幾種車用LED驅(qū)動方案的比較

　　摘要：汽車上的轉(zhuǎn)向燈不再是只能一閃一滅了?，F(xiàn)在的LED光帶中發(fā)光顆?？梢砸砸欢ù涡蛄翜?，光帶看上去像發(fā)光蟲子朝著汽車轉(zhuǎn)向或者變道的方向直直地游去：現(xiàn)在不僅僅轉(zhuǎn)向燈可以實現(xiàn)上述功能了，全車的照明都已經(jīng)發(fā)展成可以以上述方式開啟和熄滅。隨著LED燈具應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，研究分析用于控制LED燈的轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)也就越來越迫切了。

　　關(guān)鍵詞：車用LED照明;控制器;拓撲結(jié)構(gòu)

　　因為LED燈具有很高的應(yīng)用靈活性，所以在進行汽車設(shè)計時，設(shè)計人員可利用LED高可塑性將車輛的燈光作為該汽車品牌外觀亮點。而且LED燈發(fā)光效率高，使用壽命長，這也從技術(shù)角度解釋了為什么這種光源越來越受到汽車廠家的青睞。汽車上都有很多種類的燈由LED光源扛起了大梁，包括方向燈、尾燈、近光燈和剎車燈，這些LED燈擔任的角色不同，功能不同，對為其驅(qū)動的電源也提出了不同的要求，并且驅(qū)動電路的拓撲結(jié)構(gòu)必須盡可能地完全滿足LED燈對驅(qū)動電源的要求。此外，LED燈的性能也在不斷地發(fā)展。一方面，驅(qū)動電流僅為10mA級LED燈產(chǎn)生的亮度能持續(xù)增強，另一方面，單個LED需要的電流已經(jīng)達到了數(shù)安培，這都給LED的控制提出了不同的要求?，F(xiàn)在沒有，也不可能存在一種通用的拓撲結(jié)構(gòu)能滿足所有LED光源的要求，而且可以兼顧低成本和高效率。這就不難理解，IC設(shè)計人員在選擇和協(xié)調(diào)驅(qū)動方案時，涉及的可能使用的驅(qū)動方案越多，他們就越要關(guān)注各個方案的特點與應(yīng)用要求的匹配情況。

　　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　從技術(shù)上說，設(shè)計用于控制車輛照明LED的控制電路考慮到很多方面。這種電路的設(shè)計從幾個不同的方向都取得了進展：一方面，驅(qū)動電流在50毫安以下的LED燈的亮度能在不斷增強，另一方面，驅(qū)動電流達到數(shù)安培的單個LED獲得了長足的發(fā)展。在本文中，我們將比較七個可能用于控制車輛照明LED的拓撲結(jié)構(gòu)，并解釋它們的性能和各自應(yīng)用領(lǐng)域。IC設(shè)計人員可以在對各種拓撲結(jié)構(gòu)介紹的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用要求的特點，在多種拓撲結(jié)構(gòu)中選擇成本與工藝要求相匹配的那一種。但是，這些拓撲結(jié)構(gòu)中并不存在一種低成本同時又高效率的，適用于所有應(yīng)用領(lǐng)域的通用拓撲結(jié)構(gòu)。

　　只有在得到良好的散熱，并且驅(qū)動電流穩(wěn)定的前提條件下，LED燈才能正常運行并達到它的最大使用壽命。在近幾年來，隨著OLED(有機發(fā)光二極管)技術(shù)已經(jīng)進入到這個領(lǐng)域，LED燈對上述基本使用條件的要求更為苛刻了，這是因為，相對于較早出現(xiàn)的，以LED技術(shù)制造的LED燈，以O(shè)LED技術(shù)制造的LED燈對高電流密度更為敏感。此外， OLED驅(qū)動方式中所采用的亮度調(diào)節(jié)方式為模擬驅(qū)動方法，即，通過模擬控制電路，而不是通過數(shù)字脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)改變燈的發(fā)光強度。

　　如遠光燈和近光燈，這種發(fā)光時功率較高的LED燈需要幾乎強制性的時鐘控制功率系統(tǒng)。以電子方式控制的，高效的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以減少LED燈工作過程中出現(xiàn)的功率損耗。相對于傳統(tǒng)的白熾燈，LED燈和電子器件對高溫工作環(huán)境更為敏感，所以，在設(shè)計轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境時，為確保轉(zhuǎn)換器高效運行，需要將轉(zhuǎn)換器安裝在足夠大的空間內(nèi)，也就是說，從冷卻技術(shù)方面考慮，足夠大的安裝空間確保轉(zhuǎn)換器能夠穩(wěn)定工作。

　　限制和要求

　　在設(shè)計車輛照明電路過程中，設(shè)計人員遇到的最典型的挑戰(zhàn)是，要為不同種類的LED燈提供相當寬的驅(qū)動電壓范圍，并且不同LED燈要求的輸入電壓和輸入電流之組合各不相同。通常情況下，向LED模塊驅(qū)動的電壓下限在4V左右，而向LED模塊驅(qū)動的電壓的范圍會受到汽車啟停系統(tǒng)(Start-Stop-System)的影響;位于極性保護電路后的電子器件的驅(qū)動電壓下限往往只有3V。因為LED燈輸出功率被設(shè)置為恒定，這就導(dǎo)致當其驅(qū)動電壓較低時，輸入電流持續(xù)升高。

　　前燈典型應(yīng)用

　　DC/DC電源管理

　　步進電機控制器

　　遠光燈/近光燈

　　霧燈

　　日間行車燈

　　方向燈

　　帶總線接口的LIN控制器

　　elmos Semiconductor公司推出的 E522.xx系列控制器可滿足針對車輛前部照明所需的各種LED燈，并符合解決方案設(shè)定的限定條件和要求。

　　為了抵消這種電流升高的效應(yīng)，在LED燈控制電路的設(shè)計任務(wù)書中往往要求設(shè)計出一種合適的降低輸入電流額定值的電路裝置(例如，一種可以設(shè)在燈具中，在燈的驅(qū)動電壓較低時，能夠?qū)崿F(xiàn)線性降低燈輸入電流額定值的電路裝置)。模擬連續(xù)驅(qū)動電路裝置可以實現(xiàn)連續(xù)向LED供電，避免出現(xiàn)照明中斷的情況。上述措施不僅僅在技術(shù)上解決了問題，而且在設(shè)計極性保護電路的最大電流時以及EMC(電磁兼容性)濾波元件的最大電流時，使用上述措施也有利于降低解決方案的成本。

　　一般來說，如果串聯(lián)連接的LED工作電壓大于等于2V，乃至所需的電壓達到55V以上時，以集成電路(IC)驅(qū)動方案對其進行驅(qū)動是無法產(chǎn)生足夠的驅(qū)動電流的。此外，對上述串聯(lián)LED進行驅(qū)動，電路中的電流可以被調(diào)整而實現(xiàn)的電流范圍應(yīng)該滿足以下條件，即，經(jīng)模擬調(diào)整實現(xiàn)的最大電流與經(jīng)模擬調(diào)整實現(xiàn)的最小電流之間的比應(yīng)大于10:1。一般情況下，經(jīng)調(diào)整后電流的極值為1.5A，在試驗研究中，模擬輸出的電流的極值已經(jīng)達到了大于3A小于6A的這個范圍內(nèi)，此時，用于實現(xiàn)點光源的單個二極管的光通量大于1000流明。

　　現(xiàn)在的問題是，哪種拓撲結(jié)構(gòu)和哪種LED相匹配呢?下面的例子給出了一些用于特定應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)成本也合適的拓撲結(jié)構(gòu)以及這些拓撲結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。選擇這些例子的出發(fā)點是體現(xiàn)應(yīng)用程序開發(fā)人員的愿望，也就是編制出一個拓撲結(jié)構(gòu)為一個特定的組合，即，在照明設(shè)備上獲得的恒定電流和電壓的組合。如何設(shè)計這樣的拓撲結(jié)構(gòu)，有很多種思路。

　　線性拓撲結(jié)構(gòu)

　　電源集成電路轉(zhuǎn)換器適合于電流和功率比較小的LED燈，比如，轉(zhuǎn)向燈、尾燈、霧燈，還有低成本的日間行車燈。這些電源集成電路的總成本比較小，而且典型的電源集成應(yīng)用起來非常簡單。原則上，電源集成電路工作期間對外的輻射量很小，所以幾乎不需要為電源集成電路配EMC(電磁兼容性)濾波器。本文不討論用于交換解決方案所需的電感式存儲器的相關(guān)問題。

　　在選擇對LED進行驅(qū)動的驅(qū)動方案時，選擇哪種方案往往除了受到LED電路的限制之外，還要受到驅(qū)動器內(nèi)的電流大小的限制。在車輛中常用的線性驅(qū)動器的電流極限值一般大于40mA小于70mA。電路設(shè)計人員必須針對此限制條件采取措施，以確保驅(qū)動器模塊的溫度不至于升至保證電路安全運行的極限值以上。當今業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出了相應(yīng)的溫度管理方案，能夠確保在驅(qū)動器內(nèi)的電流極限值能夠大于150mA。Elmos 半導(dǎo)體公司推出的E522.80/81/82/83LED控制器就是作為可行的溫度管理方案的一個很好的例子，該系列LED控制器中內(nèi)置了三個獨立的電流源，在并聯(lián)輸出的情況下，向LED驅(qū)動的總電流可達450mA。

?

　　E522.81線性橫流LED評估板

　　例如E522.80/81/82/83系列線性控制器可以作為電源集成電路型控制器控制如轉(zhuǎn)向燈，尾燈等工作電流和功率比較小的LED燈，即，工作電流大約在大于40mA且小于70mA這個范圍之內(nèi)的LED燈。

　　此外，elmos Semiconductor公司還支持多顆芯片級聯(lián)使用，當任何一串燈出現(xiàn)故障的時候進行故障診斷。在不同國家里針對處理單個LED故障設(shè)定了不同的處理目標和行業(yè)規(guī)則，這些目標和規(guī)則包括對故障公差的規(guī)定以及關(guān)于不完整的光源完全停止工作的規(guī)定和處理目標。如果設(shè)有一個本地的控制器，則PWM信號可以將可能存在的硬件缺陷精確地識別出來，并將識別得到的信息發(fā)回給控制器。

　　Boost-to-GND-拓撲結(jié)構(gòu)

　　Boost-to-GND拓撲結(jié)構(gòu)是一種典型的拓撲結(jié)構(gòu)，它也被稱作升壓電路或者Step-Up升壓轉(zhuǎn)換器。它是一種效率很高且一般情況下EMC(電磁兼容性)非常友好的拓撲結(jié)構(gòu)。然而，只有在所有的工作狀態(tài)下，負載電壓都大于輸入電壓時，才可以使用這種拓撲結(jié)構(gòu)。所以在車輛照明電路中幾乎不會使用這種拓撲結(jié)構(gòu)。因為在這種拓撲結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動處設(shè)置了電感存儲器，所在Boost升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流大致維持不變，因此，這種拓撲結(jié)構(gòu)相對于其他拓撲結(jié)構(gòu)更容易被過濾。當這種拓撲結(jié)構(gòu)的負載處于其可以使用的負載范圍之內(nèi)時，且考慮到Jumpstart的要求(在較長的一段時間內(nèi)驅(qū)動電壓在不高于28V的水平)，則電路的電壓在大于30V且小于60V的區(qū)間內(nèi)。因為LED燈對溫度條件要求非常高，所以從技術(shù)角度考慮，在上述電壓區(qū)間內(nèi)幾乎不能在LED燈的電路中使用Boost拓撲結(jié)構(gòu)。

　　最后但同樣重要的一點是，如果輸出電壓超過了60V，則必須采取專門的措施，以確保人員在觸碰相關(guān)電子器件不會被電擊傷。當涉及帶有更大的正向電壓OLED stack時，Boost轉(zhuǎn)換器的作用再一次扮演了更為重要的角色。例如， elmosE522.31/32/33/34就是作為LED控制使用的Boost轉(zhuǎn)換器的解決方案。

　　Boost-to-Battery-拓撲結(jié)構(gòu)

　　這種拓撲結(jié)構(gòu)的基本原理和典型的Booster拓撲結(jié)構(gòu)的基本原理類似，在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，LED負載的基點不是接地，而是驅(qū)動電壓。Boost-to-Battery拓撲結(jié)構(gòu)也可以被簡稱為Boost-to-Bat-拓撲結(jié)構(gòu)，任意規(guī)格的輸入電壓在經(jīng)過這種拓撲結(jié)構(gòu)之后可以輸出任意規(guī)格的輸出電壓。因此，從技術(shù)的角度上分析，它是一個Buck-Boost拓撲結(jié)構(gòu)。

?

　　Boost-to-Battery拓撲結(jié)構(gòu)也可以被簡稱為Boost-to-Bat-拓撲結(jié)構(gòu)，任意規(guī)格的輸入電壓在經(jīng)過這種拓撲結(jié)構(gòu)之后可以輸出任意規(guī)格的輸出電壓;然而，必須在這個拓撲結(jié)構(gòu)中配置一個差分式電流檢測放大器。

　　Lowside開關(guān)將在第一相中的電流負載在電感器中，在第二相中(即Lowside已經(jīng)被斷開的狀態(tài))，存儲在電路中的能量通過空轉(zhuǎn)二極管被傳回到輸出端。

　　使用這種拓撲結(jié)構(gòu)必須滿足一個前提條件，即，在拓撲結(jié)構(gòu)中設(shè)置一個差分式電流檢測放大器，上述差分式電流檢測放大器通過一個寬共模電壓范圍能實現(xiàn)精確的測量。Elmos出品的LED驅(qū)動器E522.31/32/33/34中包括了一個特殊的放大器，可以在大于4V小于55V的范圍內(nèi)進行測量，其測量的失調(diào)電壓小于3mV，測量的溫度范圍為小于150 °C。此外，上述驅(qū)動器還可以提供外部頻率同步，以及一個任意可用的內(nèi)部擴頻調(diào)制( frequencyspread modulation)，如果對LED控制裝置提出了很高的EMC(電磁兼容性)要求，那么這種驅(qū)動器可以幫助整個系統(tǒng)滿足《CISPR25》中針對汽車電子部件作出的規(guī)定。

　　在上述驅(qū)動器電子器件的內(nèi)部和外部電路中都設(shè)有不同的診斷功能，本驅(qū)動器可以在電壓在60V以下時正常工作，而且通過本驅(qū)動器可以實現(xiàn)數(shù)字和模擬的調(diào)光功能。汽車內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器(LDOs)可以同時對控制器或者模擬輔助電路以3.3V和5V供電。

　　Buck-to-Ground 拓撲結(jié)構(gòu)

　　第二個經(jīng)典的拓撲結(jié)構(gòu)為Buck-to-Ground拓撲結(jié)構(gòu)，簡稱為Buck-to-GND-拓撲結(jié)構(gòu)，這種拓撲結(jié)構(gòu)屬于降壓轉(zhuǎn)換器(Step-Down-Converter 或者 Buck-Converter)。該轉(zhuǎn)換器可以讓負載電壓小于輸入電壓，此性能對于解決電子控制問題很有意義。一般來說，此類轉(zhuǎn)換器可以為一個到兩個LED燈提供大電流。與Boost拓撲結(jié)構(gòu)相反，驅(qū)動側(cè)的降壓轉(zhuǎn)換器可以調(diào)整電流，負載電流被設(shè)定了上限。因此，具有這種拓撲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器不像具有Boost拓撲結(jié)構(gòu)那樣，總是需要配置降低輸入電流額定值的電路裝置。

　　降壓轉(zhuǎn)換器可以配合日間行車燈(DRL)、霧燈、轉(zhuǎn)向燈、車燈以及倒車燈工作。市場上已經(jīng)開發(fā)出了很多照明產(chǎn)品，比如，針對電流小于2A的照明產(chǎn)品開發(fā)出了基于降壓轉(zhuǎn)換器的elmos E522.10型控制器。對于電流較大，即，小于6A的LED，市場上開發(fā)出了基于開關(guān)穩(wěn)壓器IC的解決方案。這種解決方案允許在外部激勵晶體管內(nèi)靈活選擇導(dǎo)通電阻。這就意味著，設(shè)計人員可以根據(jù)實際情況降低成本。在有的情況下可以使用Buck-to-Battery拓撲結(jié)構(gòu)，例如帶有LED控制器的E522.31/32/33/34。

　　Buck-to-Battery-拓撲結(jié)構(gòu)

　　還有一種使用了N型晶體管用在Lowside控制器里形成的拓撲結(jié)構(gòu)，這種Buck-轉(zhuǎn)換器用于為LED燈驅(qū)動(被稱為Buck-to-Battery拓撲結(jié)構(gòu)或者簡稱為Buck-to-Bat拓撲結(jié)構(gòu))。在這種控制器工作過程中，相對于電池，LED負載為負電荷，因此，LED的電勢永遠在電池驅(qū)動電勢和大地電勢之間。在電感器通過一個Lowside開關(guān)或者空轉(zhuǎn)二極管交替充電放電期間，來自電感器的，變化幅度小的電流向串聯(lián)的LED燈供電。

　　Buck-to-Battery拓撲結(jié)構(gòu)可以通過電源開關(guān)處較小電壓振幅幫助減少在側(cè)面內(nèi)的開關(guān)損失以及通過高交換層級減少向外的輻射量。

　　通過在電源開關(guān)較小的電壓振幅，這種拓撲結(jié)構(gòu)可以幫助減少邊緣的開關(guān)損失，并通過高交換層級減少向外的輻射量。因為這種拓撲結(jié)構(gòu)可以通過一個外部開關(guān)總是能與一個給定的電流條件和電壓條件相匹配，所以這樣的解決方案是相當靈活的。在組件設(shè)計過程中拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)人員必須時時注意，轉(zhuǎn)換器所決定的最大占空比(Duty Cycle)。Elmos建議，采用經(jīng)典的Buck拓撲結(jié)構(gòu)平衡這種Buck-to-Battery-拓撲結(jié)構(gòu)。此時，大部分情況下轉(zhuǎn)換器都允許100 %的占空比(Duty Cycle)，采用經(jīng)典的Buck拓撲結(jié)構(gòu)進行平衡之后，Buck-to-Battery-拓撲結(jié)構(gòu)可用的輸入電壓區(qū)間可以向下延伸。因為Buck-to-Battery-也需要差分放大器，elmos支持采取各種方式給開發(fā)人員以支持，如 elmos提供已經(jīng)完成的、完整的演示電路。

　　在電容器中用于緩沖電源電壓的電路的有效值是一個常常被低估的要求。當涉及Buck-轉(zhuǎn)換器(和Buck-to-Battery)時，電流往往呈梯形或者矩形。在Buck-轉(zhuǎn)換器的占空比為50%的例子中，有效的RMS-電流為輸出側(cè)負載電流的一半。

?

　　在一些情況下，帶有兩個集成的控制電路的LED轉(zhuǎn)換器E522.32/34可以解決有效電流問題;上述轉(zhuǎn)換器也可以用在多相系統(tǒng)中。即，通過將電源電路中的相位偏轉(zhuǎn)180°，并且對電流進行分流，可以明顯降低不同部件中的功耗。

　　Sepic-拓撲結(jié)構(gòu)

　　從原理上說，Sepic拓撲結(jié)構(gòu)需要lowside-開關(guān)的轉(zhuǎn)換器，諸如LED控制器系列的E522.31/32/33/34就可以應(yīng)用于Sepic拓撲結(jié)構(gòu)。不僅僅從輸入電壓，而且也可以從輸出電壓導(dǎo)出應(yīng)用于Sepic拓撲結(jié)構(gòu)的中晶體管和二極管的電壓要求(一般來講，應(yīng)用于Sepic拓撲結(jié)構(gòu)的中晶體管和二極管的電壓要求與輸入電壓和輸出電壓的和有關(guān))。因此，建議使用外部電源開關(guān)。在市場上，可以買到高質(zhì)量的多種型號和外部電源開關(guān)，在選擇時，可以靈活地選擇不同的耐電強度的外部電源開關(guān)，也可以靈活選擇不同工作電流的外部電源開關(guān)。高RMS電流要求對耦合電容器規(guī)格的選擇起著很重要的作用，因此，通常采用陶瓷耦合電容器用作外部電源開關(guān)中的耦合電容器。

　　在進行涉及Sepic-拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作時，經(jīng)常遇到的一個問題是，是否需要一個由兩個線圈構(gòu)成的耦合。如果從工作原理出發(fā)考慮這個問題，得到的回答是不需要，但是：如果核心上設(shè)置一個由兩個線圈構(gòu)成的耦合，則可以說，耦合會限制在兩個線圈的中電流上升。綜上所述可以得出，一個互相耦合的線圈電感值僅僅是兩個分離的電感線圈的一半即可。通常情況下，綜上所述，無論從器件的結(jié)構(gòu)緊湊性還是成本來說，設(shè)一個耦合的線圈都是一種合理的選項。從控制技術(shù)角度上說，耦合也有它的優(yōu)點，因為耦合減少了相關(guān)磁極的復(fù)雜性。

　　Zeta，尚未被人了解的轉(zhuǎn)換器

　　從原理上說，Zeta轉(zhuǎn)換器就是一種頭部被旋轉(zhuǎn)了的Sepic轉(zhuǎn)換器。和Sepic轉(zhuǎn)換器相反，Zeta轉(zhuǎn)換器作為Highside開關(guān)使用。一種可以與Sepic拓撲結(jié)構(gòu)相類比的網(wǎng)絡(luò)將能量傳輸?shù)捷敵龆?。這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是具有較低的耐電強度，這一特性對于線圈之間的耦合電容的正常工作是必要的條件。此外，還有其他一些與Sepic拓撲結(jié)構(gòu)相類似的原則，以及對于兩個電感存儲器之間的耦合也適用于Zeta轉(zhuǎn)換器。

　　一般來說，Buck轉(zhuǎn)換器集成電路適合于在Zeta拓撲結(jié)構(gòu)中被操作。電源開關(guān)必須能夠承受相對于轉(zhuǎn)換器接地電位電壓為輸出電壓的負漏電壓。出于上述原因，在這種拓撲結(jié)構(gòu)中不宜使用異步激勵級;實際上，必須使用帶有外部P-FET的驅(qū)動器或者帶有自由連接的漏機端子內(nèi)部集成晶體管。此處，可以使用elmos推出的控制器E522.01-09和E522.10。

　　Zeta拓撲結(jié)構(gòu)在EMC(電磁兼容性)方面的表現(xiàn)和Buck轉(zhuǎn)換器類似。會出現(xiàn)不連續(xù)的輸入電流和連續(xù)的輸出電流的情況。如果作為需要向小負荷且冷啟動(Cold-Cranking)的用電器進行驅(qū)動的電源，Zeta拓撲結(jié)構(gòu)會是一種很有意思的選項。在轉(zhuǎn)換器E522.10的基礎(chǔ)上進行設(shè)計開發(fā)或者在控制器系列E522.01-09的基礎(chǔ)上進行開發(fā)，可以達到上述應(yīng)用要求。這種帶有內(nèi)置驅(qū)動器，漏電電壓耐受力小于-10V的Buck轉(zhuǎn)換器也特別適合于Zeta拓撲結(jié)構(gòu)。