如何针对汽车照明应用合理选择HB LED驱动器

    引言

　　随着消费者环保理念的加强，固态照明方案迅速成为汽车应用中首选的照明技术。按照市场调研公司Strategies Unlimited得出的结论，通用照明、背光及汽车应用将是高亮led (HB LED)市场在今后几年的主要增长动力，到2011年，整个市场规模将会达到19亿美元1。

　　与传统的照明技术相比，HB LED具有几个关键优势：它们不含任何有害物质，例如CCFL中的汞元素；消耗较低的功率而且具有更长的使用寿命。另外，HB LED比传统方案具有更高的成本竞争优势，大大降低了系统的整体成本(例如：运行和维护成本)。当然，HB LED的使用也面临一些特殊挑战，特别是汽车等嘈杂的工作环境。本文讨论了HB LED驱动器选择的基本原则，比较了不同的驱动器拓扑，针对不同的汽车照明应用提供了配置方案，其中包括：汽车顶灯、日间行驶灯(DRL)、尾灯(RCL)、雾灯和近光灯/远光灯等。

　　HB LED需要恒流驱动

　　HB LED驱动器用于管理HB LED的供电，驱动电路保持恒定的电流和最小的电压波动非常关键。过大的驱动电流会提高HB LED的结温，加快HB LED的退化。照明应用中，为了获得更高的流明，需要使用大功率HB LED。这些HB LED的正向导通电流一般为350mA到1A。白光、蓝光和绿光 HB LED的正向电压在2.8至4.5V范围内，红光和琥珀光 HB LED的正向电压在2.3至3.5V范围。为了保持固定的色谱和亮度，HB LED驱动必须满足特定的额定电流要求。用电压源驱动HB LED、串联电阻限流，可能产生不可接受的亮度及光谱的变化。

　　HB LED亮度调节

　　HB LED的发光颜色会随着电流的变化而发生变化，因此，采用脉宽调制(PWM)方式对固定电流进行调节效果优于调节实际电流的幅度，即将直流电流保持在HB LED厂商规定的固定值，按照一定的频率和占空比进行电流斩波，利用脉宽调制调节亮度可以在不同的亮度等级保持一致的光谱。为了避免视觉闪烁，调光频率应高于100Hz。调光范围取决于HB LED驱动器所允许的最小占空比。

　　大部分LED驱动器需要由微处理器或外部定时器产生亮度控制信号。MAX16806等HB LED驱动器则由内部产生PWM信号，通过DIM输入端作用的外部电压进行调制(图1)。这种配置在汽车内部照明等应用中可以省去微处理器。

图1：350mA线性HB LED驱动器IC，MAX16806能够省去微控制器或开关模式转换器

    汽车内部照明——线性驱动器

　　驱动HB LED的最佳方案是使用恒流源。实现恒流源的简单电路是：用一个MOSFET与HB LED串联，对HB LED的电流进行检测并将其与基准电压相比较，比较信号反馈到运算放大器，进而控制MOSFET的栅极。这种电路如同一个理想的电流源，可以在正向电压、电源电压变化时保持固定的电流。线性驱动器相对于开关模式驱动器的优点是：电路结构简单，易于实现，因为没有高频开关，所以也不需要考虑EMI问题。此外，线性驱动器的外围元件少，可有效降低系统的整体成本。

　　线性HB LED驱动器，例如：MAX16806，内部集成了MOSFET和高精度基准，能够使每串LED保持一致的亮度(图1)。例如：MAX16806所要求的输入电压只需比LED总压降高出1V。利用外部检流电阻测量HB LED的电流，从而在输入电压和LED正向电压变化时，MAX16806能够保证输出恒定的电流。线性驱动器的功耗等于HB LED电流乘以内部（或外部）串联调整管的压降。当HB LED电流或输入电源电压增大时，功耗也会增大，从而限制了线性驱动器的应用。由于过热会影响HB LED的使用寿命——这也是这类灯源的一个缺陷——限制灯管的功耗非常重要。

　　值得庆幸的是，可以通过调节HB LED的亮度避免出现过热。为了降低功耗，MAX16806对输入电压进行监测，如果输入电压超过预先设定值，它将减小HB LED的驱动电流以降低功耗。该项功能可以在某些应用中避免使用开关电源，例如：汽车顶灯或DRL等，这些应用中通常会在出现不正常的高电池电压时将灯光调暗。

　　汽车外部照明——开关模式降压驱动器

　　当输入电压远远高于串联HB LED的总压降时，最好使用开关模式降压(buck)转换驱动器(图2)，能够使电源功耗降至最低，从而获得较高的驱动器效率。与一般HB LED驱动的buck控制器不同，MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832采用滞回控制，没有控制环路补偿，从而简化了设计，有助于减少外部器件数量。集成高压电流检测放大器，能够工作在高达2MHz的开关频率，有效降低电路板空间和元件数量，可理想用于汽车照明(RCL、DRL、雾灯/近光灯)。

图2：利用开关模式降压转换驱动器降低功耗并提高照明组件的驱动效率

    汽车雾灯——开关模式Buck-Boost (SEPIC)驱动器

　　当输入电压高于或低于HB LED的总导通电压时，必须使用buck-boost模式驱动器。在buck-boost配置中，需要一个浮动的电流检测放大器检测并调节HB LED电流。另外还需要提供额外的保护，例如过压保护，在HB LED发生开路或短路失效时保护系统不被损坏。对于汽车雾灯，输入电压的变化范围可能在5.5V (冷启动)至24V (电池倍压)，此时，比较理想的选择是buck-boost电路，用于提供大功率LED的驱动。驱动器还必须能够承受40V以上的抛负载峰值电压。

　　高度集成的HB LED驱动器，例如：MAX16812或MAX16831，在汽车前灯设计中有助于减少元件数量、降低成本。例如：MAX16812内部集成了差分电流检测放大器和额定电压为76V的0.2Ω功率MOSFET，用于控制单串HB LED的电流(图3)。此外，内部调光MOSFET驱动器在抛负载时可以自动关闭LED串的电源，增强了系统的可靠性。

图3：当输入电压可能高于或低于串联HB LED的总电压时，应该选择buck-boost驱动器拓扑

　　汽车中的LCD背光方案——开关模式boost驱动器

　　如果输入电压始终低于HB LED串的总电压，则需要使用boost转换器。在2010年的新车型中，普遍增加了平视显示器，升压转换器非常适合这类应用或LCD背光。这些应用需要3000:1的亮度调节范围，以适应车内宽范围的环境光照条件。驱动器必须提供一个额外的调光MOSFET驱动器，以便在极短的时间内接通/关闭LED。调光MOSFET还能够在抛负载时保护LED。图4所示HB LED驱动器电路用于汽车中LCD背光，MAX16834集成了高边检流放大器、PWM调光MOSFET驱动器和高度可靠的保护电路，大大简化了LCD背光电路的设计。该款HB LED驱动器能够提供3000:1 PWM调光范围，输入电压范围为4.75V至28V，在冷启动和抛负载状况下确保稳定工作。

图4：具有3000:1调光范围的boost驱动器，内置保护电路，可理想用于汽车娱乐设施的LCD背光

　　结论

　　合理选择HB LED驱动器需要了解具体LED照明装置的要求，以优化系统设计。设计人员首先需要确定电参数，例如：输入电压、LED电流、LED正向导通电压以及这些参数的变化范围。安全性、EMI、热管理、机械性能以及可以利用的电路板面积也是必须考虑的因素。线性驱动器比较适合低成本、低EMI应用，例如：汽车内部照明，设计简单。开关型驱动器则适用于大功率、高效率和宽输入电压范围等应用场合，例如：汽车的外部照明，但成本较高，需要考虑EMI问题。

　　Maxim针对不同应用提供广泛的HB LED驱动解决方案，能够在汽车固态照明中减小系统尺寸，降低设计复杂度和成本。所有汽车照明方案均可工作在-40°C至+125°C温度范围，并且满足汽车应用中对短路保护和热关断的要求。