应用笔记 3980

下一代汽车照明电源


摘要 : 目前,汽车中大多采用LED和CCFL作为背光源,两种方案均需要特殊的供电电源。本应用笔记讨论了LED、CCFL灯源的供电方案,可理想用于汽车的内部和外部照明。

引言

纵观整个汽车照明设备的发展历史,电源始终扮演着重要角色。起初,汽车仅需要前灯,以便在黑暗中看清道路。随后,为了安全以及更好地协调不断增长的交通流量,增加了其它光源 — 尾灯、指示灯等。报警和雾灯在极端情况下提供了特殊功能。内部光源,如仪表板、顶灯、地图灯、开门灯等为驾驶员和乘客提供了便利。除了早期型号,所有这些光源均采用电能供电并且使用白炽灯泡。

最近几年,其它光源,如发光二极管(LED)以及冷阴极荧光灯(CCFL)逐渐成为了汽车的普通光源。这些新光源的关键优势是具有较长的使用寿命和更高效率。白炽灯的典型寿命为10,000小时,而荧光灯可达50,000小时,LED则高达100,000小时。使用寿命的延长提高了可靠性,并减少了维护工作,最终降低了服务成本。LED的其它优点包括低工作电压、低电磁辐射、抗机械应力强、形状设计灵活、工作温度范围宽以及亮度调节范围宽。随着LED技术的发展,用它取代其它的技术趋势也更加明显,但是,就目前的应用情况来看,CCFL仍然占据某些应用领域的优势,如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的场合。

CCFL和LED光源需要适当的供电电源,而且,不同技术具有不同的特殊要求,电源必须提供特别的应用和功能。本文为LED和CCFL光源提供了一些电源解决方案,针对不同的汽车内部和外部照明装置,讨论了具体的设计方法。

应用

内部照明

内部照明应用包括仪表盘和仪表盘背光、顶灯和地图灯、安装在门上或车体上的开门灯以及背光。由于背光显示有特别的要求,将在后面的文章中单独讨论。

所有内部的照明应用都可以使用LED作为光源。地图灯和顶灯通常使用一个高亮度LED,仪表盘和开门灯通常需要一个以上的LED串联实现。串行连接有利于避免不同LED的电流(对应颜色)失配。所有应用都需要一个集成了亮度调节功能的恒流源。图12给出了针对内部照明应用进行优化、可提供各种不同功能的电源IC。

图1. MAX16800调光电路的典型应用。工作于6.5V至40V输入范围,能够为1个或多个串联的高亮度LED提供高达350mA电流。
图1. MAX16800调光电路的典型应用。工作于6.5V至40V输入范围,能够为1个或多个串联的高亮度LED提供高达350mA电流。

MAX16800具有高输入电压范围(达40V),因此可以直接连接到汽车电池而不需要保护器件,保护器件一般用来抵御电池负载变化带来的浪涌电压。该器件能够为LED提供恒定电流,电流值可以通过与LED串联的检流电阻RSENSE设置。为了提高电流设置精度,提高对外部噪声的抑制能力,MAX16800采用了差分电流检测输入方式。

LED的色度随其电流的变化而改变,因此调整LED亮度的最好方法是通过脉宽调制(PWM)信号对一个固定电流进行斩波实现,而不是改变电流的实际幅度。MAX16800通过在器件的使能输入引脚作用一个PWM信号来调整LED亮度。通过LED的电流按照PWM信号的频率开启和关断。

电磁干扰(EMI)抑制在汽车应用中非常重要,这一设计要求与不产生EMI同等重要。对LED电流进行通、断控制时无论如何都会产生EMI辐射。因此,为了降低PWM调光时的EMI,MAX16800集成了波形整形电路,以便平滑开关信号的边沿。

图2. MAX16805/MAX16806 LED驱动器无需微控制器或开关转换器,适用于汽车内部顶灯、地图灯以及开门指示灯的应用。
图2. MAX16805/MAX16806 LED驱动器无需微控制器或开关转换器,适用于汽车内部顶灯、地图灯以及开门指示灯的应用。

很多照明系统中没有可以利用的微控制器来产生PWM调光信号,对于这种情况,可以采用MAX16805/MAX16806 LED驱动器。这两款器件均可由内部产生PWM信号,PWM信号由加在DIM输入引脚的外部模拟电压设置。不采用模拟调光时,MAX16806有一个开关输入(SW),该开关输入不仅检测开关状态,并具有去抖功能,为开关提供湿电流。

在某些照明应用中,必须密切监测LED的温度,这一点对于空间紧凑,特别是散热条件较差的系统特别重要。LED过热会降低LED的使用寿命,从而减弱了该类光源的关键优势之一。幸运的是,通过短时间调低LED亮度,在大多数应用中可以避免过热现象。为了达到这个目的,MAX16806为外部温度传感器提供了一个输入端。当检测到过热时,器件可以调低亮度,直到温度恢复到可以接受的范围。温度和亮度调节门限可以通过串口编程,并存储到EEPROM。该功能可以省去昂贵的大尺寸散热器。

MAX16805/MAX16806的内部基准用于监测反馈回路的LED电流,并且可以通过串口调整。因此,实际应用中可以对各路LED使用固定的检流电阻,简化了设备生产并降低成本。

背光显示

现在,液晶显示器(LCD)被广泛用于仪表盘、车载计算机、广播、导航系统以及娱乐系统。与上述例子不同的是:背光照明需要将光散射到尽量大的面积,而不是产生聚焦光束。

图3. DS3881 CCFL控制器具有EMI抑制功能,能够在寒冷的气候中迅速加热灯管。
图3. DS3881 CCFL控制器具有EMI抑制功能,能够在寒冷的气候中迅速加热灯管。

传统上,由于CCFL背光效率高、温度低并可提供较高的光照功率,LCD屏主要采用CCFL作为背光源。虽然CCFL控制器在汽车电子以外的领域应用非常成功(例如LCD TV或计算机监视器),但汽车环境下的设计具有特殊的挑战和需求。

由于基本的CCFL电路中包含有外部晶体管、变压器和灯管,CCFL架构存在EMI辐射源。图3给出了利用DS3881 CCFL控制器构建的CCFL灯管电源电路,该设计优化于汽车应用环境。DS3881利用扩展频谱和频率偏移技术大大降低了EMI辐射,并把噪声频谱搬移到系统不敏感的频段,从而克服了EMI辐射这一难题。

汽车电子的另一特殊要求是低温工作,DS3881具有一个特别的灯管电流过驱动模式,当温度很低时,该模式可以迅速加热灯管,从而实现快速启动。该器件还具有多种故障检测,可以监测灯管故障、灯管开路、过流、启动失效以及过压故障。

由于DS3881具有极高的集成度,只需极少的外部元件,大大降低了物料(BOM)成本并有助于简化设计。多个DS3881控制器可以级联使用,支持多灯管的大显示屏设计。所有的性能和功能均可通过引脚或串口设置,并且可以将设置存储到内部非易失存储器中。

对于小尺寸显示屏,可以选择LED阵列用于CCFL背光。多串LED面临独特的设计挑战,特别是需要在整个区域提供均匀的亮度和色彩。图4给出了一个特殊的基于LED的LCD背光电路。

图4. MAX16807/MAX16808 LED驱动器包含8路漏极开路、固定灌电流LED驱动输出,可连续工作在36V额定电压。LED电流控制电路可使不同通道间的电流匹配度达到+/-3%,并使LED驱动电流达到55mA。
图4. MAX16807/MAX16808 LED驱动器包含8路漏极开路、固定灌电流LED驱动输出,可连续工作在36V额定电压。LED电流控制电路可使不同通道间的电流匹配度达到±3%,并使LED驱动电流达到55mA。

MAX16807/MAX16808可以工作在buck、boost或SEPIC模式,具体取决于输入电压范围以及每个输出通道的LED数量。增加一个外部电阻和一个齐纳二极管可以进行抛负载测试。虽然各个通道的电流都由一个电阻设置,但每串通道的电流可以独立调整。在不增加任何外围元件的情况下,该架构可以保证每通道之间的电流匹配度优于3%。对于不同批次,每通道可以分别调节匹配度,也可以通过使能引脚统一调节各个通道。采用50Hz至30kHz的调节频率,可以实现5000:1的调光范围。为了在黑暗中以及阳光直射的情况下均可见显示器内容,汽车电子所要求的调光比较高。当亮度调节信号的开关频率范围为20kHz至1MHz时,可以避开干扰其它设备(如收音机)的频段。MAX16808集成了LED开路检测功能,这些控制器也可级联起来构成的大型LED阵列驱动电路。

外部照明

外部照明系统对安全性提出了新的要求,需要更大的照明功率。外部照明,如尾灯、指示灯或紧急事件报警灯(以及雾灯)必须确保在任何情况下有效工作,以避免严重的安全隐患。

尾灯必须有较远的穿透距离,但照射区域不能过大。用于内部照明的LED以及电流指标也适用于外部照明应用。也就是说,上述用于照明驱动的MAX16800/MAX16807/MAX16808驱动电路也可用于此类应用。由于尾灯中的LED数量多于内部照明,必须采用多个驱动芯片。多芯片驱动架构也提供了必要的冗余设计,即使在某些电路故障时仍能确保工作,同样的冗余设计也适用于指示灯及其它信号灯。

需要较高照明功率的场合,如泛光灯或雾灯,必须使用超高亮度LED (HB LED)。HB LED需要较高的驱动电流,前面讨论的产品无法提供低成本设计,需要过多的驱动芯片产生所需的电流。最好采用能驱动大电流功率管的控制器,大电流功率管可以为HB LED提供高达30A的电流,MAX16818可以满足这种设计要求(图5)。

图5. MAX16818 LED驱动器采用经过优化平均电流控制模式,能够更好地利用MOSFET的电荷、导通电阻特性,无需外部散热器即可提供高达30A的LED电流驱动。
图5. MAX16818 LED驱动器采用经过优化平均电流控制模式,能够更好地利用MOSFET的电荷、导通电阻特性,无需外部散热器即可提供高达30A的LED电流驱动。

MAX16818可以构成buck、boost以及SEPIC架构,高达1.5MHz的工作频率允许使用小尺寸外部元件。外部照明应用通常需要迅速开启或瞬间切换亮度,为达这一目的,MAX16818是首款采用Maxim技术的LED驱动器,利用专有技术能够使LED的瞬态电流响应达20A/µs。需要更高电流输出或冗余设计时,MAX16818含有一个180°延迟时钟输出,可以用来控制第二个LED驱动器。

结论

Maxim扩充了其开关模式和线性模式电源调节器,能够覆盖当前汽车照明领域的所有应用。我们不断增长的电源产品线能够为汽车照明设计人员和供应商提供完备的、长期的产品选择,满足他们的各种需求。

本文讨论的解决方案非常适合汽车常见照明设计,提供短路检测输出、热关断,并可工作在-40°C至+125°C温度范围。Maxim采用小尺寸、增强散热效果的QFN或TSSOP封装,能够方便地放置在空间紧凑的汽车照明模块中。

类似文章发表于电子系统设计2008年第1期。
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