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過去 10 年來，汽車中的電子系統(tǒng)在數(shù)量和電子控制、車載多媒體系統(tǒng)及娛樂系統(tǒng)的復(fù)雜性等方面都有了巨大的飛躍。展望未來，預(yù)計(jì)汽車電子系統(tǒng)還將以更快的速度發(fā)展。根據(jù)市場調(diào)研公司 Allied Business Intelligence 的預(yù)測(cè)，到 2007 年，全球汽車半導(dǎo)體市場將從 123 億美元（2004年）增長到每年 170億以上美元。Strategy Analytics公司也預(yù)測(cè)，到 2008 年，汽車電子系統(tǒng)在汽車總成本中所占份額將從目前的 20% 增長到 30%。這增長是由多種因素引發(fā)的。一方面，汽車中很多傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) (如油門控制、制動(dòng)和懸掛控制系統(tǒng)) 現(xiàn)在都采用了電子系統(tǒng)進(jìn)行控制和優(yōu)化。另一方面，LED 照明、娛樂和無線導(dǎo)航也正在迅速成為非豪華汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。所有這些系統(tǒng)通常都需要某種程度的電源管理。這些新型汽車應(yīng)用給電子行業(yè)帶來了很多挑戰(zhàn)，而且維持解決方案的高可靠性也極其重要。 本文主要探討汽車電子系統(tǒng)市場中一個(gè)重要的增長領(lǐng)域，即在目前和未來幾代汽車中大量涌現(xiàn)的 LED 照明。這一新的照明領(lǐng)域給汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師和制造商都帶來了新挑戰(zhàn)。理解這些挑戰(zhàn)的本質(zhì)并找到可行的解決方案非常重要，因?yàn)榕c這些照明系統(tǒng)有關(guān)的增長看來是無窮無盡的。 LED 照明 小尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)使高亮度 LED 在今天的汽車中得到了廣泛應(yīng)用。LED 最初用于中央高位剎車燈（CHMSL），這種應(yīng)用是用紅光 LED 組成一個(gè)微小的照明陣列，此陣列易于安裝且不需要更換。 根據(jù) Strategies Unlimited 公司的統(tǒng)計(jì)，在 2003 年生產(chǎn)的所有高亮度 LED 中，大約有15% 用于汽車，這表明其市場規(guī)模已經(jīng)超過 4 億美元。 盡管如此，白熾燈還是最經(jīng)濟(jì)的光源，因此也仍然是最常用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。不過，照明設(shè)備可用空間的縮減、不斷增強(qiáng)的工作壽命、燈光顏色和燈的設(shè)計(jì)等因素都導(dǎo)致了 LED 需求的增長。甚至傳統(tǒng)的 CCFL TFT-LCD 背光照明應(yīng)用也逐漸被白光 LED 陣列所取代。唯一的例外是前燈。在可預(yù)見的將來，前燈仍將采用包含鹵素/氙燈絲的設(shè)計(jì)，但是很多其它照明系統(tǒng)，如內(nèi)部/外部和背光照明應(yīng)用都將轉(zhuǎn)而采用 LED。采用 LED 的好處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，可能也是最重要的一點(diǎn)，LED 燈從不需要更換，因?yàn)槠溟L達(dá) 10萬小時(shí)（11.5使用年限）的可靠壽命超過了汽車的壽命。這使汽車制造商可永久性地把 LED 嵌入到“艙內(nèi)”照明設(shè)備中，無需為了方便更換而進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。其款式也可以有很大的變化，因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)所需的深度和面積不像白熾燈那么大。LED 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是低功耗，這可以減少汽車的燃料消耗。圖 1 顯示了一輛現(xiàn)代汽車中的大量 LED 照明應(yīng)用。在汽車內(nèi)部，有幾種采用各種類型 LED 的“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置”照明模塊。有些是單個(gè) LED，而像導(dǎo)航儀表板背光照明等另一些應(yīng)用則需要 LED 陣列。在外部照明方面，LED 也得到了認(rèn)可。現(xiàn)在超過 40% 的中央高位剎車燈已采用紅色 LED 。此外，奧迪 2004 A8 采用大電流 LED 陣列（Luxeon）作為白天行車燈（DRL）。同時(shí)，我們都已經(jīng)看到更多中檔汽車 (甚至摩托車) 都用彩色 LED 陣列作為剎車燈/轉(zhuǎn)向指示信號(hào)燈。 圖 1 現(xiàn)代汽車中 LED照明系統(tǒng)的典型應(yīng)用 汽車 LED 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù) 為確保最佳性能和更長的使用壽命，LED 需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些特殊的驅(qū)動(dòng)電路必須能夠適應(yīng)條件相當(dāng)苛刻的汽車電源總線，而且要既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省空間。為了保證更長的使用壽命，首要的是不超過 LED 的電流和溫度限制。表 1 給出了大電流 LED 的典型正向電壓和驅(qū)動(dòng)電流。在單個(gè) LED 應(yīng)用中，將需要如凌特公司 LT3474 那樣的降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器，把汽車總線電壓（標(biāo)稱 12V）降低到更適合 LED 的電壓，這個(gè)電壓在 2.68V 至 4.88V 之間，具體值要根據(jù) LED 的顏色和亮度應(yīng)用的要求而定。相反，諸如剎車燈等應(yīng)用則需要多達(dá) 8 個(gè)串聯(lián)的 LED 串，并需要 21V 至 39V 的輸出電壓，這樣就必須有凌特公司 LT3486 那樣的升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器。凌特公司所有的 LED 驅(qū)動(dòng)器都采用提供恒定電流的電流模式架構(gòu)。 輸入電壓是不規(guī)則變化的，要在這種環(huán)境下產(chǎn)生恒定的 LED 亮度，這些驅(qū)動(dòng)器集成電路必須有恒定電流源。內(nèi)部檢測(cè)電阻用來監(jiān)視輸出電流，以實(shí)現(xiàn)精確的穩(wěn)流。這些集成電路可在 35mA 至 1A 的寬電流范圍內(nèi)保證高精度的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)光范圍。因?yàn)榱杼毓镜拇箅娏?LED 驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器，所以它們不直接調(diào)制電源開關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路控制每個(gè)周期的開關(guān)峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動(dòng)態(tài)性能并實(shí)施逐周期限流。 在很多應(yīng)用中，尤其是背光照明和內(nèi)部照明應(yīng)用，也許需要調(diào)光控制，因此該驅(qū)動(dòng)器集成電路必須具有簡單的調(diào)節(jié)輸出電流/LED 亮度的方法。用這種驅(qū)動(dòng)器集成電路，可以由 PWM 信號(hào)、DC 電壓或外部 NMOS 晶體管實(shí)現(xiàn)調(diào)光，產(chǎn)生的調(diào)光范圍高達(dá) 1000:1。 最后，汽車上的電子系統(tǒng)可能對(duì)噪聲敏感，尤其是導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電路和 AM 收音機(jī)。為了最大限度地降低噪聲干擾的可能性，凌特公司的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 采用恒定頻率開關(guān)拓?fù)洹６遥_關(guān)頻率是用戶可編程的，范圍為 200kHz 至 2MHz，以保持開關(guān)噪聲在 AM 無線頻段等主要頻段之外。高開關(guān)頻率還可以使用小電感器和陶瓷電容器，從而最大限度地縮小了解決方案的尺寸并降低成本。 表1 大電流白光 LED 的正向壓降和驅(qū)動(dòng)電流 單個(gè) LED 應(yīng)用 如圖 1 所示，很多嵌入式大電流 LED 應(yīng)用都是由單個(gè)大電流 LED 組成的。這些應(yīng)用包括頂燈、地圖燈、后備箱照明等內(nèi)部照明及門檻燈或“水坑”燈等外部照明。視應(yīng)用情況不同，有的可能用彩色 LED作為儀表板背光照明或用白光 LED作為一般照明。由于這些 LED 一般具有 3V 至 4V 的正向電壓，并由 12V 至 14V 的汽車總線供電，所以需要像 LT3474 這樣的降壓轉(zhuǎn)換器。 LT3474 是一種固定頻率降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用作恒定電流源（見圖 2）。其內(nèi)部檢測(cè)電阻監(jiān)視輸出電流，以實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)流，該器件非常適用于驅(qū)動(dòng)大電流 LED，可在 35mA 至 1A 的寬電流范圍內(nèi)保持高輸出電流精度，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬調(diào)光范圍。該調(diào)光范圍可以利用 PWM 引腳和一個(gè)外部 NMOS MOSFET 進(jìn)一步擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn) 1000∶1 的總調(diào)光范圍。 T3474 的開關(guān)頻率可以編程，范圍為 200kHz 至 2MHz，這樣，設(shè)計(jì)師就能夠避開主要的噪聲敏感頻段，并采用小電感器和陶瓷電容器。 恒定開關(guān)頻率工作加上低阻抗陶瓷電容器實(shí)現(xiàn)了很低并可預(yù)測(cè)的輸出紋波。LT3474 具有 4V 至 36V 的寬輸入范圍，可對(duì)來自12V 至 24V 汽車電源總線的電源進(jìn)行寬范圍調(diào)節(jié)。電流模式 PWM 架構(gòu)具有快速瞬態(tài)響應(yīng)，并可提供逐周期限流。最后，頻率折返和熱關(guān)機(jī)可提供附加保護(hù)。 圖2 LT3474 1A 降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器典型應(yīng)用 用于導(dǎo)航顯示器的LCD TFT 背光照明 傳統(tǒng)上，汽車中大的（對(duì)角線長 6 英寸至 9 英寸）TFT-LCD 顯示器都是采用冷陰極熒光照明（CCFL）技術(shù)進(jìn)行背光照明。CCFL 帶來的問題很多。首先，驅(qū)動(dòng) CCFL 的高電壓電源很大而且很復(fù)雜。其次，CCFL “燈泡”本身也相對(duì)較大，容易出現(xiàn)故障。由于 CCFL 單元是嵌入到導(dǎo)航系統(tǒng)中的，所以如果 CCFL 失效，一般需要整個(gè)更換一個(gè)價(jià)值不菲的單元。 相反，圖 3 中的白光 LED 陣列是一種更緊湊和可靠的背光照明解決方案。其外形尺寸更小，因?yàn)殡娫凑{(diào)節(jié)電路更簡單也更緊湊。LED 及其電源的可靠性將使其壽命非常容易超過汽車的壽命。還有一個(gè)很重要的方面，這種背光照明具有很高的效率，高達(dá) 83% ，可減少所產(chǎn)生的散熱量。 LT3466 是一種雙輸出全功能升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，是專門為采用恒定電流驅(qū)動(dòng)多達(dá) 50 個(gè)白光 LED（每個(gè)轉(zhuǎn)換器可串聯(lián)多達(dá) 25 個(gè)）而設(shè)計(jì)。串聯(lián)連接的 LED 可以使其具有相同的電流，從而產(chǎn)生一致的亮度，且無需鎮(zhèn)流電阻和昂貴的工廠校準(zhǔn)工作。兩個(gè)相互獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器能夠驅(qū)動(dòng)非對(duì)稱 LED 串。兩個(gè) LED 串的調(diào)光也可以獨(dú)立控制。LT3466 非常適用于為汽車應(yīng)用中的車載多媒體系統(tǒng)/導(dǎo)航顯示器提供背光照明。 圖3 用于 50 個(gè)白光 LED 的 LT3466 背光照明電路 剎車燈 迄今為止最流行的 LED 應(yīng)用一直是中央高位剎車燈（CHMSL）。到 2003 年年低，至少 40% 的汽車裝有基于 LED 的 CHMSL。采用 LED 的好處包括更快達(dá)到設(shè)定亮度、更高的效率、更長的使用壽命、以及很細(xì)小的紅光 LED 陣列更易于設(shè)計(jì)和安裝。LED 在低于 1ms 的時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到設(shè)定亮度，從而使后面汽車的駕駛員能夠更快地看到剎車燈，因此可以減少追尾事故；相比之下，傳統(tǒng)燈泡要花高達(dá) 200ms 的時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定亮度。與白熾燈相比，LED 燈的功耗可降低高達(dá)80%，從而降低了汽車的燃料消耗。其使用壽命會(huì)很容易超過汽車的壽命，因此無需更換。除了 CHMSL，一些汽車 (如奧迪 A6) 以及一些摩托車也都已經(jīng)用 LED 取代白熾燈作為主剎車燈了。 為了最大限度地提高剎車 LED 應(yīng)用的性能并延長其使用壽命，當(dāng)務(wù)之急是按照剎車系統(tǒng)的要求采用合適并能夠驅(qū)動(dòng)“紅光 LED 串”的 LED 驅(qū)動(dòng)器。凌特公司的 LT3486 是專門為這類汽車應(yīng)用而開發(fā)。 LT(r)3486是一種雙升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如圖4所示，經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，用來自 12V 至 14V 的汽車總線的恒定電流驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)LED（每個(gè)轉(zhuǎn)換器 可串聯(lián)8 個(gè)）。串聯(lián)連接的 LED 可使其具有相同的LED電流，從而產(chǎn)生一致的亮度。如果需要，這兩個(gè)相互獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器還能夠驅(qū)動(dòng)非對(duì)稱 LED 串。 這兩個(gè) LED 串的調(diào)光可以通過各自的 CTRL 引腳獨(dú)立控制。內(nèi)部 PWM 調(diào)光系統(tǒng)可通過向各自的 PWM 引腳提供 PWM 信號(hào)，把調(diào)光范圍擴(kuò)大到 1000∶1。LT3486 的工作頻率可以用外部電阻設(shè)置，范圍為 200kHz 至 2MHz。低 200mV 反饋電壓（2% 準(zhǔn)確度）最大限度地降低了該電流設(shè)置電阻的功耗以提高效率。其它特性還有當(dāng) LED 斷接時(shí)的輸出限壓。 圖5 LT3486 汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器電路 結(jié)語 LED 照明系統(tǒng)在目前和未來的汽車中迅速采用，這給大電流 LED 汽車應(yīng)用中的 LED 驅(qū)動(dòng)器集成電路提出了很多非常嚴(yán)格的性能要求。不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，LED 驅(qū)動(dòng)器都必須提供恒定電流以保持一致的亮度，而且必須以高效率工作。這些應(yīng)用還要求很緊湊和熱效率更高的解決方案。凌特公司已經(jīng)注意到了這些汽車設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并開發(fā)出了一整套大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品以滿足這些要求，這使系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)師們?cè)跒檫@些應(yīng)用選擇電源解決方案時(shí)，能更容易地做出抉擇。 |
