LED與CCFL光源的電源解決方案

在汽車發(fā)展的歷史進(jìn)程中，照明一直扮演著相當(dāng)重要的角色，一開始汽車僅配備方便在黑暗中尋找道路的前燈，不久之后，在交通流量逐漸增大的情況下出于安全與秩序的考慮，其它照明源，例如尾燈、指示燈以及其它信號燈則陸續(xù)加入，并針對一些特殊情況下加上了警告燈與霧燈，另一方面，車廂內(nèi)裝的光源，例如儀表板燈、車頂燈、地圖燈或車門踏板照明燈等也為駕駛者與乘客帶來更高的方便性。

除了最早期的車型外，所有這些照明都采用電源，并使用白熾燈泡，最近幾年，其它光源，例如發(fā)光二極管（Light EmittingDiode；LED）以及冷陰極管（Cold Cathode FluorescentLamps；CCFL）則逐漸應(yīng)用到汽車上，這些新光源的主要優(yōu)勢在于更長的使用壽命以及更佳的發(fā)光效率，白熾燈泡的標(biāo)準(zhǔn)壽命大約在一萬小時，熒光燈管則可以達(dá)到五萬小時，發(fā)光二極管甚至可長達(dá)十萬小時。
　
LED壽命長而且故障率極低，可以大幅降低維修的成本，LED的其它優(yōu)勢還包括低電壓運作、低電磁發(fā)射、不受機械應(yīng)力影響、更輕薄的尺寸、寬廣的工作溫度范圍以及幅度更大的明暗調(diào)整范圍，通過LED技術(shù)的改進(jìn)，可以預(yù)期這項技術(shù)將逐漸取代其它光源，不過目前CCFL在部分特定應(yīng)用，例如大區(qū)域背光以及高功率非聚焦照明場合還是擁有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。

CCFL與LED光源都需要一個電源，同時不同的技術(shù)也有各自的特殊要求，此外，這些電源也必須執(zhí)行其它特定應(yīng)用的額外功能，本文將介紹LED與CCFL光源的電源解決方案，并討論各種汽車內(nèi)裝與外部燈光應(yīng)用的設(shè)計。

讓該亮的地方就有燈光：車室照明
　
車室照明應(yīng)用包括了儀表板以及指示背光、車頂燈或地圖燈、車門踏板照明燈或后車廂燈以及顯示背光等，由于顯示背光有其它特殊要求，因此我們在后面再加以討論。
　
所有這些汽車內(nèi)部燈光應(yīng)用都可以采用LED作為光源，雖然地圖燈與車頂燈通常可以使用一顆高亮度LED來解決，但儀表板燈與車門踏板照明燈則通常需要超過一個LED串聯(lián)形成的光源，之所以采用串聯(lián)連接方式主要是為了避免不同LED間的電流不同造成顏色差異。所有應(yīng)用都必須要有內(nèi)建明暗調(diào)整功能的定電流電源，而擁有這些功能組合的一個例子為美商美信（Maxim）公司的MAX16800，這款芯片整合了所有的控制以及電流供應(yīng)電路，請參考圖1（a）。

MAX16800擁有高達(dá)40V的輸入電壓范圍，因此能夠在不需要加入保護(hù)組件的情況下直接連接到汽車電池，這些保護(hù)主要用來避免電池電路因負(fù)載突降而帶來的突波，芯片為LED提供定電流輸出，電流大小則可以通過與LED串接的感測電阻RSENSE來加以設(shè)定，請見圖1（b）。為了改善電流設(shè)定的精確度并提高對外部噪聲的抵抗能力，MAX16800采用了差動式電流感測輸入。

LED的色溫會隨著流經(jīng)的電流變化，因此要控制LED的亮度最好采用定電流脈寬調(diào)制（Pulse WidthModulation；PWM）的方式，而非直接改變實際電流的大小，MAX16800通過在芯片的使能（Enable）輸入接腳加上PWM信號來控制LED的亮度，流經(jīng)LED的電流將由PWM所設(shè)定的速度進(jìn)行亮滅控制。
　
抗EMI電磁干擾能力在汽車應(yīng)用中相當(dāng)重要，同樣地也必須注意不要產(chǎn)生任何EMI，將流經(jīng)LED電流進(jìn)行開關(guān)切換就是造成EMI幅射的來源，因此，為了降低PWM運作時所發(fā)出的EMI，MAX16800整合了波形整形電路來使切換邊緣變得平緩。

許多照明應(yīng)用并沒有包含可以用來產(chǎn)生明暗控制信號的微控制器，對于這類應(yīng)用就可以采用MAX16805以及MAX16806，請參考圖2（a）、（b）與（c），這些LED驅(qū)動器包含了所有需要的功能，例如斜波產(chǎn)生器、脈沖偵測器、穩(wěn)壓電路、帶隙參考電路以及其它更多功能，因此可以節(jié)省微控制器或開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的需求，請參考圖2（a）。這兩款芯片都能夠通過加到DIM輸入的外部模擬電壓控制內(nèi)部所產(chǎn)生的PWM信號，其中MAX16806同時還提供有可以遮蔽模擬明暗控制設(shè)定的開關(guān)輸入SW（SwitchInput），這個開關(guān)輸入不僅能夠檢測開關(guān)的狀態(tài)，同時擁有去彈跳功能，并提供穩(wěn)定開關(guān)用的封閉電流（wetting current）。

在某些照明應(yīng)用中我們必須緊密地監(jiān)控LED的溫度，這在空間受限同時散熱不佳的場合特別重要，LED過熱會縮短其壽命，因而影響到采用這項光源的一個主要優(yōu)勢，幸運的是這個過熱情況在大部分應(yīng)用中都可以通過暫時降低LED的亮度來加以避免，要達(dá)成這個功能，MAX16806提供有外部溫度傳感器的輸入，請參考圖2（c），當(dāng)偵測到溫度過高情況發(fā)生時，組件會將亮度變暗，直到溫度回到可接受的范圍，溫度與明暗控制的臨界值可以通過串行接口進(jìn)行控制并存儲在EEPROM內(nèi)存中，這個功能讓我們可以避免使用昂貴且大型的散熱片。
　
MAX16805M806的內(nèi)部參考電路應(yīng)用在反饋回路中來監(jiān)測LED電流，同時可以通過串行接口加以調(diào)整，這將能夠讓所有的LED串共享一個固定的感測電阻，有效簡化生產(chǎn)并降低成本。

加強顯示背光

目前有越來越多的LCD被應(yīng)用在儀表總成、車用電腦、收音機、導(dǎo)航系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)上，用來顯示信息，和以上的例子不同，背光主要是將光分散在大區(qū)域面積上而非產(chǎn)生一個聚焦光束。

傳統(tǒng)上LCD面板使用CCFL燈管作為背光源，主要是這項技術(shù)擁有良好效率、低溫以及高照明能力等優(yōu)勢，雖然CCFL控制器在非汽車類應(yīng)用中，例如液晶電視或液晶顯示器上相當(dāng)成功，但汽車的工作環(huán)境卻對這項技術(shù)帶來特殊的挑戰(zhàn)與要求，為了讓元件數(shù)減少，CCFL控制器必須包含包括如EMI抑制、燈管電流過度驅(qū)動（overdrive）能力，以及將接腳數(shù)降到最低的串行控制接口、各信道燈管失效監(jiān)測、燈管頻率與DPWM控制用精確內(nèi)建振蕩電路以及其它功能等，這類解決方案有美信（Maxim）公司的DS3881，請參考圖3（a），其只需少許的外加電路，就能夠組合出完整的CCFL電源控制子系統(tǒng)，請參考圖3（b）。DS3881主要針對汽車應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行最佳化設(shè)計，由于所采用的基礎(chǔ)電路組態(tài)，因此外部晶體管、變壓器以及燈管本身就形成了EMI的噪聲來源，DS3881通過使用展頻與頻率偏移技術(shù)來降低EMI發(fā)射，并將任何未移除噪聲移到非關(guān)鍵頻帶來解決這個問題。

汽車應(yīng)用的另一個獨特要求是能夠在低溫下工作，DS3881擁有特殊的燈管電流過度驅(qū)動模式，可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管，帶來幾乎立即激活的效果，這款產(chǎn)品同時擁有大量的錯誤監(jiān)測功能，例如燈管失效、燈管開路、過電流、激活失敗以及過電壓等情況。

汽車應(yīng)用的另一個獨特要求是能夠在低溫下工作，DS3881擁有特殊的燈管電流過度驅(qū)動模式，可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管，帶來幾乎立即激活的效果，這款產(chǎn)品同時擁有大量的錯誤監(jiān)測功能，例如燈管失效、燈管開路、過電流、激活失敗以及過電壓等情況。

由于具有高度整合的特性，DS3881只需搭配相當(dāng)少的外部元件，因此能夠降低材料成本并簡化量產(chǎn)流程，對于需要超過一根燈管的大型顯示應(yīng)用，則可以直接將多個DS3881控制器加以串接，所有的功能都能夠通過電路聯(lián)機或串行接口進(jìn)行控制，而設(shè)定值則可以存儲在內(nèi)建的非揮發(fā)性內(nèi)存中。
　
對于較小型的顯示面板，就可以使用LED矩陣來取代CCFL背光，不過使用多個LED串也會帶來相對的設(shè)計挑戰(zhàn)，其中最明顯的是如何能夠在整個區(qū)域提供一致的照明與色彩輸出。推動LED背光矩陣的一個方式是采用內(nèi)含8個LED驅(qū)動通道，分別可以提供55mA電流輸出的MAX16807與MAX16808，請參考圖4（a），圖4（b）則顯示了采用MAX16807的典型電路如何簡化系統(tǒng)，只需少數(shù)幾個元件就能夠完成背光驅(qū)動子系統(tǒng)的設(shè)計。

MAX16807M808可以應(yīng)用在降壓、升壓或SEPIC模式下，依輸入電壓范圍以及每個輸出上所串聯(lián)的LED數(shù)量而定，加上一個外部電阻以及一個齊納二極管就可以讓組件不受負(fù)載突降的影響。雖然所有LED串的電流只通過一個電阻控制，但是每個LED串的電流也可以獨立控制，這樣的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到每個LED串間±3%以下的電流匹配誤差，不需外加任何元件。

由于每個LED串可以獨立進(jìn)行控制來調(diào)整相互間不匹配的情形，因此所有LED串的明暗可以同時通過使能（Enable）接腳加以控制，通過50Hz到30kHz的明暗控制頻率范圍，可以達(dá)到5000：1的明暗比變化，這么高的明暗比對必須在黑暗以及明亮陽光照射下還能輕松檢視的汽車顯示相當(dāng)重要，由20kHz到1MHz的可調(diào)切換頻率范圍更讓我們可以選擇不會與系統(tǒng)中其它部分，例如收音機接收器干擾的頻率，此外，MAX16808更加入了LED開路錯誤監(jiān)測等功能，這些控制器也可以通過串接來推動較大的LED矩陣。

外部照明需求

外部照明應(yīng)用帶來了安全性與維護(hù)等新問題，因此需要更高功率的照明，外部照明，例如尾燈、剎車指示燈以及緊急警告燈或霧燈等，都必須能夠正常運作以避免發(fā)生嚴(yán)重的安全問題，尾燈必須在遠(yuǎn)距離就能看清，同時不會對大區(qū)域提供照明，因此汽車內(nèi)部照明所使用的相同LED與電流規(guī)格也可以使用在這些外部照明應(yīng)用上，這代表了以上所討論，針對內(nèi)部照明應(yīng)用設(shè)計的MAX16800、807與808驅(qū)動芯片也可以應(yīng)用在這些場合，由于尾燈所使用的LED數(shù)量通常高于內(nèi)裝應(yīng)用，因此必須使用多顆驅(qū)動芯片，使用多顆驅(qū)動芯片同時還可以帶來單一線路失效仍能保證運作的容錯備用功能，相同的作法也可以應(yīng)用在剎車指示燈或其它信號燈的設(shè)計上。

對于需要高照明功率，例如照明燈或霧燈等應(yīng)用就必須使用多個高亮度LED（High BrightLED；HBLED），但是高亮度LED卻需要超高驅(qū)動電流，要產(chǎn)生所需的電流會使用太多的驅(qū)動芯片，因此較簡單的解決方案是使用可以推動高電流晶體管的控制器，為高亮度LED提供高達(dá)30A的電流，這類組件的一個范例為MAX16818，請參考圖5。

MAX16818可以以降壓、升壓以及SEPIC模式運作，同時高達(dá)1.5MHz的寬廣切換頻率范圍更使得它可以搭配小型外接元件，外部照明應(yīng)用通常需要快速激活或立即切換亮度，為了達(dá)成這個目標(biāo)，MAX16818是美信（Maxim）公司第一款可以達(dá)到20AMms快速電流切換的LED驅(qū)動器產(chǎn)品，如果需要更高的電流或容錯備用能力，MAX16818擁有一個180°的延遲脈沖輸出，可以用來控制第二顆LED驅(qū)動器。

以上提出的所有解決方案都能夠滿足包括短路安全輸出、溫度過熱關(guān)機以及-40℃到+125℃工作的汽用應(yīng)用要求，這些產(chǎn)品以小型強化散熱的QFN或TSSOP封裝形式，可以簡單地安排在汽車照明應(yīng)用中空間受限的電子模塊里。