高亮度LED應用為LED驅動器集成電路帶來新的機會和挑戰(zhàn)

目前，對高亮度 LED（發(fā)光二極管）的市場預測存在很大差別。盡管預測數據不同，但是趨勢是明顯的：高亮度（HB）LED 市場正在以驚人的速度增長。有些預測數據為年復合增長率 15%，另一些則為年復合增長率 35%。2007 年汽車領域的 LED 照明處于起步階段，銷售額為 6.7 億美元，但是預計將以 15% 的年復合增長率增長，到 2011年（1）達到 12 億美元。如果將非汽車應用考慮在內，那么年復合增長率接近 35%，而且到 2011 年，總的高亮度 LED 市場有可能輕松超過 25 億美元。

這么高的增長潛力靠什么驅動？首先，LED 產生光的效率是白熾燈的 10 倍，同時幾乎是熒光燈的兩倍，因此極大地降低了提供特定光輸出量（單位：流明）所需的電功率。第二，白熾燈使用 1,000 小時后需要更換，熒光燈可持續(xù)使用 1 萬小時，而 LED 的壽命超過 10 萬小時。在大多數應用中，這允許 LED 永久性地嵌入到最終應用中而無需附屬裝置。例子包括用于裝在汽車車體上的顯示屏或 HDTV 的 LCD 顯示屏，因為這些 LED 在汽車、HDTV 或運動場館顯示器壽命期內不會需要更換。第三，LED 比其它照明產品小幾個數量級，外形尺寸可以制作得非常扁平，這樣它們就可以永久性地嵌入到汽車內部和外部應用中。另外，通過使用紅光、綠光和藍光 LED 配置，可以實現無數種顏色。最后，LED 能夠調光，而且其接通和斷開時間很快，人眼察覺不到，這極大地改進了 HDTV 和其它類型顯示器的背光照明。沒有這些 LED，不可能有極高對比度和清晰的高分辨率LCD HDTV。

盡管如此，照明系統設計師的最大挑戰(zhàn)之一是如何充分利用最新一代 LED 的所有優(yōu)勢。因為它們一般需要一個準確的直流電流源，還需要調光，因此 LED 驅動器集成電路必須設計成能滿足各種不同應用的需求。電源解決方案必須高效率、功能可靠，而且與往常一樣，要非常緊湊和經濟。有理由認為，最苛刻的 LED 驅動應用之一是在汽車應用中，其中包括基于 LED 的內部照明、LCD 顯示器背光照明、剎車/轉向信號指示燈，甚至包括前燈。

汽車 LED 照明

尺寸小、功耗低以及接通時間短等優(yōu)點已經使高亮度 LED 開始在今天的汽車中得到廣泛采用。最初的 LED 應用是中央高位剎車燈（CHMSL），這類應用采用紅光 LED 提供非常微小的照明陣列，這種陣列很容易安裝，而且從不需要更換。

圖1：奧迪R8/雷克薩斯LED前燈/轉向信號指示燈/行車燈。

傳統上，白熾燈是最經濟的光源，而且很多汽車仍在使用。不過，用于照明組件的可用空間縮小以及對長工作壽命的需求，加之 LED 實現了明亮的自然色彩和簡化設計，因此 LED 在很多應用中迅速取代了白熾燈。白光 LED 陣列取代傳統的冷陰極熒光照明（CCFL）TFT-LCD 背光照明越來越常見了，白光 LED 提供更加精確和可調的背光照明，工作壽命將很容易超過汽車本身的壽命。甚至主要是鹵素/氙燈絲設計應用領域的前燈也正在逐步采用電子“可控”的大電流 LED 陣列（參見圖 1）。包括內部/外部和背光照明應用的所有汽車照明應用都幾乎在轉向 LED。在這種環(huán)境中使用 LED 有幾個優(yōu)點。首先，它們從不需要更換，因為其長達 10 萬余小時（11.5 年的使用年限）的可靠壽命超過了汽車本身的壽命。這允許汽車制造商永久性地將其嵌入“艙內”照明系統，無需為了方便更換而進行相應的設計。其款式也可以有很大變化，因為 LED 照明系統所需的深度和面積不像白熾燈那么大。

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圖 2 所示是現代汽車中的各種 LED 照明應用。在汽車內部，有幾種采用各種類型 LED 的“標準內置”照明模塊。有些是單個 LED，而像導航儀表板背光照明等另一些應用則需要 LED 陣列。在外部照明方面，LED 也得到了認可?，F在超過 40% 的中央高位剎車燈已經采用紅光 LED。另外，奧迪 (Audi) 2008 A8 采用大電流 LED 陣列作為白天行車燈（DRL）。雷克薩斯 (Lexus) 600 轎車和奧迪 R8 包括前燈在內的全部外部“前向照明”都是由 LED 完成的。類似地，甚至更多中檔汽車和很多摩托車也采用了彩色 LED 陣列作為剎車/轉向信號指示燈。

圖 2：LED 照明在現代汽車中的典型應用。
汽車 LED 照明的設計參數

表 1：大電流白光 LED 的正向壓降與驅動電流。

為確保最佳性能和更長的使用壽命，LED 需要一個有效的驅動電路。這些驅動電路必須能夠適應條件非?？量痰钠囯娫纯偩€，而且要既經濟又節(jié)省空間。為了保證更長的使用壽命，首要的是不超過 LED 的電流和溫度限制。表 1 給出了大電流白光 LED 的典型正向電壓與驅動電流。

圖3：采用 LT3755 的 50W 前燈電路。

大多數前燈應用需要約 50W LED 電流。凌力爾特公司的 LT3755 設計成服務于這種類型的應用。它可以將汽車總線電壓（標稱值為 12V）提高到 60V，以驅動多達 14 個串聯連接的 1A LED，如圖 3 所示。

圖 4：圖 3 所示 LT3755 電路的效率。

圖 4 說明，LT3755 的效率可高達 93%。這一點是非常重要，因為這消除了所有電源組件的散熱需求，從而可組成一個占板面積非常緊湊的解決方案。盡管圖 3 所示電路是一種升壓型拓撲，但是 LT3755 獨特的高壓側電流檢測設計使其能夠根據應用的具體要求，配置為升壓模式、降壓模式、降壓-升壓模式或反激式拓撲。

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LT3755 用穩(wěn)定的內部 7V 電源驅動外部低端 N 溝道 MOSFET。固定頻率、電流模式架構允許在寬電源和輸出電壓范圍內穩(wěn)定和準確地工作。LT3755 提供一個恒定電流源，這對 LED 驅動器集成電路在輸入電壓不穩(wěn)定時實現恒定 LED 亮度非常重要，而且在汽車應用中尤其重要，因為在冷車發(fā)動和負載突降等情況下遭遇瞬態(tài)后，輸入電壓可能有極大的擺動。LT3755 的最高輸入電壓為 40V，使其能夠在主汽車總線遭遇 40V 瞬態(tài)時穩(wěn)定 LED 電流和電壓，40V 瞬態(tài)在負載突降情況下是常見的。

以地為基準的電壓反饋引腳用作很多 LED 保護電路的輸入，如 LED 開路保護，而且還使轉換器有可能用作恒定電壓源。頻率調節(jié)引腳允許用戶在 100kHz 至 1MHz 范圍內對頻率編程，以優(yōu)化效率和性能，同時最大限度減小外部組件尺寸。如果需要外部同步，LT3755-1 版本在 100kHz 至 1MHz 的整個頻率范圍內還可以同步至外部時鐘。

LT3755 的真彩 PWM 調光實現了高達 3000:1 的調光比，調光時所發(fā)光的顏色沒有改變，從而能夠持續(xù)調節(jié) LED 前燈，以適應多種環(huán)境條件。因為凌力爾特公司的大電流 LED 驅動器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們不直接調制電源開關的占空比，而是由反饋環(huán)路控制每個周期的開關峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改進了環(huán)路動態(tài)特性，并實現了逐周期限流。

兩個 LED 應用

如圖 2 所示，很多嵌入式大電流 LED 應用都由單個或兩個大電流（ILED 從 1A 至 1.5A）LED 組成。這類應用包括內部照明，如頂燈、地圖燈、后備箱照明，還包括外部照明，如門檻或“水坑”燈。視應用的不同，可能采用彩色 LED 用于儀表板照明，或白光 LED 用于一般照明。因為這類 LED 一般具有 3V 至 4V 的正向電壓，并用 12V 至 14V 的汽車總線供電，所以需要降壓型穩(wěn)壓器。LT3475 雙路降壓型 LED 驅動器非常適用于這類應用。

LT3475 是一個雙路 36V、2MHz 降壓型 DC/DC 轉換器，用作雙路恒定電流 LED 驅動器（參見圖 3）。每個通道都有內部檢測電阻和調光控制，非常適用于驅動需要高達 1.5A 電流的 LED。兩個通道以 180o 的相位差開關，從而降低了兩個通道的輸出紋波。在 50mA 至 1.5A 的寬電流范圍內，每個通道都獨立保持高輸出電流準確度，同時獨特的 True Color PWMTM 電路實現 3000:1 的調光范圍，而且沒有通常與 LED 電流調光相關的顏色改變。LT3475 具有 4V 至 36V（瞬態(tài)高達 40V）的寬輸入電壓范圍，非常適應汽車電源系統。其開關頻率可以在 200kHz 至 2MHz 的范圍內設定，從而允許使用纖巧的電感器和陶瓷電容器，同時保持開關噪聲在調幅收音機頻段之外。該器件采用耐熱增強型 TSSOP-20 封裝，為驅動大電流 LED 提供了一個非常緊湊的解決方案。

LT3475 采用高壓側檢測方式，實現了接地的 LED 陰極連接，因此在大多數應用中無需接地線。它的每個通道還具有集成的升壓二極管，進一步減少了解決方案占板面積和成本。其它特點包括 LED 開路和短路保護。

圖 5：LT3475 雙路 1.5A 降壓型 LED 驅動器原理圖和有關的效率曲線。

結論

在當前和未來的汽車中，LED 照明應用將前所未有地加速增長，這已經導致對大電流 LED 汽車應用中的 LED 驅動器集成電路產生了很多非常具體的性能要求。這些應用從前燈到內部照明，種類很多。另外，在汽車市場之外的大量商用和工業(yè)環(huán)境中也有很多 LED 應用，汽車應用中的大多數高性能要求在這些應用中也需要。這些 LED 驅動器必須提供恒定電流，以在輸入電壓或 LED 正向電壓變化時保持一致的亮度，而且必須以高效率工作。它們還必須能夠承受汽車電源總線嚴酷的電氣特性。這些應用還要求非常緊湊的、高熱效率解決方案。凌力爾特公司已經注意到了這些汽車設計需求，而且為滿足汽車和多種通用 LED 照明應用需求，已經開發(fā)出一系列大電流 LED 驅動器產品。照明系統設計師現在有了一個非常方便的 LED 驅動器來源，可以進行具有挑戰(zhàn)性的照明設計了。