汽車照明電源設計

摘要：汽車中大多采用LED和CCFL作為背光源，兩種方案均需要特殊的供電電源。設計了LED、CCFL燈源的供電方案，并給出汽車內部照明、背景顯示以及外部照明等多種具體的應用電路，可用于汽車的內部和外部照明領域。這些汽車照明電源應用設計電路能夠有效散熱，并極大節(jié)省設計成本。
關鍵詞：MAXl6805

    發(fā)光二極管(LED)和冷陰極熒光燈(CCFL)逐漸成為了汽車照明的普通光源。這些光源關鍵優(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 h，而熒光燈可達50 000 h，LED則高達100 000 h。使用壽命的延長提高了可靠性，減少了維護工作，降低服務成本。  LED還具有低工作電壓、低電磁輻射、抗機械應力強、形狀設計靈活、工作溫度范圍寬和亮度調節(jié)范圍寬等特點。隨著LED技術的發(fā)展，用其取代其他電源技術的趨勢更加明顯，但是，就目前應用情況，CCFL仍占據某些應用領域，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光源需要適當的供電電源，而且，不同技術具有不同的特殊要求，電源必須提供特別的應用和功能。這里，針對不同的汽車內部和外部照明裝置，為LED和CCFL光源提供了多種電源解決方案。

1 汽車內部照明
    汽車內部照明應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。所有內部的照明應用都可使用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(對應顏色)失配。所有應用都需要一個集成了亮度調節(jié)功能的恒流源。
1．1 基于MAXl6800的汽車內部照明設計
    圖1為MAXl6800典型的調光應用電路。MAXl6800具有高輸入電壓范圍(達40 V)，可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。MAxl6800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設置。為了提高電流設置精度，提高對外部噪聲的抑制能力，MAXl6800采用差分電流檢測輸入方式。

    LED的色度隨其電流的變化而改變，因此調整LED亮度的最好方法是通過脈寬調制(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。MAXl6800通過在器件的使能輸入引腳作用一個PWM信號來調整LED亮度。通過LED的電流按照PWM信號的頻率開啟和關斷。
    電磁干擾(EMI)抑制在汽車應用中非常重要，這一設計要求與不產生EMI同等重要。對LED電流進行通、斷控制時無論如何都會產生EMI輻射。因此，為了降低PWM調光時的EMI，MAXl6800集成了波形整形電路，以便平滑開關信號的邊沿。[!--empirenews.page--]
1．2 基于MAX16805／MAXl6806的汽車內部照明設計
    由于很多照明系統(tǒng)沒有可利用的微控制器產生PWM調光信號，因此可采用MAXl6805／MAXl6806型LED驅動器。這兩款器件均由內部產生PWM信號，PWM信號由加在DIM輸入引腳的外部模擬電壓設置。不采用模擬調光時，MAXl6806有一個開關輸入(SW)，該開關輸入不僅檢測開關狀態(tài)，并具有去抖功能，為開關提供濕電流。圖2為MAXl6805／MAXl6806典型應用電路。

    汽車照明應用中，必須密切監(jiān)測LED的溫度，這對于空間緊湊，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，從而減弱該類光源的關鍵優(yōu)勢。但通過短時間調低LED亮度，在大多數應用中可避免過熱現(xiàn)象。因此MAXl6806為外部溫度傳感器提供一個輸入端。當檢測到過熱時，該器件可以調低亮度，直到溫度恢復到可以接受的范圍。溫度和亮度調節(jié)門限可以通過串口編程，并存儲到EEPROM。該功能省去昂貴的大尺寸散熱器。MAXl6805／MAXl6806的內部基準用于監(jiān)測反饋回路的LED電流，并通過串口調整。因此，實際應用中可對各路LED使用固定的檢流電阻，簡化設備生產并降低成本。

2 背光顯示
    液晶顯示器(LCD)廣泛用于儀表盤、車載計算機、廣播、導航系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)。但背光照明需要將光散射到盡量大的面積，而不是產生聚焦光束。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域應用非常成功(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架構存在EMI輻射源。圖3給出利用DS388l CCFL控制器構建的CCFL燈管電源電路，該設計優(yōu)化于汽車應用環(huán)境。DS388l利用擴展頻譜和頻率偏移技術大大降低了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。
    汽車電子的另一特殊要求是低溫工作，DS388l具有一個特別的燈管電流過驅動模式，當溫度很低時，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，大大降低物料(BOM)成本并有助于簡化設計。多個DS388l控制器可以級聯(lián)使用，支持多燈管的大顯示屏設計。所有的性能和功能均可通過引腳或串口設置。并且可將設置存儲到內部非易失存儲器中。
    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給出一個特殊的基于LED的LCD背光電路。

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    MAXl6807／MAXl6808可工作在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數量。增加一只外部電阻和一只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電阻設置，但每串通道的電流可獨立調整。在不增加任何外圍元件的情況下，該架構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，每通道可以分別調節(jié)匹配度，也可通過使能引腳統(tǒng)一調節(jié)各個通道。采用50 Hz至30 kHz的調節(jié)頻率，可以實現(xiàn)5 000：1的調光范圍。為了在黑暗中以及陽光直射的情況下均可見顯示器顯示內容，汽車電子所要求的調光比較高。當亮度調節(jié)信號的開關頻率范圍為20kHz～1MHz時，可以避開干擾其他設備(如收音機)的頻段。MAXl6808集成了LED開路檢測功能，這些控制器也可級聯(lián)起來構成大型LED陣列驅動電路。

3 外部照明
    外部照明系統(tǒng)對安全性提出新的要求，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。用于內部照明的LED以及電流指標也適用于外部照明應用。也就是說，用于照明驅動的MAXl6800／MAXl6807／MAXl6808驅動電路也可用于此類應用。由于尾燈中的LED數量多于內部照明，必須采用多個驅動器。多器件驅動架構也提供了必要的冗余設計，即使在某些電路故障時仍能確保工作，同樣的冗余設計也適用于指示燈及其他信號燈。
    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需要較高的驅動電流，前面討論的產品無法提供低成本設計，需要過多的驅動器產生所需的電流。最好采用能驅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30 A的電流，MAXl6818可以滿足這種設計要求，如圖5所示。

    MAXl6818在高達1．5 MHz的工作頻率下允許使用小尺寸外部元件。由于MAXl6818是采用Maxim專利技術的LED驅動器，因此能夠滿足外部照明應用迅速開啟或瞬間切換亮度的要求。利用該專利技術能夠使LED的瞬態(tài)電流響應達20A／μs。若需要更高電流輸出或冗余設計時，MAXl6818含有一個180°延遲時鐘輸出，用來控制第2個LED驅動器。

4 結論
    本文給出了多種適合汽車常見照明的解決方案，提供短路檢測輸出、熱關斷，并可工作在-40～+125℃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。