常用汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用LED驅(qū)動(dòng)解決案例分析

　　眾所周知，LED適用于各種汽車照明元件，例如大燈、白天行車燈、霧燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、內(nèi)部照明、資訊娛樂(lè)的背光照明，以及組合尾燈(RCL)和高位制動(dòng)燈(CHMSL)。

　　在建立LED供電的電子驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)，需要考慮兩個(gè)主要的DC/DC電源類別，分別是線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器具有減少零部件數(shù)和降低電磁干擾（EMI）的優(yōu)點(diǎn)，但在效率和熱耗方面有嚴(yán)重的弊端。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是很多設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)解決方案首選。直流電源和需要的LED數(shù)目與類型決定了LED驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。如果電源電壓超出總LED電壓，就需要降壓轉(zhuǎn)換器。如果LED組的電壓超出電源電壓，就需要升壓轉(zhuǎn)換器。最后，根據(jù)具體的條件，LED電壓可能高于或低于電源電壓，這樣，就應(yīng)該采用降壓/升壓或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等電源拓?fù)浼夹g(shù)。

　　在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，除了LED供電外，還需要考慮很多因素。LED電路設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)主要考慮因素是熱管理。LED驅(qū)動(dòng)器集成電路改進(jìn)熱性能的一種方式是通過(guò)控制LED正向電流，LED正向電流是關(guān)于溫度的函數(shù)。這可以通過(guò)使用外部電流來(lái)感應(yīng)溫度和控制對(duì)LED的電流供應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但更高效的解決方案是利用具有必要內(nèi)置功能的集成電路。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的產(chǎn)品包含可實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的眾多開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成電路。此外，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體專為L(zhǎng)ED應(yīng)用開(kāi)發(fā)了一系列集成電路，其中很多具有適合汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用的功能。本文將探討幾個(gè)汽車電子系統(tǒng)大燈驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用示例。

　　使用升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

　　LED正越來(lái)越多地用于汽車大燈及其他前視照明系統(tǒng)。典型的大燈應(yīng)用可能使用以多種方式排列的10個(gè)白色LED。對(duì)于各LED最大VF為4V的情況，如果設(shè)計(jì)師希望使用在一個(gè)燈組中串聯(lián)全部LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將需要設(shè)置DC/DC級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。在這種情況下，可以對(duì)標(biāo)稱12V~14VDC電源總線使用單個(gè)升壓開(kāi)關(guān)功率級(jí)。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體研發(fā)的多種集成電路正是符合這種應(yīng)用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列集成電路包含多種多用途部件，可用作升壓、降壓、降壓/升壓或SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中低側(cè)外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和LM3429部件都使用峰值電流模式控制器和預(yù)測(cè)性關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)LED電流。峰值電流模式控制器與預(yù)測(cè)性關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)的組合簡(jiǎn)化了回路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，同時(shí)提供內(nèi)在的輸入電壓前饋補(bǔ)償。LM3429是系列中的基本部件，是優(yōu)化了成本和尺寸特點(diǎn)的控制器解決方案。LM3421增設(shè)了用于控制外部調(diào)光FET和系統(tǒng)“零電流”關(guān)閉特點(diǎn)的集成驅(qū)動(dòng)器。LM3423進(jìn)一步增加了LED狀態(tài)輸出標(biāo)記、故障標(biāo)記、可編程故障計(jì)時(shí)器和邏輯針腳，用于控制調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的極性。最后，LM3424與LM3421類似，但使用標(biāo)準(zhǔn)峰值電流模式控制器。LM3424還具有對(duì)開(kāi)關(guān)頻率編程的功能，或通過(guò)可編程斜率補(bǔ)償、軟啟動(dòng)和LED電流熱返送功能使開(kāi)關(guān)頻率與外部來(lái)源同步。

　　LM342x系列使用控制器集成電路實(shí)現(xiàn)所需功能和總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大靈活性。圖1以LM3421為例，顯示升壓配置中使用LM342x系列驅(qū)動(dòng)LED燈組的一個(gè)示例。LM342x拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)主要特點(diǎn)是在LED高側(cè)進(jìn)行電流感應(yīng)，允許燈組中的最后LED的陰極局部在底盤(pán)接地，并使感應(yīng)電壓可以差分地饋送回集成電路。這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槭?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED燈組">LED燈組和驅(qū)動(dòng)器集成電路可以彼此分離。

圖1 使用LM3421的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)10個(gè)LED

　　眾所周知，LED適用于各種汽車照明元件，例如大燈、白天行車燈、霧燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、內(nèi)部照明、資訊娛樂(lè)的背光照明，以及組合尾燈(RCL)和高位制動(dòng)燈(CHMSL)。

　　在建立LED供電的電子驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)，需要考慮兩個(gè)主要的DC/DC電源類別，分別是線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器具有減少零部件數(shù)和降低電磁干擾（EMI）的優(yōu)點(diǎn)，但在效率和熱耗方面有嚴(yán)重的弊端。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是很多設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)解決方案首選。直流電源和需要的LED數(shù)目與類型決定了LED驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。如果電源電壓超出總LED電壓，就需要降壓轉(zhuǎn)換器。如果LED組的電壓超出電源電壓，就需要升壓轉(zhuǎn)換器。最后，根據(jù)具體的條件，LED電壓可能高于或低于電源電壓，這樣，就應(yīng)該采用降壓/升壓或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等電源拓?fù)浼夹g(shù)。

　　在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，除了LED供電外，還需要考慮很多因素。LED電路設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)主要考慮因素是熱管理。LED驅(qū)動(dòng)器集成電路改進(jìn)熱性能的一種方式是通過(guò)控制LED正向電流，LED正向電流是關(guān)于溫度的函數(shù)。這可以通過(guò)使用外部電流來(lái)感應(yīng)溫度和控制對(duì)LED的電流供應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但更高效的解決方案是利用具有必要內(nèi)置功能的集成電路。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的產(chǎn)品包含可實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的眾多開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成電路。此外，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體專為L(zhǎng)ED應(yīng)用開(kāi)發(fā)了一系列集成電路，其中很多具有適合汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用的功能。本文將探討幾個(gè)汽車電子系統(tǒng)大燈驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用示例。

　　使用升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

　　LED正越來(lái)越多地用于汽車大燈及其他前視照明系統(tǒng)。典型的大燈應(yīng)用可能使用以多種方式排列的10個(gè)白色LED。對(duì)于各LED最大VF為4V的情況，如果設(shè)計(jì)師希望使用在一個(gè)燈組中串聯(lián)全部LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將需要設(shè)置DC/DC級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。在這種情況下，可以對(duì)標(biāo)稱12V~14VDC電源總線使用單個(gè)升壓開(kāi)關(guān)功率級(jí)。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體研發(fā)的多種集成電路正是符合這種應(yīng)用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列集成電路包含多種多用途部件，可用作升壓、降壓、降壓/升壓或SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中低側(cè)外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和LM3429部件都使用峰值電流模式控制器和預(yù)測(cè)性關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)LED電流。峰值電流模式控制器與預(yù)測(cè)性關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)的組合簡(jiǎn)化了回路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，同時(shí)提供內(nèi)在的輸入電壓前饋補(bǔ)償。LM3429是系列中的基本部件，是優(yōu)化了成本和尺寸特點(diǎn)的控制器解決方案。LM3421增設(shè)了用于控制外部調(diào)光FET和系統(tǒng)“零電流”關(guān)閉特點(diǎn)的集成驅(qū)動(dòng)器。LM3423進(jìn)一步增加了LED狀態(tài)輸出標(biāo)記、故障標(biāo)記、可編程故障計(jì)時(shí)器和邏輯針腳，用于控制調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的極性。最后，LM3424與LM3421類似，但使用標(biāo)準(zhǔn)峰值電流模式控制器。LM3424還具有對(duì)開(kāi)關(guān)頻率編程的功能，或通過(guò)可編程斜率補(bǔ)償、軟啟動(dòng)和LED電流熱返送功能使開(kāi)關(guān)頻率與外部來(lái)源同步。

　　LM342x系列使用控制器集成電路實(shí)現(xiàn)所需功能和總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大靈活性。圖1以LM3421為例，顯示升壓配置中使用LM342x系列驅(qū)動(dòng)LED燈組的一個(gè)示例。LM342x拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)主要特點(diǎn)是在LED高側(cè)進(jìn)行電流感應(yīng)，允許燈組中的最后LED的陰極局部在底盤(pán)接地，并使感應(yīng)電壓可以差分地饋送回集成電路。這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槭筁ED燈組和驅(qū)動(dòng)器集成電路可以彼此分離。

圖1 使用LM3421的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)10個(gè)LED

　　使用熱返送升壓穩(wěn)壓器的大燈示例

　　LED制造商通常在數(shù)據(jù)表中包含顯示LED最大允許正向電流和溫度的圖線，以確保部件的可靠性，這也稱為安全工作區(qū)（SOA）。LED的最大電流額定值在較低溫度測(cè)得，但在超出特定溫度后，最大允許電流值降低。由于LED系統(tǒng)的首要設(shè)計(jì)要素是適當(dāng)?shù)纳岷屯L(fēng)，因此很多應(yīng)用需要考慮不可預(yù)測(cè)的狀況，即使最佳的熱設(shè)計(jì)也可能無(wú)法預(yù)防這些狀況。例如大燈組件被污泥或其他碎屑堵塞的情況。由于對(duì)車輛的安全操作至關(guān)重要，因此在此類情況下，需要保持LED在較低操作點(diǎn)正常照明，同時(shí)使電流保持在安全工作區(qū)，以預(yù)防照明系統(tǒng)的災(zāi)難性故障。

　　為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)LED電流的目標(biāo)，可以使用多種不同的方法。一種方法是構(gòu)建溫度感應(yīng)電路，用于驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器集成電路的模擬電流調(diào)節(jié)針腳。更簡(jiǎn)單的解決方法是使用LM3424等具有內(nèi)置熱返送（TFB）功能的LED驅(qū)動(dòng)器集成電路。圖2顯示了LM3424熱返送功能所需的外部零部件示例。