应用笔记 4393

为汽车照明应用选择HB LED驱动器


摘要 : 本文讨论了如何针对汽车照明应用合理选择HB LED驱动器,介绍了不同类型的HB LED驱动器拓扑,并根据各种汽车照明设计(包括:内部照明、外部照明、显示器背光等)的要求给出了推荐配置。

引言

随着消费者环保理念的加强,固态照明(SSL)方案迅速成为通用照明及汽车照明应用中首选的照明技术。按照市场调研公司Strategies Unlimited的预测,通用照明、背光及汽车应用将是高亮度LED (HB LED)市场在今后几年的主要增长动力,到2011年,HB LED驱动器IC的整个市场规模将会达到19亿美元¹。

与传统的照明技术相比,HB LED具有几个关键优势:它们不含任何有害物质,例如CCFL中的汞元素;消耗较低的功率而且具有更长的使用寿命。另外,HB LED比传统方案具有更高的成本竞争优势,大大降低了系统的整体成本(例如:运行和维护成本)。

当然,HB LED的使用也面临一些特殊挑战,特别是汽车等嘈杂的工作环境。本文讨论了HB LED驱动器选择的基本原则,比较了不同的驱动器拓扑,针对不同的汽车照明应用提供了推荐配置方案,其中包括:汽车顶灯、日间行驶灯(DRL)、尾灯(RCL)、雾灯和近光灯/远光灯等。

HB LED需要恒流驱动

HB LED驱动器电路用于管理HB LED的供电,驱动电路保持恒定的电流和最小的电压波动非常关键。过大的驱动电流会提高HB LED的结温,加快HB LED的退化。

照明应用中,为了获得更高的流明,需要使用大功率HB LED。这些HB LED的正向导通电流一般为350mA到1A以上。白光、蓝光和绿光HB LED的正向电压在2.8至4.5V范围内,红光和琥珀光HB LED的正向电压在2.3至3.5V范围。

为了保持固定的色谱和亮度,HB LED驱动必须满足特定的额定电流要求。用电压源驱动HB LED、串联电阻限流,可能产生不可接受的亮度及光谱的变化。

HB LED亮度调节

HB LED的发光颜色会随着电流的变化而发生变化,因此,采用脉宽调制(PWM)方式对固定电流进行调节效果优于调节实际电流的幅度,即将直流电流保持在HB LED厂商规定的固定值,按照一定的频率和占空比进行电流斩波,利用脉宽调制调节亮度可以在不同的亮度等级保持一致的光谱。为了避免视觉闪烁,调光频率应高于100Hz。调光范围取决于HB LED驱动器所允许的最小占空比。

大部分HB LED驱动器需要由微控制器或外部定时器产生亮度控制信号。MAX16806等HB LED驱动器则由内部产生PWM信号,通过DIM输入端作用的外部电压进行调制(图1)。这种配置在汽车内部照明等应用中可以省去外部微控制器或开关模式转换器。

图1. 350mA线性HB LED驱动器IC MAX16806能够省去微控制器或开关模式转换器
图1. 350mA线性HB LED驱动器IC MAX16806能够省去微控制器或开关模式转换器

汽车内部照明的最佳选择—线性驱动器

驱动HB LED的最佳方案是使用恒流源。实现恒流源的简单电路是:用一个MOSFET与HB LED串联,对HB LED的电流进行检测并将其与基准电压相比较,比较信号反馈到运算放大器,进而控制MOSFET的栅极。这种电路如同一个理想的电流源,可以在正向电压、电源电压变化时保持固定的电流。

线性驱动器相对于开关模式驱动器的优点是:电路结构简单,易于实现,因为没有高频开关,所以也不需要考虑EMI问题。此外,线性驱动器的外围元件少,可有效降低系统的整体成本。

线性HB LED驱动器IC,例如:MAX16806,内部集成了MOSFET和高精度基准,能够使每串LED保持一致的亮度(图1)。例如:MAX16806所要求的输入电压只需比HB LED总压降高出1V。利用外部检流电阻测量HB LED的电流,从而在输入电压或LED正向电压变化时,MAX16806能够保证输出恒定的电流。

线性驱动器的功耗等于HB LED电流乘以内部(或外部)串联调整管的压降。当HB LED电流或输入电源电压增大时,功耗也会增大,从而限制了线性驱动器的应用。由于过热会影响HB LED的使用寿命—这也是这类灯源的一个缺陷—限制灯管的功耗非常重要。

值得庆幸的是,可以通过调节HB LED的亮度避免出现过热。为了降低功耗,MAX16806对输入电压进行监测,如果输入电压超过预先设定值,它将减小HB LED的驱动电流以降低功耗。该项功能可以在某些应用中避免使用开关电源,例如:汽车顶灯或DRL等,这些应用中通常会在出现不正常的高电池电压时将灯光调暗。

汽车外部照明的理想选择—开关模式降压驱动器

当输入电压远远高于串联HB LED的总压降时,最好使用开关模式降压(buck)转换驱动器(图2),能够使功耗降至最低,从而获得较高的驱动器效率。

图2. 利用开关模式降压转换驱动器降低功耗并提高照明组件的驱动效率
图2. 利用开关模式降压转换驱动器降低功耗并提高照明组件的驱动效率

与用于驱动HB LED的一般buck控制器不同,MAX16819MAX16820MAX16822MAX16832 HB LED驱动器采用滞回控制,没有控制环路补偿,从而简化了设计,有助于减少外部器件数量。集成高压电流检测放大器,能够工作在高达2MHz的开关频率,有效降低电路板空间和元件数量,可理想用于汽车前后部的照明(RCL、DRL、雾灯/近光灯)。

汽车前灯的理想选择—开关模式buck-boost (SEPIC)驱动器

当输入电压高于或低于HB LED的总导通电压时,必须使用buck-boost模式驱动器。在buck-boost配置中,需要一个浮动的电流检测放大器检测并调节HB LED电流。另外还需要提供额外的保护,例如过压保护,在HB LED发生开路或短路失效时保护系统不被损坏。对于汽车前灯中的大功率LED,输入电压的变化范围可能在5.5V (冷启动)至24V (电池倍压),此时,比较理想的选择是buck-boost电路。驱动器还必须能够承受40V以上的抛负载峰值电压。

高度集成的HB LED驱动器,例如:MAX16812MAX16831,在汽车前灯设计中有助于减少元件数量、降低成本。例如:MAX16812内部集成了差分电流检测放大器和额定电压为76V的0.2Ω功率MOSFET,用于控制单串HB LED的电流(图3)。此外,内部调光MOSFET驱动器在抛负载时可以自动关闭LED串的电源,增强了系统的可靠性。

图3. 当输入电压可能高于或低于串联HB LED的总电压时,应该选择buck-boost驱动器拓扑
图3. 当输入电压可能高于或低于串联HB LED的总电压时,应该选择buck-boost驱动器拓扑

汽车中的LCD背光方案—开关模式boost驱动器

如果输入电压始终低于HB LED串的总电压,则需要使用boost转换器。在2010年的新车型中,普遍增加了平视显示器,升压转换器非常适合这类应用或LCD背光。这些应用需要3000:1的亮度调节范围,以适应车内宽范围的环境光照条件。驱动器必须提供一个额外的调光MOSFET驱动器,以便在极短的时间内接通/关闭LED。调光MOSFET还能够在抛负载时保护LED。

图4所示HB LED驱动器电路用于汽车中LCD背光,MAX16834集成了高边检流放大器、PWM调光MOSFET驱动器和高度可靠的保护电路,大大简化了LCD背光电路的设计。该款HB LED驱动器能够提供3000:1 PWM调光范围,输入电压范围为4.75V至28V,在冷启动和抛负载状况下确保稳定工作。

图4. 具有3000:1较宽调光范围的boost驱动器,内置保护电路,可理想用于汽车娱乐设施的LCD背光。
图4. 具有3000:1较宽调光范围的boost驱动器,内置保护电路,可理想用于汽车娱乐设施的LCD背光。

结论

合理选择HB LED驱动器需要了解具体LED照明装置的要求,以优化系统设计。设计人员首先需要确定电参数,例如:输入电压、LED电流、LED正向导通电压以及这些参数的变化范围。安全性、EMI、热管理、机械性能以及可以利用的电路板面积也是必须考虑的因素。

线性驱动器比较适合低成本、低EMI应用,例如:汽车内部照明,设计简单。开关型驱动器则适用于大功率、高效率和宽输入电压范围等应用场合,例如:汽车的外部照明,但成本较高,需要考虑EMI问题。

Maxim针对不同应用提供广泛的HB LED驱动解决方案,能够在汽车固态照明中减小系统尺寸,降低设计复杂度和成本。所有汽车照明方案均可工作在-40°C至+125°C温度范围,并且满足汽车应用中对短路保护和热关断的要求。



参考文献
¹Strategies Unlimited, The Market for High-Brightness LEDs in Lighting: Application Analysis and Forecast—2007 (January 2007).

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