一種汽車照明電源的設(shè)計
發(fā)光二極管(LED)和冷陰極熒光燈(CCFL)逐漸成為了汽車照明的普通光源。這些光源關(guān)鍵優(yōu)勢是具有較長的使用壽命和更高效率。白熾燈的典型壽命為 10 000 h,而熒光燈可達50 000 h,LED則高達100 000 h。使用壽命的延長提高了可靠性,減少了維護工作,降低服務(wù)成本。 LED還具有低工作電壓、低電磁輻射、抗機械應(yīng)力強、形狀設(shè)計靈活、工作溫度范圍寬和亮度調(diào)節(jié)范圍寬等特點。隨著LED技術(shù)的發(fā)展,用其取代其他電源技術(shù)的趨勢更加明顯,但是,就目前應(yīng)用情況,CCFL仍占據(jù)某些應(yīng)用領(lǐng)域,如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的場合。
CCFL和LED光源需要適當(dāng)?shù)墓╇?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源">電源,而且,不同技術(shù)具有不同的特殊要求,電源必須提供特別的應(yīng)用和功能。這里,針對不同的汽車內(nèi)部和外部照明裝置,為LED和CCFL光源提供了多種電源解決方案。
1 汽車內(nèi)部照明
汽車內(nèi)部照明應(yīng)用包括儀表盤和儀表盤背光、頂燈和地圖燈、安裝在門上或車體上的開門燈以及背光。所有內(nèi)部的照明應(yīng)用都可使用LED作為光源。地圖燈和頂燈通常使用一個高亮度LED,儀表盤和開門燈通常需要一個以上的LED串聯(lián)實現(xiàn)。串行連接有利于避免不同LED的電流(對應(yīng)顏色)失配。所有應(yīng)用都需要一個集成了亮度調(diào)節(jié)功能的恒流源。
1.1 基于MAXl6800的汽車內(nèi)部照明設(shè)計
圖1為MAXl6800典型的調(diào)光應(yīng)用電路。MAXl6800具有高輸入電壓范圍(達40 V),可直接連接到汽車電池而不需要保護器件,保護器件一般用來抵御電池負載變化帶來的浪涌電壓。MAxl6800能夠為LED提供恒定電流,電流值可以通過與LED串聯(lián)的檢流電阻RSENSE設(shè)置。為了提高電流設(shè)置精度,提高對外部噪聲的抑制能力,MAXl6800采用差分電流檢測輸入方式。
LED的色度隨其電流的變化而改變,因此調(diào)整LED亮度的最好方法是通過脈寬調(diào)制(PWM)信號對一個固定電流進行斬波實現(xiàn),而不是改變電流的實際幅度。 MAXl6800通過在器件的使能輸入引腳作用一個PWM信號來調(diào)整LED亮度。通過LED的電流按照PWM信號的頻率開啟和關(guān)斷。
電磁干擾(EMI)抑制在汽車應(yīng)用中非常重要,這一設(shè)計要求與不產(chǎn)生EMI同等重要。對LED電流進行通、斷控制時無論如何都會產(chǎn)生EMI輻射。因此,為了降低PWM調(diào)光時的EMI,MAXl6800集成了波形整形電路,以便平滑開關(guān)信號的邊沿。
1.2 基于MAX16805/MAXl6806的汽車內(nèi)部照明設(shè)計
由于很多照明系統(tǒng)沒有可利用的微控制器產(chǎn)生PWM調(diào)光信號,因此可采用MAXl6805/MAXl6806型LED驅(qū)動器。這兩款器件均由內(nèi)部產(chǎn)生PWM 信號,PWM信號由加在DIM輸入引腳的外部模擬電壓設(shè)置。不采用模擬調(diào)光時,MAXl6806有一個開關(guān)輸入(SW),該開關(guān)輸入不僅檢測開關(guān)狀態(tài),并具有去抖功能,為開關(guān)提供濕電流。圖2為MAXl6805/MAXl6806典型應(yīng)用電路。
汽車照明應(yīng)用中,必須密切監(jiān)測LED的溫度,這對于空間緊湊,特別是散熱條件較差的系統(tǒng)特別重要。LED過熱會降低LED的使用壽命,從而減弱該類光源的關(guān)鍵優(yōu)勢。但通過短時間調(diào)低LED亮度,在大多數(shù)應(yīng)用中可避免過熱現(xiàn)象。因此MAXl6806為外部溫度傳感器提供一個輸入端。當(dāng)檢測到過熱時,該器件可以調(diào)低亮度,直到溫度恢復(fù)到可以接受的范圍。溫度和亮度調(diào)節(jié)門限可以通過串口編程,并存儲到EEPROM。該功能省去昂貴的大尺寸散熱器。 MAXl6805/MAXl6806的內(nèi)部基準用于監(jiān)測反饋回路的LED電流,并通過串口調(diào)整。因此,實際應(yīng)用中可對各路LED使用固定的檢流電阻,簡化設(shè)備生產(chǎn)并降低成本。
2 背光顯示
液晶顯示器(LCD)廣泛用于儀表盤、車載計算機、廣播、導(dǎo)航系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)。但背光照明需要將光散射到盡量大的面積,而不是產(chǎn)生聚焦光束。傳統(tǒng)上,由于CCFL背光效率高、溫度低并可提供較高的光照功率,LCD屏主要采用CCFL作為背光源。雖然CCFL控制器在汽車電子以外的領(lǐng)域應(yīng)用非常成功(例如 LCD TV或計算機監(jiān)視器),但汽車環(huán)境下的設(shè)計具有特殊的挑戰(zhàn)和需求。
由于基本的CCFL電路中包含有外部晶體管、變壓器和燈管,CCFL架構(gòu)存在EMI輻射源。圖3給出利用DS388l CCFL控制器構(gòu)建的CCFL燈管電源電路,該設(shè)計優(yōu)化于汽車應(yīng)用環(huán)境。DS388l利用擴展頻譜和頻率偏移技術(shù)大大降低了EMI輻射,并把噪聲頻譜搬移到系統(tǒng)不敏感的頻段,從而克服了EMI輻射。
汽車電子的另一特殊要求是低溫工作,DS388l具有一個特別的燈管電流過驅(qū)動模式,當(dāng)溫度很低時,該模式可以迅速加熱燈管,從而實現(xiàn)快速啟動。該器件還具有多種故障檢測,可以監(jiān)測燈管故障、燈管開路、過流、啟動失效以及過壓故障。
由于DS3881具有極高的集成度,只需極少的外部元件,大大降低物料(BOM)成本并有助于簡化設(shè)計。多個DS388l控制器可以級聯(lián)使用,支持多燈管的大顯示屏設(shè)計。所有的性能和功能均可通過引腳或串口設(shè)置。并且可將設(shè)置存儲到內(nèi)部非易失存儲器中。
對于小尺寸顯示屏,可以選擇LED陣列用于CCFL背光。多串LED面臨獨特的設(shè)計挑戰(zhàn),特別是需要在整個區(qū)域提供均勻的亮度和色彩。圖4給出一個特殊的基于LED的LCD背光電路。
MAXl6807/MAXl6808可工作在BUCK、BOOST或SEPIC模式,具體取決于輸入電壓范圍以及每個輸出通道的LED數(shù)量。增加一只外部電阻和一只齊納二極管可以進行拋負載測試。雖然各個通道的電流都由電阻設(shè)置,但每串通道的電流可獨立調(diào)整。在不增加任何外圍元件的情況下,該架構(gòu)可以保證每通道之間的電流匹配度優(yōu)于3%。對于不同批次,每通道可以分別調(diào)節(jié)匹配度,也可通過使能引腳統(tǒng)一調(diào)節(jié)各個通道。采用50 Hz至30 kHz的調(diào)節(jié)頻率,可以實現(xiàn)5 000:1的調(diào)光范圍。為了在黑暗中以及陽光直射的情況下均可見顯示器顯示內(nèi)容,汽車電子所要求的調(diào)光比較高。當(dāng)亮度調(diào)節(jié)信號的開關(guān)頻率范圍為 20kHz~1MHz時,可以避開干擾其他設(shè)備(如收音機)的頻段。MAXl6808集成了LED開路檢測功能,這些控制器也可級聯(lián)起來構(gòu)成大型LED陣列驅(qū)動電路。
3 外部照明
外部照明系統(tǒng)對安全性提出新的要求,需要更大的照明功率。外部照明,如尾燈、指示燈或緊急事件報警燈(以及霧燈)必須確保在任何情況下有效工作,以避免嚴重的安全隱患。
尾燈必須有較遠的穿透距離,但照射區(qū)域不能過大。用于內(nèi)部照明的LED以及電流指標也適用于外部照明應(yīng)用。也就是說,用于照明驅(qū)動的 MAXl6800/MAXl6807/MAXl6808驅(qū)動電路也可用于此類應(yīng)用。由于尾燈中的LED數(shù)量多于內(nèi)部照明,必須采用多個驅(qū)動器。多器件驅(qū)動架構(gòu)也提供了必要的冗余設(shè)計,即使在某些電路故障時仍能確保工作,同樣的冗余設(shè)計也適用于指示燈及其他信號燈。
需要較高照明功率的場合,如泛光燈或霧燈,必須使用超高亮度LED(HB LED)。HB LED需要較高的驅(qū)動電流,前面討論的產(chǎn)品無法提供低成本設(shè)計,需要過多的驅(qū)動器產(chǎn)生所需的電流。最好采用能驅(qū)動大電流功率管的控制器,大電流功率管可以為HB LED提供高達30 A的電流,MAXl6818可以滿足這種設(shè)計要求,如圖5所示。
MAXl6818在高達1.5 MHz的工作頻率下允許使用小尺寸外部元件。由于MAXl6818是采用Maxim專利技術(shù)的LED驅(qū)動器,因此能夠滿足外部照明應(yīng)用迅速開啟或瞬間切換亮度的要求。利用該專利技術(shù)能夠使LED的瞬態(tài)電流響應(yīng)達20A/μs。若需要更高電流輸出或冗余設(shè)計時,MAXl6818含有一個180°延遲時鐘輸出,用來控制第2個LED驅(qū)動器。
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