功能豐富的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 可用來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率汽車(chē) LED 前燈

 背景信息

到 2015 年，高亮度 (HB) LED 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 202 億美元 (數(shù)據(jù)來(lái)源：Strategies Unlimited)。驅(qū)動(dòng)這種增長(zhǎng)的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域之一是汽車(chē)設(shè)計(jì)中使用的 LED。應(yīng)用包括前燈、白天行車(chē)燈和剎車(chē)燈、儀表顯示板背光照明、各種車(chē)內(nèi)梳妝照明 … 等等。這種令人驚嘆的增長(zhǎng)速度不僅是因?yàn)?LED 具備高可靠性、低功耗以及更緊湊的外形尺寸，而且也因?yàn)?LED 能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如可轉(zhuǎn)向前燈和防眩調(diào)光。此外，在汽車(chē)環(huán)境中，所有這些改進(jìn)都必須優(yōu)化，同時(shí)還要承受相對(duì)嚴(yán)苛的汽車(chē)電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。不用說(shuō)，這些解決方案還必須非常扁平、占板面積非常緊湊，同時(shí)能夠提高總體性?xún)r(jià)比。

盡管 LED用于白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向指示燈和內(nèi)部照明已經(jīng)有幾年了，但是少數(shù)特定于前燈的應(yīng)用只是不久前才出現(xiàn)，例如奧迪 A8 和 R8 以及雷克薩斯 LS600h。不過(guò)，在過(guò)去一年，幾家汽車(chē)制造商已經(jīng)在其最流行的車(chē)型中引入了 LED 前燈。2014 年，豐田為其最暢銷(xiāo)的豐田卡羅拉引入了 LED 前燈，如圖 1 所示。此外，豐田的其他幾款車(chē)型也采用了 LED 前燈，本田、日產(chǎn)、保時(shí)捷和奧迪也在大多數(shù)即將上市的車(chē)型中引入了 LED 前燈。很多人估計(jì)，2014 年 LED 前燈市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 30 億美元。

圖 1：2014 豐田卡羅拉 LED 前燈

汽車(chē)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，怎樣充分發(fā)揮最新一代 HB LED 的所有優(yōu)勢(shì)。HB LED 一般需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的 DC 電流源和一種調(diào)光方法。LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為，能夠在多種條件下滿(mǎn)足這些要求。因此，電源轉(zhuǎn)換解決方案必須效率非常高、功能非?？煽浚瑫r(shí)必須非常緊湊和具有很高的性?xún)r(jià)比?？梢哉f(shuō)，就驅(qū)動(dòng) HB LED 而言，要求最嚴(yán)苛的應(yīng)用之一就是汽車(chē)前燈應(yīng)用，因?yàn)檫@類(lèi)應(yīng)用須承受?chē)?yán)苛的汽車(chē)電氣環(huán)境的考驗(yàn)，必須提供很大的功率 (一般情況下為 50W 至 75W)，必須能夠放進(jìn)熱量和空間都受限的外罩中，與此同時(shí)還必須保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

汽車(chē) LED 前燈

尺寸小、壽命極長(zhǎng)、低功耗、強(qiáng)大的調(diào)光能力等優(yōu)勢(shì)是 HB LED 前燈得到廣泛采用的催化劑。幾年前，奧迪、戴姆勒、雷克薩斯等大多數(shù)汽車(chē)制造商都開(kāi)始采用 LED 以設(shè)計(jì)非常與眾不同的行車(chē)燈或前燈的“眉毛”，以此彰顯其品牌的與眾不同。在謳歌的寶石眼設(shè)計(jì)、保時(shí)捷的 4 象限設(shè)計(jì)以及無(wú)數(shù)新出現(xiàn)的設(shè)計(jì)中，LED 前燈設(shè)計(jì)都體現(xiàn)了類(lèi)似的趨勢(shì)。

將 LED 用于汽車(chē)前燈有幾種積極影響。首先，這種前燈從不需要更換，因?yàn)槠涔虘B(tài)器件壽命超過(guò) 10 萬(wàn)小時(shí) (11.5 年使用年限)，這超過(guò)了車(chē)輛的使用壽命。因此汽車(chē)制造商可以永久性地將 LED 嵌入到前燈設(shè)計(jì)中，而無(wú)需考慮更換問(wèn)題。這使前燈的款式能夠有很大的變化，因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)不需要 HID 或鹵素?zé)裟菢拥纳疃然蛎娣e。在靠輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時(shí)，HB LED 的效率也比鹵素?zé)舾?(而且不久就將高于 HID)。這有兩個(gè)方面的積極影響。首先，LED 照明系統(tǒng)從汽車(chē)總線消耗的電功率較低，這在電動(dòng)型汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中尤其重要，而同等重要的是，LED 照明系統(tǒng)減少了需要從外殼散出的熱量，從而無(wú)需任何笨重、昂貴的散熱裝置。最后，使用 HB LED 陣列，并以電子方式改變其方向、對(duì)其調(diào)光，這樣的 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許在很多不同的行駛條件下優(yōu)化照明。

設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和較長(zhǎng)的工作壽命，LED 需要一種有效的驅(qū)動(dòng)電路。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器 IC 必須提供準(zhǔn)確的 DC 電流源，而且無(wú)論輸入電源的變化范圍有多寬，都要提供嚴(yán)格控制的 LED 電壓調(diào)節(jié)。汽車(chē)電池總線中見(jiàn)到的極端電壓范圍為冷車(chē)發(fā)動(dòng) / 停-啟情況下的 4.7V 至負(fù)載突降情況下的 60V。但是更常見(jiàn)的是，電池總線電壓在通常情況下工作在 9V 至 16V 電壓范圍。由于很多這類(lèi)新型 LED 前燈應(yīng)用使用 4 至 8 個(gè)串聯(lián) HB LED，因此總的電壓降為 12V 至 25V，而電池總線電壓范圍可能達(dá)到 4.7V 至 60V，所以需要降壓-升壓型拓?fù)浣o LED 供電，因?yàn)檩斎腚妷嚎赡芨哂?、低于或等于所?LED 串電壓。其次，LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供一種調(diào)光方法，并提供多種保護(hù)功能，以防遭遇 LED 開(kāi)路或短路問(wèn)題。除了可在電氣環(huán)境十分嚴(yán)苛的汽車(chē)電源總線可靠工作，LED 驅(qū)動(dòng)器還必須具備高性?xún)r(jià)比和占用空間小的特點(diǎn)。

一種新型同步降壓-升壓型 HB LED 驅(qū)動(dòng)器

幸運(yùn)的是，已經(jīng)有一種新的解決方案應(yīng)對(duì)上述困境，那就是凌力爾特公司的 LT3791 LED 驅(qū)動(dòng)器。LT3791 是一款同步降壓-升壓型 DC/DC LED 驅(qū)動(dòng)器和電壓控制器，可提供超過(guò) 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 60V 輸入電壓范圍使該器件非常適合多種應(yīng)用，包括汽車(chē)、卡車(chē)甚至航空電子設(shè)備的 HB LED 前燈。類(lèi)似地，其輸出電壓可以在 0V 至 60V 范圍內(nèi)設(shè)定，從而使其能夠驅(qū)動(dòng)多種單串 LED。

圖 2 所示為一個(gè)典型 50W 前燈應(yīng)用。該應(yīng)用運(yùn)用單個(gè)電感器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié) 25V/2A LED 串，提供 50W LED 功率。這個(gè)電路提供 50:1 PWM 調(diào)光比，這很好地滿(mǎn)足了防眩自動(dòng)調(diào)光要求。輸入和輸出 (LED) 電流受到監(jiān)視，同時(shí)提供故障保護(hù)，以承受并報(bào)告開(kāi)路或短路 LED 情況。

圖 2：具 50:1 調(diào)光比、效率達(dá) 98% 的 50W (25V、2A) 降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器

其內(nèi)部 4 開(kāi)關(guān)降壓-升壓型控制器用高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作，從而非常適合汽車(chē)應(yīng)用。降壓、直通和升壓工作模式之間的轉(zhuǎn)換是無(wú)縫的，盡管電源電壓變化范圍很寬，也能提供良好穩(wěn)定的輸出。LT3791 的獨(dú)特設(shè)計(jì)采用了 3 個(gè)控制環(huán)路，監(jiān)視輸入電流、LED 電流和輸出電壓，提供最佳性能和可靠性。

LT3791 采用 4 個(gè)外部開(kāi)關(guān) MOSFET，能夠以高達(dá) 98% 的效率連續(xù)提供從 5W 直至超過(guò) 100W 的 LED 功率，參見(jiàn)圖 3。在以常規(guī)方法供電的車(chē)輛中，高效率是很重要，因?yàn)榭勺畲笙薅冉档蛯?duì)散熱措施的需求，實(shí)現(xiàn)占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動(dòng)型汽車(chē)中，這種功率節(jié)省還延長(zhǎng)了兩次充電之間車(chē)輛可行駛的里程。

±6% 的 LED 電流準(zhǔn)確度確保一個(gè) LED 串中的每個(gè) LED 都有恒定亮度，同時(shí) ±2% 的輸出電壓準(zhǔn)確度可用來(lái)提供幾種 LED 保護(hù)功能，而且還使轉(zhuǎn)換器能夠作為恒定電壓源工作。LT3791 可按照應(yīng)用要求，運(yùn)用模擬或 PWM 調(diào)光。此外，其開(kāi)關(guān)頻率可在 200kHz 至 700kHz 范圍內(nèi)設(shè)定，或同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流監(jiān)視器、以及集成的故障保護(hù)。

圖 3：圖 2 中的 LED 效率

結(jié)論

人們對(duì) LED 提供的高性能和高性?xún)r(jià)比有永不滿(mǎn)足的需求，這種需求促使多種新車(chē)型迅速采用 LED 前燈。新型 HB LED 驅(qū)動(dòng)器 IC滿(mǎn)足了這種需求。這類(lèi)新型 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，無(wú)論輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化都保持一致的亮度，同時(shí)以高效率工作，提供范圍非常寬的調(diào)光比，以及提供各種保護(hù)功能，以提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這類(lèi) LED 驅(qū)動(dòng)器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和高熱效率解決方案。凌力爾特公司不斷重新定義其 LED 驅(qū)動(dòng)器系列，以用 LT3791 等 HB LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)全面的大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 系列， 該系列專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用，包括前燈正向照明、LCD 背光照明等。在汽車(chē)照明系統(tǒng)不斷需要更高性能的 LED 驅(qū)動(dòng)器之情況下，設(shè)計(jì)師有了滿(mǎn)足這種需要的創(chuàng)新性 IC 解決方案。