適合于汽車照明應(yīng)用的各種LED驅(qū)動(dòng)器方案及應(yīng)用

近年來(lái)，隨著LED在光效及成本等幾乎各個(gè)方面的持續(xù)改進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，從傳統(tǒng)的便攜設(shè)備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。本文將專門介紹適合于汽車照明應(yīng)用的各種LED驅(qū)動(dòng)器方案，并探討一些典型應(yīng)用。

LED為汽車照明應(yīng)用提供眾多優(yōu)勢(shì)

LED在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但可以簡(jiǎn)單歸納為內(nèi)部照明及外部照明(參見(jiàn)圖1)。外部照明有如前照燈、尾部照明等，內(nèi)部照明包括內(nèi)部便利及舒適照明和儀表盤背光等。

圖1：多種多樣的汽車LED照明應(yīng)用

推動(dòng)汽車LED照明應(yīng)用的因素很多。以前照燈為例，采用LED作為光源擁有眾多優(yōu)勢(shì)：

利于靈活或新穎的造型設(shè)計(jì)——LED物理尺寸很小，能用于開發(fā)極緊湊、極薄的模塊。與鹵素?zé)艉碗瘹鉄粝啾?，多串LED模塊需要更小、更簡(jiǎn)單的透鏡和光擴(kuò)散片硬件。且多個(gè)LED光源的光更易于導(dǎo)向，大大減輕工程設(shè)計(jì)對(duì)造型的影響。

光強(qiáng)度及能效不斷提升——LED光強(qiáng)度處于極快的提升曲線上，呈現(xiàn)出每18至24個(gè)月光通量將會(huì)翻一番的趨勢(shì)。LED光輸出已經(jīng)超過(guò)鹵素?zé)簦磥?lái)LED實(shí)際光效性能還將能氙氣燈相匹敵。

高可靠性及長(zhǎng)壽命——只要為L(zhǎng)ED前照燈模塊進(jìn)行有效的熱管理以保持較低的結(jié)溫，并保護(hù)其免受開關(guān)導(dǎo)通/關(guān)閉、調(diào)光期間可能出現(xiàn)的電流尖峰和電池脈沖的影響，期望它們?cè)谄囌麄€(gè)壽命周期內(nèi)持續(xù)使用就并非不切實(shí)際。

顯著節(jié)能——與其它方案相比，LED前照燈使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能電源技術(shù)/芯片，而非需多個(gè)外部元件的一般IC，可以更節(jié)能。

因此，LED在汽車照明中的應(yīng)用日漸增多，且被眾多汽車制造商當(dāng)作設(shè)計(jì)賣點(diǎn)。

應(yīng)用于汽車照明的LED驅(qū)動(dòng)器方案比較

LED在汽車照明中的應(yīng)用多種多樣，不同應(yīng)用對(duì)LED電流的要求又各不相同，故需要結(jié)合具體應(yīng)用要求，選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器方案。

LED驅(qū)動(dòng)方案的一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時(shí)，所選方案必須易用及足夠強(qiáng)固，從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴(yán)格環(huán)境。

汽車應(yīng)用中的典型LED驅(qū)動(dòng)器方案包括電阻、線性LED驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器及創(chuàng)新的照明管理LED驅(qū)動(dòng)器等。一般而言，根據(jù)應(yīng)用中LED電流大小的不同，在20到200 mA的低電流應(yīng)用中，可以選用分立元件(即電阻)或線性驅(qū)動(dòng)方案;在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中，可以選用線性或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案;而在大于500 mA的大電流應(yīng)用中，一般選擇開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案。

實(shí)際上，電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的LED限流方案，但是它們并不“穩(wěn)流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起LED亮度變異時(shí)，簡(jiǎn)單地限制LED最大電流。雖然這種方案的成本低，但能效也最低，且存在著LED篩選成本及熱失控等問(wèn)題。

CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動(dòng)器或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的方案，適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR廉價(jià)并強(qiáng)固，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在輸入電壓較高時(shí)保護(hù)LED免受過(guò)驅(qū)動(dòng)，且在低電池電壓條件下仍提供較高亮度。這種方案能夠減少或消除LED篩選產(chǎn)生的庫(kù)存，使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達(dá)50 V，能夠承受電池負(fù)載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝，能在嚴(yán)格熱環(huán)境下工作(125℃)，負(fù)溫度系數(shù)特性在高環(huán)境溫度條件下保護(hù)器件本身及LED。此外，CCR不產(chǎn)生電磁干擾，易于設(shè)計(jì)。

圖2：雙端及三端CCR電路圖。

線性穩(wěn)壓器支持多條線路并行配置以擴(kuò)散熱耗散，提供達(dá)±2%的穩(wěn)流精度，無(wú)電磁干擾(EMI)問(wèn)題，成本中等，但能效也較低。而憑借高能效及靈活等優(yōu)勢(shì)，開關(guān)穩(wěn)壓器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復(fù)雜，但也提供顯著優(yōu)勢(shì)，如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據(jù)輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動(dòng)器不同，它們對(duì)EMI很敏感，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)需要注意的設(shè)計(jì)約束。

值得一提的是，除了這些常見(jiàn)的LED驅(qū)動(dòng)器方案，安森美半導(dǎo)體推出了高集成LED照明管理集成電路(IC)。這些照明管理集成了多種LED驅(qū)動(dòng)及控制功能，相當(dāng)于一個(gè)完整子系統(tǒng)，能夠承受高達(dá)125℃的環(huán)境溫度，用于汽車前照燈、組合尾燈及最新的高級(jí)前照燈系統(tǒng)(AFS)等應(yīng)用，后文將會(huì)詳細(xì)論及。

典型汽車應(yīng)用LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品及其應(yīng)用

1) 適合低電流LED應(yīng)用的CCR

安森美半導(dǎo)體運(yùn)用專利自偏置晶體管(SBT)技術(shù)開發(fā)出了NSI45系列CCR(參見(jiàn)圖2)。這系列CCR包含雙端固定輸出和三端可調(diào)節(jié)輸出兩種類型，電流等級(jí)涵蓋10至180 mA。其中三端可調(diào)節(jié)輸出CCR包括電流30至80 mA(SOT-223)及60至150 mA(DPAK)等不同選擇，能夠用于滿足特定電流設(shè)置要求。

CCR易于設(shè)計(jì)，適合高邊(High-side)及低邊(Low-side)應(yīng)用;既能用單個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)1串或多串LED，也能并聯(lián)多個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)一串或多串LED(詳見(jiàn)參考資料1)。

圖3：CCR汽車中央高位停車燈(CHMSL)應(yīng)用電路圖。

2) 針對(duì)背光、內(nèi)部照明控制及尾燈等應(yīng)用的線性LED驅(qū)動(dòng)器

在線性驅(qū)動(dòng)器方案，典型產(chǎn)品包括安森美半導(dǎo)體的NUD4001及NUD4011線性LED驅(qū)動(dòng)器，兩款器件的額定輸入電壓范圍分別為6至30 V和48至200 V，額定輸出電流分別為高達(dá)500 mA和高達(dá)70 mA，在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域包括尾燈、方向燈、剎車燈及車頂燈等。這兩款器件的設(shè)計(jì)均用于在交流-直流應(yīng)用中替代分立方案，設(shè)計(jì)人員能夠利用外部電阻針對(duì)不同LED陣列設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應(yīng)用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖4顯示的是NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用。

圖4：NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用示例。

而在要求驅(qū)動(dòng)大電流的高亮度LED汽車照明應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4101高亮度線性LED驅(qū)動(dòng)器。CAT4101能驅(qū)動(dòng)一串電流高達(dá)1 A的高亮度LED，且滿載時(shí)的壓降僅為極低的0.5 V。這種簡(jiǎn)單方案不要求電感，消除開關(guān)噪聲，將元件數(shù)量減至最少，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。