作者：Piero Bianco
SPM事業(yè)部業(yè)務(wù)經(jīng)理
美信集成產(chǎn)品公司
目前，汽車廠商正在逐步將汽車照明系統(tǒng)從白熾燈和冷陰極熒光燈調(diào)換成高亮度LED。這些HB LED廣泛用于導(dǎo)航及娛樂設(shè)備顯示器的背光和汽車內(nèi)部、外部照明，例如：日間行駛燈、尾燈等。一些新利用 (如平視顯示器)也開端應(yīng)用HB LED。
然而，在把HB LED集成到各種系統(tǒng)時(shí)，為了提高工作效率、下降本錢、獲得寬范疇調(diào)光及其它上風(fēng)，設(shè)計(jì)職員還面臨諸多挑釁。由于第一代驅(qū)動(dòng)器的局限性，設(shè)計(jì)職員還無法在效率、最少的外部元件數(shù)目、最低EMI以及寬范疇PWM調(diào)光等方面進(jìn)行優(yōu)化。最新推向市場(chǎng)的多串LED驅(qū)動(dòng)器(如MAX16814)以極其奇妙的方法解決了上述技巧瓶頸，這些驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)和線性把持器之間能夠進(jìn)行雙向通信。
為什么選擇HB LED？
HB LED在汽車范疇的利用越來越普及，它們?yōu)槠囋O(shè)計(jì)職員帶來了眾多上風(fēng)。與其它照明技巧相比，HB LED是最環(huán)保的解決計(jì)劃，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還有助于改良汽車的安全性，這回功于它們的快速開、關(guān)速度(遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈)。也正是考慮到這一因素，剎車燈廣泛采用了高亮度LED。
此外，它為設(shè)計(jì)職員在汽車的個(gè)性化作風(fēng)設(shè)計(jì)上供給了更大的施展空間，原因是：LED尺寸很小，幾乎不占用面板背部的空間，設(shè)計(jì)職員可以按照任何外形排列LED燈；這種小尺寸射燈非常合適作為唆使燈；最后，LED比其它照明計(jì)劃具有更長的應(yīng)用壽命，應(yīng)用壽命達(dá)到50,000小時(shí)甚至更長，非常合適長期保持照明狀態(tài)的環(huán)境，如日間行駛燈。
LED在汽車中的利用已經(jīng)從剎車燈、尾燈擴(kuò)大到了前車燈(日間行駛照明，中高端汽車的地位唆使燈以及高端汽車的近光燈和遠(yuǎn)光燈)、內(nèi)部照明(RGB LED可以把持燈光色彩)，為汽車增加奇特風(fēng)采。此外，LED在導(dǎo)航、娛樂設(shè)備和儀表盤背光利用中也逐漸成為主流產(chǎn)品(圖1)。
LED技巧在一些全新利用中也占領(lǐng)重要地位，例如汽車平視顯示器。LED具有較寬的調(diào)光范疇，通過PWM調(diào)光，非常合適這類需要根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)在非常寬的范疇內(nèi)調(diào)節(jié)燈光明度的利用。
HB LED的設(shè)計(jì)挑釁
當(dāng)然，把LED集成到汽車?yán)脮r(shí)也會(huì)見臨諸多挑釁，例如，必需保持盡可能低的本錢。就元件本身而言，LED燈的價(jià)格通常高于其它照明計(jì)劃(白熾燈、鹵素?zé)?、CCFL)。因此，必需下降LED計(jì)劃的系統(tǒng)級(jí)本錢，以提高該項(xiàng)技巧的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?。下降?jì)劃本錢的道路之一是盡可能減少驅(qū)動(dòng)器的元器件數(shù)目，這也有利于提高系統(tǒng)可靠性，由于PCB上的每個(gè)元件都可能是系統(tǒng)的一個(gè)失效點(diǎn)。
另一挑釁是效率。高能效在汽車中的重要性越來越高，特別是對(duì)于混雜動(dòng)力車，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)四周的環(huán)境溫度可能達(dá)到105°C，其它部位的溫度會(huì)達(dá)到85°C。LED產(chǎn)生大批熱量，它們不會(huì)在IR或UV波段輻射能量，其功耗會(huì)提高四周環(huán)境的溫度，這就需要下降驅(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標(biāo)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。
在汽車?yán)弥?，LED被排列成多串(每串定義為一個(gè)串聯(lián)LED組，具有雷同電流)?？梢愿鶕?jù)顯示器的尺寸方便地排列LED支撐背光，將LED排列成多串有助于提高故障容限(假如一個(gè)LED開路，只會(huì)封閉與該LED串聯(lián)的LED，而非所有LED)。應(yīng)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，電壓達(dá)到40V，避免在與LED或其連線接觸時(shí)呈現(xiàn)對(duì)人體構(gòu)成要挾的高壓。
由此可見，能夠驅(qū)動(dòng)多串LED的單片IC具有明顯上風(fēng)。多串驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)通常包含了LED串、升壓轉(zhuǎn)換器(將輸進(jìn)電池電壓轉(zhuǎn)換成每串LED所需高壓)、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)，如圖2所示。
與具有多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器的計(jì)劃相比，這種計(jì)劃的元件數(shù)較少，本錢較低(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的計(jì)劃相比，這種計(jì)劃的上風(fēng)是可以在每串之間均衡電流。假如多串LED直接并聯(lián)，由于有些LED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)隨著溫度的升高而下降，電流的不均衡會(huì)導(dǎo)致熱量失控，由于具有較大電流的LED串發(fā)熱較多，其正向?qū)妷弘S之下降，從而接收更大電流，導(dǎo)致該串LED的溫度進(jìn)一步晉升。隨著電流差別的增大，可能導(dǎo)致一串或多串大電流LED失效。最后，假如LED串只是簡略地并聯(lián)在一起，由于驅(qū)動(dòng)器只能把持總電流，失效的LED電流會(huì)增加到其它LED串，從而由于過驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致其它LED串失效。利用圖2計(jì)劃可以避免呈現(xiàn)這種狀態(tài)。
這種架構(gòu)利用MOSFET調(diào)節(jié)LED串的電流，為使這些MOSFET的溫度盡可能低，需確保管子兩真?zhèn)€電壓盡可能低，但需足夠的電壓使管子處于飽和區(qū)?；孟霔l件下，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：
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)⒃撾妷涸O(shè)置到幻想值的驅(qū)動(dòng)器稱為具有自適應(yīng)電壓優(yōu)化(AVO)功效。
大多數(shù)利用需要通過PWM調(diào)節(jié)LED亮度，例如按照必定的占空比進(jìn)行通、斷把持，使線性吸電流調(diào)節(jié)器打開、封閉，從而使AVO設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。當(dāng)所有LED串封閉時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)有多種選擇和一些限制，后續(xù)內(nèi)容中將具體討論。
傳統(tǒng)的多串驅(qū)動(dòng)器
傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器計(jì)劃采用圖2所示的拓?fù)?，包含升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器和多路獨(dú)立工作的電流調(diào)節(jié)器，這些轉(zhuǎn)換器在配合外部元件實(shí)現(xiàn)AVO功效時(shí)存在一些標(biāo)題。
外部電路必需檢測(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)這一功效。這種計(jì)劃會(huì)占用更大的電路板面積，提高系統(tǒng)本錢。
該計(jì)劃在呈現(xiàn)LED故障時(shí)還存在另一埋伏標(biāo)題，假如一個(gè)LED產(chǎn)生開路，這一串的陰極電壓將跌落至零，二極管檢測(cè)電路將判定這一串具有最高的正向?qū)妷?，并開端晉升升壓的輸出電壓，試圖為這一串LED供給足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。終極導(dǎo)致其它LED串的吸電流MOSFET上的電壓晉升，可能造成管子失效或觸發(fā)升壓轉(zhuǎn)換器的輸出過壓保護(hù)(假如具備此項(xiàng)功效)，封閉轉(zhuǎn)換器和所有LED。
該架構(gòu)的第三個(gè)標(biāo)題是LED的PWM調(diào)光，當(dāng)LED封閉時(shí)，二極管電路沒有電壓參考點(diǎn)來設(shè)置升壓輸出電壓。一種可能的解決措施是增加另一個(gè)二極管，通過火壓電路連接到升壓輸出，如圖2中的紅色標(biāo)記電路。LED封閉時(shí)，該二極管導(dǎo)通，將升壓輸出設(shè)置到預(yù)置電壓。這種方法存在的明顯標(biāo)題是：進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器輸出具有較高的紋波，如圖3a所示。這會(huì)產(chǎn)生EMI噪聲，是汽車設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)題，它還會(huì)在輸出電容Cout上產(chǎn)生可聞噪聲。
新一代多串驅(qū)動(dòng)器
新一代多串LED驅(qū)動(dòng)器的升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器和線性吸電流調(diào)節(jié)器可以進(jìn)行雙向通信(而不是獨(dú)立工作)，解決(或部分解決)了上述三個(gè)標(biāo)題，大大提高了系統(tǒng)性能。這些新型驅(qū)動(dòng)器在IC內(nèi)部檢測(cè)LED串的電壓(比如每個(gè)吸電流MOSFET的漏極電壓)，利用內(nèi)部二極管或模仿開關(guān)電路選擇最低電壓(圖4)。這種計(jì)劃大大下降了外部元件數(shù)目和計(jì)劃本錢。
此外，雙向通信功效還解決了上述一個(gè)LED失效或開路引發(fā)的標(biāo)題。一旦產(chǎn)生這種情況，升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓開端上升，達(dá)到過壓保護(hù)門限時(shí)即可辨認(rèn)故障的LED串，禁止或移出該串對(duì)應(yīng)的AVO把持環(huán)路，其它LED串保持正常工作。除了下降照明亮度外(而不是全部封閉LED)，失效的LED不會(huì)對(duì)用戶造成其它影響。
新一代驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)LED亮度時(shí)，內(nèi)部開關(guān)和線性調(diào)節(jié)環(huán)路采用了與圖2不同的方法，具有更低噪聲。LED封閉時(shí)可能禁止升壓轉(zhuǎn)換器工作，如圖3b所示。換句話說，轉(zhuǎn)換器在此期間結(jié)束了開關(guān)把持，功率開關(guān)MOSFET保持在斷開狀態(tài)，補(bǔ)償電路也處于開路。補(bǔ)償電容保持其電荷量(補(bǔ)償環(huán)路工作時(shí)的狀態(tài))。升壓輸出電壓由輸出電容Cout保持，由于LED封閉電容不放電，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)把持，具有極小的紋波。這種計(jì)劃中，升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓在PWM亮度調(diào)節(jié)期間幾乎保持恒定，大大下降了EMI噪聲和輸出電容上的可聞噪聲。
這種計(jì)劃的唯一限制是PWM調(diào)光的導(dǎo)通周期需要大于幾個(gè)(三個(gè)或四個(gè))開關(guān)周期，以便升壓轉(zhuǎn)換器為輸出電容重新充電，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)器的利用解決計(jì)劃
汽車的日間行駛燈和平視顯示用具有一個(gè)雷同的性能請(qǐng)求，即在汽車行駛過程中始終保持開啟狀態(tài)，請(qǐng)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LED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)目，有助于下降系統(tǒng)本錢、提高可靠性。這類利用還請(qǐng)求工作在較寬的輸進(jìn)電壓范疇，能夠蒙受汽車電池高達(dá)40V的峰值電壓(拋負(fù)載)并具有極低的EMI。
故障容限對(duì)于這類應(yīng)用壽命長，而且即使在產(chǎn)生故障時(shí)也不答應(yīng)封閉LED燈的利用非常重要。MAX16814利用多串驅(qū)動(dòng)架構(gòu)能夠在呈現(xiàn)一個(gè)LED開路或短路時(shí)只封閉呈現(xiàn)故障的LED串，其它LED保持有效工作。此外，MAX16814的故障唆使輸出還可以供給LED失效報(bào)警(圖5)。
平視顯示器還請(qǐng)求較寬(1000:1或更大)的PWM調(diào)光范疇，MAX16814集成了一個(gè)奇特的PWM調(diào)光電路，能夠有效克制升壓輸出電壓的紋波(頻率為調(diào)光頻率)，從而下降了EMI和可聞噪聲。該計(jì)劃與圖3b應(yīng)用的計(jì)劃類似，但能夠以200Hz供給5000:1的調(diào)光范疇(高于其它產(chǎn)品)，克服了上述最小導(dǎo)通時(shí)間的限制。
芯片可以驅(qū)動(dòng)四串LED，開關(guān)和線性調(diào)節(jié)器之間可進(jìn)行雙向通信，大大減少了外部元件的數(shù)目。此外，MAX16814具有完備的故障保護(hù)措施和檢測(cè)功效，任何一串呈現(xiàn)開路或短路的LED時(shí)將封閉這一串的工作，并向系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警輸出。滿足汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有請(qǐng)求，例如可蒙受40V拋負(fù)載，工作在-40°C至125°C溫度范疇。
設(shè)計(jì)HB LED系統(tǒng)時(shí)需要調(diào)和考慮多方面因素，包含元件數(shù)目、效率、可靠性等。表1對(duì)多種LED驅(qū)動(dòng)計(jì)劃進(jìn)行了對(duì)照和回納，有助于設(shè)計(jì)職員針對(duì)具體利用選擇最佳計(jì)劃。
