在汽車中驅(qū)動LED照明的開關(guān)

引言

與目前的汽車內(nèi)部和外部照明解決方案相比，LED 照明有很多優(yōu)勢，如性能更高、壽命更長、成本更低等，這種照明方式提高了汽車照明的美感和性能。直接用汽車電池驅(qū)動 LED 需要一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)一個恒定的 LED 電流，并保護(hù) LED 免受變幻莫測的汽車電池總線影響。這種轉(zhuǎn)換器還應(yīng)該根據(jù)一串 LED 中所含 LED 的數(shù)量和 LED 的類型進(jìn)行優(yōu)化，也要根據(jù)前燈、尾燈和信號指示燈、內(nèi)部閱讀燈、儀表板或娛樂顯示器照明等應(yīng)用的功能而優(yōu)化，需要優(yōu)化的方面如下：

拓?fù)?nbsp;―― LED 電壓與電池電壓之間的關(guān)系決定采用降壓、升壓或降壓-升壓型拓?fù)?，所選擇的拓?fù)湟茉谡麄€電池電壓范圍內(nèi)保持對 LED 電流的控制。

調(diào)光 ―― 大比例的 LED 調(diào)光必須在亮度等級上保持顏色特性不變，而且沒有眼睛看得見的起伏或振蕩。
 
效率 ―― 在非運(yùn)行狀態(tài)功率損耗消耗電池電量，而且在汽車這種熱量壓力已經(jīng)很大的環(huán)境中，消耗的電量又轉(zhuǎn)變成了熱量。

驅(qū)動單個 LED

車內(nèi)白光頂燈和化妝燈可能采用一個或兩個 3W LED，每個 LED 產(chǎn)生 75 至 100 流明的亮度。這些 LED 的典型正向電壓范圍為 3V 至 4.5V，最大電流為 1A 至 1.5A，例如 Lumileds 公司（www.lumileds.com）的 Luxeon III Star。最簡單的 LED 驅(qū)動器設(shè)計(jì)采用降壓型穩(wěn)壓器，直接用汽車電池驅(qū)動單個 LED。圖 1 所示為具有調(diào)光功能的單個 LED 內(nèi)部照明電路。汽車電池的典型工作電壓范圍為 9V 至 16V（典型值為 12V）。一個消耗電量的電池在汽車起動之前電壓也許降至 9V，汽車起動后交流發(fā)電機(jī)對其充電，使其電壓回復(fù)到高達(dá) 14.4V。在冷車發(fā)動時，電池電壓也許降至 4V，這時只有關(guān)鍵的電子電路必須工作。

圖 1：具 250:1 PWM 調(diào)光比的降壓型高壓 1A LED 驅(qū)動器 LT3474

在電池和底盤上不同位置之間的長電纜以及電子噪聲環(huán)境使得汽車中總是存在高電壓尖峰。在為汽車設(shè)計(jì)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時，36V 瞬態(tài)是必須考慮的。常常用簡單的保護(hù)二極管或?yàn)V波器來處理較高的電壓尖峰。

圖 1 中采用的 LT3471 轉(zhuǎn)換器集成電路是一個高電壓、大電流降壓型 LED 轉(zhuǎn)換器，該器件具有寬 PWM 調(diào)光比，可以驅(qū)動一個或多個 LED 電流高達(dá) 1A 。LT3471 的如下特點(diǎn)使其非常適用于在汽車環(huán)境中驅(qū)動 LED：

*它是一個專用的 LED 驅(qū)動器，具有片上高壓開關(guān)和低壓電流監(jiān)測電阻，以最大限度地縮小電路板面積并簡化設(shè)計(jì)，同時保持高效率。

*4V 至 36V 的寬輸入電壓范圍允許該 LED 驅(qū)動器直接用汽車電池工作，同時提供恒定 LED 電流。

*其降壓型拓?fù)浜涂烧{(diào)的寬頻率范圍允許利用小型、低成本、具高溫度系數(shù)的陶瓷電容器提供低紋波 LED 電流。

LT3474 單 LED 降壓型轉(zhuǎn)換器的效率在 12VIN 時高于 80%。通過 VADJ 引腳進(jìn)行模擬控制時，隨著 LED 電流和亮度的降低，效率會下降，但是功耗仍保持很低。LT3474 為汽車和由電池供電的應(yīng)用而定制，在置于停機(jī)狀態(tài)時僅消耗低于 2uA（典型值為 10nA）的電流。停機(jī)還可以起到 LED 接通/斷開按鈕的作用，就像按鈕或微控制器的作用一樣。LT3475 LED 驅(qū)動器是 LT3474 的雙通道版本，可以驅(qū)動電流均為 1.5A 的兩個單獨(dú) LED 或 LED 串。

PWM 調(diào)光和亮度控制

LED 亮度可由圖 1 中的 LT3474 來控制，把一個模擬電壓輸入連接至 VADJ 引腳或把一個數(shù)字 PWM 信號輸送至 PWM 調(diào)光 MOSFET 的柵極和 PWM 引腳。簡單的模擬亮度控制通過降低內(nèi)部檢測電阻上的電壓，將恒定 LED 電流從 1A 降至更低的值，但是 LED 光線的顏色在低電流時會變化。調(diào)光比的實(shí)際限制大約為 10:1。

另一種降低亮度的方法是數(shù)字 PWM 調(diào)光。在 PWM 接通期間，LED 電流非常好地穩(wěn)定在 1A。在 PWM 關(guān)斷期間，LED 電流為零。這在降低亮度的同時保持了 LED 光線顏色和真彩特性。

PWM 功能在集成電路內(nèi)部使得 LED 回歸至編程電流值時，對 PWM 調(diào)光的響應(yīng)非?？臁T3474 的最大數(shù)字 PWM 調(diào)光比為 250:1，這對內(nèi)部照明來說是富富有余了。LT3475 可以高于 1000:1 的調(diào)光比調(diào)光。

LCD 顯示器用 LED 串照明

GPS 導(dǎo)航和車內(nèi)娛樂顯示器在日光條件下需要使用明亮的 LED 串，而在夜間工作時又需要寬調(diào)光比。LED 串導(dǎo)致了與單個 LED 頂燈不同的難題。在這些顯示器中，就較小的 LED 而言，多個由 6 至 10 個 LED 組成的 LED 串電流通常都較低（<150mA），但是積聚起來的電壓卻高于汽車電池電壓。對這些顯示器來說，具有高效率和 PWM 調(diào)光能力的大功率升壓拓?fù)?nbsp;LED 驅(qū)動器是必需的。

圖 2 是 LT3486 雙輸出升壓型 LED 驅(qū)動器的應(yīng)用，它以 100mA 恒定電流驅(qū)動兩串 LED，LED 電壓高達(dá) 36V。這個升壓型轉(zhuǎn)換器用小的電壓檢測電阻與 LED 串和 PWM 調(diào)光 MOSFET 串聯(lián)，并具有高效率。9V 至 16V 的整個電池電壓范圍低于 LED 串的電壓。雙通道 LED 驅(qū)動器驅(qū)動 20 個 LED 組成的兩個 LED 串，同時保持最高開關(guān)電壓低于該集成電路的 42V 額定值。20 個 LED 組成的單個 LED 串需要高得多的電壓。

圖 2：在 GPS LCD 顯示器中，LT3486 以 100mA 電流驅(qū)動 20 個白光 LED 

在電池工作電壓范圍內(nèi)，效率大約為 90%。如果電池電壓降至 4V，LT3486 仍會工作，但是視 LED 編程電流和 LED 數(shù)量而定，可能進(jìn)入限流狀態(tài)。該轉(zhuǎn)換器停機(jī)時僅消耗低于 1uA（典型值為 100nA）的電流。LED 電流通過選擇外部檢測電阻值設(shè)定，選擇檢測電阻時基于非常低的 200mV 檢測電阻電壓以實(shí)現(xiàn)高效率。每個 LED 串的電流都可以用 CTRL 引腳上的模擬信號調(diào)節(jié)，最高調(diào)光比為 10:1，或者用 PWM 信號調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)高得多的調(diào)光比。

就夜間觀看極亮的顯示器而言，LT3486 以其獨(dú)特的內(nèi)部 PWM 調(diào)光架構(gòu)提供 1000:1 的 PWM 調(diào)光比。內(nèi)部 LED 電流存儲器具有超快 PWM 響應(yīng)時間，可以低于 10us 的時間讓 LED 電流從零返回到 100mA，以實(shí)現(xiàn)真彩 PWM 調(diào)光。在高端顯示器中用兩個 LT3486 驅(qū)動分別代表紅、綠、綠、藍(lán)（R-G-G-B）的 4 個 LED 串，可實(shí)現(xiàn) 1000:1 的調(diào)光比，并在非常暗的夜間工作環(huán)境保持顯示器的真彩特性。

信號指示燈、尾燈和前燈照明

外部信號指示燈、尾燈和前燈需要最高功率的 DC/DC LED 驅(qū)動器，因?yàn)檫@些燈所用的 LED 最亮，數(shù)量也最多。盡管由于熱量和穩(wěn)流限制，極亮的 LED 前燈尚不常見，但是紅色和黃褐色剎車燈和信號指示燈卻因其美感和耐用性而變得越來越常見了。驅(qū)動大功率黃褐色和紅色 LED 串給內(nèi)部照明和照明微調(diào)帶來了類似挑戰(zhàn)，但是挑戰(zhàn)的艱巨性是不同的。高調(diào)光比不是必需的，但是簡單的接通/斷開和高/低亮度功能是有用的。LED 串的電壓常常超出汽車電池的電壓范圍，從而需要具有降壓和升壓、或降壓-升壓能力的 LED 驅(qū)動器。

圖 3 所示的 LT3477 降壓-升壓型 LED 驅(qū)動器以 1A 電流驅(qū)動兩個大功率 LED。這兩個 LED 無需以地為基準(zhǔn)，連接的兩個端子一般是轉(zhuǎn)換器的輸出和電池輸入。LT3477 有兩個獨(dú)特和具 100mV 浮動電流檢測輸入引腳，這引腳連接與 LED 串串聯(lián)而且不以地為基準(zhǔn)的電流檢測電阻。在汽車電池的工作電壓范圍內(nèi)以及低于這個范圍時，在電流直到 1A 的情況下都可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的 LED 穩(wěn)流。LT3477 的停機(jī)引腳用于實(shí)現(xiàn)車燈的接通/斷開功能，并在未使用時將輸入電流降低到 1uA（典型值為 100nA）。IADJ 引腳用來為后部信號指示燈或剎車燈等剎車燈和尾燈應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高于 10:1 的模擬調(diào)光比。這類應(yīng)用無需真彩 PWM 調(diào)光。

圖 3：降壓-升壓型 LT3477 以 80% 的效率驅(qū)動 1A 剎車燈和信號指示燈 LED 串 

如圖 4 所示，大功率 LED 驅(qū)動器 LTC3783 采用降壓-升壓型拓?fù)?，?qū)動 6 至 10 個 3W 紅光 LED，用于汽車尾燈應(yīng)用。外部開關(guān) MOSFET 和開關(guān)電流檢測電阻為大功率和高壓 LED 驅(qū)動器設(shè)計(jì)提供了最大的設(shè)計(jì)靈活性。如果電池電壓降至低于 9V，那么 9V 至 36V 輸入和在電流為 1.5A 時高達(dá) 25V 的LED 串輸出需要 100V 的額定開關(guān)電壓和高于 8A 的峰值開關(guān)電流能力。在整個汽車電池電壓范圍內(nèi)，1.5A 恒定電池電流是良好穩(wěn)定的。就剎車燈和尾燈調(diào)光而言，在 100Hz 時，可以用直接連接到 LTC3783 PWM 引腳的 PWM 信號降低 LED 電流，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 200:1 的調(diào)光比。在 1kHz 時，調(diào)光比降低至 20:1，這對尾燈應(yīng)用來說已足夠了。調(diào)節(jié) ILIM 引腳也可以降低 LED 電流。

圖 4：LTC3783 剎車燈 LED 驅(qū)動器以高于 90% 的效率驅(qū)動 8 個 1.5A 紅光 LED

在功率最高的汽車應(yīng)用中，高效率是最重要的。在這種應(yīng)用中，具有高達(dá) 36W 的輸出，93% 的效率可以降低剎車時對電池的消耗，尤其是在汽車未運(yùn)行時，更是這樣。用于剎車燈接通/斷開控制的 RUN 引腳將 LED 電流降至 20uA。

通過將 LED 串連接到 GND 而不是 VIN 并將拓?fù)渥優(yōu)樯龎盒停琇TC3783 大功率 LED 驅(qū)動器的靈活性能夠變成大功率升壓型穩(wěn)壓器，以驅(qū)動高達(dá) 60W 的更高電壓 LED 串。這需要 LED 串電壓高于 36V 的電池電壓最大值，而且需要在關(guān)閉車燈時，通過 PWM 引腳實(shí)現(xiàn) LED 斷接。使用非常亮的白光 LED 的高流明前燈應(yīng)用不久就將采用這種具有升壓型拓?fù)涞拇蠊β?nbsp;LED 驅(qū)動器。

結(jié)論

很多汽車 LED 應(yīng)用都需要專用的大功率、但簡單和高效率的 LED 驅(qū)動器。根據(jù)應(yīng)用的不同有不同的 LED 組合，但各種組合都需要在斷開時具有低電流消耗、高 PWM和模擬調(diào)光比以及卓越的 LED 穩(wěn)流能力。凌特公司提供多種不同的汽車 LED 驅(qū)動器，可以克服所有這些挑戰(zhàn)。