LED及CCFL在汽車照明中的應(yīng)用

 在汽車發(fā)展的歷史進(jìn)程中，照明一直扮演著相當(dāng)重要的角色，一開始汽車僅配備方便在黑暗中尋找道路的前燈，不久之后，在交通流量逐漸增大的情況下出于安全與秩序的考慮，其它照明源，例如尾燈、指示燈以及其它信號(hào)燈則陸續(xù)加入，并針對(duì)一些特殊情況下加上了警告燈與霧燈，另一方面，車廂內(nèi)裝的光源，例如儀表板燈、車頂燈、地圖燈或車門踏板照明燈等也為駕駛者與乘客帶來(lái)更高的方便性。

　　除了最早期的車型外，所有這些照明都采用電源，并使用白熾燈泡，最近幾年，其它光源，例如發(fā)光二極管（Light EmittingDiode；LED）以及冷陰極管（Cold Cathode FluorescentLamps；CCFL）則逐漸應(yīng)用到汽車上，這些新光源的主要優(yōu)勢(shì)在于更長(zhǎng)的使用壽命以及更佳的發(fā)光效率，白熾燈泡的標(biāo)準(zhǔn)壽命大約在一萬(wàn)小時(shí)，熒光燈管則可以達(dá)到五萬(wàn)小時(shí)，發(fā)光二極管甚至可長(zhǎng)達(dá)十萬(wàn)小時(shí)。

　　LED壽命長(zhǎng)而且故障率極低，可以大幅降低維修的成本，LED的其它優(yōu)勢(shì)還包括低電壓運(yùn)作、低電磁發(fā)射、不受機(jī)械應(yīng)力影響、更輕薄的尺寸、寬廣的工作溫度范圍以及幅度更大的明暗調(diào)整范圍，通過(guò)LED技術(shù)的改進(jìn)，可以預(yù)期這項(xiàng)技術(shù)將逐漸取代其它光源，不過(guò)目前CCFL在部分特定應(yīng)用，例如大區(qū)域背光以及高功率非聚焦照明場(chǎng)合還是擁有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　CCFL與LED光源都需要一個(gè)電源，同時(shí)不同的技術(shù)也有各自的特殊要求，此外，這些電源也必須執(zhí)行其它特定應(yīng)用的額外功能，本文將介紹LED與CCFL光源的電源解決方案，并討論各種汽車內(nèi)裝與外部燈光應(yīng)用的設(shè)計(jì)。

　　讓該亮的地方就有燈光：車室照明

　　車室照明應(yīng)用包括了儀表板以及指示背光、車頂燈或地圖燈、車門踏板照明燈或后車廂燈以及顯示背光等，由于顯示背光有其它特殊要求，因此我們?cè)诤竺嬖偌右杂懻摗?/p>

　　所有這些汽車內(nèi)部燈光應(yīng)用都可以采用LED作為光源，雖然地圖燈與車頂燈通?？梢允褂靡活w高亮度LED來(lái)解決，但儀表板燈與車門踏板照明燈則通常需要超過(guò)一個(gè)LED串聯(lián)形成的光源，之所以采用串聯(lián)連接方式主要是為了避免不同LED間的電流不同造成顏色差異。所有應(yīng)用都必須要有內(nèi)建明暗調(diào)整功能的定電流電源，而擁有這些功能組合的一個(gè)例子為美商美信（Maxim）公司的MAX16800，這款芯片整合了所有的控制以及電流供應(yīng)電路，請(qǐng)參考圖1（a）。

　　MAX16800擁有高達(dá)40V的輸入電壓范圍，因此能夠在不需要加入保護(hù)組件的情況下直接連接到汽車電池，這些保護(hù)主要用來(lái)避免電池電路因負(fù)載突降而帶來(lái)的突波，芯片為L(zhǎng)ED提供定電流輸出，電流大小則可以通過(guò)與LED串接的感測(cè)電阻RSENSE來(lái)加以設(shè)定，請(qǐng)見(jiàn)圖1（b）。為了改善電流設(shè)定的精確度并提高對(duì)外部噪聲的抵抗能力，MAX16800采用了差動(dòng)式電流感測(cè)輸入。

　　LED的色溫會(huì)隨著流經(jīng)的電流變化，因此要控制LED的亮度最好采用定電流脈寬調(diào)制（Pulse WidthModulation；PWM）的方式，而非直接改變實(shí)際電流的大小，MAX16800通過(guò)在芯片的使能（Enable）輸入接腳加上PWM信號(hào)來(lái)控制LED的亮度，流經(jīng)LED的電流將由PWM所設(shè)定的速度進(jìn)行亮滅控制。

　　抗EMI電磁干擾能力在汽車應(yīng)用中相當(dāng)重要，同樣地也必須注意不要產(chǎn)生任何EMI，將流經(jīng)LED電流進(jìn)行開關(guān)切換就是造成EMI幅射的來(lái)源，因此，為了降低PWM運(yùn)作時(shí)所發(fā)出的EMI，MAX16800整合了波形整形電路來(lái)使切換邊緣變得平緩。

　　許多照明應(yīng)用并沒(méi)有包含可以用來(lái)產(chǎn)生明暗控制信號(hào)的微控制器，對(duì)于這類應(yīng)用就可以采用MAX16805以及MAX16806，請(qǐng)參考圖2（a）、（b）與（c），這些LED驅(qū)動(dòng)器包含了所有需要的功能，例如斜波產(chǎn)生器、脈沖偵測(cè)器、穩(wěn)壓電路、帶隙參考電路以及其它更多功能，因此可以節(jié)省微控制器或開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的需求，請(qǐng)參考圖2（a）。這兩款芯片都能夠通過(guò)加到DIM輸入的外部模擬電壓控制內(nèi)部所產(chǎn)生的PWM信號(hào)，其中MAX16806同時(shí)還提供有可以遮蔽模擬明暗控制設(shè)定的開關(guān)輸入SW（SwitchInput），這個(gè)開關(guān)輸入不僅能夠檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)，同時(shí)擁有去彈跳功能，并提供穩(wěn)定開關(guān)用的封閉電流（wetting current）。

　　在某些照明應(yīng)用中我們必須緊密地監(jiān)控LED的溫度，這在空間受限同時(shí)散熱不佳的場(chǎng)合特別重要，LED過(guò)熱會(huì)縮短其壽命，因而影響到采用這項(xiàng)光源的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，幸運(yùn)的是這個(gè)過(guò)熱情況在大部分應(yīng)用中都可以通過(guò)暫時(shí)降低LED的亮度來(lái)加以避免，要達(dá)成這個(gè)功能，MAX16806提供有外部溫度傳感器的輸入，請(qǐng)參考圖2（c），當(dāng)偵測(cè)到溫度過(guò)高情況發(fā)生時(shí)，組件會(huì)將亮度變暗，直到溫度回到可接受的范圍，溫度與明暗控制的臨界值可以通過(guò)串行接口進(jìn)行控制并存儲(chǔ)在EEPROM內(nèi)存中，這個(gè)功能讓我們可以避免使用昂貴且大型的散熱片。

　　MAX16805∕806的內(nèi)部參考電路應(yīng)用在反饋回路中來(lái)監(jiān)測(cè)LED電流，同時(shí)可以通過(guò)串行接口加以調(diào)整，這將能夠讓所有的LED串共享一個(gè)固定的感測(cè)電阻，有效簡(jiǎn)化生產(chǎn)并降低成本。

　　加強(qiáng)顯示背光

　　目前有越來(lái)越多的LCD被應(yīng)用在儀表總成、車用電腦、收音機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及娛樂(lè)系統(tǒng)上，用來(lái)顯示信息，和以上的例子不同，背光主要是將光分散在大區(qū)域面積上而非產(chǎn)生一個(gè)聚焦光束。

　　傳統(tǒng)上LCD面板使用CCFL燈管作為背光源，主要是這項(xiàng)技術(shù)擁有良好效率、低溫以及高照明能力等優(yōu)勢(shì)，雖然CCFL控制器在非汽車類應(yīng)用中，例如液晶電視或液晶顯示器上相當(dāng)成功，但汽車的工作環(huán)境卻對(duì)這項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)特殊的挑戰(zhàn)與要求，為了讓元件數(shù)減少，CCFL控制器必須包含包括如EMI抑制、燈管電流過(guò)度驅(qū)動(dòng)（overdrive）能力，以及將接腳數(shù)降到最低的串行控制接口、各信道燈管失效監(jiān)測(cè)、燈管頻率與DPWM控制用精確內(nèi)建振蕩電路以及其它功能等，這類解決方案有美信（Maxim）公司的DS3881，請(qǐng)參考圖3（a），其只需少許的外加電路，就能夠組合出完整的CCFL電源控制子系統(tǒng)，請(qǐng)參考圖3（b）。DS3881主要針對(duì)汽車應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)，由于所采用的基礎(chǔ)電路組態(tài)，因此外部晶體管、變壓器以及燈管本身就形成了EMI的噪聲來(lái)源，DS3881通過(guò)使用展頻與頻率偏移技術(shù)來(lái)降低EMI發(fā)射，并將任何未移除噪聲移到非關(guān)鍵頻帶來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

　　汽車應(yīng)用的另一個(gè)獨(dú)特要求是能夠在低溫下工作，DS3881擁有特殊的燈管電流過(guò)度驅(qū)動(dòng)模式，可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管，帶來(lái)幾乎立即激活的效果，這款產(chǎn)品同時(shí)擁有大量的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能，例如燈管失效、燈管開路、過(guò)電流、激活失敗以及過(guò)電壓等情況。

　　汽車應(yīng)用的另一個(gè)獨(dú)特要求是能夠在低溫下工作，DS3881擁有特殊的燈管電流過(guò)度驅(qū)動(dòng)模式，可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管，帶來(lái)幾乎立即激活的效果，這款產(chǎn)品同時(shí)擁有大量的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能，例如燈管失效、燈管開路、過(guò)電流、激活失敗以及過(guò)電壓等情況。

　　由于具有高度整合的特性，DS3881只需搭配相當(dāng)少的外部元件，因此能夠降低材料成本并簡(jiǎn)化量產(chǎn)流程，對(duì)于需要超過(guò)一根燈管的大型顯示應(yīng)用，則可以直接將多個(gè)DS3881控制器加以串接，所有的功能都能夠通過(guò)電路聯(lián)機(jī)或串行接口進(jìn)行控制，而設(shè)定值則可以存儲(chǔ)在內(nèi)建的非揮發(fā)性內(nèi)存中。

　　對(duì)于較小型的顯示面板，就可以使用LED矩陣來(lái)取代CCFL背光，不過(guò)使用多個(gè)LED串也會(huì)帶來(lái)相對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其中最明顯的是如何能夠在整個(gè)區(qū)域提供一致的照明與色彩輸出。推動(dòng)LED背光矩陣的一個(gè)方式是采用內(nèi)含8個(gè)LED驅(qū)動(dòng)通道，分別可以提供55mA電流輸出的MAX16807與MAX16808，請(qǐng)參考圖4（a），圖4（b）則顯示了采用MAX16807的典型電路如何簡(jiǎn)化系統(tǒng)，只需少數(shù)幾個(gè)元件就能夠完成背光驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　MAX16807∕808可以應(yīng)用在降壓、升壓或SEPIC模式下，依輸入電壓范圍以及每個(gè)輸出上所串聯(lián)的LED數(shù)量而定，加上一個(gè)外部電阻以及一個(gè)齊納二極管就可以讓組件不受負(fù)載突降的影響。雖然所有LED串的電流只通過(guò)一個(gè)電阻控制，但是每個(gè)LED串的電流也可以獨(dú)立控制，這樣的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到每個(gè)LED串間±3%以下的電流匹配誤差，不需外加任何元件。

　　由于每個(gè)LED串可以獨(dú)立進(jìn)行控制來(lái)調(diào)整相互間不匹配的情形，因此所有LED串的明暗可以同時(shí)通過(guò)使能（Enable）接腳加以控制，通過(guò)50Hz到30kHz的明暗控制頻率范圍，可以達(dá)到5000：1的明暗比變化，這么高的明暗比對(duì)必須在黑暗以及明亮陽(yáng)光照射下還能輕松檢視的汽車顯示相當(dāng)重要，由20kHz到1MHz的可調(diào)切換頻率范圍更讓我們可以選擇不會(huì)與系統(tǒng)中其它部分，例如收音機(jī)接收器干擾的頻率，此外，MAX16808更加入了LED開路錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)等功能，這些控制器也可以通過(guò)串接來(lái)推動(dòng)較大的LED矩陣。

　　外部照明需求

　　外部照明應(yīng)用帶來(lái)了安全性與維護(hù)等新問(wèn)題，因此需要更高功率的照明，外部照明，例如尾燈、剎車指示燈以及緊急警告燈或霧燈等，都必須能夠正常運(yùn)作以避免發(fā)生嚴(yán)重的安全問(wèn)題，尾燈必須在遠(yuǎn)距離就能看清，同時(shí)不會(huì)對(duì)大區(qū)域提供照明，因此汽車內(nèi)部照明所使用的相同LED與電流規(guī)格也可以使用在這些外部照明應(yīng)用上，這代表了以上所討論，針對(duì)內(nèi)部照明應(yīng)用設(shè)計(jì)的MAX16800、807與808驅(qū)動(dòng)芯片也可以應(yīng)用在這些場(chǎng)合，由于尾燈所使用的LED數(shù)量通常高于內(nèi)裝應(yīng)用，因此必須使用多顆驅(qū)動(dòng)芯片，使用多顆驅(qū)動(dòng)芯片同時(shí)還可以帶來(lái)單一線路失效仍能保證運(yùn)作的容錯(cuò)備用功能，相同的作法也可以應(yīng)用在剎車指示燈或其它信號(hào)燈的設(shè)計(jì)上。

　　對(duì)于需要高照明功率，例如照明燈或霧燈等應(yīng)用就必須使用多個(gè)高亮度LED（High BrightLED；HBLED），但是高亮度LED卻需要超高驅(qū)動(dòng)電流，要產(chǎn)生所需的電流會(huì)使用太多的驅(qū)動(dòng)芯片，因此較簡(jiǎn)單的解決方案是使用可以推動(dòng)高電流晶體管的控制器，為高亮度LED提供高達(dá)30A的電流，這類組件的一個(gè)范例為MAX16818，請(qǐng)參考圖5。

　　MAX16818可以以降壓、升壓以及SEPIC模式運(yùn)作，同時(shí)高達(dá)1.5MHz的寬廣切換頻率范圍更使得它可以搭配小型外接元件，外部照明應(yīng)用通常需要快速激活或立即切換亮度，為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，MAX16818是美信（Maxim）公司第一款可以達(dá)到20A∕ms快速電流切換的LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，如果需要更高的電流或容錯(cuò)備用能力，MAX16818擁有一個(gè)180°的延遲脈沖輸出，可以用來(lái)控制第二顆LED驅(qū)動(dòng)器。

　　以上提出的所有解決方案都能夠滿足包括短路安全輸出、溫度過(guò)熱關(guān)機(jī)以及-40℃到+125℃工作的汽用應(yīng)用要求，這些產(chǎn)品以小型強(qiáng)化散熱的QFN或TSSOP封裝形式，可以簡(jiǎn)單地安排在汽車照明應(yīng)用中空間受限的電子模塊里。