2006年底，至少有60%的汽車(chē)都安裝了LED型CHMSL。其好處包括較快的照明速度、更高的效率、更長(zhǎng)的工作壽命，而且，非常扁薄的紅光LED陣列還具有設(shè)計(jì)/安裝上的簡(jiǎn)易性。LED能夠在不到1ms的時(shí)間里達(dá)到全照度（而傳統(tǒng)的燈泡則需要長(zhǎng)達(dá)200ms的時(shí)間才能產(chǎn)生其最大亮度），這樣，后方車(chē)輛的駕駛者識(shí)別剎車(chē)燈的時(shí)間將大為縮短，從而降低了發(fā)生追尾碰撞事故的概率。

而且，與白熾燈泡相比，功耗也下降了80%之多，最終起到了節(jié)省耗油量的效果。其有效使用期限將輕而易舉地超過(guò)車(chē)輛的壽命，因而免除了更換的需要。除了CHMSL之外，有些汽車(chē)和摩托車(chē)還在主剎車(chē)燈中用LED替代了白熾剎車(chē)燈。

為了實(shí)現(xiàn)這些LED剎車(chē)燈的性能和工作壽命的最大化，應(yīng)采用一種能夠驅(qū)動(dòng)這些剎車(chē)系統(tǒng)所需的紅光LED串的合適LED驅(qū)動(dòng)器，這是必不可少的。凌力爾特的LT3486便是專(zhuān)為此類(lèi)汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。LT3486是一款雙通道升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器（如圖2所示），專(zhuān)為從一根12V至14V汽車(chē)總線(xiàn)以恒定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)LED（每個(gè)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)8個(gè)串聯(lián)LED）而設(shè)計(jì)。采用LED串聯(lián)的方式能夠提供相等的LED電流，從而獲得均勻的LED亮度。在需要的時(shí)候，兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器還能夠驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)的LED串。

兩個(gè)LED串的調(diào)光也可通過(guò)各自的CTRL引腳來(lái)單獨(dú)地控制。通過(guò)把一個(gè)PWM信號(hào)饋送至各自的PWM引腳，一個(gè)內(nèi)部PWM調(diào)光系統(tǒng)可使調(diào)光范圍擴(kuò)展至高達(dá)1000:1。LT3486的工作頻率可由一個(gè)外部電阻器設(shè)置在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)。一個(gè)200mV的低反饋電壓（2%準(zhǔn)確度）最大限度地減少了電流設(shè)定電阻器中的功率損耗，旨在提升效率。另外的特點(diǎn)包括LED斷接時(shí)的輸出電壓限制。LT3486提供了一款占板面積非常緊湊的解決方案，并可采用節(jié)省空間的16引腳DFN（5mmx3mmx0.75mm）封裝或16引腳耐熱增強(qiáng)型TSSOP封裝。

本文小結(jié)
　　
由于LED照明在當(dāng)今和未來(lái)汽車(chē)中的普及速度空前提高，因此對(duì)高電流LED汽車(chē)應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生了許多非常特殊的性能要求。LED驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定的電流，以保持均勻的亮度（而不受輸入電壓或LED正向電壓變化的影響），且必須實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。它們還必須能夠承受汽車(chē)電源總線(xiàn)相當(dāng)苛刻的電特性。另外，這些應(yīng)用還需要占板面積非常緊湊和散熱效率很高的解決方案。面對(duì)這些汽車(chē)設(shè)計(jì)要求，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)出了旨在解決上述汽車(chē)難題的完整高電流LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列。