汽車LED照明應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)解決方案分析

發(fā)布時(shí)間：2009-5-13 20:32 發(fā)布者：李寬

關(guān)鍵詞： LED , 方案 , 汽車 , 驅(qū)動(dòng) , 應(yīng)用

LED照明在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，例如車后燈組(RCL)、頭燈、日間行車燈、信號(hào)燈及第三煞車燈(CHMSL)等，而該趨勢(shì)正同時(shí)出現(xiàn)在原設(shè)備制造商及零件市場(chǎng)燈具供應(yīng)商領(lǐng)域。在驅(qū)動(dòng)車用LED照明方面，市面上有不少適合的開關(guān)電源供應(yīng)拓?fù)淇梢允褂�，但最終的選擇還是取決于LED對(duì)電壓和電流的需求，以及必須符合系統(tǒng)的整體目標(biāo)。對(duì)于那些供電電壓遠(yuǎn)高于負(fù)載電壓的應(yīng)用，降壓轉(zhuǎn)換器可以說是最理想的選擇，原因是它可為L(zhǎng)ED負(fù)載提供穩(wěn)定及持續(xù)不斷的輸出電流。相反地，假若總LED電壓高于系統(tǒng)的供電電壓時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員便須運(yùn)用升壓/降壓混合拓?fù)浠蚣兩龎和負(fù)�。然而，在某些情況下，LED的電源電壓可以高于、相等或低于負(fù)載電壓，這時(shí)設(shè)計(jì)人員便可能需要運(yùn)用SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)拓?fù)�。本文將�?huì)引用美國國家半導(dǎo)體的LM3406降壓穩(wěn)壓器及LM3421控制器作為例，并透過不同的拓?fù)渑渲梅绞�，包括降壓、升壓、降�?升壓及SEPIC去闡述個(gè)別拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。采用串聯(lián)及并聯(lián)安排的LED車后燈組
LED在汽車方面的其中一種比較普遍的應(yīng)用是尾燈/閃燈組合，也被稱作車后燈組。對(duì)于那些典型正激電壓(VF)為3V的LED，當(dāng)流經(jīng)它們的直流電壓為12-14Vdc時(shí)，便可能需要使用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器作為解決方案。在最低電壓為12V下，只能讓3個(gè)LED以串聯(lián)方式連接，假若所有LED的總電壓超過12V時(shí)，便需采用串聯(lián)/并聯(lián)方式(圖1)。

圖 1. 同時(shí)運(yùn)用串聯(lián)/并聯(lián)的排列方式。

對(duì)于需要進(jìn)行調(diào)光及閃燈的應(yīng)用而言，有幾種方法可以用來切斷LED燈串的電源，最常用的方式之一是脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光控制，通常以專用信號(hào)來控制燈光的輸出亮度，因?yàn)樾枰诰€路系統(tǒng)中加一條專用線路作為調(diào)光的用途，因此不太適合汽車應(yīng)用。另外一種方式是所謂雙線調(diào)光，當(dāng)中供給LED驅(qū)動(dòng)器的電源會(huì)周期性地被中斷以控制明暗。美國國家半導(dǎo)體的LM3406便是其中一款內(nèi)置了這種功能的器件(可在http://www.national.com/analog/led 獲取更多有關(guān)LM3406及LED WENEBCH的信息)。圖2所示為L(zhǎng)M3406的應(yīng)用電路圖。

圖 2. LM3406 的雙線調(diào)光配置。

這種方式有三大優(yōu)點(diǎn)。第一，LM3406的輸入電壓感測(cè)引腳(VINS)可排除使用專用調(diào)光信號(hào)，使得LED燈串的PWM調(diào)光可通過調(diào)節(jié)LM3406的電源來實(shí)現(xiàn)。第二，至關(guān)重要的一點(diǎn)在于，阻流二極體（blockingdiode）D2可允許電路保留輸入電容器CIN，正如在非雙線調(diào)光解決方案中一樣，基于降壓穩(wěn)壓器的非連續(xù)性輸入電流，可保留輸出電容器。第三，這種配置方式可讓器件本身維持驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，無需在調(diào)光周期完結(jié)后再完全重新啟動(dòng)。這種標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光方式所需的附加零件包括阻流二極管D2、VINS下拉電阻器 RPD及切斷開關(guān)S1所需的零件。
采用升壓/降壓混合拓?fù)涞拇?lián)LED車后燈組實(shí)例
將LED燈串以并排方式連接能夠大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，原因在于這種安排能使LED的功率級(jí)直接采用12-14Vdc直流電源軌進(jìn)行運(yùn)行�？墒�，這種將串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合在一起的配置方法也有其缺點(diǎn)。當(dāng)閱讀LED制造商的數(shù)據(jù)表時(shí)，有兩個(gè)數(shù)據(jù)至關(guān)重要：一是LED的光輸出與其流經(jīng)的電流大小成比例，另一個(gè)是LED的動(dòng)態(tài)電阻會(huì)隨著正激電壓VF而改變。制造商以bin值表示LED的VF、光通量、與顏色（或色溫），例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51V（25 °C時(shí)）范圍的LED，當(dāng)涵蓋整個(gè)bin值范圍時(shí)可以變?yōu)?.8V至4.2V，因?yàn)長(zhǎng)ED制造商一般都會(huì)向客戶銷售多種bin值的LED，對(duì)多數(shù)設(shè)計(jì)人員而言，假設(shè)所有LED都有接近的VF值是不切實(shí)際的。

圖 3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

VF變化的影響可從以下例子中看到。圖3所示為一個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)中包含兩個(gè)不同的設(shè)置。第一個(gè)設(shè)置采用四個(gè)LED，每一個(gè)均擁有獨(dú)立的電流源，而另一個(gè)設(shè)置則將四個(gè)LED并排連接以共用一個(gè)電流源。表1中的數(shù)據(jù)是于25°C下并于開啟電源后5秒內(nèi)錄取，目的是把LED的自我加熱效應(yīng)降至最低。

從上述數(shù)據(jù)可見當(dāng)采用并排連接方式時(shí)，LED的VF變化會(huì)導(dǎo)致電流不平均地分配。即使是同一級(jí)bin的LED都會(huì)出現(xiàn)類似的反應(yīng)，使得在并聯(lián)方式中的個(gè)別燈串無法獲得相同的電流。改善并聯(lián)燈串電流分配的其中一個(gè)方法是在每條燈串上加裝一個(gè)鎖流電阻器(ballastresistor)，雖然該方法有助電流平均分配，但缺點(diǎn)是鎖流電阻器所消耗的電流會(huì)導(dǎo)致效率下降。
假若系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)上述有所顧慮，最好還是采用單一串聯(lián)的方式。對(duì)于這種解決方案，設(shè)計(jì)人員仍然可采用LM3406，但系統(tǒng)的復(fù)雜度則難免會(huì)提高，因?yàn)樾枰碌那岸藖磔斔透哂?2-14V的電源電壓給LED驅(qū)動(dòng)器，然后LED驅(qū)動(dòng)器將這新生電壓降下來供應(yīng)給單一LED燈串。這種作法可透過在直流電源和LM3406之間加入一個(gè)升壓直流/直流功率級(jí)來完成，正如圗4所見。配合這種拓?fù)�，所有串�?lián)在一起的LED便可獲分配相同大小的電流，即使它們的VF不盡相同。

圖 4. 升壓及降壓混合拓?fù)?/i>

此時(shí)，我們的腦海中可能出現(xiàn)一個(gè)問題：為何要加入降壓功率級(jí)，而不干脆使用升壓穩(wěn)壓器去運(yùn)作？這兩種拓?fù)?jù)之間的一個(gè)最重要分別是輸出電容器：升壓穩(wěn)壓器必須采用輸出電容器，而降壓穩(wěn)壓器則不一定需要。毫無疑問，LED能夠成功地被升壓級(jí)驅(qū)動(dòng)(以下將會(huì)證明這點(diǎn))，但如果系統(tǒng)需要調(diào)光，那么輸出電容器便可能成為障礙。當(dāng)穩(wěn)壓器進(jìn)入“調(diào)光”模式后便會(huì)停止向LED供電，但如果電路包含輸出電容器，它便可繼續(xù)為L(zhǎng)ED提供電流。如此，系統(tǒng)在LED真正熄滅前便需額外的時(shí)間讓輸出電容器放電。此外，當(dāng)遇上負(fù)載突降時(shí)，LED可能會(huì)感受很大的線路電壓，而僅僅一個(gè)升壓穩(wěn)壓器實(shí)不足提供保護(hù)。相反地，在升壓及降壓混合拓?fù)渲�，降壓穩(wěn)壓器(這里是指LM3406) 可以免于高電壓的損壞或系統(tǒng)崩解。
采用升壓穩(wěn)壓器的頭燈設(shè)計(jì)實(shí)例
在汽車的另一端，頭燈與日間行車燈也逐漸成為L(zhǎng)ED替換的熱門選項(xiàng)。這類典型應(yīng)用通常需要把10個(gè)白光LED連成一串。對(duì)于典型VF為4V的LED而言，假若設(shè)計(jì)人員不愿意采用串并聯(lián)的混合安排，便可能需采用某種形式的升壓直流/直流級(jí)去驅(qū)動(dòng)LED，而假若需降低功率級(jí)的復(fù)雜度，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器便大派用場(chǎng)。
圖5所示為一個(gè)采用了LM3421的10盞LED應(yīng)用(詳細(xì)資料可在http://www.national.com/analog/led查詢)，當(dāng)中的多功能低邊MOSFET控制器可視為升壓功率級(jí)的其中一部份。

圖 5. 采用LM3421構(gòu)成的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)10盞LED

這種拓?fù)涞囊粋€(gè)特色是電流感測(cè)會(huì)于LED的高邊完成，使得串尾LED的陰極能夠就地接地至車身底盤并使感測(cè)電壓以差動(dòng)信號(hào)形式反饋回電路。這可說是一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，尤其當(dāng)LED燈串和電路之間的距離很遠(yuǎn)。
采用SEPIC穩(wěn)壓器的頭燈設(shè)計(jì)實(shí)例
雖然汽車電氣系統(tǒng)一般在12-14 Vdc范圍內(nèi)運(yùn)作，有些特殊情況下，系統(tǒng)零件的電壓會(huì)高于或低于這個(gè)水平。舉例而言，當(dāng)冷車啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)所獲得的電壓可以是4.5V或更低，相反于負(fù)載突降的情況下，電壓則可能高至40到60V。若LED必須在這些情況下運(yùn)作且受保護(hù)，設(shè)計(jì)人員可能需要選用另一種功率級(jí)設(shè)計(jì)，使得不管LED的供電電壓是多少都可為L(zhǎng)ED提供穩(wěn)定的電流。SPEIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)拓?fù)涫且环N可同時(shí)運(yùn)行升壓及降壓的開關(guān)穩(wěn)壓器配置，正如圙6中所示。

圖 6. SEPIC 轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)?/i>
雖然SEPIC轉(zhuǎn)換器的效率不如降壓穩(wěn)壓器或升壓穩(wěn)壓器，但它也有其優(yōu)點(diǎn)。SEPIC除了同時(shí)擁有升壓及降壓的能力外，另一個(gè)極受汽車應(yīng)用青睞的優(yōu)點(diǎn)在于其CSEPIC電容器，它可為輸入與輸出之間提供非常有效的隔離。然而，SEPIC轉(zhuǎn)換器最明顯的缺點(diǎn)是需要兩個(gè)電感器才能運(yùn)作。然而，兩個(gè)電感可以同心圓方式纏繞成對(duì)立的兩個(gè)分離元件（這是能夠同時(shí)兼顧方案尺寸及成本的最佳方法），這個(gè)「電感恐懼癥」就可以輕易地被治愈。相關(guān)電路范例參見圖7，其中也采用了LM3421控制器。

圖 7. SEPIC配置中的LM3421

結(jié)論
當(dāng)驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有許多種選擇，這取決于所需的LED數(shù)量與型號(hào)、照明要求、以及所需的系統(tǒng)特性，必須有一種拓?fù)浞绞娇晒┻x用。由于可用的拓?fù)浞绞桨ㄉ龎�、降壓、或兩者皆可，LED燈串可以偏離汽車電源的范圍運(yùn)行而不須受限于12-14 V，若設(shè)計(jì)人員選擇在12-14V范圍內(nèi)運(yùn)作，則可以使用降壓穩(wěn)壓器，如此一來，即使所有LED的總VF超過系統(tǒng)供應(yīng)的直流電壓也同樣不成問題。若偏好完全串聯(lián)的方式，而不采用串聯(lián)/并聯(lián)設(shè)計(jì)，便可采用升壓與降壓穩(wěn)壓器組合，也可以僅用升壓穩(wěn)壓器。此外，假若LED需要在特殊情況下運(yùn)作且受保護(hù)，可以使用SEPIC拓?fù)�，其可依�?jù)輸入電壓與所需之輸出電壓來決定降壓或升壓。最后，除了不同的拓?fù)浞绞酵�，也有許多IC解決方案可以使用，例如美國國家半導(dǎo)體的LM3406與 LM3421，便可有效地成為L(zhǎng)ED照明的穩(wěn)定電流穩(wěn)壓器。

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