LED驱动器集成电路在汽车照明中的应用

　　引言

　　目前，对高亮度LED(发光二极管)的市场预测存在很大差别。尽管预测数据不同，但是趋势是明显的：高亮度(HB)LED市场正在以惊人的速度增长。有些预测数据为年复合增长率15%，另一些则为年复合增长率35%。2007年汽车领域的LED照明处于起步阶段，销售额为6.7亿美元，但是预计将以15%的年复合增长率增长，到2011年(1)达到12亿美元。如果将非汽车应用考虑在内，那么年复合增长率接近35%，而且到2011年，总的高亮度LED市场有可能轻松超过25亿美元。

　　这么高的增长潜力靠什么驱动?首先，LED产生光的效率是白炽灯的10倍，同时几乎是荧光灯的两倍，因此极大地降低了提供特定光输出量(单位：流明)所需的电功率。第二，白炽灯使用1,000小时后需要更换，荧光灯可持续使用1万小时，而LED的寿命超过10万小时。在大多数应用中，这允许LED永久性地嵌入到最终应用中而无需附属装置。例子包括用于装在汽车车体上的显示屏或HDTV的LCD显示屏，因为这些LED在汽车、HDTV或运动场馆显示器寿命期内不会需要更换。第三，LED比其它照明产品小几个数量级，外形尺寸可以制作得非常扁平，这样它们就可以永久性地嵌入到汽车内部和外部应用中。另外，通过使用红光、绿光和蓝光LED配置，可以实现无数种颜色。最后，LED能够调光，而且其接通和断开时间很快，人眼察觉不到，这极大地改进了HDTV和其它类型显示器的背光照明。没有这些LED，不可能有极高对比度和清晰的高分辨率LCDHDTV。

　　尽管如此，照明系统设计师的最大挑战之一是如何充分利用最新一代LED的所有优势。因为它们一般需要一个准确的直流电流源，还需要调光，因此LED驱动器集成电路必须设计成能满足各种不同应用的需求。电源解决方案必须高效率、功能可靠，而且与往常一样，要非常紧凑和经济。有理由认为，最苛刻的LED驱动应用之一是在汽车应用中，其中包括基于LED的内部照明、LCD显示器背光照明、刹车/转向信号指示灯，甚至包括前灯。

　　汽车LED照明

　　尺寸小、功耗低以及接通时间短等优点已经使高亮度LED开始在今天的汽车中得到广泛采用。最初的LED应用是中央高位刹车灯(CHMSL)，这类应用采用红光LED提供非常微小的照明阵列，这种阵列很容易安装，而且从不需要更换。欲了解更多信息请登录电子发烧友网(http://www.elecfans.com)

　　传统上，白炽灯是最经济的光源，而且很多汽车仍在使用。不过，用于照明组件的可用空间缩小以及对长工作寿命的需求，加之LED实现了明亮的自然色彩和简化设计，因此LED在很多应用中迅速取代了白炽灯。白光LED阵列取代传统的冷阴极荧光照明(CCFL)TFT-LCD背光照明越来越常见了，白光LED提供更加精确和可调的背光照明，工作寿命将很容易超过汽车本身的寿命。甚至主要是卤素/氙灯丝设计应用领域的前灯也正在逐步采用电子“可控”的大电流LED阵列(参见图1)。包括内部/外部和背光照明应用的所有汽车照明应用都几乎在转向LED。在这种环境中使用LED有几个优点。首先，它们从不需要更换，因为其长达10万余小时(11.5年的使用年限)的可靠寿命超过了汽车本身的寿命。这允许汽车制造商永久性地将其嵌入“舱内”照明系统，无需为了方便更换而进行相应的设计。其款式也可以有很大变化，因为LED照明系统所需的深度和面积不像白炽灯那么大。

　　图1：奥迪R8/雷克萨斯LED前灯/转向信号指示灯/行车灯。

　　图2所示是现代汽车中的各种LED照明应用。在汽车内部，有几种采用各种类型LED的“标准内置”照明模块。有些是单个LED，而像导航仪表板背光照明等另一些应用则需要LED阵列。在外部照明方面，LED也得到了认可。现在超过40%的中央高位刹车灯已经采用红光LED。另外，奥迪(Audi)2008 A8采用大电流LED阵列作为白天行车灯(DRL)。雷克萨斯(Lexus)600轿车和奥迪R8包括前灯在内的全部外部“前向照明”都是由LED完成的。类似地，甚至更多中档汽车和很多摩托车也采用了彩色LED阵列作为刹车/转向信号指示灯。

　　图2：LED照明在现代汽车中的典型应用。

　　汽车LED照明的设计参数

　　为确保最佳性能和更长的使用寿命，LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够适应条件非常苛刻的汽车电源总线，而且要既经济又节省空间。为了保证更长的使用寿命，首要的是不超过LED的电流和温度限制。表1给出了大电流白光LED的典型正向电压与驱动电流。

　　表1：大电流白光LED的正向压降与驱动电流。

　　大多数前灯应用需要约50W LED电流。凌力尔特公司(Linear)的LT3755设计成服务于这种类型的应用。它可以将汽车总线电压(标称值为12V)提高到60V，以驱动多达14个串联连接的1A LED，如图3所示。

　　图4说明，LT3755的效率可高达93%。这一点是非常重要，因为这消除了所有电源组件的散热需求，从而可组成一个占板面积非常紧凑的解决方案。尽管图3所示电路是一种升压型拓扑，但是LT3755独特的高压侧电流检测设计使其能够根据应用的具体要求，配置为升压模式、降压模式、降压-升压模式或反激式拓扑。

　　LT3755用稳定的内部7V电源驱动外部低端N沟道MOSFET。固定频率、电流模式架构允许在宽电源和输出电压范围内稳定和准确地工作。LT3755提供一个恒定电流源，这对LED驱动器集成电路在输入电压不稳定时实现恒定LED亮度非常重要，而且在汽车应用中尤其重要，因为在冷车发动和负载突降等情况下遭遇瞬态后，输入电压可能有极大的摆动。LT3755的最高输入电压为40V，使其能够在主汽车总线遭遇40V瞬态时稳定LED电流和电压，40V瞬态在负载突降情况下是常见的。

　　以地为基准的电压反馈引脚用作很多LED保护电路的输入，如LED开路保护，而且还使转换器有可能用作恒定电压源。频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz范围内对频率编程，以优化效率和性能，同时最大限度减小外部组件尺寸。如果需要外部同步，LT3755-1版本在100kHz至1MHz的整个频率范围内还可以同步至外部时钟。

　　图3：采用LT3755的50W前灯电路。

　　图4：图3所示LT3755电路的效率。

　　LT3755的真彩PWM调光实现了高达3000:1的调光比，调光时所发光的颜色没有改变，从而能够持续调节LED前灯，以适应多种环境条件。因为凌力尔特公司的大电流LED驱动器是电流模式稳压器，因此它们不直接调制电源开关的占空比，而是由反馈环路控制每个周期的开关峰值电流。与电压模式控制相比，电流模式控制改进了环路动态特性，并实现了逐周期限流。

　　两个LED应用

　　如图2所示，很多嵌入式大电流LED应用都由单个或两个大电流(ILED从1A至1.5A)LED组成。这类应用包括内部照明，如顶灯、地图灯、后备箱照明，还包括外部照明，如门槛或“水坑”灯。视应用的不同，可能采用彩色LED用于仪表板照明，或白光LED用于一般照明。因为这类LED一般具有3V至4V的正向电压，并用12V至14V的汽车总线供电，所以需要降压型稳压器。LT3475双路降压型LED驱动器非常适用于这类应用。

　　LT3475是一个双路36V、2MHz降压型DC/DC转换器，用作双路恒定电流LED驱动器(参见图3)。每个通道都有内部检测电阻和调光控制，非常适用于驱动需要高达1.5A电流的LED。两个通道以180o的相位差开关，从而降低了两个通道的输出纹波。在50mA至1.5A的宽电流范围内，每个通道都独立保持高输出电流准确度，同时独特的True Color PWMTM电路实现3000:1的调光范围，而且没有通常与LED电流调光相关的颜色改变。LT3475具有4V至36V(瞬态高达40V)的宽输入电压范围，非常适应汽车电源系统。其开关频率可以在200kHz至2MHz的范围内设定，从而允许使用纤巧的电感器和陶瓷电容器，同时保持开关噪声在调幅收音机频段之外。该器件采用耐热增强型TSSOP-20封装，为驱动大电流LED提供了一个非常紧凑的解决方案。

　　图5：LT3475双路1.5A降压型LED驱动器原理图和有关的效率曲线。

　　LT3475采用高压侧检测方式，实现了接地的LED阴极连接，因此在大多数应用中无需接地线。它的每个通道还具有集成的升压二极管，进一步减少了解决方案占板面积和成本。其它特点包括LED开路和短路保护。

　　本文小结

　　在当前和未来的汽车中，LED照明应用将前所未有地加速增长，这已经导致对大电流LED汽车应用中的LED驱动器集成电路产生了很多非常具体的性能要求。这些应用从前灯到内部照明，种类很多。另外，在汽车市场之外的大量商用和工业环境中也有很多LED应用，汽车应用中的大多数高性能要求在这些应用中也需要。这些LED驱动器必须提供恒定电流，以在输入电压或LED正向电压变化时保持一致的亮度，而且必须以高效率工作。它们还必须能够承受汽车电源总线严酷的电气特性。这些应用还要求非常紧凑的、高热效率解决方案。凌力尔特公司已经注意到了这些汽车设计需求，而且为满足汽车和多种通用LED照明应用需求，已经开发出一系列大电流LED驱动器产品。照明系统设计师现在有了一个非常方便的LED驱动器来源，可以进行具有挑战性的照明设计了。