LED與CCFL光源的電源解決方案
在汽車發(fā)展的歷史進(jìn)程中,照明一直扮演著相當(dāng)重要的角色,一開始汽車僅配備方便在黑暗中尋找道路的前燈,不久之后,在交通流量逐漸增大的情況下出于安全與秩序的考慮,其它照明源,例如尾燈、指示燈以及其它信號(hào)燈則陸續(xù)加入,并針對(duì)一些特殊情況下加上了警告燈與霧燈,另一方面,車廂內(nèi)裝的光源,例如儀表板燈、車頂燈、地圖燈或車門踏板照明燈等也為駕駛者與乘客帶來更高的方便性。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/168441.htm除了最早期的車型外,所有這些照明都采用電源,并使用白熾燈泡,最近幾年,其它光源,例如發(fā)光二極管(Light EmittingDiode;LED)以及冷陰極管(Cold Cathode FluorescentLamps;CCFL)則逐漸應(yīng)用到汽車上,這些新光源的主要優(yōu)勢(shì)在于更長(zhǎng)的使用壽命以及更佳的發(fā)光效率,白熾燈泡的標(biāo)準(zhǔn)壽命大約在一萬小時(shí),熒光燈管則可以達(dá)到五萬小時(shí),發(fā)光二極管甚至可長(zhǎng)達(dá)十萬小時(shí)。
LED壽命長(zhǎng)而且故障率極低,可以大幅降低維修的成本,LED的其它優(yōu)勢(shì)還包括低電壓運(yùn)作、低電磁發(fā)射、不受機(jī)械應(yīng)力影響、更輕薄的尺寸、寬廣的工作溫度范圍以及幅度更大的明暗調(diào)整范圍,通過LED技術(shù)的改進(jìn),可以預(yù)期這項(xiàng)技術(shù)將逐漸取代其它光源,不過目前CCFL在部分特定應(yīng)用,例如大區(qū)域背光以及高功率非聚焦照明場(chǎng)合還是擁有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)。
CCFL與LED光源都需要一個(gè)電源,同時(shí)不同的技術(shù)也有各自的特殊要求,此外,這些電源也必須執(zhí)行其它特定應(yīng)用的額外功能,本文將介紹LED與CCFL光源的電源解決方案,并討論各種汽車內(nèi)裝與外部燈光應(yīng)用的設(shè)計(jì)。
讓該亮的地方就有燈光:車室照明
車室照明應(yīng)用包括了儀表板以及指示背光、車頂燈或地圖燈、車門踏板照明燈或后車廂燈以及顯示背光等,由于顯示背光有其它特殊要求,因此我們?cè)诤竺嬖偌右杂懻摗?br />
所有這些汽車內(nèi)部燈光應(yīng)用都可以采用LED作為光源,雖然地圖燈與車頂燈通??梢允褂靡活w高亮度LED來解決,但儀表板燈與車門踏板照明燈則通常需要超過一個(gè)LED串聯(lián)形成的光源,之所以采用串聯(lián)連接方式主要是為了避免不同LED間的電流不同造成顏色差異。所有應(yīng)用都必須要有內(nèi)建明暗調(diào)整功能的定電流電源,而擁有這些功能組合的一個(gè)例子為美商美信(Maxim)公司的MAX16800,這款芯片整合了所有的控制以及電流供應(yīng)電路,請(qǐng)參考圖1(a)。
MAX16800擁有高達(dá)40V的輸入電壓范圍,因此能夠在不需要加入保護(hù)組件的情況下直接連接到汽車電池,這些保護(hù)主要用來避免電池電路因負(fù)載突降而帶來的突波,芯片為L(zhǎng)ED提供定電流輸出,電流大小則可以通過與LED串接的感測(cè)電阻RSENSE來加以設(shè)定,請(qǐng)見圖1(b)。為了改善電流設(shè)定的精確度并提高對(duì)外部噪聲的抵抗能力,MAX16800采用了差動(dòng)式電流感測(cè)輸入。
LED的色溫會(huì)隨著流經(jīng)的電流變化,因此要控制LED的亮度最好采用定電流脈寬調(diào)制(Pulse WidthModulation;PWM)的方式,而非直接改變實(shí)際電流的大小,MAX16800通過在芯片的使能(Enable)輸入接腳加上PWM信號(hào)來控制LED的亮度,流經(jīng)LED的電流將由PWM所設(shè)定的速度進(jìn)行亮滅控制。
抗EMI電磁干擾能力在汽車應(yīng)用中相當(dāng)重要,同樣地也必須注意不要產(chǎn)生任何EMI,將流經(jīng)LED電流進(jìn)行開關(guān)切換就是造成EMI幅射的來源,因此,為了降低PWM運(yùn)作時(shí)所發(fā)出的EMI,MAX16800整合了波形整形電路來使切換邊緣變得平緩。
許多照明應(yīng)用并沒有包含可以用來產(chǎn)生明暗控制信號(hào)的微控制器,對(duì)于這類應(yīng)用就可以采用MAX16805以及MAX16806,請(qǐng)參考圖2(a)、(b)與(c),這些LED驅(qū)動(dòng)器包含了所有需要的功能,例如斜波產(chǎn)生器、脈沖偵測(cè)器、穩(wěn)壓電路、帶隙參考電路以及其它更多功能,因此可以節(jié)省微控制器或開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的需求,請(qǐng)參考圖2(a)。這兩款芯片都能夠通過加到DIM輸入的外部模擬電壓控制內(nèi)部所產(chǎn)生的PWM信號(hào),其中MAX16806同時(shí)還提供有可以遮蔽模擬明暗控制設(shè)定的開關(guān)輸入SW(SwitchInput),這個(gè)開關(guān)輸入不僅能夠檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài),同時(shí)擁有去彈跳功能,并提供穩(wěn)定開關(guān)用的封閉電流(wetting current)。
在某些照明應(yīng)用中我們必須緊密地監(jiān)控LED的溫度,這在空間受限同時(shí)散熱不佳的場(chǎng)合特別重要,LED過熱會(huì)縮短其壽命,因而影響到采用這項(xiàng)光源的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì),幸運(yùn)的是這個(gè)過熱情況在大部分應(yīng)用中都可以通過暫時(shí)降低LED的亮度來加以避免,要達(dá)成這個(gè)功能,MAX16806提供有外部溫度傳感器的輸入,請(qǐng)參考圖2(c),當(dāng)偵測(cè)到溫度過高情況發(fā)生時(shí),組件會(huì)將亮度變暗,直到溫度回到可接受的范圍,溫度與明暗控制的臨界值可以通過串行接口進(jìn)行控制并存儲(chǔ)在EEPROM內(nèi)存中,這個(gè)功能讓我們可以避免使用昂貴且大型的散熱片。
MAX16805M806的內(nèi)部參考電路應(yīng)用在反饋回路中來監(jiān)測(cè)LED電流,同時(shí)可以通過串行接口加以調(diào)整,這將能夠讓所有的LED串共享一個(gè)固定的感測(cè)電阻,有效簡(jiǎn)化生產(chǎn)并降低成本。
加強(qiáng)顯示背光
目前有越來越多的LCD被應(yīng)用在儀表總成、車用電腦、收音機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)上,用來顯示信息,和以上的例子不同,背光主要是將光分散在大區(qū)域面積上而非產(chǎn)生一個(gè)聚焦光束。
傳統(tǒng)上LCD面板使用CCFL燈管作為背光源,主要是這項(xiàng)技術(shù)擁有良好效率、低溫以及高照明能力等優(yōu)勢(shì),雖然CCFL控制器在非汽車類應(yīng)用中,例如液晶電視或液晶顯示器上相當(dāng)成功,但汽車的工作環(huán)境卻對(duì)這項(xiàng)技術(shù)帶來特殊的挑戰(zhàn)與要求,為了讓元件數(shù)減少,CCFL控制器必須包含包括如EMI抑制、燈管電流過度驅(qū)動(dòng)(overdrive)能力,以及將接腳數(shù)降到最低的串行控制接口、各信道燈管失效監(jiān)測(cè)、燈管頻率與DPWM控制用精確內(nèi)建振蕩電路以及其它功能等,這類解決方案有美信(Maxim)公司的DS3881,請(qǐng)參考圖3(a),其只需少許的外加電路,就能夠組合出完整的CCFL電源控制子系統(tǒng),請(qǐng)參考圖3(b)。DS3881主要針對(duì)汽車應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì),由于所采用的基礎(chǔ)電路組態(tài),因此外部晶體管、變壓器以及燈管本身就形成了EMI的噪聲來源,DS3881通過使用展頻與頻率偏移技術(shù)來降低EMI發(fā)射,并將任何未移除噪聲移到非關(guān)鍵頻帶來解決這個(gè)問題。
汽車應(yīng)用的另一個(gè)獨(dú)特要求是能夠在低溫下工作,DS3881擁有特殊的燈管電流過度驅(qū)動(dòng)模式,可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管,帶來幾乎立即激活的效果,這款產(chǎn)品同時(shí)擁有大量的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能,例如燈管失效、燈管開路、過電流、激活失敗以及過電壓等情況。
汽車應(yīng)用的另一個(gè)獨(dú)特要求是能夠在低溫下工作,DS3881擁有特殊的燈管電流過度驅(qū)動(dòng)模式,可以在低溫環(huán)境下快速加熱燈管,帶來幾乎立即激活的效果,這款產(chǎn)品同時(shí)擁有大量的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能,例如燈管失效、燈管開路、過電流、激活失敗以及過電壓等情況。
由于具有高度整合的特性,DS3881只需搭配相當(dāng)少的外部元件,因此能夠降低材料成本并簡(jiǎn)化量產(chǎn)流程,對(duì)于需要超過一根燈管的大型顯示應(yīng)用,則可以直接將多個(gè)DS3881控制器加以串接,所有的功能都能夠通過電路聯(lián)機(jī)或串行接口進(jìn)行控制,而設(shè)定值則可以存儲(chǔ)在內(nèi)建的非揮發(fā)性內(nèi)存中。
對(duì)于較小型的顯示面板,就可以使用LED矩陣來取代CCFL背光,不過使用多個(gè)LED串也會(huì)帶來相對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),其中最明顯的是如何能夠在整個(gè)區(qū)域提供一致的照明與色彩輸出。推動(dòng)LED背光矩陣的一個(gè)方式是采用內(nèi)含8個(gè)LED驅(qū)動(dòng)通道,分別可以提供55mA電流輸出的MAX16807與MAX16808,請(qǐng)參考圖4(a),圖4(b)則顯示了采用MAX16807的典型電路如何簡(jiǎn)化系統(tǒng),只需少數(shù)幾個(gè)元件就能夠完成背光驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
MAX16807M808可以應(yīng)用在降壓、升壓或SEPIC模式下,依輸入電壓范圍以及每個(gè)輸出上所串聯(lián)的LED數(shù)量而定,加上一個(gè)外部電阻以及一個(gè)齊納二極管就可以讓組件不受負(fù)載突降的影響。雖然所有LED串的電流只通過一個(gè)電阻控制,但是每個(gè)LED串的電流也可以獨(dú)立控制,這樣的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到每個(gè)LED串間±3%以下的電流匹配誤差,不需外加任何元件。
由于每個(gè)LED串可以獨(dú)立進(jìn)行控制來調(diào)整相互間不匹配的情形,因此所有LED串的明暗可以同時(shí)通過使能(Enable)接腳加以控制,通過50Hz到30kHz的明暗控制頻率范圍,可以達(dá)到5000:1的明暗比變化,這么高的明暗比對(duì)必須在黑暗以及明亮陽光照射下還能輕松檢視的汽車顯示相當(dāng)重要,由20kHz到1MHz的可調(diào)切換頻率范圍更讓我們可以選擇不會(huì)與系統(tǒng)中其它部分,例如收音機(jī)接收器干擾的頻率,此外,MAX16808更加入了LED開路錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)等功能,這些控制器也可以通過串接來推動(dòng)較大的LED矩陣。
外部照明需求
外部照明應(yīng)用帶來了安全性與維護(hù)等新問題,因此需要更高功率的照明,外部照明,例如尾燈、剎車指示燈以及緊急警告燈或霧燈等,都必須能夠正常運(yùn)作以避免發(fā)生嚴(yán)重的安全問題,尾燈必須在遠(yuǎn)距離就能看清,同時(shí)不會(huì)對(duì)大區(qū)域提供照明,因此汽車內(nèi)部照明所使用的相同LED與電流規(guī)格也可以使用在這些外部照明應(yīng)用上,這代表了以上所討論,針對(duì)內(nèi)部照明應(yīng)用設(shè)計(jì)的MAX16800、807與808驅(qū)動(dòng)芯片也可以應(yīng)用在這些場(chǎng)合,由于尾燈所使用的LED數(shù)量通常高于內(nèi)裝應(yīng)用,因此必須使用多顆驅(qū)動(dòng)芯片,使用多顆驅(qū)動(dòng)芯片同時(shí)還可以帶來單一線路失效仍能保證運(yùn)作的容錯(cuò)備用功能,相同的作法也可以應(yīng)用在剎車指示燈或其它信號(hào)燈的設(shè)計(jì)上。
對(duì)于需要高照明功率,例如照明燈或霧燈等應(yīng)用就必須使用多個(gè)高亮度LED(High BrightLED;HBLED),但是高亮度LED卻需要超高驅(qū)動(dòng)電流,要產(chǎn)生所需的電流會(huì)使用太多的驅(qū)動(dòng)芯片,因此較簡(jiǎn)單的解決方案是使用可以推動(dòng)高電流晶體管的控制器,為高亮度LED提供高達(dá)30A的電流,這類組件的一個(gè)范例為MAX16818,請(qǐng)參考圖5。
MAX16818可以以降壓、升壓以及SEPIC模式運(yùn)作,同時(shí)高達(dá)1.5MHz的寬廣切換頻率范圍更使得它可以搭配小型外接元件,外部照明應(yīng)用通常需要快速激活或立即切換亮度,為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo),MAX16818是美信(Maxim)公司第一款可以達(dá)到20AMms快速電流切換的LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品,如果需要更高的電流或容錯(cuò)備用能力,MAX16818擁有一個(gè)180°的延遲脈沖輸出,可以用來控制第二顆LED驅(qū)動(dòng)器。
以上提出的所有解決方案都能夠滿足包括短路安全輸出、溫度過熱關(guān)機(jī)以及-40℃到+125℃工作的汽用應(yīng)用要求,這些產(chǎn)品以小型強(qiáng)化散熱的QFN或TSSOP封裝形式,可以簡(jiǎn)單地安排在汽車照明應(yīng)用中空間受限的電子模塊里。
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