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汽车应用中的LED照明方案

导读: 与目前的汽车内部和外部照明解决方案相比,LED照明具有很多优势,如性能更高、寿命更长、成本更低等,这种照明方式并且提高了汽车照明的美感和性能。然而欲直接以汽车电池驱动LED,需要一个 DC/DC转换器来稳压一个恒定的LED电流,并保护LED免受汽车电池变化剧烈的影响。这种转换器应根据串联 LED 中

Keith Szolusha
 
 
与目前的汽车内部和外部照明解决方案相比,LED照明具有很多优势,如性能更高、寿命更长、成本更低等,这种照明方式并且提高了汽车照明的美感和性能。然而欲直接以汽车电池驱动LED,需要一个 DC/DC转换器来稳压一个恒定的LED电流,并保护LED免受汽车电池变化剧烈的影响。这种转换器应根据串联 LED 中所含 LED 的数量和 LED 的类型以及根据前照灯、尾灯和信号指示灯、车内阅读灯、仪表板或娱乐显示器照明等应用的功能而最佳化,需注意:

1.架构― LED 电压与电池电压之间的关系决定采用降压、升压或升降压架构,所选择的架构要能在整个电池电压范围内保持对 LED 电流的控制性。
2.调光―大比例的 LED 调光必须在亮度等级上保持颜色特性不变,并且没有肉眼看得见的起伏或振荡。
3.效率―在非运行状态功率损耗消耗电池电量,而且在汽车这种热量压力已经很大的环境中,消耗的电量又转变成了热量。
 
驱动单一LED
车内白光头灯和化妆灯可能采用一颗或两颗 3W LED,每颗 LED 产生 75 至 100 流明的亮度。这些 LED的典型顺向电压范围为 3V 至 4.5V,最大电流为 1A 至 1.5A,例如 Lumileds 公司的 Luxeon III Star。最简单的 LED 驱动器设计采用降压稳压器,其直接以汽车电池驱动单颗 LED。

如图1所示,为具有调光功能的单颗 LED 内部照明电路。汽车电池的典型工作电压范围为 9V 至 16V(典型值为 12V)。一个消耗电量的电池在汽车启动前,电压也许降至 9V,汽车启动后交流发电机对其充电,使其电压回复到高达 14.4V,在冷启动时,电池电压也许会降至 4V,这时只有关键的电子电路必须工作。

在电池和底盘上,不同位置之间的长电缆以及电子噪声环境使得汽车中总是存在着高电压尖峰。在为汽车设计选择开关稳压器时,36V 瞬变是必须考虑的,通常会透过简单保护二极管或滤波器来处理较高的电压尖峰。图 1 所采用的 LT3471 转换器集成电路,是一个高电压、高电流降压 LED 转换器,该组件具备宽广 PWM 调光比,可驱动一颗或多颗 LED 电流达 1A 。LT3471提供4V至36V的宽广输入电压范围,使该 LED 驱动器能直接以汽车电池工作,同时提供恒定LED电流,而其降压架构和可调式的宽带范围,允许使用小型、低成本、具高温度系数的陶瓷电容,提供低涟波的LED电流。

LT3474 单一LED 降压转换器的效率,在 12VIN 时高于 80%。通过 VADJ 接脚进行模拟控制时,随着 LED 电流和亮度的降低,效率会下降,但功耗仍保持很低的状况。LT3474 特别针对汽车和电池供电应用而定制,在关机状态时仅消耗低于 2uA(典型值10nA)的电流。关机时,并仍可提供 LED 接通/断开按钮功能,如同按钮或微控制器的作用。LT3475 LED 驱动器是 LT3474 的双信道版本,可驱动电流均为 1.5A 的两组个别LED 或多串LED。
 

 

图 1:具备250:1 PWM 调光比的降压型高压 1A LED 驱动器 LT3474。
 
 
 
PWM 调光和亮度控制
LED 亮度可由图 1的 LT3474 加以控制,其将一个模拟电压输入连接至 VADJ 接脚、或把一个数字 PWM 信号送至 PWM 调光 MOSFET 的闸极和 PWM 接脚。简单的模拟亮度控制,透过降低内部感测电阻的电压,将恒定 LED 电流从 1A 降至更低值,但 LED 光线的颜色在低电流时会产生变化。调光比的实际限制大约为 10:1。

另一种降低亮度的方法是数字 PWM 调光。在 PWM 接通期间,LED 电流保持于稳定的1A。在 PWM 关断期间, LED 电流为零。这在降低亮度的同时保持了 LED 光线颜色和真实色彩特性。

在集成电路内部,PWM 功能使LED 回归至设定电流值时,达到对 PWM 调光的快速响应。LT3474 的最大数字 PWM 调光比为 250:1,这对内部照明来说绰绰有余。LT3475 可以高于 1000:1 的调光比进行调光。
 
 
LCD 显示器以多串LED 照明
GPS 导航和车内娱乐显示器,在日光条件下需要使用明亮的串联LED ,而在夜间工作时又需要宽调光比,串联LED 带来了与单个 LED 头灯不同的难题。在这些显示器中,就较小的 LED 而言,多串由 6 至 10 个 LED 组成的 LED 串联电流通常都较低(<150mA),但是所聚集的电压却高于汽车电池电压,对这些显示器来说,具有高效率和 PWM 调光能力的大功率升压架构 LED 驱动器是必要的。

图2显示 LT3486 双组输出升压 LED 驱动器的应用,其以 100mA 恒定电流驱动两串 LED,LED 电压高达 36V。这个升压转换器以小电压感测电阻与 LED 串联和 PWM 调光 MOSFET 串行,并具有高效率。9V 至 16V 的整个电池电压范围低于 LED串联的电压。双信道 LED 驱动器驱动 20 颗 LED 组成的两个 LED串联,同时保持最高开关电压低于该集成电路的 42V 额定值,20 颗LED 组成的单串 LED串联则需要更高的电压。
 

 

图 2:在 GPS LCD 显示器中,LT3486 以 100mA 电流驱动 20 颗白光 LED。
 

在电池工作电压范围内,效率大约为 90%,如果电池电压降至 4V,LT3486 仍会工作,但视 LED 设定电流和 LED 数量而定,亦可能进入电流限制状态。该转换器关机时仅消耗低于1uA(典型值为 100nA)的电流。LED 电流透过选择外部感测电阻值设定,选择感测电阻时,以基于非常低的200mV 感测电阻电压实现高效率。每个 LED 串联的电流都可透过CTRL 接脚上的模拟信号调节,最高调光比为 10:1,或者可用 PWM 信号调节,以实现更高的调光比。

如需在夜间观看极亮的显示器,LT3486 以其独特的内部 PWM 调光架构提供 1000:1 的 PWM 调光比。内部 LED 电流内存具有超快 PWM 响应时间,可以低于 10us 的时间使 LED 电流从零返回100mA,以实现真实色彩 PWM 调光。在高端显示器中,以两个 LT3486 驱动分别代表红、绿、绿、蓝(R-G-G-B)的 4 个 LED 串联,可实现 1000:1 的调光比,并在非常暗的夜间工作环境下保持显示器的真实色彩特性。
 
 
信号指示灯、尾灯和前照灯照明

外部信号指示灯、尾灯和前照灯需要最高功率的 DC/DC LED 驱动器,因为这些灯所运用的 LED 亮度最高,数量也最多。尽管基于热量和稳流的限制,极亮的 LED 前灯还不多见,但是红色及黄褐色的刹车灯和信号指示灯,却因所具有的美感和耐用性而变得越来越常见。驱动大功率黄褐色和红色 LED 串联,为内部照明和照明微调带来了相同的挑战,但是挑战的困难度则不同,高调光比不是必要的,但是简单的接通/断开和高/低亮度功能则是有用的。LED 串联的电压常常超出汽车电池的电压范围,因而需要具有降压和升压、或升降压功能的 LED 驱动器。

图 3 所显示的 LT3477 升降压 LED 驱动器,以 1A 电流驱动两个大功率 LED。这两个 LED 无需以接地端为基准,连接的两个端子一般是转换器的输出和电池输入。LT3477 具备两个独特、和100mV 浮动电流感测输入接脚,此接脚连接与 LED 多串并联、且不以接地端为基准的电流感测电阻。在汽车电池的工作电压范围内以及低于此范围时,在电流直到 1A 的情况下都可实现准确的 LED 稳流。LT3477 的关机接脚用于达到车灯的接通/断开功能,并在未使用时将输入电流降至1uA(典型值为 100nA)。IADJ 接脚用来为刹车灯和尾灯应用,如后端信号指示灯或刹车灯等实现高于 10:1 的模拟调光比,此类应用无需真实色彩 PWM 调光。
 

 

图 3:升降压 LT3477 以 80% 的效率驱动 1A 刹车灯和信号指示灯多串LED。
 

如图 4 所示,大功率 LED 驱动器 LTC3783 采用升降压架构,驱动用于汽车尾灯应用之6至10颗3W红光 LED。外部开关 MOSFET 和开关电流感测电阻为大功率和高压 LED 驱动器设计提供了最大的设计弹性。如果电池电压降至低于 9V,则9V 至 36V 输入和在电流为 1.5A 时,高达25V的LED 串联输出便需要100V的额定开关电压,以及高于 8A 的峰值开关电流能力。在整个汽车电池电压范围内,1.5A 恒定电池电流是良好稳定的,就刹车灯和尾灯调光而言,在 100Hz 时,可以透过直接连接到 LTC3783 PWM接脚的 PWM 信号降低 LED 电流,以实现高达 200:1 的调光比。在 1kHz 时,调光比降低至 20:1,这对尾灯应用来说已足够了。调节 ILIM 接脚也可降低 LED 电流。
 

 

图 4:LTC3783 刹车灯 LED 驱动器以高于 90% 的效率驱动 8 颗 1.5A 红光 LED。
 

在功率最高的汽车应用中,高效率是最重要的,在此类型应用中,具有高达 36W 的输出,93% 的效率可以降低刹车时的电池消耗,尤其是在汽车未运行时更是如此,用于刹车灯接通/断开控制的 RUN 接脚会将 LED 电流降至 20uA。

透过将 LED 串联连接到 GND 而非 VIN ,并将架构变为升压,LTC3783 大功率 LED 驱动器的灵活性使其成为大功率升压稳压器,而能驱动高达 60W的更高电压 LED串联,这需要 LED 串联电压高于 36V的电池电压最大值,而且在关闭车灯时,需透过 PWM接脚达到 LED 断接。使用高亮度白光 LED 的高流明前灯应用,不久就将采用这种具有升压架构的大功率 LED 驱动器。
 
 
结论
许多汽车 LED 应用均需要专用的大功率、简单和高效率的 LED 驱动器,根据不同应用需求,产生了不同的 LED 组合,但各种组合都需要在断开时具有低电流消耗、高 PWM和模拟调光比以及卓越的 LED 稳流能力。凌力尔特公司所提供的多种不同的汽车 LED 驱动器,进一步克服了相关的挑战。(本文作者为凌力尔特应用工程师)

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