背景

雖然 LED 被許多汽車照明應(yīng)用所廣泛接納已經(jīng)好多年了，包括日間行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈和車內(nèi)照明等，但專門針對(duì)車前燈應(yīng)用的 LED 還是比較新。目前，僅有少數(shù)量產(chǎn)車提供了 LED 前燈，其中包括本田雅閣、奧迪A8 和 R8、雷克薩斯 LS600h 和 RX450h、豐田普瑞斯、凱迪拉克凱雷德以及保時(shí)捷卡宴。有些業(yè)界估計(jì)數(shù)據(jù)表明，2013 年 LED 前燈市場(chǎng)大約為 15 億美元，預(yù)計(jì)到 2014 年，該市場(chǎng)將超過(guò) 30 億美元，并繼續(xù)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最大的挑戰(zhàn)之一是：怎樣優(yōu)化最新一代高亮度 LED 的所有優(yōu)勢(shì)。高亮度 LED 需要一個(gè)準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源，要有調(diào)光方法，而且必須提供各種保護(hù)功能。此外，這些 LED 的驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為能在多種多樣的條件下滿足上述要求。因此，電源解決方案必須效率非常高、提供堅(jiān)固的功能和可靠性，同時(shí)又是非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的?？梢哉f(shuō)，就驅(qū)動(dòng)高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車前燈照明應(yīng)用，包括白天行車燈和前燈，因?yàn)檫@類應(yīng)用所處的是嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境，必須提供大功率，一般在 15W 至 75W 之間，還必須放入空間非常有限的外殼中，在達(dá)到所有這一切要求的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

圖 1：2013 本田雅閣旅行/混合動(dòng)力車型的 LED 白天行車燈和前燈

LED 白天行車燈和前燈

尺寸小、壽命極長(zhǎng)、低功耗、更強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢(shì)，是高亮度 LED 白天行車燈和前燈得到廣泛采用的催化劑。幾家汽車制造商 (例如奧迪和梅塞德斯奔馳、以及雷克薩斯和豐田) 都用 LED 設(shè)計(jì)了非常獨(dú)特的白天行車燈，讓這些白天行車燈成為前燈的“眉毛”或“底線”，以此彰顯品牌的獨(dú)有魅力。這些應(yīng)用不僅從設(shè)計(jì)角度來(lái)看非常獨(dú)特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時(shí)也有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著高亮度 LED 逐步用在近光和遠(yuǎn)光前燈中，這些挑戰(zhàn)也變得愈加顯著了。

用 LED 構(gòu)成汽車前燈和白天行車燈有很多優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了幾種積極影響。首先，LED 燈從不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L(zhǎng)達(dá) 10 萬(wàn)小時(shí)以上 (使用年限為 11.5 年)，超過(guò)了車輛的壽命。這就允許汽車制造商將 LED 燈永久性地嵌入到車身中，而無(wú)需為進(jìn)行更換留出操作余地。LED 燈還有助于極大地改變車輛款式，因?yàn)? LED 照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)羲璧纳疃然蛎娣e。從輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時(shí)，高亮度 LED 燈還比鹵素?zé)舻男矢? (而且不久就將超過(guò)高強(qiáng)度放電燈)。這有兩種積極影響。首先，可以耗費(fèi)更少的汽車總線電功率，這在電動(dòng)型汽車和混合動(dòng)力型汽車中尤其重要，同樣重要的是，效率高還可以減少需要在外殼中散出的熱量，從而無(wú)需任何笨重、昂貴的散熱器。最后，通過(guò)在前燈陣列中使用高亮度 LED 陣列，并以電子方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向以及調(diào)光，可以很容易地設(shè)計(jì) LED 陣列，并為很多不同的驅(qū)動(dòng)情況而優(yōu)化照明。

設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長(zhǎng)工作壽命，LED 需要一種有效的驅(qū)動(dòng)電路。這意味著，無(wú)論輸入電壓源怎樣變化，驅(qū)動(dòng)器 IC 都必須高效率地提供準(zhǔn)確的 DC 電流并提供準(zhǔn)確的 LED 電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動(dòng)器 IC 必須提供一種調(diào)光方法，還要提供多種保護(hù)功能，以防遭遇 LED 開(kāi)路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車電源總線可靠地工作，驅(qū)動(dòng)器 IC 還必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，節(jié)省空間。

起 / 停、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況

雖然汽車系統(tǒng)電源總線在交流發(fā)電機(jī)給電池充電時(shí)采用 14V 的標(biāo)稱電壓供電運(yùn)作，但是汽車運(yùn)轉(zhuǎn)中不同的狀況會(huì)導(dǎo)致該電壓短暫地下降到低至 6V (在冷車發(fā)動(dòng)或車輛起 / 停期間)。在非常寒冷的天氣里，冷車發(fā)動(dòng)狀態(tài)會(huì)從電池抽取很大的電流以彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的高粘度，而這又會(huì)把電壓拉低至大約 6V。同樣，一輛采用起 / 停功能的汽車也會(huì)在引擎重新發(fā)動(dòng)時(shí)將電池電壓拉到 6V 左右，而電池在車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)將承擔(dān)照明、空調(diào)和其他車載娛樂(lè)設(shè)備的繁重供電任務(wù)。當(dāng)電池電纜意外斷接 / 重接 (即：出現(xiàn)松動(dòng)) 而交流發(fā)電機(jī)仍然對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降情況，從而導(dǎo)致高達(dá) 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰。

短路保護(hù)

就白天行車燈和前燈而言，單串高亮度 LED 串中包括 6 到 20 個(gè) LED。由于標(biāo)稱輸入電壓為 13.8V，在某些瞬態(tài)情況下甚至更低，所以一般首選升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)，因?yàn)檫@種架構(gòu)比 SEPIC 或降壓-升壓型設(shè)計(jì)效率更高、更簡(jiǎn)單和具成本效率。不過(guò)，直到不久前，升壓型架構(gòu)一直難以抵御短路的影響。在汽車應(yīng)用中這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)?LED 在前端碰撞中容易被損壞，而且任何電弧都可能點(diǎn)燃濺出的汽油。由于這個(gè)原因，過(guò)去大多數(shù)前端照明 LED 應(yīng)用都采用更昂貴和更復(fù)雜的 SEPIC 解決放案，這種解決方案具備固有的短路保護(hù)能力。然而，隨著新的和具備非常堅(jiān)固保護(hù)能力的升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，未來(lái)的應(yīng)用將會(huì)采用這種設(shè)計(jì)，以提供效率更高和具成本效益的解決方案。[!--empirenews.page--]

EMI 問(wèn)題

降低 LED 驅(qū)動(dòng)器的任何電磁干擾 (EMI) 都有利于電源總線的總體設(shè)計(jì)。因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)器通常是基于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的，所以降低開(kāi)關(guān)噪聲是人們所希望的。這可以通過(guò)采用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。正如在圖 2 中可以看到的那樣，這種調(diào)制方法通過(guò)在較寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展頻譜，將輸出開(kāi)關(guān)噪聲降低了 20dB，從而極大地減輕了 EMI 問(wèn)題。

圖 2：LT3795 輸出噪聲頻譜比較

(RAMP 引腳接地 = 常規(guī)切換，RAMP 引腳端 47nF = 擴(kuò)展頻譜)

AMPLITUDE：幅度

FREQUENCY：頻率

RAMP PIN GROUNDED：RAMP 引腳接地

47nF AT RAMP PIN：RAMP 引腳端 47nF

一種新的汽車高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器

幸運(yùn)的是，對(duì)這些困境有一種新的解決方案，那就是凌力爾特公司的 LT3795 LED 驅(qū)動(dòng)器。LT3795 是一款升壓型 DC/DC LED 驅(qū)動(dòng)器，可提供超過(guò) 100W 的 LED 功率。該器件具備 6V 至 110V 的輸入電壓范圍，因此非常適用于汽車、商用卡車甚至航空系統(tǒng)中的多種高亮度 LED 應(yīng)用。其高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)可配置為升壓模式、降壓-升壓模式、SEPIC 和降壓模式架構(gòu)，從而可提供多種設(shè)計(jì)靈活性。此外，其輸出電壓可以在 0V 至 110V 的范圍內(nèi)設(shè)定，從而能驅(qū)動(dòng)多種單串 LED，同時(shí)在升壓型設(shè)計(jì)中，能提供非常堅(jiān)固和簡(jiǎn)單的短路保護(hù)。

一種典型的 50W 前燈應(yīng)用如圖 3 所示。這個(gè)應(yīng)用采用了升壓型架構(gòu)，以提供高達(dá) 87V 的 LED 電壓，該電壓能以超過(guò) 600mA 的 LED 電流驅(qū)動(dòng)多達(dá) 20 個(gè) LED。大多數(shù)白天行車燈都采用 8 到 15 個(gè) LED，電流在 350mA 范圍內(nèi)，而近光前燈會(huì)采用約為 50V 的 1A LED，遠(yuǎn)光前燈則可能采用高達(dá) 2A 和 50V。LT3795 可用于所有這些應(yīng)用。

圖 3：具備輸入電流限制和擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制、效率為 93%、功率為 50W (87V、575mA) 的降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器

LT3795 采用高壓側(cè)電流檢測(cè)方法，從而使該器件能用于升壓型、降壓型、降壓-升壓型或 SEPIC 和反激式拓?fù)?。此外，LT3795 提供輸入和輸出電流限制及監(jiān)視，以增強(qiáng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。LT3795 在升壓模式還可以提供超過(guò) 94% 的效率，從而最大限度地減小了對(duì)外部散熱器的需求。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率，從而可優(yōu)化效率，同時(shí)最大限度地減小外部組件的尺寸和成本。還可以啟動(dòng)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，以通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率降低 20dB 來(lái)改善電磁兼容性。

LT3795 集成了短路保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí)，該功能使穩(wěn)壓器停止切換，并斷開(kāi) LED 陣列與電源通路的連接。此外，該器件還通過(guò) SHORTLED 引腳報(bào)告短路情況。在短路保護(hù)啟動(dòng)以后，可以設(shè)定 LT3795 以運(yùn)用“打嗝” (Hiccup) 模式，看短路是否已得到糾正，或運(yùn)用鎖斷模式，該模式要求切換 EN/ULVO 以重新啟動(dòng)該器件。不管輸出電壓高低，這種功能都為升壓以及降壓-升壓型應(yīng)用提供了非常堅(jiān)固的短路保護(hù)。此外，LT3795 還提供 LED 開(kāi)路保護(hù)并報(bào)告開(kāi)路情況，這樣如果一串 LED 中的某個(gè) LED 開(kāi)路了，這些 LED 就不會(huì)被損壞。

LT3795 提供 ±3% 的 LED 電流準(zhǔn)確度，這可確保用在一個(gè) LED 串提供恒定照明，同時(shí)該器件 ±2% 的輸出電壓準(zhǔn)確度允許提供幾種 LED 保護(hù)功能，還使轉(zhuǎn)換器能作為衡定電壓源工作。LT3795 可運(yùn)用 PWM 調(diào)光提供高達(dá) 3000:1 的調(diào)光比，或提供調(diào)光比高達(dá) 20:1 的模擬調(diào)光。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流限制 / 監(jiān)視器以及集成的故障保護(hù)。該器件的高集成度和耐熱增強(qiáng)型 TSSOP-28 封裝可構(gòu)成非常緊湊的高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。

圖 4：采用 LT3795 的圖 3 所示電路之 LED 效率

Efficiency vs VIN：效率隨 VIN 的變化

Hiccup Mode Latchoff Mode

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圖 5：圖 3 所示電路在打嗝模式和鎖斷模式的短路保護(hù)

Hiccup Mode：打嗝模式

Latchoff Mode：鎖斷模式

/DIV：每格

結(jié)論

對(duì)更高性能和更高性價(jià)比永無(wú)止境的需求，促進(jìn)了高亮度 LED 應(yīng)用的持續(xù)加速增加，尤其是在汽車白天行車燈和前燈中的 LED 應(yīng)用。這種需求必須要有新的高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 才能滿足。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，無(wú)論輸入電壓或 LED 正向電壓怎樣變化，都能保持一致的亮度，同時(shí)這些 LED 驅(qū)動(dòng)器還必須以高效率工作、提供非常寬的調(diào)光范圍、以及各種保護(hù)功能 (例如: 短路和開(kāi)路保護(hù)) 以提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這種 LED 驅(qū)動(dòng)器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決放案。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司不斷地重新定義 LED 驅(qū)動(dòng)器系列，以憑借 LT3795 等高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。此外，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 系列，該系列專門針對(duì)汽車應(yīng)用，從先進(jìn)的前向照明前燈到 LCD 背光照明，可用于多種應(yīng)用。在汽車照明系統(tǒng)不斷要求性能更高的 LED 驅(qū)動(dòng)器之際，設(shè)計(jì)師有了創(chuàng)新的 IC 解決方案以滿足他們的要求。