下一代汽車照明電源

引言

縱觀整個汽車照明設(shè)備的發(fā)展歷史，電源始終扮演著重要角色。起初，汽車僅需要前燈，以便在黑暗中看清道路。隨后，為了安全以及更好地協(xié)調(diào)不斷增長的交通流量，增加了其它光源 — 尾燈、指示燈等。報警和霧燈在極端情況下提供了特殊功能。內(nèi)部光源，如儀表板、頂燈、地圖燈、開門燈等為駕駛員和乘客提供了便利。除了早期型號，所有這些光源均采用電能供電并且使用白熾燈泡。

最近幾年，其它光源，如發(fā)光二極管(LED)以及冷陰極熒光燈(CCFL)逐漸成為了汽車的普通光源。這些新光源的關(guān)鍵優(yōu)勢是具有較長的使用壽命和更高效率。白熾燈的典型壽命為10,000小時，而熒光燈可達50,000小時，LED則高達100,000小時。使用壽命的延長提高了可靠性，并減少了維護工作，最終降低了服務(wù)成本。LED的其它優(yōu)點包括低工作電壓、低電磁輻射、抗機械應(yīng)力強、形狀設(shè)計靈活、工作溫度范圍寬以及亮度調(diào)節(jié)范圍寬。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，用它取代其它的技術(shù)趨勢也更加明顯，但是，就目前的應(yīng)用情況來看，CCFL仍然占據(jù)某些應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的場合。

CCFL和LED光源需要適當(dāng)?shù)墓╇婋娫?，而且，不同技術(shù)具有不同的特殊要求，電源必須提供特別的應(yīng)用和功能。本文為LED和CCFL光源提供了一些電源解決方案，針對不同的汽車內(nèi)部和外部照明裝置，討論了具體的設(shè)計方法。

應(yīng)用

內(nèi)部照明

內(nèi)部照明應(yīng)用包括儀表盤和儀表盤背光、頂燈和地圖燈、安裝在門上或車體上的開門燈以及背光。由于背光顯示有特別的要求，將在后面的文章中單獨討論。

所有內(nèi)部的照明應(yīng)用都可以使用LED作為光源。地圖燈和頂燈通常使用一個高亮度LED，儀表盤和開門燈通常需要一個以上的LED串聯(lián)實現(xiàn)。串行連接有利于避免不同LED的電流(對應(yīng)顏色)失配。所有應(yīng)用都需要一個集成了亮度調(diào)節(jié)功能的恒流源。圖1和2給出了針對內(nèi)部照明應(yīng)用進行優(yōu)化、可提供各種不同功能的電源IC。

MAX16800具有高輸入電壓范圍(達40V)，因此可以直接連接到汽車電池而不需要保護器件，保護器件一般用來抵御電池負載變化帶來的浪涌電壓。該器件能夠為LED提供恒定電流，電流值可以通過與LED串聯(lián)的檢流電阻RSENSE設(shè)置。為了提高電流設(shè)置精度，提高對外部噪聲的抑制能力，MAX16800采用了差分電流檢測輸入方式。

LED的色度隨其電流的變化而改變，因此調(diào)整LED亮度的最好方法是通過脈寬調(diào)制(PWM)信號對一個固定電流進行斬波實現(xiàn)，而不是改變電流的實際幅度。MAX16800通過在器件的使能輸入引腳作用一個PWM信號來調(diào)整LED亮度。通過LED的電流按照PWM信號的頻率開啟和關(guān)斷。

電磁干擾(EMI)抑制在汽車應(yīng)用中非常重要，這一設(shè)計要求與不產(chǎn)生EMI同等重要。對LED電流進行通、斷控制時無論如何都會產(chǎn)生EMI輻射。因此，為了降低PWM調(diào)光時的EMI，MAX16800集成了波形整形電路，以便平滑開關(guān)信號的邊沿。

很多照明系統(tǒng)中沒有可以利用的微控制器來產(chǎn)生PWM調(diào)光信號，對于這種情況，可以采用MAX16805/MAX16806 LED驅(qū)動器。這兩款器件均可由內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號，PWM信號由加在DIM輸入引腳的外部模擬電壓設(shè)置。不采用模擬調(diào)光時，MAX16806有一個開關(guān)輸入(SW)，該開關(guān)輸入不僅檢測開關(guān)狀態(tài)，并具有去抖功能，為開關(guān)提供濕電流。

在某些照明應(yīng)用中，必須密切監(jiān)測LED的溫度，這一點對于空間緊湊，特別是散熱條件較差的系統(tǒng)特別重要。LED過熱會降低LED的使用壽命，從而減弱了該類光源的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。幸運的是，通過短時間調(diào)低LED亮度，在大多數(shù)應(yīng)用中可以避免過熱現(xiàn)象。為了達到這個目的，MAX16806為外部溫度傳感器提供了一個輸入端。當(dāng)檢測到過熱時，器件可以調(diào)低亮度，直到溫度恢復(fù)到可以接受的范圍。溫度和亮度調(diào)節(jié)門限可以通過串口編程，并存儲到EEPROM。該功能可以省去昂貴的大尺寸散熱器。

MAX16805/MAX16806的內(nèi)部基準(zhǔn)用于監(jiān)測反饋回路的LED電流，并且可以通過串口調(diào)整。因此，實際應(yīng)用中可以對各路LED使用固定的檢流電阻，簡化了設(shè)備生產(chǎn)并降低成本。

背光顯示

現(xiàn)在，液晶顯示器(LCD)被廣泛用于儀表盤、車載計算機、廣播、導(dǎo)航系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)。與上述例子不同的是：背光照明需要將光散射到盡量大的面積，而不是產(chǎn)生聚焦光束。

傳統(tǒng)上，由于CCFL背光效率高、溫度低并可提供較高的光照功率，LCD屏主要采用CCFL作為背光源。雖然CCFL控制器在汽車電子以外的領(lǐng)域應(yīng)用非常成功(例如LCD TV或計算機監(jiān)視器)，但汽車環(huán)境下的設(shè)計具有特殊的挑戰(zhàn)和需求。

由于基本的CCFL電路中包含有外部晶體管、變壓器和燈管，CCFL架構(gòu)存在EMI輻射源。圖3給出了利用DS3881CCFL控制器構(gòu)建的CCFL燈管電源電路，該設(shè)計優(yōu)化于汽車應(yīng)用環(huán)境。DS3881利用擴展頻譜和頻率偏移技術(shù)大大降低了EMI輻射，并把噪聲頻譜搬移到系統(tǒng)不敏感的頻段，從而克服了EMI輻射這一難題。

汽車電子的另一特殊要求是低溫工作，DS3881具有一個特別的燈管電流過驅(qū)動模式，當(dāng)溫度很低時，該模式可以迅速加熱燈管，從而實現(xiàn)快速啟動。該器件還具有多種故障檢測，可以監(jiān)測燈管故障、燈管開路、過流、啟動失效以及過壓故障。

由于DS3881具有極高的集成度，只需極少的外部元件，大大降低了物料(BOM)成本并有助于簡化設(shè)計。多個DS3881控制器可以級聯(lián)使用，支持多燈管的大顯示屏設(shè)計。所有的性能和功能均可通過引腳或串口設(shè)置，并且可以將設(shè)置存儲到內(nèi)部非易失存儲器中。

對于小尺寸顯示屏，可以選擇LED陣列用于CCFL背光。多串LED面臨獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)，特別是需要在整個區(qū)域提供均勻的亮度和色彩。圖4給出了一個特殊的基于LED的LCD背光電路。

MAX16807/MAX16808可以工作在buck、boost或SEPIC模式，具體取決于輸入電壓范圍以及每個輸出通道的LED數(shù)量。增加一個外部電阻和一個齊納二極管可以進行拋負載測試。雖然各個通道的電流都由一個電阻設(shè)置，但每串通道的電流可以獨立調(diào)整。在不增加任何外圍元件的情況下，該架構(gòu)可以保證每通道之間的電流匹配度優(yōu)于3％。對于不同批次，每通道可以分別調(diào)節(jié)匹配度，也可以通過使能引腳統(tǒng)一調(diào)節(jié)各個通道。采用50Hz至30kHz的調(diào)節(jié)頻率，可以實現(xiàn)5000:1的調(diào)光范圍。為了在黑暗中以及陽光直射的情況下均可見顯示器內(nèi)容，汽車電子所要求的調(diào)光比較高。當(dāng)亮度調(diào)節(jié)信號的開關(guān)頻率范圍為20kHz至1MHz時，可以避開干擾其它設(shè)備(如收音機)的頻段。MAX16808集成了LED開路檢測功能，這些控制器也可級聯(lián)起來構(gòu)成的大型LED陣列驅(qū)動電路。

外部照明

外部照明系統(tǒng)對安全性提出了新的要求，需要更大的照明功率。外部照明，如尾燈、指示燈或緊急事件報警燈(以及霧燈)必須確保在任何情況下有效工作，以避免嚴重的安全隱患。

尾燈必須有較遠的穿透距離，但照射區(qū)域不能過大。用于內(nèi)部照明的LED以及電流指標(biāo)也適用于外部照明應(yīng)用。也就是說，上述用于照明驅(qū)動的MAX16800/MAX16807/MAX16808驅(qū)動電路也可用于此類應(yīng)用。由于尾燈中的LED數(shù)量多于內(nèi)部照明，必須采用多個驅(qū)動芯片。多芯片驅(qū)動架構(gòu)也提供了必要的冗余設(shè)計，即使在某些電路故障時仍能確保工作，同樣的冗余設(shè)計也適用于指示燈及其它信號燈。

需要較高照明功率的場合，如泛光燈或霧燈，必須使用超高亮度LED (HB LED)。HB LED需要較高的驅(qū)動電流，前面討論的產(chǎn)品無法提供低成本設(shè)計，需要過多的驅(qū)動芯片產(chǎn)生所需的電流。最好采用能驅(qū)動大電流功率管的控制器，大電流功率管可以為HB LED提供高達30A的電流，MAX16818可以滿足這種設(shè)計要求(圖5)。

MAX16818可以構(gòu)成buck、boost以及SEPIC架構(gòu)，高達1.5MHz的工作頻率允許使用小尺寸外部元件。外部照明應(yīng)用通常需要迅速開啟或瞬間切換亮度，為達這一目的，MAX16818是首款采用Maxim專利技術(shù)的LED驅(qū)動器，利用專有技術(shù)能夠使LED的瞬態(tài)電流響應(yīng)達20A/µs。需要更高電流輸出或冗余設(shè)計時，MAX16818含有一個180°延遲時鐘輸出，可以用來控制第二個LED驅(qū)動器。

結(jié)論

Maxim擴充了其開關(guān)模式和線性模式電源調(diào)節(jié)器，能夠覆蓋當(dāng)前汽車照明領(lǐng)域的所有應(yīng)用。我們不斷增長的電源產(chǎn)品線能夠為汽車照明設(shè)計人員和供應(yīng)商提供完備的、長期的產(chǎn)品選擇，滿足他們的各種需求。

本文討論的解決方案非常適合汽車常見照明設(shè)計，提供短路檢測輸出、熱關(guān)斷，并可工作在-40°C至+125°C溫度范圍。Maxim采用小尺寸、增強散熱效果的QFN或TSSOP封裝，能夠方便地放置在空間緊湊的汽車照明模塊中。