冷啟動(dòng)條件下的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

近年來(lái)，采用LED燈串為汽車(chē)提供LCD面板背光越來(lái)越普遍。使用LED的好處包括快速的響應(yīng)時(shí)間、更高的對(duì)比度和更低的功耗。控制LED燈串的LED驅(qū)動(dòng)器一般由汽車(chē)電池供電，為簡(jiǎn)化LED的光學(xué)和散熱設(shè)計(jì)，每個(gè)燈串中的LED數(shù)量一般不多于6個(gè)。對(duì)于標(biāo)稱(chēng)電壓為12V的電池，帶有線性穩(wěn)流器的升壓轉(zhuǎn)換器(如圖1)可實(shí)現(xiàn)此功能。

　　圖1 由升壓轉(zhuǎn)換器和線性電流調(diào)節(jié)器組成的LED驅(qū)動(dòng)器

　　冷啟動(dòng)條件

　　在汽車(chē)應(yīng)用中電池電壓會(huì)發(fā)生改變。通常，一個(gè)12V電池，其電壓會(huì)在9V到16V之間變化。因此，汽車(chē)電池供電的電路在設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)考慮輸入電壓的變化情況。此外，如果考慮冷啟動(dòng)條件，對(duì)于15ms左右較短的持續(xù)時(shí)間，最壞情況下，電池電壓將低至3V±0.2V，如2.8V。而后電池電壓升到6V，并持續(xù)數(shù)秒，在數(shù)秒的上升時(shí)間內(nèi)將恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)電壓范圍內(nèi)。冷啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線與之類(lèi)似，但不同汽車(chē)制造商所提供的產(chǎn)品的電平和變化/持續(xù)時(shí)間會(huì)有所不同。圖2給出了典型示例。冷啟動(dòng)可能發(fā)生在汽車(chē)負(fù)載突降及低溫環(huán)境下。盡管冷啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，但仍需確保LCD面板和安全電子部件等重要的汽車(chē)組件以保證正常運(yùn)行。

　　設(shè)計(jì)考量

　　考慮到冷啟動(dòng)條件，在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要強(qiáng)大的升壓轉(zhuǎn)換器。參看圖1，電池電壓的變化僅會(huì)影響升壓轉(zhuǎn)換器，如果升壓轉(zhuǎn)換器可以在冷啟動(dòng)條件下保持輸出電壓，那么線性穩(wěn)流器的工作就不受影響，LED燈串的亮度也會(huì)保持不變。由于冷啟動(dòng)條件下的輸入電壓值極低，因此設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮一些其他因素，包括：

　　圖2 典型冷啟動(dòng)電池電壓曲線

　　升壓控制器工作范圍

　　理論上說(shuō)，只要沒(méi)有達(dá)到占空比的上限，升壓轉(zhuǎn)換器(而非升壓控制器)的輸入電壓可以設(shè)置的很低，但是“升壓控制器”(通常是一個(gè)IC芯片)的工作電壓則有一個(gè)更低的下限值。大部分升壓控制器的工作電壓不得低于3V。不過(guò)如前所述，在冷啟動(dòng)時(shí)，最壞情況下電池電壓可以低至2.8V，令升壓控制器工作(而不是上電即可)在低輸入電壓下的常規(guī)方法是以雙電源路徑為升壓控制器供電，包括電池電壓和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，通過(guò)二極管回連到升壓控制器的輸入端子(如圖3)。此類(lèi)情況下，在上電過(guò)程中“升壓控制器”由電池供電，之后則由升壓轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行供電。這樣，只要升壓轉(zhuǎn)換器可以提供正常的輸出電壓，輸入電壓的壓降就不會(huì)影響升壓控制器的工作。

　　輸入電流

　　LED燈串的亮度和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率需要保持不變，所以，輸入電流會(huì)隨著輸入電壓的減小而增大。這即意味著在冷啟動(dòng)條件下，電感器和MOSFET開(kāi)關(guān)的峰值電流都要遠(yuǎn)大于正常工作下的值(當(dāng)電池電壓降在標(biāo)稱(chēng)范圍內(nèi)時(shí))。例如，電池電壓為3V時(shí)其輸入電流大約是12V時(shí)的4倍。所以在選擇時(shí)，電感器需要有更大的飽和電流，而MOSFET開(kāi)關(guān)需要承受更高的導(dǎo)通電流。

　　圖3 帶雙電源供電的升壓轉(zhuǎn)換器

　　熱管理

　　冷啟動(dòng)條件下，MOSFET開(kāi)關(guān)的電流和占空比都要大于標(biāo)稱(chēng)工作時(shí)的值，這意味著MOSFET開(kāi)關(guān)的傳導(dǎo)損耗會(huì)大幅增加。盡管冷啟動(dòng)條件的持續(xù)時(shí)間很短，但MOSFET開(kāi)關(guān)的溫度會(huì)大幅上升。如果MOSFET開(kāi)關(guān)集成在升壓控制器IC 內(nèi)，為了使元件數(shù)量和解決方案尺寸最小化，那么有效的散熱方案就非常重要，因?yàn)椴患训臒峁芾頃?huì)觸發(fā)IC芯片的熱保護(hù)電路，使LED意外斷電。[!--empirenews.page--]推薦電路

　　圖4展示了考慮到冷啟動(dòng)情況下，汽車(chē)中使用的LCD面板背光普遍采用LED驅(qū)動(dòng)器的電路，該電路使用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3492芯片。該電路驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED燈串，每個(gè)燈串都含有工作電流為100mA的6個(gè)LED。電路的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓范圍為9V至16V，標(biāo)稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率為300kHz。該電路的基本組成元素包括一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)雙通道線性穩(wěn)流器。MOSFET開(kāi)關(guān)集成在LM3492內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了更小的方案體積。LM3492的VIN針腳通過(guò)二極管連到輸入電壓，當(dāng)電池電壓低于最低要求的4.5V時(shí)，芯片內(nèi)部連接了VIN和VOUT引腳(后者連接升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓)的電路就會(huì)為L(zhǎng)M3492供電。這里選用了一個(gè)飽和電流為3.36A 的33μH電感器，盡管對(duì)于正常輸入電壓而言，1A的飽和電流就已足夠。

　　圖4 考慮冷啟動(dòng)條件的LM3492參考設(shè)計(jì)

　　測(cè)量結(jié)果

　　圖5和圖6顯示了輸入電壓為12V(標(biāo)稱(chēng)值)和2.8V(冷啟動(dòng)時(shí)的最壞情況)下LM3492電路的波形。表1總結(jié)了LM3492電路工作在標(biāo)稱(chēng)條件和冷啟動(dòng)條件下的測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹剑词馆斎腚妷旱椭?.8V，LED電流也保持不變，這表示背光亮度并不受冷啟動(dòng)條件影響。從圖6的波形可知，輸入電壓為2.8V時(shí)的占空比大于90%，同時(shí)還測(cè)量了2.61A的大輸入電流，如表1所示。為此，其內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)的功率損耗也就相對(duì)較大。LM3492外殼上可測(cè)得90℃的溫升(標(biāo)稱(chēng)輸入電壓范圍下僅為30℃)。參考表1中的效率可知，冷啟動(dòng)條件下的效率會(huì)下降到56%，盡管標(biāo)稱(chēng)輸入電壓范圍內(nèi)的效率可高達(dá)90%。

　　圖5 輸入電壓為12V時(shí)LM3492電路的波形

　　圖6 冷啟動(dòng)條件下LM3492電路的波形

　　表1. 測(cè)量結(jié)果總結(jié)

　　結(jié)論

　　考慮到汽車(chē)應(yīng)用中的冷啟動(dòng)條件，本文介紹了一款普遍用于LCD面板背光的LED驅(qū)動(dòng)器電路。前面已經(jīng)討論了一些特殊設(shè)計(jì)考慮，包括雙電源供電、飽和電流更高的電感器選擇和熱管理。測(cè)量波形顯示，LED電流并未受影響，即使輸入電壓降到2.8V時(shí)仍可保證正常工作。在9V至16V的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓下，可以實(shí)現(xiàn)約90%的高效率。