智能照明設(shè)計的 DCDC 轉(zhuǎn)換器注意事項

許多照明應(yīng)用需要提供直流控制、高效率、脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光、電壓保護和設(shè)計簡單性的 LED 背光驅(qū)動器解決方案。驅(qū)動器拓撲主要分為三大類：線性穩(wěn)壓器、電荷泵和開關(guān)。DC/DC 轉(zhuǎn)換器基于一系列保證高效率的拓撲結(jié)構(gòu)，由于其靈活性，已在各種 LED 應(yīng)用中找到了設(shè)計空間。它們接受寬范圍的輸入電壓，從而可以達到高功率密度。

為工業(yè)、汽車和消費市場設(shè)計最佳 LED 驅(qū)動器需要清楚地了解應(yīng)用要求。

特點和拓撲結(jié)構(gòu)

評估 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一個基本考慮因素是系統(tǒng)損耗對效率的影響。必須分析兩種類型的系統(tǒng)損耗：電感器中的峰值電流引起的損耗和所謂的開關(guān)損耗，它們發(fā)生在轉(zhuǎn)換器電路的充電和放電階段。提高效率的一種方法是通過減少因有源元件和電感器引起的電阻損耗來減少電感器中流動的電流。使用的拓撲也會影響效率。

LED 驅(qū)動器的主要設(shè)計拓撲是降壓、升壓和單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 解決方案。降壓(降壓)轉(zhuǎn)換器非常簡單，是最常見的類型。降壓轉(zhuǎn)換器中使用的組件相對便宜且簡單，這使其成為成本敏感型應(yīng)用的最愛。降壓轉(zhuǎn)換器的理想輸出電壓等于開關(guān)周期與電源電壓的乘積。它可以從直流電或整流后的交流信號中獲得直流輸入。

有時，設(shè)計人員需要使用升壓(升壓)轉(zhuǎn)換器來增加電壓。升壓轉(zhuǎn)換器拓撲由四個主要元件組成：電感器、電源開關(guān)(MOSFET、IGBT 或類似器件)、二極管和電容器。

設(shè)計人員通常希望電路具有靈活性，以便相對于同一電路，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓 (Vin)。這里的解決方案相對簡單：構(gòu)建一個高效的降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，其特征是電感器與輸入電壓并聯(lián)。電感器通過二極管放電并為負載提供電流。

SEPIC 轉(zhuǎn)換器需要一個額外的電感器和一個阻塞電容器。該設(shè)計乍一看似乎令人生畏，但它對減少電磁干擾 (EMI) 很有用。SEPIC 拓撲的一個缺點是它通常需要比其他解決方案更大的體積。

另一方面，反激式驅(qū)動器用途廣泛，因為它們可用于輸入電壓高于或低于所需輸出電壓的應(yīng)用。它們可以在非雙重絕緣的系統(tǒng)中提供符合 UL 安全要求的隔離輸出。此外，可以在不顯著增加系統(tǒng)成本的情況下包含功率因數(shù)校正 (PFC)，同時仍允許通過基于標準雙向晶閘管的調(diào)光器進行調(diào)節(jié)。反激式轉(zhuǎn)換器基于升壓轉(zhuǎn)換器原理。它使用單個高壓開關(guān) MOSFET 和一個耦合電感器以及一個單輸出整流二極管來存儲能量并將其傳輸?shù)礁綦x的次級。

LED 需要精心設(shè)計的恒流源來控制亮度。更具體地說，通常用于驅(qū)動 LED 的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)的輸出電容器會對環(huán)形控制特性產(chǎn)生重大影響。因此，電容器的類型和輸出電路的配置通常是需要考慮的關(guān)鍵特性。

許多便攜式 LED 應(yīng)用都需要調(diào)光。在 LCD 背光等應(yīng)用中，調(diào)光允許調(diào)整亮度和對比度。PWM 調(diào)光是通過在減少的工作周期內(nèi)向 LED 施加全電流來實現(xiàn)的。PWM 信號的頻率必須高于 100 Hz，以確保 PWM 按鈕不被人眼看到。最大 PWM 頻率取決于電源的啟動時間和響應(yīng)時間。

ON Semiconductor 的 LV52207NXB 是一款用于白色 LED 單元的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器。它集成了一個可承受 40 V 電壓的 MOSFET。連接到端子 RT 的電阻設(shè)置最大電流。在 63.4 kΩ 時，電流為 20 mA。使用單線控制可以設(shè)置 256 級電流值。

Analog Devices 擁有廣泛的用于汽車照明應(yīng)用的 LED 驅(qū)動器集成電路產(chǎn)品線。該公司表示，其升壓、降壓、降壓-升壓和 SEPIC 拓撲可在小型封裝中提供最高效率和低噪聲。

Analog Devices 的 LTC3452是一款同步 DC/DC 降壓-升壓器件，優(yōu)化用于從單個鋰離子電池輸入驅(qū)動兩組白色 LED。五個并聯(lián) LED 可以每個低功率驅(qū)動至 25 mA，而兩個 LED 可以每個驅(qū)動至 150 mA(或單個 LED 至 300 mA)。

汽車

車載電子設(shè)備控制許多功能。例如，有些涉及雨刷系統(tǒng)，而另一些則涉及空調(diào)系統(tǒng)。電源管理系統(tǒng)不僅包括照明解決方案，還包括信息娛樂解決方案，以提供舒適和安全愉快的乘坐體驗。

對于大功率應(yīng)用，例如汽車領(lǐng)域使用的外部照明，通常使用開關(guān)穩(wěn)壓器。LED 通常需要恒定電流來產(chǎn)生相干光輸出。輸出電壓將取決于許多參數(shù)，例如 LED 制造工藝。設(shè)計人員必須準確預(yù)測最大輸出電壓以選擇最佳穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)，并因此選擇具有相關(guān)外部元件的相應(yīng) IC。

Maxim Integrated 的 MAX20090 是一款單通道高亮度 LED 驅(qū)動器，適用于遠光燈和近光燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向燈和霧燈等汽車前燈應(yīng)用。它接受 5 V 至約 60 V 的輸入電壓，以驅(qū)動一串 LED，最大輸出電壓為 65 V。該器件集成了擴展頻譜調(diào)制以提高電磁兼容性能。

汽車行業(yè)對照明電源管理提出了挑戰(zhàn)。汽車工作環(huán)境的溫度范圍很廣，會產(chǎn)生高水平的瞬變和輸入干擾。汽車行業(yè)中使用的 LED 顯示器的所有開關(guān)穩(wěn)壓器和驅(qū)動器都必須符合 AEC-Q100 標準。合規(guī)性對于實現(xiàn)高級駕駛員舒適性和安全功能至關(guān)重要，例如高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的自適應(yīng)照明和輔助功能。