在汽車中驅動LED照明的開關
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數： 114 |
編者按：與目前的汽車內部和外部照明解決方案相比，LED 照明有很多優勢，如性能更高、壽命更長、成本更低等，這種照明方式提高了汽車照明的美感和性能。直接用汽車電池驅動 LED 需要一個 DC/DC 轉換器來調節一個恒定的 LED 電流，并保護 LED 免受變幻莫測的汽車電池總線影響。
這種轉換器還應該根據一串 LED 中所含 LED 的數量和 LED 的類型進行優化，也要根據前燈、尾燈和信號指示燈、內部閱讀燈、儀表板或娛樂顯示器照明等應用的功能而優化，需要優化的方面如下：
拓撲 ―― LED 電壓與電池電壓之間的關系決定采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓撲，所選擇的拓撲要能在整個電池電壓范圍內保持對 LED 電流的控制。
調光 ―― 大比例的 LED 調光必須在亮度等級上保持顏色特性不變，而且沒有眼睛看得見的起伏或振蕩。
效率 ―― 在非運行狀態功率損耗消耗電池電量，而且在汽車這種熱量壓力已經很大的環境中，消耗的電量又轉變成了熱量。
驅動單個 LED
車內白光頂燈和化妝燈可能采用一個或兩個 3W LED，每個 LED 產生 75 至 100 流明的亮度。這些 LED 的典型正向電壓范圍為 3V 至 4.5V，最大電流為 1A 至 1.5A，例如 Lumileds 公司（www.lumileds.com）的 Luxeon III Star。最簡單的 LED 驅動器設計采用降壓型穩壓器，直接用汽車電池驅動單個 LED。圖 1 所示為具有調光功能的單個 LED 內部照明電路。汽車電池的典型工作電壓范圍為 9V 至 16V（典型值為 12V）。一個消耗電量的電池在汽車起動之前電壓也許降至 9V，汽車起動后交流發電機對其充電，使其電壓回復到高達 14.4V。在冷車發動時，電池電壓也許降至 4V，這時只有關鍵的電子電路必須工作。
拓撲 ―― LED 電壓與電池電壓之間的關系決定采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓撲，所選擇的拓撲要能在整個電池電壓范圍內保持對 LED 電流的控制。
調光 ―― 大比例的 LED 調光必須在亮度等級上保持顏色特性不變，而且沒有眼睛看得見的起伏或振蕩。
效率 ―― 在非運行狀態功率損耗消耗電池電量，而且在汽車這種熱量壓力已經很大的環境中，消耗的電量又轉變成了熱量。
驅動單個 LED
車內白光頂燈和化妝燈可能采用一個或兩個 3W LED，每個 LED 產生 75 至 100 流明的亮度。這些 LED 的典型正向電壓范圍為 3V 至 4.5V，最大電流為 1A 至 1.5A，例如 Lumileds 公司（www.lumileds.com）的 Luxeon III Star。最簡單的 LED 驅動器設計采用降壓型穩壓器，直接用汽車電池驅動單個 LED。圖 1 所示為具有調光功能的單個 LED 內部照明電路。汽車電池的典型工作電壓范圍為 9V 至 16V（典型值為 12V）。一個消耗電量的電池在汽車起動之前電壓也許降至 9V，汽車起動后交流發電機對其充電，使其電壓回復到高達 14.4V。在冷車發動時，電池電壓也許降至 4V，這時只有關鍵的電子電路必須工作。
圖 1：具 250:1 PWM 調光比的降壓型高壓 1A LED 驅動器 LT3474
在電池和底盤上不同位置之間的長電纜以及電子噪聲環境使得汽車中總是存在高電壓尖峰。在為汽車設計選擇開關穩壓器時，36V 瞬態是必須考慮的。常常用簡單的保護二極管或濾波器來處理較高的電壓尖峰。
圖 1 中采用的 LT3471 轉換器集成電路是一個高電壓、大電流降壓型 LED 轉換器，該器件具有寬 PWM 調光比，可以驅動一個或多個 LED 電流高達 1A 。LT3471 的如下特點使其非常適用于在汽車環境中驅動 LED：
*它是一個專用的 LED 驅動器，具有片上高壓開關和低壓電流監測電阻，以最大限度地縮小電路板面積并簡化設計，同時保持高效率。
*4V 至 36V 的寬輸入電壓范圍允許該 LED 驅動器直接用汽車電池工作，同時提供恒定 LED 電流。
*其降壓型拓撲和可調的寬頻率范圍允許利用小型、低成本、具高溫度系數的陶瓷電容器提供低紋波 LED 電流。
LT3474 單 LED 降壓型轉換器的效率在 12VIN 時高于 80%。通過 VADJ 引腳進行模擬控制時，隨著 LED 電流和亮度的降低，效率會下降，但是功耗仍保持很低。LT3474 為汽車和由電池供電的應用而定制，在置于停機狀態時僅消耗低于 2uA（典型值為 10nA）的電流。停機還可以起到 LED 接通/斷開按鈕的作用，就像按鈕或微控制器的作用一樣。LT3475 LED 驅動器是 LT3474 的雙通道版本，可以驅動電流均為 1.5A 的兩個單獨 LED 或 LED 串。
PWM 調光和亮度控制
LED 亮度可由圖 1 中的 LT3474 來控制，把一個模擬電壓輸入連接至 VADJ 引腳或把一個數字 PWM 信號輸送至 PWM 調光 MOSFET 的柵極和 PWM 引腳。簡單的模擬亮度控制通過降低內部檢測電阻上的電壓，將恒定 LED 電流從 1A 降至更低的值，但是 LED 光線的顏色在低電流時會變化。調光比的實際限制大約為 10:1。
另一種降低亮度的方法是數字 PWM 調光。在 PWM 接通期間，LED 電流非常好地穩定在 1A。在 PWM 關斷期間，LED 電流為零。這在降低亮度的同時保持了 LED 光線顏色和真彩特性。
PWM 功能在集成電路內部使得 LED 回歸至編程電流值時，對 PWM 調光的響應非常快。LT3474 的最大數字 PWM 調光比為 250:1，這對內部照明來說是富富有余了。LT3475 可以高于 1000:1 的調光比調光。
LCD 顯示器用 LED 串照明
GPS 導航和車內娛樂顯示器在日光條件下需要使用明亮的 LED 串，而在夜間工作時又需要寬調光比。LED 串導致了與單個 LED 頂燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的 LED 而言，多個由 6 至 10 個 LED 組成的 LED 串電流通常都較低（<150mA），但是積聚起來的電壓卻高于汽車電池電壓。對這些顯示器來說，具有高效率和 PWM 調光能力的大功率升壓拓撲 LED 驅動器是必需的。
圖 2 是 LT3486 雙輸出升壓型 LED 驅動器的應用，它以 100mA 恒定電流驅動兩串 LED，LED 電壓高達 36V。這個升壓型轉換器用小的電壓檢測電阻與 LED 串和 PWM 調光 MOSFET 串聯，并具有高效率。9V 至 16V 的整個電池電壓范圍低于 LED 串的電壓。雙通道 LED 驅動器驅動 20 個 LED 組成的兩個 LED 串，同時保持最高開關電壓低于該集成電路的 42V 額定值。20 個 LED 組成的單個 LED 串需要高得多的電壓。
在電池和底盤上不同位置之間的長電纜以及電子噪聲環境使得汽車中總是存在高電壓尖峰。在為汽車設計選擇開關穩壓器時，36V 瞬態是必須考慮的。常常用簡單的保護二極管或濾波器來處理較高的電壓尖峰。
圖 1 中采用的 LT3471 轉換器集成電路是一個高電壓、大電流降壓型 LED 轉換器，該器件具有寬 PWM 調光比，可以驅動一個或多個 LED 電流高達 1A 。LT3471 的如下特點使其非常適用于在汽車環境中驅動 LED：
*它是一個專用的 LED 驅動器，具有片上高壓開關和低壓電流監測電阻，以最大限度地縮小電路板面積并簡化設計，同時保持高效率。
*4V 至 36V 的寬輸入電壓范圍允許該 LED 驅動器直接用汽車電池工作，同時提供恒定 LED 電流。
*其降壓型拓撲和可調的寬頻率范圍允許利用小型、低成本、具高溫度系數的陶瓷電容器提供低紋波 LED 電流。
LT3474 單 LED 降壓型轉換器的效率在 12VIN 時高于 80%。通過 VADJ 引腳進行模擬控制時，隨著 LED 電流和亮度的降低，效率會下降，但是功耗仍保持很低。LT3474 為汽車和由電池供電的應用而定制，在置于停機狀態時僅消耗低于 2uA（典型值為 10nA）的電流。停機還可以起到 LED 接通/斷開按鈕的作用，就像按鈕或微控制器的作用一樣。LT3475 LED 驅動器是 LT3474 的雙通道版本，可以驅動電流均為 1.5A 的兩個單獨 LED 或 LED 串。
PWM 調光和亮度控制
LED 亮度可由圖 1 中的 LT3474 來控制，把一個模擬電壓輸入連接至 VADJ 引腳或把一個數字 PWM 信號輸送至 PWM 調光 MOSFET 的柵極和 PWM 引腳。簡單的模擬亮度控制通過降低內部檢測電阻上的電壓，將恒定 LED 電流從 1A 降至更低的值，但是 LED 光線的顏色在低電流時會變化。調光比的實際限制大約為 10:1。
另一種降低亮度的方法是數字 PWM 調光。在 PWM 接通期間，LED 電流非常好地穩定在 1A。在 PWM 關斷期間，LED 電流為零。這在降低亮度的同時保持了 LED 光線顏色和真彩特性。
PWM 功能在集成電路內部使得 LED 回歸至編程電流值時，對 PWM 調光的響應非常快。LT3474 的最大數字 PWM 調光比為 250:1，這對內部照明來說是富富有余了。LT3475 可以高于 1000:1 的調光比調光。
LCD 顯示器用 LED 串照明
GPS 導航和車內娛樂顯示器在日光條件下需要使用明亮的 LED 串，而在夜間工作時又需要寬調光比。LED 串導致了與單個 LED 頂燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的 LED 而言，多個由 6 至 10 個 LED 組成的 LED 串電流通常都較低（<150mA），但是積聚起來的電壓卻高于汽車電池電壓。對這些顯示器來說，具有高效率和 PWM 調光能力的大功率升壓拓撲 LED 驅動器是必需的。
圖 2 是 LT3486 雙輸出升壓型 LED 驅動器的應用，它以 100mA 恒定電流驅動兩串 LED，LED 電壓高達 36V。這個升壓型轉換器用小的電壓檢測電阻與 LED 串和 PWM 調光 MOSFET 串聯，并具有高效率。9V 至 16V 的整個電池電壓范圍低于 LED 串的電壓。雙通道 LED 驅動器驅動 20 個 LED 組成的兩個 LED 串，同時保持最高開關電壓低于該集成電路的 42V 額定值。20 個 LED 組成的單個 LED 串需要高得多的電壓。
圖 2：在 GPS LCD 顯示器中，LT3486 以 100mA 電流驅動 20 個白光 LED
在電池工作電壓范圍內，效率大約為 90%。如果電池電壓降至 4V，LT3486 仍會工作，但是視 LED 編程電流和 LED 數量而定，可能進入限流狀態。該轉換器停機時僅消耗低于 1uA（典型值為 100nA）的電流。LED 電流通過選擇外部檢測電阻值設定，選擇檢測電阻時基于非常低的 200mV 檢測電阻電壓以實現高效率。每個 LED 串的電流都可以用 CTRL 引腳上的模擬信號調節，最高調光比為 10:1，或者用 PWM 信號調節，以實現高得多的調光比。
就夜間觀看極亮的顯示器而言，LT3486 以其獨特的內部 PWM 調光架構提供 1000:1 的 PWM 調光比。內部 LED 電流存儲器具有超快 PWM 響應時間，可以低于 10us 的時間讓 LED 電流從零返回到 100mA，以實現真彩 PWM 調光。在高端顯示器中用兩個 LT3486 驅動分別代表紅、綠、綠、藍（R-G-G-B）的 4 個 LED 串，可實現 1000:1 的調光比，并在非常暗的夜間工作環境保持顯示器的真彩特性。
信號指示燈、尾燈和前燈照明
外部信號指示燈、尾燈和前燈需要最高功率的 DC/DC LED 驅動器，因為這些燈所用的 LED 最亮，數量也最多。盡管由于熱量和穩流限制，極亮的 LED 前燈尚不常見，但是紅色和黃褐色剎車燈和信號指示燈卻因其美感和耐用性而變得越來越常見了。驅動大功率黃褐色和紅色 LED 串給內部照明和照明微調帶來了類似挑戰，但是挑戰的艱巨性是不同的。高調光比不是必需的，但是簡單的接通/斷開和高/低亮度功能是有用的。LED 串的電壓常常超出汽車電池的電壓范圍，從而需要具有降壓和升壓、或降壓-升壓能力的 LED 驅動器。
圖 3 所示的 LT3477 降壓-升壓型 LED 驅動器以 1A 電流驅動兩個大功率 LED。這兩個 LED 無需以地為基準，連接的兩個端子一般是轉換器的輸出和電池輸入。LT3477 有兩個獨特和具 100mV 浮動電流檢測輸入引腳，這引腳連接與 LED 串串聯而且不以地為基準的電流檢測電阻。在汽車電池的工作電壓范圍內以及低于這個范圍時，在電流直到 1A 的情況下都可實現準確的 LED 穩流。LT3477 的停機引腳用于實現車燈的接通/斷開功能，并在未使用時將輸入電流降低到 1uA（典型值為 100nA）。IADJ 引腳用來為后部信號指示燈或剎車燈等剎車燈和尾燈應用實現高于 10:1 的模擬調光比。這類應用無需真彩 PWM 調光。
在電池工作電壓范圍內，效率大約為 90%。如果電池電壓降至 4V，LT3486 仍會工作，但是視 LED 編程電流和 LED 數量而定，可能進入限流狀態。該轉換器停機時僅消耗低于 1uA（典型值為 100nA）的電流。LED 電流通過選擇外部檢測電阻值設定，選擇檢測電阻時基于非常低的 200mV 檢測電阻電壓以實現高效率。每個 LED 串的電流都可以用 CTRL 引腳上的模擬信號調節，最高調光比為 10:1，或者用 PWM 信號調節，以實現高得多的調光比。
就夜間觀看極亮的顯示器而言，LT3486 以其獨特的內部 PWM 調光架構提供 1000:1 的 PWM 調光比。內部 LED 電流存儲器具有超快 PWM 響應時間，可以低于 10us 的時間讓 LED 電流從零返回到 100mA，以實現真彩 PWM 調光。在高端顯示器中用兩個 LT3486 驅動分別代表紅、綠、綠、藍（R-G-G-B）的 4 個 LED 串，可實現 1000:1 的調光比，并在非常暗的夜間工作環境保持顯示器的真彩特性。
信號指示燈、尾燈和前燈照明
外部信號指示燈、尾燈和前燈需要最高功率的 DC/DC LED 驅動器，因為這些燈所用的 LED 最亮，數量也最多。盡管由于熱量和穩流限制，極亮的 LED 前燈尚不常見，但是紅色和黃褐色剎車燈和信號指示燈卻因其美感和耐用性而變得越來越常見了。驅動大功率黃褐色和紅色 LED 串給內部照明和照明微調帶來了類似挑戰，但是挑戰的艱巨性是不同的。高調光比不是必需的，但是簡單的接通/斷開和高/低亮度功能是有用的。LED 串的電壓常常超出汽車電池的電壓范圍，從而需要具有降壓和升壓、或降壓-升壓能力的 LED 驅動器。
圖 3 所示的 LT3477 降壓-升壓型 LED 驅動器以 1A 電流驅動兩個大功率 LED。這兩個 LED 無需以地為基準，連接的兩個端子一般是轉換器的輸出和電池輸入。LT3477 有兩個獨特和具 100mV 浮動電流檢測輸入引腳，這引腳連接與 LED 串串聯而且不以地為基準的電流檢測電阻。在汽車電池的工作電壓范圍內以及低于這個范圍時，在電流直到 1A 的情況下都可實現準確的 LED 穩流。LT3477 的停機引腳用于實現車燈的接通/斷開功能，并在未使用時將輸入電流降低到 1uA（典型值為 100nA）。IADJ 引腳用來為后部信號指示燈或剎車燈等剎車燈和尾燈應用實現高于 10:1 的模擬調光比。這類應用無需真彩 PWM 調光。
圖 3：降壓-升壓型 LT3477 以 80% 的效率驅動 1A 剎車燈和信號指示燈 LED 串
如圖 4 所示，大功率 LED 驅動器 LTC3783 采用降壓-升壓型拓撲，驅動 6 至 10 個 3W 紅光 LED，用于汽車尾燈應用。外部開關 MOSFET 和開關電流檢測電阻為大功率和高壓 LED 驅動器設計提供了最大的設計靈活性。如果電池電壓降至低于 9V，那么 9V 至 36V 輸入和在電流為 1.5A 時高達 25V 的LED 串輸出需要 100V 的額定開關電壓和高于 8A 的峰值開關電流能力。在整個汽車電池電壓范圍內，1.5A 恒定電池電流是良好穩定的。就剎車燈和尾燈調光而言，在 100Hz 時，可以用直接連接到 LTC3783 PWM 引腳的 PWM 信號降低 LED 電流，以實現高達 200:1 的調光比。在 1kHz 時，調光比降低至 20:1，這對尾燈應用來說已足夠了。調節 ILIM 引腳也可以降低 LED 電流。
如圖 4 所示，大功率 LED 驅動器 LTC3783 采用降壓-升壓型拓撲，驅動 6 至 10 個 3W 紅光 LED，用于汽車尾燈應用。外部開關 MOSFET 和開關電流檢測電阻為大功率和高壓 LED 驅動器設計提供了最大的設計靈活性。如果電池電壓降至低于 9V，那么 9V 至 36V 輸入和在電流為 1.5A 時高達 25V 的LED 串輸出需要 100V 的額定開關電壓和高于 8A 的峰值開關電流能力。在整個汽車電池電壓范圍內，1.5A 恒定電池電流是良好穩定的。就剎車燈和尾燈調光而言，在 100Hz 時，可以用直接連接到 LTC3783 PWM 引腳的 PWM 信號降低 LED 電流，以實現高達 200:1 的調光比。在 1kHz 時，調光比降低至 20:1，這對尾燈應用來說已足夠了。調節 ILIM 引腳也可以降低 LED 電流。
圖 4：LTC3783 剎車燈 LED 驅動器以高于 90% 的效率驅動 8 個 1.5A 紅光 LED
在功率最高的汽車應用中，高效率是最重要的。在這種應用中，具有高達 36W 的輸出，93% 的效率可以降低剎車時對電池的消耗，尤其是在汽車未運行時，更是這樣。用于剎車燈接通/斷開控制的 RUN 引腳將 LED 電流降至 20uA。
通過將 LED 串連接到 GND 而不是 VIN 并將拓撲變為升壓型，LTC3783 大功率 LED 驅動器的靈活性能夠變成大功率升壓型穩壓器，以驅動高達 60W 的更高電壓 LED 串。這需要 LED 串電壓高于 36V 的電池電壓最大值，而且需要在關閉車燈時，通過 PWM 引腳實現 LED 斷接。使用非常亮的白光 LED 的高流明前燈應用不久就將采用這種具有升壓型拓撲的大功率 LED 驅動器。
結論
很多汽車 LED 應用都需要專用的大功率、但簡單和高效率的 LED 驅動器。根據應用的不同有不同的 LED 組合，但各種組合都需要在斷開時具有低電流消耗、高 PWM和模擬調光比以及卓越的 LED 穩流能力。凌特公司提供多種不同的汽車 LED 驅動器，可以克服所有這些挑戰。
在功率最高的汽車應用中，高效率是最重要的。在這種應用中，具有高達 36W 的輸出，93% 的效率可以降低剎車時對電池的消耗，尤其是在汽車未運行時，更是這樣。用于剎車燈接通/斷開控制的 RUN 引腳將 LED 電流降至 20uA。
通過將 LED 串連接到 GND 而不是 VIN 并將拓撲變為升壓型，LTC3783 大功率 LED 驅動器的靈活性能夠變成大功率升壓型穩壓器，以驅動高達 60W 的更高電壓 LED 串。這需要 LED 串電壓高于 36V 的電池電壓最大值，而且需要在關閉車燈時，通過 PWM 引腳實現 LED 斷接。使用非常亮的白光 LED 的高流明前燈應用不久就將采用這種具有升壓型拓撲的大功率 LED 驅動器。
結論
很多汽車 LED 應用都需要專用的大功率、但簡單和高效率的 LED 驅動器。根據應用的不同有不同的 LED 組合，但各種組合都需要在斷開時具有低電流消耗、高 PWM和模擬調光比以及卓越的 LED 穩流能力。凌特公司提供多種不同的汽車 LED 驅動器，可以克服所有這些挑戰。
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