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用于汽车/HDTV背光的高电流LED驱动器设计

2009-11-03 10:48
逆光飞舞
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 文: Jeff Gruetter
(本文作者任职于凌力尔特) 

 

 
高亮度发光二极管(HB LED)市场将以惊人的速度迅速增长,根据法国市场研究机构Yole Developpement预测,2012年整体LED的市场规模将达到103亿美元,其中,高亮度和超高亮度LED总共约占44.5亿美元,几乎是2007年7.83亿美元市场规模的5.5倍(以封装式LED为基础)。
 
究竟是什么力量驱动其增长潜力?首先,LED的发光效率是白炽灯泡的十倍,同时也是荧光灯的两倍,因此,当提供一个给定的光输出量(单位为流明)时,它所需的电能及产生的热量大幅下降;而随着LED的发展,它从电能产生光通量的效率将继续升高。其次,LED照明毋须要操作、暴露和处理荧光灯泡中常见的有毒汞蒸汽,符合环保概念。第三则是白炽灯泡每1,000小时就须更换,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,促使LED能够被永久嵌入于最终产品或系统中,而毋须采用某种固定物。 

LED实现高对比度比/高分辨率 

其中的应用实例包括汽车的车身面板或高画质电视(HDTV)中的液晶显示器(LCD),因为它们在汽车或HDTV的使用期限内将永远不须更换。此外,LED的面积和高度要比同类替代方案小几个等级,而且可以制作成非常扁平的外形,因此能永久性嵌入于汽车的内部和外部装置及扁平的消费类电子产品中。另外,透过红光、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,远远超过人类肉眼的分辨能力,因而在背光应用HDTV及其它类型的显示器中,带来了巨大的改善。如果没有LED,高对比度和高分辨率的HDTV将无法实现。 

然而,照明系统设计师所面临的最大挑战之一是如何最佳化最新一代LED的优势?由于LED通常需要一个准确而高效的直流电(DC)电流源及一种调光方法,因此,必须设计LED驱动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、精小和具成本效益等特点。因此对于LED驱动IC而言,汽车应用和大型HDTV 液晶显示器的背光应用是诸多极苛刻应用中的两个实例。 

由于LED在汽车应用中所拥有的综合优势,各种汽车照明形式已全面采用,从车前灯到仪表盘/导航装置的背光及普通的车身内部/外部照明等一应俱全。传统上一直由冷阴极管(CCFL)提供的HDTV背光应用正在逐渐地被规模较大、能够以单独的LED串调光的高亮度LED阵列所取代,实现精准的局部调光。相较于采用CCFL背光源的传统HDTV,将使对比度比提高一个等级。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亮度的实时调节,从而解决在CCFL背光照明HDTV固有的运动图像模糊问题。 

汽车照明应用逐渐采用LED 

高亮度LED具备尺寸小、低功耗和快速接通时间等优势,因此被汽车广泛采用的局面。LED在汽车中的初始应用是中央高架停车灯(CHMSL);此应用使用红光LED提供一个非常扁平的照明阵列,该照明阵列易于安装,而且永远不须要更换。 

传统上,白炽灯泡是最为经济的光源,且仍被许多汽车所采用。然而,随着可用照明空间的日益缩小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迅速取代白炽灯泡。信息娱乐系统中的传统CCFL背光已渐被白光LED阵列取代,白光LED阵列提供了更精准且可调的背光且可轻松超越汽车寿命的使用期限。 

另外,人们还在利用一种“可操纵”型高电流LED阵列开发车前灯。该领域一直是被卤素/氙灯丝设计所独占的。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,LED永远不须更换,因为其长达100,000小时以上的固态寿命(使用年限为11.5年)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,而毋须像以往预留用来更换灯丝灯泡的入口。由于LED照明系统不需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为近期投产的Lexus LS600h LED头灯。奥迪(Audi)的R8和通用汽车(GM)的Escalade也拥有类似的选项。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五种专为所有照明要求而最佳化的LED光束,这些光束包括近光、远光、弯道光、昼间行驶灯和方向灯,全由LED来提供。标准光束一般将需要35~50瓦的功率。听起来好像并不太多,但LED提供的光通量是卤素灯的十倍,因此,LED的光输出相当于500瓦卤素灯。远光所需的功率与标准光束相同或稍高,而弯道光、昼间行驶灯和转向讯号需要较少的功率。这些光束均可利用单个HB LED驱动器驱动,由于电能消耗可能超过200瓦,可见采用发热量极少的高效率LED驱动器的重要性。

图1 HB LED Lexus LS600h前照灯/方向灯/大灯 
图1 HB LED Lexus LS600h前照灯/方向灯/大灯

LED驱动电路提升产品性能

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。 

大多数前照灯应用都需要大约50瓦的LED电流。有厂商专为此应用而设计能把汽车总线电压(标称值为12伏特)提升至高达60伏特,以驱动多达十四个串联的1安培LED(图2)。


 采用LED驱动器解决方案的50瓦前照灯电路图
图2 采用LED驱动器解决方案的50瓦前照灯电路图

图3显示某LED驱动器解决方案的效率可高达93%,它免除了对任何功率组件进行散热的需要,从而实现了非常精小的接脚占位。虽然图2中的电路是升压模式架构,但运用了独特的高压侧电流检测设计,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、升降压模式或反驰式架构。


 图3 图2所示电路的效率曲线
图3 图2所示电路的效率曲线

该解决方案的设计是从一个内部调节7伏特电源来驱动一个低压侧外部N通道金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。固定频率、电流模式架构在一个宽广的电源和输出电压范围内实现稳定和精准的运作。若LED驱动器IC想在输入电压不稳定的情况下实现恒定的LED亮度,其设计中必须提供一个定电流源。这对汽车应用特别重要,因为输入电压会在冷启动和负载突降等过程中遇到瞬变而发生巨大摆动,因此,相关解决方案的最大输入电压要求,即使主汽车总线承受瞬态电压的情况下,也要能调节LED电流和电压。 

此外,一个参考于地电位的电压回馈针脚可充当众多LED保护功能电路(如开路LED保护)的输入,并使转换器产生电压源的作用。一个频率调节接脚则允许使用者在100k~1MHz的范围内进行频率设置,以最佳化效率和性能,同时最大限度地缩减外部组件尺寸。 

目前相关厂商设计中有True Color脉冲宽度调变(PWM)调光功能可实现高达3,000:1的调光比,而发射光的色彩无变化(图4),从而使得能够利用PWM的工作周期来对LED前照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工作周期,而是由回授回路负责在每个周期中控制开关中的峰值电流。相较于电压模式控制,电流模式控制改善了回路动态特性,并提供了逐周期电流限制。


 图4 图2中True Color PWM调光示意图

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