克服汽車系統(tǒng)中高亮度(HB) LED集成方案的技術(shù)瓶頸

引言

目前，汽車廠商正在逐步將汽車照明系統(tǒng)從白熾燈和CCFL (冷陰極熒光燈)更換成HB (高亮度) LED。這些HB LED廣泛用于導(dǎo)航及娛樂設(shè)備顯示器的背光以及汽車內(nèi)部、外部照明，例如：日間行駛燈、尾燈等。新應(yīng)用中(例如：平視顯示器)也開始使用HB LED。

由于第一代HB LED驅(qū)動(dòng)器的局限性，設(shè)計(jì)人員還無法在效率、最少的外部元件數(shù)量、最低EMI以及寬范圍PWM調(diào)光等方面進(jìn)行優(yōu)化。最新推向市場(chǎng)的多串HB LED驅(qū)動(dòng)器，例如：MAX16814，以極其巧妙的方式解決了上述技術(shù)瓶頸，這些驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)和線性控制器之間能夠進(jìn)行雙向通信。本文介紹了一個(gè)用于日間行駛燈或平視顯示器的設(shè)計(jì)實(shí)例。

為什么選擇HB LED?

HB LED在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，這一點(diǎn)很容易理解，因?yàn)樗鼈優(yōu)槠囋O(shè)計(jì)人員帶來了眾多優(yōu)勢(shì)：與其它照明技術(shù)相比，HB LED是最環(huán)保的解決方案—具有出色的能效，不含汞，回收時(shí)只有極少的有害物質(zhì)。另外，HB LED還有助于提高汽車的安全性，這歸功于它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈的開、關(guān)速度，也正是考慮到這一因素，它們被廣泛用于剎車燈。

HB LED為設(shè)計(jì)人員在汽車的“個(gè)性化”風(fēng)格設(shè)計(jì)上提供了更大的發(fā)揮空間。LED尺寸很小，燈源幾乎不占用面板背部的空間，設(shè)計(jì)人員可以按照任何形狀排列燈管，這要?dú)w功于其小尺寸和照射的方向性。這種小尺寸射燈非常適合作為指示燈。

最后，HB LED比其它照明方案具有更長的使用壽命，使用壽命達(dá)到50,000小時(shí)甚至更長，基于這一原因，它們非常適合長期保持照明狀態(tài)的任何環(huán)境，日間行駛燈就是一個(gè)很好的應(yīng)用案例。

HB LED技術(shù)在一些全新應(yīng)用中也占有重要地位，例如，汽車平視顯示器。LED具有較寬的調(diào)光范圍，特別適合需要根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)調(diào)節(jié)燈光亮度的應(yīng)用。正是在這些應(yīng)用中體現(xiàn)了PWM調(diào)光的重要性。

如果了解“為什么”使用HB LED，也就不難理解它們?cè)诮裉斓钠囋O(shè)計(jì)中為什么如此普及，其典型應(yīng)用包括：剎車燈、尾燈、前車燈(日間行駛照明，中高端汽車的位置指示燈以及高端汽車的遠(yuǎn)光燈和近光燈)、內(nèi)部照明(RGB LED可以控制燈光顏色)，為汽車增添獨(dú)特風(fēng)采。另外，HB LED在導(dǎo)航、娛樂設(shè)備和儀表盤背光應(yīng)用中也逐漸成為主流產(chǎn)品(圖1)。

圖1. HB LED正在滲透到汽車每個(gè)部位的照明設(shè)計(jì)中，從前車燈到剎車燈以及位于二者之間任何部位的照明。

HB LED的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)然，把HB LED集成到汽車應(yīng)用時(shí)也會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)，例如，保持盡可能低的成本。就元件本身而言，LED燈的價(jià)格通常高于其它照明方案(例如：白熾燈、鹵素?zé)簟?CCFL)。因此，必須降低LED方案的系統(tǒng)級(jí)成本，以提高該項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?。為了降低方案成本，必須盡可能減少驅(qū)動(dòng)器的元器件數(shù)量，這也有利于提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)镻CB上的每個(gè)元件都可能是系統(tǒng)的一個(gè)失效點(diǎn)。

另一挑戰(zhàn)是效率，高能效在汽車中的重要性越來越高，特別是對(duì)于混合動(dòng)力車。必須盡可能提高效率使功耗(發(fā)熱)降至最低，汽車部件一般工作在高溫環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的環(huán)境溫度可能達(dá)到+105°C，其它許多應(yīng)用中溫度也會(huì)達(dá)到+85°C。LED產(chǎn)生大量熱量(與其它燈源不同，它們不會(huì)在IR或UV波段輻射能量)，其功耗會(huì)提高周圍的環(huán)境溫度。這就需要降低LED驅(qū)動(dòng)器的功耗，避免驅(qū)動(dòng)器IC或驅(qū)動(dòng)模塊中的其它器件過熱。

當(dāng)然，汽車環(huán)境下同樣面臨EMI問題，任何照明子系統(tǒng)都不能干擾車內(nèi)的其它子系統(tǒng)，AM收音機(jī)通常是最敏感的部件之一。由于LED需要開關(guān)型或線性驅(qū)動(dòng)電路，這些電路會(huì)引發(fā)EMI噪聲(特別是開關(guān)電路)或EMI干擾問題，設(shè)計(jì)中需要關(guān)注這一問題。驅(qū)動(dòng)器電路還會(huì)引入音頻噪聲，例如：陶瓷電容產(chǎn)生的噪聲。

多串LED的優(yōu)點(diǎn)

汽車應(yīng)用中，LED被排列成多串，每串定義為一組串聯(lián)LED，具有相同電流?？梢愿鶕?jù)顯示器的尺寸方便地排列LED支持背光，將LED排列成多串有助于提高故障容限。如果一個(gè)LED開路，只會(huì)關(guān)閉與該LED串聯(lián)的燈管，而非所有LED。使用多串LED的另一個(gè)原因是限制每串LED的電壓，提高系統(tǒng)安全性。例如，一串總電壓為80V的LED分成兩串后，電壓變?yōu)?0V，避免在與LED或其連線接觸時(shí)出現(xiàn)對(duì)人體構(gòu)成威脅的高壓。

由此可見，能夠驅(qū)動(dòng)多串LED的單片IC具有明顯優(yōu)勢(shì)。多串架構(gòu)通常包括：LED串、一個(gè)boost轉(zhuǎn)換器(將輸入電池電壓轉(zhuǎn)換成LED串所需的高壓)、多路線性吸電流調(diào)節(jié)器(用于建立每串的驅(qū)動(dòng)電流) (圖2)。

圖2. 多串驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)配置，利用單芯片控制多串LED的電流。Boost轉(zhuǎn)換器和線性電流調(diào)節(jié)器獨(dú)立工作時(shí)，可增加紅色標(biāo)記元件來自適應(yīng)調(diào)節(jié)電壓。

與具有多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器的方案相比，這種方案的元件數(shù)較少，成本較低(只需要一個(gè)電感和少數(shù)旁路電容)。與單串驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED的方案相比，這種方案的優(yōu)勢(shì)是可以在每串之間均衡電流。如果多串LED直接并聯(lián)，因?yàn)橛行㎜ED的正向?qū)妷狠^高，電流不可能在每串之間均分。另外，LED的正向?qū)妷簳?huì)隨著溫度的升高而降低，電流的不均衡會(huì)導(dǎo)致熱量失控：具有較大電流的LED串發(fā)熱較多，其正向?qū)妷弘S之降低，從而吸收更大電流，導(dǎo)致該串LED的溫度進(jìn)一步提升，如此循環(huán)。隨著電流差異的增大，可能導(dǎo)致一串或多串大電流LED失效。最后，如果LED串只是簡單地并聯(lián)在一起，由于驅(qū)動(dòng)器只能控制總電流，失效的LED電流會(huì)增加到其它LED串，從而由于過驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致其它LED串失效。利用圖2所示方案可以避免出現(xiàn)這種狀況。

不可否認(rèn)，圖2所示架構(gòu)也存在一定限制：它利用MOSFET調(diào)整串聯(lián)電流，為了使這些MOSFET的溫度盡可能低，需確保管子兩端的電壓盡可能低，但需足夠的電壓使管子處于飽和區(qū)。理想條件下，boost輸出電壓為：

VBOOST = max(VSTRING,I) + VSAT

式中，VSTRING,I為第I串LED的正向?qū)傠妷?，VSAT為MOSFET處于飽和狀態(tài)時(shí)的VDS。能夠?qū)BOOST電壓設(shè)置到理想值的LED驅(qū)動(dòng)器稱為具有AVO (自適應(yīng)電壓優(yōu)化)功能。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)應(yīng)用中需要通過PWM調(diào)節(jié)LED亮度，從而使AVO設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。它們必須按照一定的占空比進(jìn)行通、斷控制，使線性吸電流調(diào)節(jié)器打開、關(guān)閉。但是，當(dāng)所有LED串關(guān)閉時(shí)，boost轉(zhuǎn)換器應(yīng)該處于何種狀態(tài)呢? 這是設(shè)計(jì)面臨的另一問題，答案可能有多種，每種都有一定的限制，后續(xù)內(nèi)容中將詳細(xì)討論。

傳統(tǒng)多串LED驅(qū)動(dòng)器的問題

傳統(tǒng)的多串LED驅(qū)動(dòng)器方案采用圖2所示拓?fù)?，包含boost開關(guān)轉(zhuǎn)換器和多路獨(dú)立工作的吸電流調(diào)節(jié)器，使用這些驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建AVO時(shí)，需要一些外部元件，這會(huì)引起一系列的問題。

其中一個(gè)問題是：外部電路必須檢測(cè)哪一串LED具有最高的正向?qū)妷?或最低的陰極電壓);利用圖2中紅色標(biāo)記的幾個(gè)二極管可以實(shí)現(xiàn)這一功能。這種方案會(huì)占用更大的電路板面積，增加系統(tǒng)成本。

該方案在出現(xiàn)LED故障時(shí)還存在另一潛在問題，如果一個(gè)LED失效發(fā)生開路，這一串的陰極電壓將跌落至零，二極管檢測(cè)電路將判斷這一串具有最高的正向?qū)妷?，并開始提升VBOOST，試圖為這一串LED提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。這將引出幾個(gè)潛在問題，提升后的電壓作用在其它串的吸電流MOSFET上，可能造成全部管子失效;或者，電壓的提升將觸發(fā)boost轉(zhuǎn)換器的輸出過壓保護(hù)(OVP)，如果器件具有此項(xiàng)功能，則關(guān)閉轉(zhuǎn)換器和所有LED串。

該架構(gòu)的第三個(gè)問題是LED的PWM調(diào)光，當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，二極管電路沒有電壓參考點(diǎn)來設(shè)置VBOOST。一種可能的解決辦法是增加另一個(gè)二極管，通過分壓電路連接到boost輸出，如圖2中的紅色標(biāo)記電路。LED關(guān)閉時(shí)，該二極管導(dǎo)通，將VBOOST設(shè)置到預(yù)置電壓。這種方式存在的顯著問題是：進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)，boost轉(zhuǎn)換器的輸出電壓具有較高的紋波，紋波頻率為PWM調(diào)光頻率(見圖3)。電壓紋波會(huì)產(chǎn)生EMI噪聲，如上所述，這是汽車設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題，它還會(huì)從輸出電容COUT上產(chǎn)生音頻噪聲。

圖3a. 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)的波形，利用圖2所示外部電路，VBOOST在LED電流通、斷期間發(fā)生變化，電源上存在較大噪聲。

圖3b. 在新一代驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)中，boost轉(zhuǎn)換器在LED電流斷開期間停止開關(guān)工作，轉(zhuǎn)換器輸出電壓由其輸出電容保持，由于漏電流的作用，電壓略有下降。

新一代多串LED驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

新一代多串LED驅(qū)動(dòng)器在性能上有較大改進(jìn)，boost開關(guān)轉(zhuǎn)換器與線性吸電流調(diào)節(jié)器部分可以進(jìn)行雙向通信，而不是獨(dú)立工作。因此，新型多串驅(qū)動(dòng)器解決了上述三個(gè)問題。

這些新型驅(qū)動(dòng)器在IC內(nèi)部檢測(cè)LED串的電壓，即每個(gè)吸電流MOSFET的漏極電壓，IC利用內(nèi)部二極管或模擬開關(guān)電路選擇最低串電壓(圖4)。這種方案大大降低了外部元件數(shù)量和方案成本。

圖4. 新一代HB LED驅(qū)動(dòng)器IC中，內(nèi)部LED吸電流調(diào)節(jié)器與boost轉(zhuǎn)換器之間的通信功能有助于獲得更高效率，避免了許多傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器所面臨的問題。

另外，雙向通信功能還解決了上述一個(gè)LED失效或開路引發(fā)的問題，新設(shè)計(jì)中一旦一個(gè)LED發(fā)生故障，VBOOST開始上升，電壓達(dá)到OVP門限時(shí)即可識(shí)別出發(fā)生故障的串，從AVO控制環(huán)路中禁止或移出該串，其它LED串保持正常工作。除了降低照明亮度外(而不是全部關(guān)閉LED)，不會(huì)對(duì)用戶造成其它影響。

通過PWM調(diào)節(jié)LED亮度時(shí)，需要考慮LED驅(qū)動(dòng)器開關(guān)操作的幾個(gè)因素。集成開關(guān)和線性調(diào)節(jié)環(huán)路采用了與圖2不同的方式，具有更低噪聲。LED關(guān)閉時(shí)，新型boost轉(zhuǎn)換器可禁止工作，如圖3b所示。如果轉(zhuǎn)換器在此期間停止了開關(guān)操作，功率開關(guān)MOSFET將保持在斷開狀態(tài)，補(bǔ)償電路也處于開路。此時(shí)，補(bǔ)償電容保持其電荷量，這是補(bǔ)償環(huán)路的狀態(tài)。VBOOST由輸出電容COUT維持，由于LED關(guān)閉電容不會(huì)放電，COUT的放電電流只是漏電流。LED恢復(fù)導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)換器重新啟動(dòng)開關(guān)操作，具有極小紋波。這種方案中，VBOOST在PWM亮度調(diào)節(jié)期間幾乎保持恒定，大大降低了EMI噪聲和輸出電容產(chǎn)生的音頻噪聲。

這種方案的唯一限制是PWM調(diào)光的導(dǎo)通周期需要大于幾個(gè)(例如：三個(gè)或四個(gè))開關(guān)周期，以便boost轉(zhuǎn)換器為COUT重新充電，補(bǔ)償關(guān)斷期間的漏電流損耗。這限制了能夠獲得的最小占空比。

新一代驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

汽車的日間行駛燈和平視顯示器具有一個(gè)相同的性能要求：在汽車行駛過程中始終保持開啟狀態(tài)，要求較高的可靠性/冗余設(shè)計(jì)，任何情況下確保正常工作。利用MAX16814等新一代多串驅(qū)動(dòng)器能夠保證行駛燈和平視顯示器高度可靠，同時(shí)還大大減少了外部元件的數(shù)量。較少的元件數(shù)量降低了故障概率，有助于提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。

這類涉及人身安全的應(yīng)用還具有一些類似要求：工作在較寬的輸入電壓范圍，能夠承受典型值高達(dá)40V的汽車電池峰值電壓(拋負(fù)載)并具有極低的EMI。

故障容限是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，即使在發(fā)生故障時(shí)也不允許關(guān)閉LED燈，這一點(diǎn)非常重要。MAX16814利用多串驅(qū)動(dòng)架構(gòu)能夠在出現(xiàn)一個(gè)LED開路或短路時(shí)只關(guān)閉出現(xiàn)故障的LED串，其它LED保持有效工作。此外，MAX16814的故障指示輸出還可以提供LED失效報(bào)警(圖5)。

平視顯示器還要求較寬(1000:1或更大)的PWM調(diào)光范圍，MAX16814集成了一個(gè)獨(dú)特的PWM調(diào)光電路，能夠有效抑制VBOOST的紋波(頻率為調(diào)光頻率)，從而降低了EMI和可聞噪聲。該MAX16814方案與圖3b使用的方案類似，但能夠以200Hz提供5000:1的超寬PMW調(diào)光范圍，這一調(diào)光范圍高于任何同類產(chǎn)品，克服了上述最小導(dǎo)通時(shí)間的限制。

MAX16814可以驅(qū)動(dòng)4串LED，每串電流可達(dá)150mA，開關(guān)和線性調(diào)節(jié)器之間可進(jìn)行雙向通信。該芯片大大減少了外部元件的數(shù)量。另外，MAX16814具有完備的故障保護(hù)措施和檢測(cè)功能，任何一串出現(xiàn)開路或短路的LED時(shí)將關(guān)閉這一串的工作，并向系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警輸出。此外，該IC 滿足汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有要求，可承受40V拋負(fù)載，工作在-40°C至+125°C溫度范圍。

圖5. 這是一個(gè)完整的汽車平視顯示器或行駛燈驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例，電路包含了所有外部元件和輸入EMI濾波器，借助MAX16814的低噪聲特性，外部EMI濾波元件值可以很小。

設(shè)計(jì)HB LED系統(tǒng)時(shí)需要折衷考慮多方面因素，例如：元件數(shù)量、效率、可靠性等。表1對(duì)多種LED驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了對(duì)比和歸納，有助于設(shè)計(jì)人員針對(duì)具體應(yīng)用選擇最佳方案。

表1. HB LED驅(qū)動(dòng)方案總結(jié)

新一代LED驅(qū)動(dòng)器大大減少了外部元件數(shù)量，此外，利用開關(guān)電路與線性調(diào)整電路之間的雙向通信能夠?qū)崿F(xiàn)高性價(jià)比方案，具有更高效率，并有效改善系統(tǒng)性能，包括：故障保護(hù)與檢測(cè)。MAX16814是一款多串驅(qū)動(dòng)器，具有上述所有優(yōu)勢(shì)，PWM調(diào)光范圍高于市場(chǎng)上任何類似產(chǎn)品。