面向汽车应用的最佳LED驱动器解决方案

发布时间:2020-11-14   来源:黄冈视窗   

目前,有关高亮度LED (发光二极管) 的市场分析统计数据存在着巨大的差异。尽管预测存在分歧,但有一个趋势是明确的,即:高亮度 (HB) LED市场将以一种惊人的速度迅猛成长。根据法国Yole Development公司所做的预测,所有LED的市场规模将在2012达到103亿美元。在这当中,高亮度和超高亮度LED总共将占到约44.5亿美元;几乎是2007年7.83亿美元市场规模的5.5倍 (基于封装式LED)。

是什么支持了如此令人注目的成长潜力?首先,LED的发光效率是白炽灯泡的10倍,以及荧光灯的2倍,因此,当提供一个给定的光输出量 (单位:流明)时,它所需的电能以及产生的热量大幅度下降。随着LED的进一步发展,它从电能产生光通量的效率将继续升高。其次,当今世界非常重视环保,LED照明不需要操作、暴露和处置荧光灯泡中常见的有毒汞蒸汽。第三,白炽灯泡每1,000小时就需要更换,荧光灯泡的使用期限为10,000小时,而LED的寿命则长达100,000小时以上。在大多数应用中,这使得LED能够被永久地嵌入在最终产品或系统中,而无需采用某种固定物。具体实例包括汽车中的车身面板或HDTV中的LCD显示屏,因为它们在汽车或HDTV的使用期限内将永远不需要更换。此外,LED的面积和高度要比同类替代方案小几个数量级,而且可以制作成非常扁平的外形,因此能够永久性地嵌入在汽车的内部和外部装置以及扁平的消费类电子产品中。另外,通过采用一种红光、绿光和蓝光LED配置,还可以提供无限多种彩色光。LED的调光和接通/关断操作速度之快远远超过了人眼的分辨能力,因而在背面照明HDTV及其他类型的显示器中实现了巨大的改善。如果没有LED,高对比度比和高分辨率清晰型LCD HD TV将无法成为现实。

然而,照明系统设计师所面临的最大挑战之一是:如何优化最新一代LED的所有优势?由于LED通常需要一个准确而高效的DC电流源以及一种调光方法,因此,必须设计LED驱动器IC,以在众多应用中满足这些要求。电源解决方案必须具备高效、功能坚固性、紧凑和成本效益性等特点。可以说,对于LED驱动而言,汽车应用和大型HDTV LCD显示器的背面照明应用是其所面临诸多极苛刻应用当中的两个。由于LED在汽车应用中所拥有的综合优势,它们已经被各种汽车照明形式全面采用,从车前灯到仪表盘/导航装置背面照明以及普通的车身内部/外部照明等一应俱全。传统上一直由CCFL (冷阴极荧光灯) 来提供的LCD HDTV背面照明应用正在逐渐地被规模较大、能够以单独的LED串来调光的高亮度LED阵列所取代,从而实现了非常精准的局部调光。与采用CCFL背光源的传统HDTV相比,这使得对比度比提高了一个数量级。如前文所述,由于具有局部调光能力和超快的响应时间,因此可以实现LED亮度的即时调节,从而消除了在CCFL背光照明HDTV固有的运动图像模糊这一长期存在的棘手问题。

汽车LED照明

诸如小外形尺寸、低功耗和快速接通时间等优势开创了高亮度LED被当今汽车所广泛采用的局面。LED在汽车中的初始应用是中央高架停车灯 (CHMSL);这些应用使用红光LED来提供一个非常扁薄的照明阵列,该照明阵列易于安装,而且永远不需要更换。

传统上,白炽灯泡是最为经济的光源,而且仍然被许多汽车所采用。然而,随着可用照明空间的日益缩小以及对照明光源使用寿命要求的不断提高,在许多应用中,由LED所提供的灯光色彩和精简型设计方案正在迅速取代白炽灯泡。信息娱乐系统中的传统CCFL-LCD背面照明被白光LED阵列所取代的现象正变得越来越普遍,后者提供了更加精准且可调的背面照明以及将轻松超越汽车寿命的使用期限。更有甚者,人们还在利用一种电“可操纵”型高电流LED阵列来开发车前灯 (见图1),而该领域一直是被卤素/氙灯丝设计所把持的。几乎所有的汽车照明应用 (包括车身内部/外部照明和背光照明应用) 都将逐步过渡为采用LED。在该环境中使用LED的好处具有诸多积极的含意。首先,它永远不需要更换,因为其长达100,000小时以上的固态寿命 (服役年限:11年半) 比汽车的使用寿命还要长。这使得汽车制造商能够把它们永久性地嵌入“车舱内”的照明系统中,而无需像以往那样留有用于更换灯丝灯泡的入口。由于LED照明系统不需要白炽灯泡所要求的安装深度或面积,因此还可使汽车的造型发生引人注目的显著变化。

图1示出了近期投产的Lexus LS600h LED车前灯。Audi (奥迪) 公司的R8和GM公司的Escalade拥有类似的选项。所有这些车辆的总体照明配置都是相似的。每个车前灯部件包含5种专为所有照明要求而优化的LED光束,这些光束包括:近光、远光、弯道光、昼间行驶灯和转向信号,它们全部都由LED来提供。标准光束一般将需要35W至50W的功率。听起来好像并不太多,但请不要忘记:LED提供的光通量是卤素灯的10倍,因此50W LED的光输出与500W卤素灯是相当的。远光所需的功率与标准光束相同或稍高,而弯道光、昼间行驶灯和转向信号将需要较少的功率。这些光束均可利用单个HB LED驱动器来驱动,这就是凌力尔特公司的LT3755。由于电能消耗有可能超过200W,可见采用发热量极少的高效率LED驱动器是何等的重要。

图1:HB LED Lexus LS600h车前灯/转向信号/行驶灯

汽车LED照明的设计参数

为了确保最佳的性能和长久的工作寿命,LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够从相当苛刻的汽车电源总线获取工作电源,而且还应兼具成本和空间“效益性”。为了维持其长久的工作寿命,一定不得超过LED的电流和温度限值。

大多数车前灯应用都需要大约50W的LED电流。凌力尔特的LT3755专为服务于此类应用而设计。它能够把汽车总线电压 (标称值为12V) 提升至高达60V,以驱动多达14个串联的1A LED。

图2描绘了LT3755的效率 (可高达93%)。这一点极其重要,因为它免除了对任何功率元件进行散热的需要,从而实现了非常紧凑的占板面积。虽然图2中的电路是升压模式拓扑结构,但LT3755运用了独特的高压侧电流检测设计,因而使其还能够根据应用的特殊要求而被配置成升压、降压模式、降压-升压模式或反激式拓扑结构。

图2:LT3755电路的效率曲线

LT3755从一个内部调节7V电源来驱动一个低压侧外部N沟道MOSFET。固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现了稳定和精准的运作。LT3755提供了一个恒定电流源,LED驱动器IC要想在输入电压不稳定的情况下实现恒定的LED亮度,这是必不可少的。在汽车应用中,这一点特别重要,原因是输入电压会由于在诸如“冷车发动”和“负载突降”等过程中遇到的瞬变而发生巨大的摆动。LT3755的最大输入电压为40V,这令其即使在主汽车总线承受40V瞬态电压的情况下 (这在负载突降条件下是很常见的) 也能够调节LED电流和电压。

一个参考于地电位的电压反馈引脚充当众多LED保护功能电路 (例如:开路LED保护) 的输入,并可使转换器起一个恒定电压源的作用。一个频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz的范围内进行频率设置,以优化效率和性能,同时最大限度地缩减外部元件尺寸。如果需要进行外部同步,则可使LT3755-1版本在其整个100kHz至1MHz的频率范围内同步至一个外部时钟。

LT3755的True ColorTM PWM调光功能实现了高达3000:1的调光比,而发射光的色彩无变化 (见图3),从而使得能够利用PWM的占空比来对LED车前灯进行经常性的调节,以适应各种环境条件。由于凌力尔特的高电流LED驱动器是电流模式稳压器,因此它们并非直接调节电源开关的占空比,而是由反馈环路负责在每个周期中控制开关中的峰值电流。与电压模式控制相比,电流模式控制改善了环路动态特性,并提供了逐周期电流限制。

图3:True Color PWM调光