- 分析在汽車中驅(qū)動(dòng)LED照明的開關(guān)
- 學(xué)習(xí)PWM調(diào)光和亮度控制
- 采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓?fù)?/strong>
引言
與目前的汽車內(nèi)部和外部照明解決方案相比，LED照明有很多優(yōu)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(qū)動(dòng)LED需要一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)一個(gè)恒定的LED電流，并保護(hù)LED免受變幻莫測的汽車電池總線影響。這種轉(zhuǎn)換器還應(yīng)該根據(jù)一串LED中所含LED的數(shù)量和LED的類型進(jìn)行優(yōu)化，也要根據(jù)前燈、尾燈和信號(hào)指示燈、內(nèi)部閱讀燈、儀表板或娛樂顯示器照明等應(yīng)用的功能而優(yōu)化，需要優(yōu)化的方面如下：
拓?fù)洙D―LED電壓與電池電壓之間的關(guān)系決定采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓?fù)?，所選擇的拓?fù)湟茉谡麄€(gè)電池電壓范圍內(nèi)保持對(duì)LED電流的控制。
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，而且沒有眼睛看得見的起伏或振蕩。
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)單個(gè)LED
車內(nèi)白光頂燈和化妝燈可能采用一個(gè)或兩個(gè)3WLED，每個(gè)LED產(chǎn)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LuxeonIIIStar。最簡單的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用降壓型穩(wěn)壓器，直接用汽車電池驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED。圖1所示為具有調(diào)光功能的單個(gè)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起動(dòng)之前電壓也許降至9V，汽車起動(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。在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)，電池電壓也許降至4V，這時(shí)只有關(guān)鍵的電子電路必須工作。
圖1：具250:1PWM調(diào)光比的降壓型高壓1ALED驅(qū)動(dòng)器LT3474
圖1中采用的LT3471轉(zhuǎn)換器集成電路是一個(gè)高電壓、大電流降壓型LED轉(zhuǎn)換器，該器件具有寬PWM調(diào)光比，可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)LED電流高達(dá)1A。LT3471的如下特點(diǎn)使其非常適用于在汽車環(huán)境中驅(qū)動(dòng)LED：
*它是一個(gè)專用的LED驅(qū)動(dòng)器，具有片上高壓開關(guān)和低壓電流監(jiān)測電阻，以最大限度地縮小電路板面積并簡化設(shè)計(jì)，同時(shí)保持高效率。
*4V至36V的寬輸入電壓范圍允許該LED驅(qū)動(dòng)器直接用汽車電池工作，同時(shí)提供恒定LED電流。
*其降壓型拓?fù)浜涂烧{(diào)的寬頻率范圍允許利用小型、低成本、具高溫度系數(shù)的陶瓷電容器提供低紋波LED電流。
LT3474單LED降壓型轉(zhuǎn)換器的效率在12VIN時(shí)高于80%。通過VADJ引腳進(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，但是功耗仍保持很低。LT3474為汽車和由電池供電的應(yīng)用而定制，在置于停機(jī)狀態(tài)時(shí)僅消耗低于2uA（典型值為10nA）的電流。停機(jī)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。LT3475LED驅(qū)動(dòng)器是LT3474的雙通道版本，可以驅(qū)動(dòng)電流均為1.5A的兩個(gè)單獨(dú)LED或LED串。
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PWM調(diào)光和亮度控制
LED亮度可由圖1中的LT3474來控制，把一個(gè)模擬電壓輸入連接至VADJ引腳或把一個(gè)數(shù)字PWM信號(hào)輸送至PWM調(diào)光MOSFET的柵極和PWM引腳。簡單的模擬亮度控制通過降低內(nèi)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(shí)會(huì)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電流非常好地穩(wěn)定在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光線顏色和真彩特性。
PWM功能在集成電路內(nèi)部使得LED回歸至編程電流值時(shí)，對(duì)PWM調(diào)光的響應(yīng)非?？?。LT3474的最大數(shù)字PWM調(diào)光比為250:1，這對(duì)內(nèi)部照明來說是富富有余了。LT3475可以高于1000:1的調(diào)光比調(diào)光。
LCD顯示器用LED串照明
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LED串，而在夜間工作時(shí)又需要寬調(diào)光比。LED串導(dǎo)致了與單個(gè)LED頂燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的LED而言，多個(gè)由6至10個(gè)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(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拓?fù)銵ED驅(qū)動(dòng)器是必需的。
圖2是LT3486雙輸出升壓型LED驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，它以100mA恒定電流驅(qū)動(dòng)兩串LED，LED電壓高達(dá)36V。
這個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器用小的電壓檢測電阻與LED串和PWM調(diào)光MOSFET串聯(lián)，并具有高效率。9V至16V的整個(gè)電池電壓范圍低于LED串的電壓。雙通道LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)20個(gè)LED組成的兩個(gè)LED串，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個(gè)LED組成的單個(gè)LED串需要高得多的電壓。
圖2：在GPSLCD顯示器中，LT3486以100mA電流驅(qū)動(dòng)20個(gè)白光LED
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，但是視LED編程電流和LED數(shù)量而定，可能進(jìn)入限流狀態(tài)。該轉(zhuǎn)換器停機(jī)時(shí)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(shè)定，選擇檢測電阻時(shí)基于非常低的200mV檢測電阻電壓以實(shí)現(xiàn)高效率。每個(gè)LED串的電流都可以用CTRL引腳上的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)，最高調(diào)光比為10:1，或者用PWM信號(hào)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)高得多的調(diào)光比。
就夜間觀看極亮的顯示器而言，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電流存儲(chǔ)器具有超快PWM響應(yīng)時(shí)間，可以低于10us的時(shí)間讓LED電流從零返回到100mA，以實(shí)現(xiàn)真彩PWM調(diào)光。在高端顯示器中用兩個(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，可實(shí)現(xiàn)1000:1的調(diào)光比，并在非常暗的夜間工作環(huán)境保持顯示器的真彩特性。
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信號(hào)指示燈、尾燈和前燈照明
外部信號(hào)指示燈、尾燈和前燈需要最高功率的DC/DC LED驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)檫@些燈所用的LED最亮，數(shù)量也最多。盡管由于熱量和穩(wěn)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(hào)指示燈卻因其美感和耐用性而變得越來越常見了。驅(qū)動(dòng)大功率黃褐色和紅色LED串給內(nèi)部照明和照明微調(diào)帶來了類似挑戰(zhàn)，但是挑戰(zhàn)的艱巨性是不同的。高調(diào)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(qū)動(dòng)器。
圖3所示的LT3477降壓-升壓型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無需以地為基準(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有兩個(gè)獨(dú)特和具100mV浮動(dòng)電流檢測輸入引腳，這引腳連接與LED串串聯(lián)而且不以地為基準(zhǔn)的電流檢測電阻。在汽車電池的工作電壓范圍內(nèi)以及低于這個(gè)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的停機(jī)引腳用于實(shí)現(xiàn)車燈的接通/斷開功能，并在未使用時(shí)將輸入電流降低到1uA（典型值為100nA）。IADJ引腳用來為后部信號(hào)指示燈或剎車燈等剎車燈和尾燈應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高于10:1的模擬調(diào)光比。這類應(yīng)用無需真彩PWM調(diào)光。
圖3：降壓-升壓型LT3477以80%的效率驅(qū)動(dòng)1A剎車燈和信號(hào)指示燈LED串
如圖4所示，大功率LED驅(qū)動(dòng)器LTC3783采用降壓-升壓型拓?fù)?，?qū)動(dòng)6至10個(gè)3W紅光LED，用于汽車尾燈應(yīng)用。外部開關(guān)MOSFET和開關(guān)電流檢測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)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(shí)高達(dá)25V的LED串輸出需要100V的額定開關(guān)電壓和高于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)，可以用直接連接到LTC3783PWM引腳的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引腳也可以降低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個(gè)1.5A紅光LED
在功率最高的汽車應(yīng)用中，高效率是最重要的。在這種應(yīng)用中，具有高達(dá)36W的輸出，93%的效率可以降低剎車時(shí)對(duì)電池的消耗，尤其是在汽車未運(yùn)行時(shí)，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?fù)渥優(yōu)樯龎盒?，LTC3783大功率LED驅(qū)動(dòng)器的靈活性能夠變成大功率升壓型穩(wěn)壓器，以驅(qū)動(dòng)高達(dá)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(guān)閉車燈時(shí)，通過PWM引腳實(shí)現(xiàn)LED斷接。使用非常亮的白光LED的高流明前燈應(yīng)用不久就將采用這種具有升壓型拓?fù)涞拇蠊β蔐ED驅(qū)動(dòng)器。
結(jié)論
很多汽車LED應(yīng)用都需要專用的大功率、但簡單和高效率的LED驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)應(yīng)用的不同有不同的LED組合，但各種組合都需要在斷開時(shí)具有低電流消耗、高PWM和模擬調(diào)光比以及卓越的LED穩(wěn)流能力。凌特公司提供多種不同的汽車LED驅(qū)動(dòng)器，可以克服所有這些挑戰(zhàn)。
