- 分析在汽車中驅(qū)動LED照明的開關(guān)
- 學(xué)習(xí)PWM調(diào)光和亮度控制
- 采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓?fù)?/strong>
引言
與目前的汽車內(nèi)部和外部照明解決方案相比，LED照明有很多優(yōu)勢，如性能更高、壽命更長、成本更低等，這種照明方式提高了汽車照明的美感和性能。直接用汽車電池驅(qū)動LED需要一個DC/DC轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)一個恒定的LED電流，并保護(hù)LED免受變幻莫測的汽車電池總線影響。這種轉(zhuǎn)換器還應(yīng)該根據(jù)一串LED中所含LED的數(shù)量和LED的類型進(jìn)行優(yōu)化，也要根據(jù)前燈、尾燈和信號指示燈、內(nèi)部閱讀燈、儀表板或娛樂顯示器照明等應(yīng)用的功能而優(yōu)化，需要優(yōu)化的方面如下：
拓?fù)洙D―LED電壓與電池電壓之間的關(guān)系決定采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓?fù)洌x擇的拓?fù)湟茉谡麄€電池電壓范圍內(nèi)保持對LED電流的控制。
調(diào)光――大比例的LED調(diào)光必須在亮度等級上保持顏色特性不變，而且沒有眼睛看得見的起伏或振蕩。
效率――在非運(yùn)行狀態(tài)功率損耗消耗電池電量，而且在汽車這種熱量壓力已經(jīng)很大的環(huán)境中，消耗的電量又轉(zhuǎn)變成了熱量。
驅(qū)動單個LED
車內(nèi)白光頂燈和化妝燈可能采用一個或兩個3WLED，每個LED產(chǎn)生75至100流明的亮度。這些LED的典型正向電壓范圍為3V至4.5V，最大電流為1A至 1.5A，例如Lumileds公司（www.lumileds.com）的LuxeonIIIStar。最簡單的LED驅(qū)動器設(shè)計采用降壓型穩(wěn)壓器，直接用汽車電池驅(qū)動單個LED。圖1所示為具有調(diào)光功能的單個LED內(nèi)部照明電路。汽車電池的典型工作電壓范圍為9V至16V（典型值為12V）。一個消耗電量的電池在汽車起動之前電壓也許降至9V，汽車起動后交流發(fā)電機(jī)對其充電，使其電壓回復(fù)到高達(dá)14.4V。在冷車發(fā)動時，電池電壓也許降至4V，這時只有關(guān)鍵的電子電路必須工作。
圖1：具250:1PWM調(diào)光比的降壓型高壓1ALED驅(qū)動器LT3474
圖1中采用的LT3471轉(zhuǎn)換器集成電路是一個高電壓、大電流降壓型LED轉(zhuǎn)換器，該器件具有寬PWM調(diào)光比，可以驅(qū)動一個或多個LED電流高達(dá)1A。LT3471的如下特點(diǎn)使其非常適用于在汽車環(huán)境中驅(qū)動LED：
*它是一個專用的LED驅(qū)動器，具有片上高壓開關(guān)和低壓電流監(jiān)測電阻，以最大限度地縮小電路板面積并簡化設(shè)計，同時保持高效率。
*4V至36V的寬輸入電壓范圍允許該LED驅(qū)動器直接用汽車電池工作，同時提供恒定LED電流。
*其降壓型拓?fù)浜涂烧{(diào)的寬頻率范圍允許利用小型、低成本、具高溫度系數(shù)的陶瓷電容器提供低紋波LED電流。
LT3474單LED降壓型轉(zhuǎn)換器的效率在12VIN時高于80%。通過VADJ引腳進(jìn)行模擬控制時，隨著LED電流和亮度的降低，效率會下降，但是功耗仍保持很低。LT3474為汽車和由電池供電的應(yīng)用而定制，在置于停機(jī)狀態(tài)時僅消耗低于2uA（典型值為10nA）的電流。停機(jī)還可以起到LED接通/斷開按鈕的作用，就像按鈕或微控制器的作用一樣。LT3475LED驅(qū)動器是LT3474的雙通道版本，可以驅(qū)動電流均為1.5A的兩個單獨(dú)LED或LED串。
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PWM調(diào)光和亮度控制
LED亮度可由圖1中的LT3474來控制，把一個模擬電壓輸入連接至VADJ引腳或把一個數(shù)字PWM信號輸送至PWM調(diào)光MOSFET的柵極和PWM引腳。簡單的模擬亮度控制通過降低內(nèi)部檢測電阻上的電壓，將恒定LED電流從1A降至更低的值，但是LED光線的顏色在低電流時會變化。調(diào)光比的實(shí)際限制大約為10:1。
另一種降低亮度的方法是數(shù)字PWM調(diào)光。在PWM接通期間，LED電流非常好地穩(wěn)定在1A。在PWM關(guān)斷期間，LED電流為零。這在降低亮度的同時保持了LED光線顏色和真彩特性。
PWM功能在集成電路內(nèi)部使得LED回歸至編程電流值時，對PWM調(diào)光的響應(yīng)非常快。LT3474的最大數(shù)字PWM調(diào)光比為250:1，這對內(nèi)部照明來說是富富有余了。LT3475可以高于1000:1的調(diào)光比調(diào)光。
LCD顯示器用LED串照明
GPS導(dǎo)航和車內(nèi)娛樂顯示器在日光條件下需要使用明亮的LED串，而在夜間工作時又需要寬調(diào)光比。LED串導(dǎo)致了與單個LED頂燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的LED而言，多個由6至10個LED組成的LED串電流通常都較低（<150mA），但是積聚起來的電壓卻高于汽車電池電壓。對這些顯示器來說，具有高效率和PWM調(diào)光能力的大功率升壓拓?fù)銵ED驅(qū)動器是必需的。
圖2是LT3486雙輸出升壓型LED驅(qū)動器的應(yīng)用，它以100mA恒定電流驅(qū)動兩串LED，LED電壓高達(dá)36V。
這個升壓型轉(zhuǎn)換器用小的電壓檢測電阻與LED串和PWM調(diào)光MOSFET串聯(lián)，并具有高效率。9V至16V的整個電池電壓范圍低于LED串的電壓。雙通道LED驅(qū)動器驅(qū)動20個LED組成的兩個LED串，同時保持最高開關(guān)電壓低于該集成電路的42V額定值。20個LED組成的單個LED串需要高得多的電壓。
圖2：在GPSLCD顯示器中，LT3486以100mA電流驅(qū)動20個白光LED
在電池工作電壓范圍內(nèi)，效率大約為90%。如果電池電壓降至4V，LT3486仍會工作，但是視LED編程電流和LED數(shù)量而定，可能進(jìn)入限流狀態(tài)。該轉(zhuǎn)換器停機(jī)時僅消耗低于1uA（典型值為100nA）的電流。LED電流通過選擇外部檢測電阻值設(shè)定，選擇檢測電阻時基于非常低的200mV檢測電阻電壓以實(shí)現(xiàn)高效率。每個LED串的電流都可以用CTRL引腳上的模擬信號調(diào)節(jié)，最高調(diào)光比為10:1，或者用PWM信號調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)高得多的調(diào)光比。
就夜間觀看極亮的顯示器而言，LT3486以其獨(dú)特的內(nèi)部PWM調(diào)光架構(gòu)提供1000:1的PWM調(diào)光比。內(nèi)部LED電流存儲器具有超快PWM響應(yīng)時間，可以低于10us的時間讓LED電流從零返回到100mA，以實(shí)現(xiàn)真彩PWM調(diào)光。在高端顯示器中用兩個LT3486驅(qū)動分別代表紅、綠、綠、藍(lán)（R-G-G-B）的4個LED串，可實(shí)現(xiàn)1000:1的調(diào)光比，并在非常暗的夜間工作環(huán)境保持顯示器的真彩特性。
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信號指示燈、尾燈和前燈照明
外部信號指示燈、尾燈和前燈需要最高功率的DC/DC LED驅(qū)動器，因?yàn)檫@些燈所用的LED最亮，數(shù)量也最多。盡管由于熱量和穩(wěn)流限制，極亮的LED前燈尚不常見，但是紅色和黃褐色剎車燈和信號指示燈卻因其美感和耐用性而變得越來越常見了。驅(qū)動大功率黃褐色和紅色LED串給內(nèi)部照明和照明微調(diào)帶來了類似挑戰(zhàn)，但是挑戰(zhàn)的艱巨性是不同的。高調(diào)光比不是必需的，但是簡單的接通/斷開和高/低亮度功能是有用的。LED串的電壓常常超出汽車電池的電壓范圍，從而需要具有降壓和升壓、或降壓-升壓能力的LED驅(qū)動器。
圖3所示的LT3477降壓-升壓型LED驅(qū)動器以1A電流驅(qū)動兩個大功率LED。這兩個LED無需以地為基準(zhǔn)，連接的兩個端子一般是轉(zhuǎn)換器的輸出和電池輸入。LT3477有兩個獨(dú)特和具100mV浮動電流檢測輸入引腳，這引腳連接與LED串串聯(lián)而且不以地為基準(zhǔn)的電流檢測電阻。在汽車電池的工作電壓范圍內(nèi)以及低于這個范圍時，在電流直到1A的情況下都可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的LED穩(wěn)流。LT3477的停機(jī)引腳用于實(shí)現(xiàn)車燈的接通/斷開功能，并在未使用時將輸入電流降低到1uA（典型值為100nA）。IADJ引腳用來為后部信號指示燈或剎車燈等剎車燈和尾燈應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高于10:1的模擬調(diào)光比。這類應(yīng)用無需真彩PWM調(diào)光。
圖3：降壓-升壓型LT3477以80%的效率驅(qū)動1A剎車燈和信號指示燈LED串
如圖4所示，大功率LED驅(qū)動器LTC3783采用降壓-升壓型拓?fù)洌?qū)動6至10個3W紅光LED，用于汽車尾燈應(yīng)用。外部開關(guān)MOSFET和開關(guān)電流檢測電阻為大功率和高壓LED驅(qū)動器設(shè)計提供了最大的設(shè)計靈活性。如果電池電壓降至低于9V，那么9V至36V輸入和在電流為1.5A時高達(dá)25V的LED串輸出需要100V的額定開關(guān)電壓和高于8A的峰值開關(guān)電流能力。在整個汽車電池電壓范圍內(nèi)，1.5A恒定電池電流是良好穩(wěn)定的。就剎車燈和尾燈調(diào)光而言，在100Hz時，可以用直接連接到LTC3783PWM引腳的PWM信號降低LED電流，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)200:1的調(diào)光比。在1kHz時，調(diào)光比降低至?20:1，這對尾燈應(yīng)用來說已足夠了。調(diào)節(jié)ILIM引腳也可以降低LED電流。
圖4：LTC3783剎車燈LED驅(qū)動器以高于90%的效率驅(qū)動8個1.5A紅光LED
在功率最高的汽車應(yīng)用中，高效率是最重要的。在這種應(yīng)用中，具有高達(dá)36W的輸出，93%的效率可以降低剎車時對電池的消耗，尤其是在汽車未運(yùn)行時，更是這樣。用于剎車燈接通/斷開控制的RUN引腳將LED電流降至20uA。
通過將LED串連接到GND而不是VIN并將拓?fù)渥優(yōu)樯龎盒停琇TC3783大功率LED驅(qū)動器的靈活性能夠變成大功率升壓型穩(wěn)壓器，以驅(qū)動高達(dá)60W的更高電壓LED串。這需要LED串電壓高于36V的電池電壓最大值，而且需要在關(guān)閉車燈時，通過PWM引腳實(shí)現(xiàn)LED斷接。使用非常亮的白光LED的高流明前燈應(yīng)用不久就將采用這種具有升壓型拓?fù)涞拇蠊β蔐ED驅(qū)動器。
結(jié)論
很多汽車LED應(yīng)用都需要專用的大功率、但簡單和高效率的LED驅(qū)動器。根據(jù)應(yīng)用的不同有不同的LED組合，但各種組合都需要在斷開時具有低電流消耗、高PWM和模擬調(diào)光比以及卓越的LED穩(wěn)流能力。凌特公司提供多種不同的汽車LED驅(qū)動器，可以克服所有這些挑戰(zhàn)。
