在汽車中驅(qū)動(dòng)LED照明的開關(guān)

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(dòng) LED 需要一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)一個(gè)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(hào)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)?nbsp;―― 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)?，所選擇的拓?fù)湟茉谡麄€(gè)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(jí)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(dòng)單個(gè) LED

車內(nèi)白光頂燈和化妝燈可能采用一個(gè)或兩個(gè) 3W LED，每個(gè) 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 Luxeon III Star。最簡單的 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用降壓型穩(wěn)壓器，直接用汽車電池驅(qū)動(dòng)單個(gè) LED。圖 1 所示為具有調(diào)光功能的單個(gè) 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(gè)消耗電量的電池在汽車起動(dòng)之前電壓也許降至 9V，汽車起動(dòng)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(dòng)時(shí)，電池電壓也許降至 4V，這時(shí)只有關(guān)鍵的電子電路必須工作。

圖 1：具 250:1 PWM 調(diào)光比的降壓型高壓 1A LED 驅(qū)動(dòng)器 LT3474

在電池和底盤上不同位置之間的長電纜以及電子噪聲環(huán)境使得汽車中總是存在高電壓尖峰。在為汽車設(shè)計(jì)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，36V 瞬態(tài)是必須考慮的。常常用簡單的保護(hù)二極管或?yàn)V波器來處理較高的電壓尖峰。

圖 1 中采用的 LT3471 轉(zhuǎn)換器集成電路是一個(gè)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(dòng)一個(gè)或多個(gè) 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(dòng) LED：

*它是一個(gè)專用的 LED 驅(qū)動(dòng)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(jì)，同時(shí)保持高效率。

*4V 至 36V 的寬輸入電壓范圍允許該 LED 驅(qū)動(dòng)器直接用汽車電池工作，同時(shí)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(shí)高于 80%。通過 VADJ 引腳進(jìn)行模擬控制時(shí)，隨著 LED 電流和亮度的降低，效率會(huì)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(shí)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。LT3475 LED 驅(qū)動(dòng)器是 LT3474 的雙通道版本，可以驅(qū)動(dòng)電流均為 1.5A 的兩個(gè)單獨(dú) LED 或 LED 串。

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(gè)模擬電壓輸入連接至 VADJ 引腳或把一個(gè)數(shù)字 PWM 信號(hào)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(shí)會(huì)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(shí)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(shí)，對 PWM 調(diào)光的響應(yīng)非?？臁T3474 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(shí)又需要寬調(diào)光比。LED 串導(dǎo)致了與單個(gè) LED 頂燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的 LED 而言，多個(gè)由 6 至 10 個(gè) 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)?nbsp;LED 驅(qū)動(dòng)器是必需的。

圖 2 是 LT3486 雙輸出升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，它以 100mA 恒定電流驅(qū)動(dòng)兩串 LED，LED 電壓高達(dá) 36V。這個(gè)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(gè)電池電壓范圍低于 LED 串的電壓。雙通道 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 20 個(gè) LED 組成的兩個(gè) LED 串，同時(shí)保持最高開關(guān)電壓低于該集成電路的 42V 額定值。20 個(gè) LED 組成的單個(gè) LED 串需要高得多的電壓。

圖 2：在 GPS LCD 顯示器中，LT3486 以 100mA 電流驅(qū)動(dòng) 20 個(gè)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(huì)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(shí)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(shí)基于非常低的 200mV 檢測電阻電壓以實(shí)現(xiàn)高效率。每個(gè) LED 串的電流都可以用 CTRL 引腳上的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)，最高調(diào)光比為 10:1，或者用 PWM 信號(hào)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(chǔ)器具有超快 PWM 響應(yīng)時(shí)間，可以低于 10us 的時(shí)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(gè) LT3486 驅(qū)動(dòng)分別代表紅、綠、綠、藍(lán)（R-G-G-B）的 4 個(gè) 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。

信號(hào)指示燈、尾燈和前燈照明

外部信號(hào)指示燈、尾燈和前燈需要最高功率的 DC/DC LED 驅(qū)動(dòng)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(hào)指示燈卻因其美感和耐用性而變得越來越常見了。驅(qū)動(dòng)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(dòng)器。

圖 3 所示的 LT3477 降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器以 1A 電流驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大功率 LED。這兩個(gè) LED 無需以地為基準(zhǔn)，連接的兩個(gè)端子一般是轉(zhuǎn)換器的輸出和電池輸入。LT3477 有兩個(gè)獨(dú)特和具 100mV 浮動(dòng)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(gè)范圍時(shí)，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(shí)將輸入電流降低到 1uA（典型值為 100nA）。IADJ 引腳用來為后部信號(hào)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(dòng) 1A 剎車燈和信號(hào)指示燈 LED 串 

如圖 4 所示，大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器 LTC3783 采用降壓-升壓型拓?fù)?，?qū)動(dòng) 6 至 10 個(gè) 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(dòng)器設(shè)計(jì)提供了最大的設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(shí)，可以用直接連接到 LTC3783 PWM 引腳的 PWM 信號(hào)降低 LED 電流，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 200:1 的調(diào)光比。在 1kHz 時(shí)，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(dòng)器以高于 90% 的效率驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) 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(shí)對電池的消耗，尤其是在汽車未運(yùn)行時(shí)，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(dòng)器的靈活性能夠變成大功率升壓型穩(wěn)壓器，以驅(qū)動(dòng)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(shí)，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?nbsp;LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)器，可以克服所有這些挑戰(zhàn)。