汽車電子應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)參考
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在建立LED供電的電子驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)，需要考慮兩個(gè)主要的DC/DC電源類別，分別是線性穩(wěn)壓器和開(kāi)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(diǎn)，但在效率和熱耗方面有嚴(yán)重的弊端。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是很多設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的拓?fù)浣Y(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(yīng)該采用降壓/升壓或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等電源拓?fù)浼夹g(shù)。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201612/326100.htm在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，除了LED供電外，還需要考慮很多因素。LED電路設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)主要考慮因素是熱管理。LED驅(qū)動(dòng)器集成電路改進(jìn)熱性能的一種方式是通過(guò)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(guò)使用外部電流來(lái)感應(yīng)溫度和控制對(duì)LED的電流供應(yīng)來(lái)實(shí)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的產(chǎn)品包含可實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的眾多開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成電路。此外，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體專為L(zhǎng)ED應(yīng)用開(kāi)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(yīng)用的功能。本文將探討幾個(gè)汽車電子系統(tǒng)大燈驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用示例。
使用升壓穩(wěn)壓器的大燈示例
LED正越來(lái)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(yīng)用可能使用以多種方式排列的10個(gè)白色LED。對(duì)于各LED最大VF為4V的情況，如果設(shè)計(jì)師希望使用在一個(gè)燈組中串聯(lián)全部LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將需要設(shè)置DC/DC級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。在這種情況下，可以對(duì)標(biāo)稱12V~14VDC電源總線使用單個(gè)升壓開(kāi)關(guān)功率級(jí)。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體研發(fā)的多種集成電路正是符合這種應(yīng)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?fù)浣Y(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(yù)測(cè)性關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)LED電流。峰值電流模式控制器與預(yù)測(cè)性關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)的組合簡(jiǎn)化了回路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，同時(shí)提供內(nèi)在的輸入電壓前饋補(bǔ)償。LM3429是系列中的基本部件，是優(yōu)化了成本和尺寸特點(diǎn)的控制器解決方案。LM3421增設(shè)了用于控制外部調(diào)光FET和系統(tǒng)“零電流”關(guān)閉特點(diǎn)的集成驅(qū)動(dòng)器。LM3423進(jìn)一步增加了LED狀態(tài)輸出標(biāo)記、故障標(biāo)記、可編程故障計(jì)時(shí)器和邏輯針腳，用于控制調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的極性。最后，LM3424與LM3421類似，但使用標(biāo)準(zhǔn)峰值電流模式控制器。LM3424還具有對(duì)開(kāi)關(guān)頻率編程的功能，或通過(guò)可編程斜率補(bǔ)償、軟啟動(dòng)和LED電流熱返送功能使開(kāi)關(guān)頻率與外部來(lái)源同步。
LM342x系列使用控制器集成電路實(shí)現(xiàn)所需功能和總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)LED燈組的一個(gè)示例。LM342x拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)主要特點(diǎn)是在LED高側(cè)進(jìn)行電流感應(yīng)，允許燈組中的最后LED的陰極局部在底盤(pán)接地，并使感應(yīng)電壓可以差分地饋送回集成電路。這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槭筁ED燈組和驅(qū)動(dòng)器集成電路可以彼此分離。
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(cè)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(shè)計(jì)要素是適當(dāng)?shù)纳岷屯L(fēng)，因此很多應(yīng)用需要考慮不可預(yù)測(cè)的狀況，即使最佳的熱設(shè)計(jì)也可能無(wú)法預(yù)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(duì)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(diǎn)正常照明，同時(shí)使電流保持在安全工作區(qū)，以預(yù)防照明系統(tǒng)的災(zāi)難性故障。
為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)LED電流的目標(biāo)，可以使用多種不同的方法。一種方法是構(gòu)建溫度感應(yīng)電路，用于驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器集成電路的模擬電流調(diào)節(jié)針腳。更簡(jiǎn)單的解決方法是使用LM3424等具有內(nèi)置熱返送（TFB）功能的LED驅(qū)動(dòng)器集成電路。圖2顯示了LM3424熱返送功能所需的外部零部件示例。
使用SEPIC穩(wěn)壓器的大燈示例
雖然汽車電氣系統(tǒng)通常在12V~14VDC條件下工作，但在特殊情況下，向系統(tǒng)部件的供電電壓可能超出或低于正常工作值范圍。例如，在冷啟動(dòng)情況下，系統(tǒng)供電可能為4.5V或更低，在負(fù)載突降狀況下，電壓可能在40V到60V之間。如果在這些特殊情況下仍需要LED工作或保護(hù)，設(shè)計(jì)師可能希望選擇可提供恒定LED電流的功率級(jí)，而不管電源電壓與LED組電壓的關(guān)系如何。一種采用SEPIC的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以執(zhí)行升壓和降壓操作，如圖5所示。
使用串聯(lián)/并聯(lián)LED的組合尾燈
另一個(gè)常見(jiàn)的照明應(yīng)用是尾燈/閃光燈組件，也被稱為組合尾燈（RCL）。對(duì)于在12V~14V直流電源供電中具有3V典型正向電壓（VF）的LED來(lái)說(shuō)，一個(gè)可能的解決方案是使用降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。由于最低值為12V，因此只允許3個(gè)LED串聯(lián)。可以采用圖7所示的串聯(lián)/并聯(lián)組合，因?yàn)樵谝粋€(gè)串聯(lián)燈組中所有必備的LED的總電壓將超過(guò)12V。
對(duì)于此應(yīng)用的調(diào)光和閃光部分，可以使用多種方法降低向LED陣列提供的功率。最常用的一種方法是脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光，這種方法通常使用專門(mén)的邏輯信號(hào)高速開(kāi)啟和關(guān)閉LED以控制總體光輸出。這種方法簡(jiǎn)單有效，但可能極少用于汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用，因?yàn)樵诰€束中需要一根額外的線路用于調(diào)光信號(hào)。另一種方法稱為雙線調(diào)光，向LED驅(qū)動(dòng)器提供的電源定期中斷以控制調(diào)光。1.5A整體式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM3406具有此功能，其真實(shí)電流平均值實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)密的光輸出控制。集成的N通道MOSFET不提供控制器集成電路具有的靈活性，因此降低了板上的復(fù)雜性。圖8顯示了使用雙線調(diào)光方法的LM3406應(yīng)用示例。
LM3406包含輸入電壓感應(yīng)針腳（VINS）使照明設(shè)計(jì)師可以魚(yú)和熊掌兼得，因?yàn)樗麄兛梢詫?shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低系統(tǒng)接線復(fù)雜性（照明部件距離控制電路較遠(yuǎn)）。阻擋二極管D2允許輸入電容器CIN保持與LM3406的連接，這與非雙線調(diào)光設(shè)置相同，因此使LM3406在調(diào)光階段可以保持完全供電。這比簡(jiǎn)單的開(kāi)啟和關(guān)閉零部件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光更為高效，因?yàn)長(zhǎng)M3406的所有內(nèi)部支持電路在調(diào)光過(guò)程中保持通電。因此，部件可以立即進(jìn)入調(diào)光階段，集成電路沒(méi)有恢復(fù)和運(yùn)行延時(shí)。這樣，在雙線調(diào)光設(shè)置中，LM3406的工作方式與輸出控制中使用邏輯調(diào)光針腳的方式相同。標(biāo)準(zhǔn)PWM設(shè)置需要的附加部件只有阻擋二極管D2、VINS下拉電阻器RPD和用于實(shí)現(xiàn)理想斬波開(kāi)關(guān)S1的部件。
使用串聯(lián)LED和升壓/降壓穩(wěn)壓器組合的RCL示例
在并聯(lián)燈組陣列中，配置LED通過(guò)允許LED功率級(jí)在12V~14V軌道下直接運(yùn)行，極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但并聯(lián)/串聯(lián)組合也同樣具有一些缺點(diǎn)。在查看LED制造商
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