克服汽車系統(tǒng)中HB LED集成的挑戰(zhàn)

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更換成高亮度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。一些新應(yīng)用 (如平視顯示器)也開始使用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、降低成本、獲得寬范圍調(diào)光及其它優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員還面臨諸多挑戰(zhàn)。由于第一代驅(qū)動(dòng)器的局限性，設(shè)計(jì)人員還無法在效率、最少的外部元件數(shù)量、最低EMI以及寬范圍PWM調(diào)光等方面進(jìn)行優(yōu)化。最新推向市場的多串LED驅(qū)動(dòng)器(如MAX16814)以極其巧妙的方式解決了上述技術(shù)瓶頸，這些驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)和線性控制器之間能夠進(jìn)行雙向通信。

為什么選擇HB LED？

HB LED在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，它們?yōu)槠囋O(shè)計(jì)人員帶來了眾多優(yōu)勢(shì)。與其它照明技術(shù)相比，HB LED是最環(huán)保的解決方案，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還有助于改善汽車的安全性，這歸功于它們的快速開、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)人員在汽車的個(gè)性化風(fēng)格設(shè)計(jì)上提供了更大的發(fā)揮空間，原因是：LED尺寸很小，幾乎不占用面板背部的空間，設(shè)計(jì)人員可以按照任何形狀排列LED燈；這種小尺寸射燈非常適合作為指示燈；最后，LED比其它照明方案具有更長的使用壽命，使用壽命達(dá)到50,000小時(shí)甚至更長，非常適合長期保持照明狀態(tài)的環(huán)境，如日間行駛燈。

LED在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)從剎車燈、尾燈擴(kuò)展到了前車燈(日間行駛照明，中高端汽車的位置指示燈以及高端汽車的近光燈和遠(yuǎn)光燈)、內(nèi)部照明(RGB LED可以控制燈光顏色)，為汽車增添獨(dú)特風(fēng)采。此外，LED在導(dǎo)航、娛樂設(shè)備和儀表盤背光應(yīng)用中也逐漸成為主流產(chǎn)品(圖1)。

LED技術(shù)在一些全新應(yīng)用中也占有重要地位，例如汽車平視顯示器。LED具有較寬的調(diào)光范圍，通過PWM調(diào)光，非常適合這類需要根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)在非常寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)燈光亮度的應(yīng)用。

HB LED的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)然，把LED集成到汽車應(yīng)用時(shí)也會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)，例如，必須保持盡可能低的成本。就元件本身而言，LED燈的價(jià)格通常高于其它照明方案(白熾燈、鹵素?zé)簟?span id="g49isac" class=hrefStyle>CCFL)。因此，必須降低LED方案的系統(tǒng)級(jí)成本，以提高該項(xiàng)技術(shù)的市場發(fā)展?jié)摿?。降低方案成本的途徑之一是盡可能減少驅(qū)動(dòng)器的元器件數(shù)量，這也有利于提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)?span id="5t5ncpc" class=hrefStyle>PCB上的每個(gè)元件都可能是系統(tǒng)的一個(gè)失效點(diǎn)。

另一挑戰(zhàn)是效率。高能效在汽車中的重要性越來越高，特別是對(duì)于混合動(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)周圍的環(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)生大量熱量，它們不會(huì)在IR或UV波段輻射能量，其功耗會(huì)提高周圍環(huán)境的溫度，這就需要降低驅(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問題。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。

在汽車應(yīng)用中，LED被排列成多串(每串定義為一個(gè)串聯(lián)LED組，具有相同電流)?？梢愿鶕?jù)顯示器的尺寸方便地排列LED支持背光，將LED排列成多串有助于提高故障容限(如果一個(gè)LED開路，只會(huì)關(guān)閉與該LED串聯(lián)的LED，而非所有LED)。使用多串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)出現(xiàn)對(duì)人體構(gòu)成威脅的高壓。

由此可見，能夠驅(qū)動(dòng)多串LED的單片IC具有明顯優(yōu)勢(shì)。多串驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)通常包含了LED串、升壓轉(zhuǎn)換器(將輸入電池電壓轉(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)換器的方案相比，這種方案的元件數(shù)較少，成本較低(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的方案相比，這種方案的優(yōu)勢(shì)是可以在每串之間均衡電流。如果多串LED直接并聯(lián)，因?yàn)橛行㎜ED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)隨著溫度的升高而降低，電流的不均衡會(huì)導(dǎo)致熱量失控，因?yàn)榫哂休^大電流的LED串發(fā)熱較多，其正向?qū)妷弘S之降低，從而吸收更大電流，導(dǎo)致該串LED的溫度進(jìn)一步提升。隨著電流差異的增大，可能導(dǎo)致一串或多串大電流LED失效。最后，如果LED串只是簡單地并聯(lián)在一起，由于驅(qū)動(dòng)器只能控制總電流，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方案可以避免出現(xiàn)這種狀況。

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，需確保管子兩端的電壓盡可能低，但需足夠的電壓使管子處于飽和區(qū)。理想條件下，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)置到理想值的驅(qū)動(dòng)器稱為具有自適應(yīng)電壓優(yōu)化(AVO)功能。

大多數(shù)應(yīng)用需要通過PWM調(diào)節(jié)LED亮度，例如按照一定的占空比進(jìn)行通、斷控制，使線性吸電流調(diào)節(jié)器打開、關(guān)閉，從而使AVO設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。當(dāng)所有LED串關(guān)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)容中將詳細(xì)討論。

傳統(tǒng)的多串驅(qū)動(dòng)器

傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器方案采用圖2所示的拓?fù)洌龎洪_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功能時(shí)存在一些問題。

外部電路必須檢測(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)這一功能。這種方案會(huì)占用更大的電路板面積，提高系統(tǒng)成本。

該方案在出現(xiàn)LED故障時(shí)還存在另一潛在問題，如果一個(gè)LED發(fā)生開路，這一串的陰極電壓將跌落至零，二極管檢測(cè)電路將判斷這一串具有最高的正向?qū)妷?，并開始提升升壓的輸出電壓，試圖為這一串LED提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。最終導(dǎo)致其它LED串的吸電流MOSFET上的電壓提升，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)(如果具備此項(xiàng)功能)，關(guān)閉轉(zhuǎn)換器和所有LED。

該架構(gòu)的第三個(gè)問題是LED的PWM調(diào)光，當(dāng)LED關(guān)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。一種可能的解決辦法是增加另一個(gè)二極管，通過分壓電路連接到升壓輸出，如圖2中的紅色標(biāo)記電路。LED關(guān)閉時(shí)，該二極管導(dǎo)通，將升壓輸出設(shè)置到預(yù)置電壓。這種方式存在的顯著問題是：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)鍵問題，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)問題，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(