|
目前，汽車廠商正在逐步將汽車照明系統從白熾燈和CCFL (冷陰極熒光燈)更換成HB (高亮度) LED。這些HB LED廣泛用于導航及娛樂設備顯示器的背光以及汽車內部、外部照明，例如：日間行駛燈、尾燈等。新應用中(例如：平視顯示器)也開始使用HB LED。 由于第一代HB LED驅動器的局限性，設計人員還無法在效率、最少的外部元件數量、最低EMI以及寬范圍PWM調光等方面進行優化。最新推向市場的多串HB LED驅動器，例如：MAX16814，以極其巧妙的方式解決了上述技術瓶頸，這些驅動器的開關和線性控制器之間能夠進行雙向通信。本文介紹了一個用于日間行駛燈或平視顯示器的設計實例。 為什么選擇HB LED? HB LED在汽車領域的應用越來越普及，這一點很容易理解，因為它們為汽車設計人員帶來了眾多優勢：與其它照明技術相比，HB LED是最環保的解決方案—具有出色的能效，不含汞，回收時只有極少的有害物質。另外，HB LED還有助于提高汽車的安全性，這歸功于它們遠遠高于白熾燈的開、關速度，也正是考慮到這一因素，它們被廣泛用于剎車燈。 HB LED為設計人員在汽車的“個性化”風格設計上提供了更大的發揮空間。LED尺寸很小，燈源幾乎不占用面板背部的空間，設計人員可以按照任何形狀排列燈管，這要歸功于其小尺寸和照射的方向性。這種小尺寸射燈非常適合作為指示燈。 最后，HB LED比其它照明方案具有更長的使用壽命，使用壽命達到50,000小時甚至更長，基于這一原因，它們非常適合長期保持照明狀態的任何環境，日間行駛燈就是一個很好的應用案例。 HB LED技術在一些全新應用中也占有重要地位，例如，汽車平視顯示器。LED具有較寬的調光范圍，特別適合需要根據環境光強調節燈光亮度的應用。正是在這些應用中體現了PWM調光的重要性。 如果了解“為什么”使用HB LED，也就不難理解它們在今天的汽車設計中為什么如此普及，其典型應用包括：剎車燈、尾燈、前車燈(日間行駛照明，中高端汽車的位置指示燈以及高端汽車的遠光燈和近光燈)、內部照明(RGB LED可以控制燈光顏色)，為汽車增添獨特風采。另外，HB LED在導航、娛樂設備和儀表盤背光應用中也逐漸成為主流產品(圖1)。 圖1. HB LED正在滲透到汽車每個部位的照明設計中，從前車燈到剎車燈以及位于二者之間任何部位的照明。 HB LED的設計挑戰 當然，把HB LED集成到汽車應用時也會面臨諸多挑戰，例如，保持盡可能低的成本。就元件本身而言，LED燈的價格通常高于其它照明方案(例如：白熾燈、鹵素燈、 CCFL)。因此，必須降低LED方案的系統級成本，以提高該項技術的市場發展潛力。為了降低方案成本，必須盡可能減少驅動器的元器件數量，這也有利于提高系統可靠性，因為PCB上的每個元件都可能是系統的一個失效點。 另一挑戰是效率，高能效在汽車中的重要性越來越高，特別是對于混合動力車。必須盡可能提高效率使功耗(發熱)降至最低，汽車部件一般工作在高溫環境，發動機周圍的環境溫度可能達到+105°C，其它許多應用中溫度也會達到+85°C。LED產生大量熱量(與其它燈源不同，它們不會在IR或UV波段輻射能量)，其功耗會提高周圍的環境溫度。這就需要降低LED驅動器的功耗，避免驅動器IC或驅動模塊中的其它器件過熱。 當然，汽車環境下同樣面臨EMI問題，任何照明子系統都不能干擾車內的其它子系統，AM收音機通常是最敏感的部件之一。由于LED需要開關型或線性驅動電路，這些電路會引發EMI噪聲(特別是開關電路)或EMI干擾問題，設計中需要關注這一問題。驅動器電路還會引入音頻噪聲，例如：陶瓷電容產生的噪聲。 多串LED的優點 汽車應用中，LED被排列成多串，每串定義為一組串聯LED，具有相同電流。可以根據顯示器的尺寸方便地排列LED支持背光，將LED排列成多串有助于提高故障容限。如果一個LED開路，只會關閉與該LED串聯的燈管，而非所有LED。使用多串LED的另一個原因是限制每串LED的電壓，提高系統安全性。例如，一串總電壓為80V的LED分成兩串后，電壓變為40V，避免在與LED或其連線接觸時出現對人體構成威脅的高壓。 由此可見，能夠驅動多串LED的單片IC具有明顯優勢。多串架構通常包括：LED串、一個boost轉換器(將輸入電池電壓轉換成LED串所需的高壓)、多路線性吸電流調節器(用于建立每串的驅動電流) (圖2)。 圖2. 多串驅動器的基礎配置，利用單芯片控制多串LED的電流。Boost轉換器和線性電流調節器獨立工作時，可增加紅色標記元件來自適應調節電壓。 與具有多路開關轉換器的方案相比，這種方案的元件數較少，成本較低(只需要一個電感和少數旁路電容)。與單串驅動器直接驅動并聯LED的方案相比，這種方案的優勢是可以在每串之間均衡電流。如果多串LED直接并聯，因為有些LED的正向導通電壓較高，電流不可能在每串之間均分。另外，LED的正向導通電壓會隨著溫度的升高而降低，電流的不均衡會導致熱量失控：具有較大電流的LED串發熱較多，其正向導通電壓隨之降低，從而吸收更大電流，導致該串LED的溫度進一步提升，如此循環。隨著電流差異的增大，可能導致一串或多串大電流LED失效。最后，如果LED串只是簡單地并聯在一起，由于驅動器只能控制總電流，失效的LED電流會增加到其它LED串，從而由于過驅動導致其它LED串失效。利用圖2所示方案可以避免出現這種狀況。 不可否認，圖2所示架構也存在一定限制：它利用MOSFET調整串聯電流，為了使這些MOSFET的溫度盡可能低，需確保管子兩端的電壓盡可能低，但需足夠的電壓使管子處于飽和區。理想條件下，boost輸出電壓為： VBOOST = max(VSTRING,I) + VSAT 式中，VSTRING,I為第I串LED的正向導通總電壓，VSAT為MOSFET處于飽和狀態時的VDS。能夠將VBOOST電壓設置到理想值的LED驅動器稱為具有AVO (自適應電壓優化)功能。 因為大多數應用中需要通過PWM調節LED亮度，從而使AVO設計變得更加復雜。它們必須按照一定的占空比進行通、斷控制，使線性吸電流調節器打開、關閉。但是，當所有LED串關閉時，boost轉換器應該處于何種狀態呢? 這是設計面臨的另一問題，答案可能有多種，每種都有一定的限制，后續內容中將詳細討論。 傳統多串LED驅動器的問題 傳統的多串LED驅動器方案采用圖2所示拓撲，包含boost開關轉換器和多路獨立工作的吸電流調節器，使用這些驅動器構建AVO時，需要一些外部元件，這會引起一系列的問題。 其中一個問題是：外部電路必須檢測哪一串LED具有最高的正向導通電壓(或最低的陰極電壓)；利用圖2中紅色標記的幾個二極管可以實現這一功能。這種方案會占用更大的電路板面積，增加系統成本。 該方案在出現LED故障時還存在另一潛在問題，如果一個LED失效發生開路，這一串的陰極電壓將跌落至零，二極管檢測電路將判斷這一串具有最高的正向導通電壓，并開始提升VBOOST，試圖為這一串LED提供足夠的驅動電壓。這將引出幾個潛在問題，提升后的電壓作用在其它串的吸電流MOSFET上，可能造成全部管子失效；或者，電壓的提升將觸發boost轉換器的輸出過壓保護(OVP)，如果器件具有此項功能，則關閉轉換器和所有LED串。 該架構的第三個問題是LED的PWM調光，當LED關閉時，二極管電路沒有電壓參考點來設置VBOOST。一種可能的解決辦法是增加另一個二極管，通過分壓電路連接到boost輸出，如圖2中的紅色標記電路。LED關閉時，該二極管導通，將VBOOST設置到預置電壓。這種方式存在的顯著問題是：進行PWM調光時，boost轉換器的輸出電壓具有較高的紋波，紋波頻率為PWM調光頻率(見圖3)。電壓紋波會產生EMI噪聲，如上所述，這是汽車設計面臨的一個關鍵問題，它還會從輸出電容COUT上產生音頻噪聲。 圖3a. 傳統驅動器進行PWM調光時的波形，利用圖2所示外部電路，VBOOST在LED電流通、斷期間發生變化，電源上存在較大噪聲。 圖3b. 在新一代驅動器架構中，boost轉換器在LED電流斷開期間停止開關工作，轉換器輸出電壓由其輸出電容保持，由于漏電流的作用，電壓略有下降。 新一代多串LED驅動器的優勢 新一代多串LED驅動器在性能上有較大改進，boost開關轉換器與線性吸電流調節器部分可以進行雙向通信，而不是獨立工作。因此，新型多串驅動器解決了上述三個問題。 這些新型驅動器在IC內部檢測LED串的電壓，即每個吸電流MOSFET的漏極電壓，IC利用內部二極管或模擬開關電路選擇最低串電壓(圖4)。這種方案大大降低了外部元件數量和方案成本。 圖4. 新一代HB LED驅動器IC中，內部LED吸電流調節器與boost轉換器之間的通信功能有助于獲得更高效率，避免了許多傳統驅動器所面臨的問題。 另外，雙向通信功能還解決了上述一個LED失效或開路引發的問題，新設計中一旦一個LED發生故障，VBOOST開始上升，電壓達到OVP門限時即可識別出發生故障的串，從AVO控制環路中禁止或移出該串，其它LED串保持正常工作。除了降低照明亮度外(而不是全部關閉LED)，不會對用戶造成其它影響。 通過PWM調節LED亮度時，需要考慮LED驅動器開關操作的幾個因素。集成開關和線性調節環路采用了與圖2不同的方式，具有更低噪聲。LED關閉時，新型boost轉換器可禁止工作，如圖3b所示。如果轉換器在此期間停止了開關操作，功率開關MOSFET將保持在斷開狀態，補償電路也處于開路。此時，補償電容保持其電荷量，這是補償環路的狀態。VBOOST由輸出電容COUT維持，由于LED關閉電容不會放電，COUT的放電電流只是漏電流。LED恢復導通時，轉換器重新啟動開關操作，具有極小紋波。這種方案中，VBOOST在PWM亮度調節期間幾乎保持恒定，大大降低了EMI噪聲和輸出電容產生的音頻噪聲。 這種方案的唯一限制是PWM調光的導通周期需要大于幾個(例如：三個或四個)開關周期，以便boost轉換器為COUT重新充電，補償關斷期間的漏電流損耗。這限制了能夠獲得的最小占空比。 新一代驅動器應用 汽車的日間行駛燈和平視顯示器具有一個相同的性能要求：在汽車行駛過程中始終保持開啟狀態，要求較高的可靠性/冗余設計，任何情況下確保正常工作。利用MAX16814等新一代多串驅動器能夠保證行駛燈和平視顯示器高度可靠，同時還大大減少了外部元件的數量。較少的元件數量降低了故障概率，有助于提高系統可靠性，降低系統成本。 這類涉及人身安全的應用還具有一些類似要求：工作在較寬的輸入電壓范圍，能夠承受典型值高達40V的汽車電池峰值電壓(拋負載)并具有極低的EMI。 故障容限是一個關鍵考慮因素，即使在發生故障時也不允許關閉LED燈，這一點非常重要。MAX16814利用多串驅動架構能夠在出現一個LED開路或短路時只關閉出現故障的LED串，其它LED保持有效工作。此外，MAX16814的故障指示輸出還可以提供LED失效報警(圖5)。 平視顯示器還要求較寬(1000:1或更大)的PWM調光范圍，MAX16814集成了一個獨特的PWM調光電路，能夠有效抑制VBOOST的紋波(頻率為調光頻率)，從而降低了EMI和可聞噪聲。該MAX16814方案與圖3b使用的方案類似，但能夠以200Hz提供5000:1的超寬PMW調光范圍，這一調光范圍高于任何同類產品，克服了上述最小導通時間的限制。 MAX16814可以驅動4串LED，每串電流可達150mA，開關和線性調節器之間可進行雙向通信。該芯片大大減少了外部元件的數量。另外，MAX16814具有完備的故障保護措施和檢測功能，任何一串出現開路或短路的LED時將關閉這一串的工作，并向系統發出故障報警輸出。此外，該IC 滿足汽車產品設計的所有要求，可承受40V拋負載，工作在-40°C至+125°C溫度范圍。 圖5. 這是一個完整的汽車平視顯示器或行駛燈驅動子系統的設計案例，電路包含了所有外部元件和輸入EMI濾波器，借助MAX16814的低噪聲特性，外部EMI濾波元件值可以很小。 設計HB LED系統時需要折衷考慮多方面因素，例如：元件數量、效率、可靠性等。表1對多種LED驅動方案進行了對比和歸納，有助于設計人員針對具體應用選擇最佳方案。 表1. HB LED驅動方案總結 新一代LED驅動器大大減少了外部元件數量，此外，利用開關電路與線性調整電路之間的雙向通信能夠實現高性價比方案，具有更高效率，并有效改善系統性能，包括：故障保護與檢測。MAX16814是一款多串驅動器，具有上述所有優勢，PWM調光范圍高于市場上任何類似產品。 |
