汽車電子系統(tǒng)應用的LED驅(qū)動解決方案

簡介

目前，越來越多的汽車電子系統(tǒng)應用照明設計師正在采用LED照明滿足實用和美觀的用途。眾所周知，LED適用于各種汽車照明元件，例如大燈、白天行車燈、霧燈、轉(zhuǎn)向信號燈、內(nèi)部照明、資訊娛樂的背光照明，以及組合尾燈(RCL)和高位制動燈(CHMSL)。

在建立LED供電的電子驅(qū)動解決方案時，需要考慮兩個主要的DC/DC電源類別，分別是線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器具有減少零部件數(shù)和降低電磁干擾(EMI)的優(yōu)點，但在效率和熱耗方面有嚴重的弊端。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器是很多設計師的驅(qū)動解決方案首選。直流電源和需要的LED數(shù)目與類型決定了LED驅(qū)動器的拓撲結(jié)構(gòu)選擇。如果電源電壓超出總LED電壓，就需要降壓轉(zhuǎn)換器。如果LED組的電壓超出電源電壓，就需要升壓轉(zhuǎn)換器。最后，根據(jù)具體的條件，LED電壓可能高于或低于電源電壓，這樣，就應該采用降壓/升壓或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等電源拓撲技術(shù)。

在設計照明系統(tǒng)時，除了LED供電外，還需要考慮很多因素。LED電路設計的另一項主要考慮因素是熱管理。LED驅(qū)動器集成電路改進熱性能的一種方式是通過控制LED正向電流，LED正向電流是關(guān)于溫度的函數(shù)。這可以通過使用外部電流來感應溫度和控制對LED的電流供應來實現(xiàn)，但更高效的解決方案是利用具有必要內(nèi)置功能的集成電路。

美國國家半導體的產(chǎn)品包含可實現(xiàn)多種拓撲結(jié)構(gòu)的眾多開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路。此外，美國國家半導體專為LED應用開發(fā)了一系列集成電路，其中很多具有適合汽車電子系統(tǒng)應用的功能。本文將探討幾個汽車電子系統(tǒng)大燈驅(qū)動的應用示例。

使用升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

LED正越來越多地用于汽車大燈及其他前視照明系統(tǒng)。典型的大燈應用可能使用以多種方式排列的10個白色LED。對于各LED最大VF為4V的情況，如果設計師希望使用在一個燈組中串聯(lián)全部LED的拓撲結(jié)構(gòu)，將需要設置DC/DC級來驅(qū)動LED。在這種情況下，可以對標稱12V~14VDC電源總線使用單個升壓開關(guān)功率級。

美國國家半導體研發(fā)的多種集成電路正是符合這種應用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列集成電路包含多種多用途部件，可用作升壓、降壓、降壓/升壓或SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)中低側(cè)外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和LM3429部件都使用峰值電流模式控制器和預測性關(guān)閉時間設計來調(diào)節(jié)LED電流。峰值電流模式控制器與預測性關(guān)閉時間設計的組合簡化了回路補償設計，同時提供內(nèi)在的輸入電壓前饋補償。LM3429是系列中的基本部件，是優(yōu)化了成本和尺寸特點的控制器解決方案。LM3421增設了用于控制外部調(diào)光FET和系統(tǒng)“零電流”關(guān)閉特點的集成驅(qū)動器。LM3423進一步增加了LED狀態(tài)輸出標記、故障標記、可編程故障計時器和邏輯針腳，用于控制調(diào)光驅(qū)動器的極性。最后，LM3424與LM3421類似，但使用標準峰值電流模式控制器。LM3424還具有對開關(guān)頻率編程的功能，或通過可編程斜率補償、軟啟動和LED電流熱返送功能使開關(guān)頻率與外部來源同步。

LM342x系列使用控制器集成電路實現(xiàn)所需功能和總體系統(tǒng)設計的最大靈活性。圖1以LM3421為例，顯示升壓配置中使用LM342x系列驅(qū)動LED燈組的一個示例。LM342x拓撲結(jié)構(gòu)的一個主要特點是在LED高側(cè)進行電流感應，允許燈組中的最后LED的陰極局部在底盤接地，并使感應電壓可以差分地饋送回集成電路。這是一個重要的優(yōu)點，因為使LED燈組和驅(qū)動器集成電路可以彼此分離。

圖1使用LM3421的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動10個LED

使用熱返送升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

LED制造商通常在數(shù)據(jù)表中包含顯示LED最大允許正向電流和溫度的圖線，以確保部件的可靠性，這也稱為安全工作區(qū)(SOA)。LED的最大電流額定值在較低溫度測得，但在超出特定溫度后，最大允許電流值降低。由于LED系統(tǒng)的首要設計要素是適當?shù)纳岷屯L，因此很多應用需要考慮不可預測的狀況，即使最佳的熱設計也可能無法預防這些狀況。例如大燈組件被污泥或其他碎屑堵塞的情況。由于對車輛的安全操作至關(guān)重要，因此在此類情況下，需要保持LED在較低操作點正常照明，同時使電流保持在安全工作區(qū)，以預防照明系統(tǒng)的災難性故障。