高亮度LED應(yīng)用為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器集成電路帶來(lái)新的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)

目前，對(duì)高亮度 LED（發(fā)光二極管）的市場(chǎng)預(yù)測(cè)存在很大差別。盡管預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不同，但是趨勢(shì)是明顯的：高亮度（HB）LED 市場(chǎng)正在以驚人的速度增長(zhǎng)。有些預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為年復(fù)合增長(zhǎng)率 15%，另一些則為年復(fù)合增長(zhǎng)率 35%。2007 年汽車(chē)領(lǐng)域的 LED 照明處于起步階段，銷(xiāo)售額為 6.7 億美元，但是預(yù)計(jì)將以 15% 的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到 2011年（1）達(dá)到 12 億美元。如果將非汽車(chē)應(yīng)用考慮在內(nèi)，那么年復(fù)合增長(zhǎng)率接近 35%，而且到 2011 年，總的高亮度 LED 市場(chǎng)有可能輕松超過(guò) 25 億美元。

這么高的增長(zhǎng)潛力靠什么驅(qū)動(dòng)？首先，LED 產(chǎn)生光的效率是白熾燈的 10 倍，同時(shí)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(shí)后需要更換，熒光燈可持續(xù)使用 1 萬(wàn)小時(shí)，而 LED 的壽命超過(guò) 10 萬(wàn)小時(shí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這允許 LED 永久性地嵌入到最終應(yīng)用中而無(wú)需附屬裝置。例子包括用于裝在汽車(chē)車(chē)體上的顯示屏或 HDTV 的 LCD 顯示屏，因?yàn)檫@些 LED 在汽車(chē)、HDTV 或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館顯示器壽命期內(nèi)不會(huì)需要更換。第三，LED 比其它照明產(chǎn)品小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(chē)內(nèi)部和外部應(yīng)用中。另外，通過(guò)使用紅光、綠光和藍(lán)光 LED 配置，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)種顏色。最后，LED 能夠調(diào)光，而且其接通和斷開(kāi)時(shí)間很快，人眼察覺(jué)不到，這極大地改進(jìn)了 HDTV 和其它類(lèi)型顯示器的背光照明。沒(méi)有這些 LED，不可能有極高對(duì)比度和清晰的高分辨率LCD HDTV。

盡管如此，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shì)。因?yàn)樗鼈円话阈枰粋€(gè)準(zhǔn)確的直流電流源，還需要調(diào)光，因此 LED 驅(qū)動(dòng)器集成電路必須設(shè)計(jì)成能滿(mǎn)足各種不同應(yīng)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(jīng)濟(jì)。有理由認(rèn)為，最苛刻的 LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用之一是在汽車(chē)應(yīng)用中，其中包括基于 LED 的內(nèi)部照明、LCD 顯示器背光照明、剎車(chē)/轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈，甚至包括前燈。

汽車(chē) LED 照明

尺寸小、功耗低以及接通時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使高亮度 LED 開(kāi)始在今天的汽車(chē)中得到廣泛采用。最初的 LED 應(yīng)用是中央高位剎車(chē)燈（CHMSL），這類(lèi)應(yīng)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(zhuǎn)向信號(hào)指示燈/行車(chē)燈。

傳統(tǒng)上，白熾燈是最經(jīng)濟(jì)的光源，而且很多汽車(chē)仍在使用。不過(guò)，用于照明組件的可用空間縮小以及對(duì)長(zhǎng)工作壽命的需求，加之 LED 實(shí)現(xiàn)了明亮的自然色彩和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，因此 LED 在很多應(yīng)用中迅速取代了白熾燈。白光 LED 陣列取代傳統(tǒng)的冷陰極熒光照明（CCFL）TFT-LCD 背光照明越來(lái)越常見(jiàn)了，白光 LED 提供更加精確和可調(diào)的背光照明，工作壽命將很容易超過(guò)汽車(chē)本身的壽命。甚至主要是鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的前燈也正在逐步采用電子“可控”的大電流 LED 陣列（參見(jiàn)圖 1）。包括內(nèi)部/外部和背光照明應(yīng)用的所有汽車(chē)照明應(yīng)用都幾乎在轉(zhuǎn)向 LED。在這種環(huán)境中使用 LED 有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們從不需要更換，因?yàn)槠溟L(zhǎng)達(dá) 10 萬(wàn)余小時(shí)（11.5 年的使用年限）的可靠壽命超過(guò)了汽車(chē)本身的壽命。這允許汽車(chē)制造商永久性地將其嵌入“艙內(nèi)”照明系統(tǒng)，無(wú)需為了方便更換而進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。其款式也可以有很大變化，因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)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(xiàn)代汽車(chē)中的各種 LED 照明應(yīng)用。在汽車(chē)內(nèi)部，有幾種采用各種類(lèi)型 LED 的“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置”照明模塊。有些是單個(gè) LED，而像導(dǎo)航儀表板背光照明等另一些應(yīng)用則需要 LED 陣列。在外部照明方面，LED 也得到了認(rèn)可?，F(xiàn)在超過(guò) 40% 的中央高位剎車(chē)燈已經(jīng)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(chē)燈（DRL）。雷克薩斯 (Lexus) 600 轎車(chē)和奧迪 R8 包括前燈在內(nèi)的全部外部“前向照明”都是由 LED 完成的。類(lèi)似地，甚至更多中檔汽車(chē)和很多摩托車(chē)也采用了彩色 LED 陣列作為剎車(chē)/轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈。

圖 2：LED 照明在現(xiàn)代汽車(chē)中的典型應(yīng)用。
汽車(chē) LED 照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

表 1：大電流白光 LED 的正向壓降與驅(qū)動(dòng)電流。

為確保最佳性能和更長(zhǎng)的使用壽命，LED 需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路必須能夠適應(yīng)條件非常苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)，而且要既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省空間。為了保證更長(zhǎng)的使用壽命，首要的是不超過(guò) 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(qū)動(dòng)電流。

圖3：采用 LT3755 的 50W 前燈電路。

大多數(shù)前燈應(yīng)用需要約 50W LED 電流。凌力爾特公司的 LT3755 設(shè)計(jì)成服務(wù)于這種類(lèi)型的應(yīng)用。它可以將汽車(chē)總線(xiàn)電壓（標(biāo)稱(chēng)值為 12V）提高到 60V，以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 14 個(gè)串聯(lián)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(shuō)明，LT3755 的效率可高達(dá) 93%。這一點(diǎn)是非常重要，因?yàn)檫@消除了所有電源組件的散熱需求，從而可組成一個(gè)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?fù)?，但?LT3755 獨(dú)特的高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)使其能夠根據(jù)應(yīng)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?fù)洹?/p>

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LT3755 用穩(wěn)定的內(nèi)部 7V 電源驅(qū)動(dòng)外部低端 N 溝道 MOSFET。固定頻率、電流模式架構(gòu)允許在寬電源和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定和準(zhǔn)確地工作。LT3755 提供一個(gè)恒定電流源，這對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器集成電路在輸入電壓不穩(wěn)定時(shí)實(shí)現(xiàn)恒定 LED 亮度非常重要，而且在汽車(chē)應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)樵诶滠?chē)發(fā)動(dòng)和負(fù)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(dòng)。LT3755 的最高輸入電壓為 40V，使其能夠在主汽車(chē)總線(xiàn)遭遇 40V 瞬態(tài)時(shí)穩(wěn)定 LED 電流和電壓，40V 瞬態(tài)在負(fù)載突降情況下是常見(jiàn)的。

以地為基準(zhǔn)的電壓反饋引腳用作很多 LED 保護(hù)電路的輸入，如 LED 開(kāi)路保護(hù)，而且還使轉(zhuǎn)換器有可能用作恒定電壓源。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶(hù)在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)對(duì)頻率編程，以?xún)?yōu)化效率和性能，同時(shí)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(gè)頻率范圍內(nèi)還可以同步至外部時(shí)鐘。

LT3755 的真彩 PWM 調(diào)光實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 3000:1 的調(diào)光比，調(diào)光時(shí)所發(fā)光的顏色沒(méi)有改變，從而能夠持續(xù)調(diào)節(jié) LED 前燈，以適應(yīng)多種環(huán)境條件。因?yàn)榱枇柼毓镜拇箅娏?LED 驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們不直接調(diào)制電源開(kāi)關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路控制每個(gè)周期的開(kāi)關(guān)峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改進(jìn)了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性，并實(shí)現(xiàn)了逐周期限流。

兩個(gè) LED 應(yīng)用

如圖 2 所示，很多嵌入式大電流 LED 應(yīng)用都由單個(gè)或兩個(gè)大電流（ILED 從 1A 至 1.5A）LED 組成。這類(lèi)應(yīng)用包括內(nèi)部照明，如頂燈、地圖燈、后備箱照明，還包括外部照明，如門(mén)檻或“水坑”燈。視應(yīng)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?yàn)檫@類(lèi) LED 一般具有 3V 至 4V 的正向電壓，并用 12V 至 14V 的汽車(chē)總線(xiàn)供電，所以需要降壓型穩(wěn)壓器。LT3475 雙路降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器非常適用于這類(lèi)應(yīng)用。

LT3475 是一個(gè)雙路 36V、2MHz 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用作雙路恒定電流 LED 驅(qū)動(dòng)器（參見(jiàn)圖 3）。每個(gè)通道都有內(nèi)部檢測(cè)電阻和調(diào)光控制，非常適用于驅(qū)動(dòng)需要高達(dá) 1.5A 電流的 LED。兩個(gè)通道以 180o 的相位差開(kāi)關(guān)，從而降低了兩個(gè)通道的輸出紋波。在 50mA 至 1.5A 的寬電流范圍內(nèi)，每個(gè)通道都獨(dú)立保持高輸出電流準(zhǔn)確度，同時(shí)獨(dú)特的 True Color PWMTM 電路實(shí)現(xiàn) 3000:1 的調(diào)光范圍，而且沒(méi)有通常與 LED 電流調(diào)光相關(guān)的顏色改變。LT3475 具有 4V 至 36V（瞬態(tài)高達(dá) 40V）的寬輸入電壓范圍，非常適應(yīng)汽車(chē)電源系統(tǒng)。其開(kāi)關(guān)頻率可以在 200kHz 至 2MHz 的范圍內(nèi)設(shè)定，從而允許使用纖巧的電感器和陶瓷電容器，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)噪聲在調(diào)幅收音機(jī)頻段之外。該器件采用耐熱增強(qiáng)型 TSSOP-20 封裝，為驅(qū)動(dòng)大電流 LED 提供了一個(gè)非常緊湊的解決方案。

LT3475 采用高壓側(cè)檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了接地的 LED 陰極連接，因此在大多數(shù)應(yīng)用中無(wú)需接地線(xiàn)。它的每個(gè)通道還具有集成的升壓二極管，進(jìn)一步減少了解決方案占板面積和成本。其它特點(diǎn)包括 LED 開(kāi)路和短路保護(hù)。

圖 5：LT3475 雙路 1.5A 降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器原理圖和有關(guān)的效率曲線(xiàn)。

結(jié)論

在當(dāng)前和未來(lái)的汽車(chē)中，LED 照明應(yīng)用將前所未有地加速增長(zhǎng)，這已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)大電流 LED 汽車(chē)應(yīng)用中的 LED 驅(qū)動(dòng)器集成電路產(chǎn)生了很多非常具體的性能要求。這些應(yīng)用從前燈到內(nèi)部照明，種類(lèi)很多。另外，在汽車(chē)市場(chǎng)之外的大量商用和工業(yè)環(huán)境中也有很多 LED 應(yīng)用，汽車(chē)應(yīng)用中的大多數(shù)高性能要求在這些應(yīng)用中也需要。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，以在輸入電壓或 LED 正向電壓變化時(shí)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(chē)電源總線(xiàn)嚴(yán)酷的電氣特性。這些應(yīng)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(jīng)注意到了這些汽車(chē)設(shè)計(jì)需求，而且為滿(mǎn)足汽車(chē)和多種通用 LED 照明應(yīng)用需求，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在有了一個(gè)非常方便的 LED 驅(qū)動(dòng)器來(lái)源，可以進(jìn)行具有挑戰(zhàn)性的照明設(shè)計(jì)了。