克服在汽車(chē)系統(tǒng)中集成高亮度LED的挑戰(zhàn)

在汽車(chē)應(yīng)用中，高亮度LED（HB LED）與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢(shì)。它們更環(huán)保，提高了安全性，增強(qiáng)了車(chē)輛的外觀(guān)和風(fēng)格，并且使用壽命更長(zhǎng)。但是，設(shè)計(jì)一種高效、低成本、高性能的基于HB LED的照明解決方案面臨著許多挑戰(zhàn)。新一代多串LED驅(qū)動(dòng)器使應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)變得更加容易。

介紹

當(dāng)今的汽車(chē)制造商正在將更多的照明系統(tǒng)從白熾燈和CCFL（冷陰極熒光燈）轉(zhuǎn)換為HB（高亮度）LED。這些 HB LED 用于導(dǎo)航和娛樂(lè)顯示器的背光、車(chē)廂內(nèi)部照明以及日光行車(chē)燈和尾燈等外部照明。平視顯示器等新應(yīng)用也有望利用HB LED。

第一代HB LED驅(qū)動(dòng)器有一些局限性。它們不允許設(shè)計(jì)人員優(yōu)化效率、最大限度地減少外部元件數(shù)量、最小化EMI或?qū)崿F(xiàn)非常寬的PWM調(diào)光范圍。最新一代多串HB LED驅(qū)動(dòng)器，如MAX16814，允許開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性控制部分之間的相互通信，以獨(dú)特的方式解決了這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文介紹了日間行車(chē)燈或平視顯示器的設(shè)計(jì)示例。

為什么選擇HB LED？

HB LED在汽車(chē)界越來(lái)越受歡迎，很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈優(yōu)槠?chē)設(shè)計(jì)師提供了許多優(yōu)勢(shì)。HB LED是一種比其他照明技術(shù)更環(huán)保的技術(shù) - 它們具有卓越的能源效率并且不含汞，因此它們?cè)诨厥諘r(shí)釋放的有害化學(xué)物質(zhì)更少。HB LED還可以提高汽車(chē)安全性。它們比白熾燈打開(kāi)和關(guān)閉得更快，這就是為什么它們通常用于剎車(chē)燈的原因。

HB LED使汽車(chē)制造商在設(shè)計(jì)車(chē)輛的風(fēng)格或“外觀(guān)”時(shí)具有更大的自由度。LED是小型定向光源，幾乎不需要面板后面的深度。由于光發(fā)射器的小尺寸和方向性，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建任何形狀的光陣列。作為小型光發(fā)射器，它們是帶光導(dǎo)應(yīng)用的理想選擇。

最后，HB LED 的使用壽命為 50，000 小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，比任何其他照明技術(shù)的使用壽命都要長(zhǎng)得多。這使得它們非常適合任何燈長(zhǎng)時(shí)間亮起的應(yīng)用。日間行車(chē)燈就是一個(gè)理想的例子。

HB LED技術(shù)對(duì)于推進(jìn)平視顯示器等新應(yīng)用也很重要。根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)度，在非常寬的范圍內(nèi)調(diào)暗LED的能力特別有用。這就是PWM調(diào)光變得如此重要的地方。

當(dāng)您了解HB LED的“原因”時(shí)，它們的使用在當(dāng)今的汽車(chē)設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越普遍也就不足為奇了。它們的應(yīng)用包括剎車(chē)燈和尾燈;前燈（日間行車(chē)燈、中高檔汽車(chē)位置燈、超高端車(chē)輛遠(yuǎn)光燈和近光燈）;和車(chē)內(nèi)燈，其中 RGB LED 允許控制燈光顏色，為車(chē)輛賦予獨(dú)特的風(fēng)格。HB LED在導(dǎo)航、娛樂(lè)和集群顯示背光中的應(yīng)用也正在成為主流。

使用 HB LED 進(jìn)行設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

當(dāng)然，將HB LED集成到汽車(chē)應(yīng)用中也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。保持盡可能低的成本是一個(gè)當(dāng)務(wù)之急。一般來(lái)說(shuō)，LED燈在組件級(jí)別比其他技術(shù)（例如，白熾燈，鹵素?zé)簦珻CFL）更昂貴的照明解決方案。因此，必須將系統(tǒng)級(jí)LED解決方案的成本降至最低，以提高該技術(shù)的市場(chǎng)滲透率。為了降低解決方案成本，必須盡可能減少驅(qū)動(dòng)器所需的組件數(shù)量。這種方法還可以提高可靠性，因?yàn)?a target="_blank">PCB上的每個(gè)組件都是系統(tǒng)中的潛在故障點(diǎn)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是效率。高能效在汽車(chē)中越來(lái)越重要，尤其是混合動(dòng)力汽車(chē)。必須優(yōu)化效率以降低功耗（熱量）。汽車(chē)部件在炎熱的環(huán)境中工作，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件的最高環(huán)境溫度為 +105°C，許多其他應(yīng)用的最高環(huán)境溫度為 +85°C。LED產(chǎn)生相當(dāng)大的傳導(dǎo)熱量（它們不像其他類(lèi)型的燈那樣照射紅外或紫外線(xiàn)波段的能量），因此它們的功耗也有助于提高環(huán)境溫度。因此，必須最大限度地降低LED驅(qū)動(dòng)器的功耗，以避免IC或驅(qū)動(dòng)器模塊中的其他組件過(guò)熱。

毫不奇怪，汽車(chē)環(huán)境對(duì)EMI的要求具有挑戰(zhàn)性。照明子系統(tǒng)可能會(huì)干擾其他車(chē)輛子系統(tǒng)，其中AM無(wú)線(xiàn)電通常是最敏感的。這可能是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)ED需要電子開(kāi)關(guān)或線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)器電路，這可能會(huì)導(dǎo)致EMI噪聲（尤其是開(kāi)關(guān)電路）或EMI敏感性。驅(qū)動(dòng)電路還會(huì)引起令人不快的可聞噪聲，例如陶瓷電容器。

多串 LED 的優(yōu)勢(shì)

許多汽車(chē)應(yīng)用要求將LED放置在多個(gè)燈串上。串是一組串聯(lián)的LED，因此具有相同的電流。顯示器的外形尺寸使得將LED放置在多個(gè)背光燈串上變得更加容易。此外，擁有多個(gè)字符串可以提高容錯(cuò)能力。如果一個(gè) LED 損壞，則只有該特定串中的 LED 無(wú)法點(diǎn)亮，而不是所有串中的所有 LED。出于安全原因，多個(gè)燈串也會(huì)限制單個(gè)LED燈串的電壓。例如，總電壓為 80V 的單個(gè) LED 串可以分成兩串 40V，從而降低意外接觸 LED 觸點(diǎn)或電線(xiàn)的人受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，多串驅(qū)動(dòng)器具有明顯的壓倒一切的優(yōu)勢(shì)：許多串只需要一個(gè)IC。例如，多串配置可以包括 LED 串;單個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，將輸入電池電壓轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED串所需的更高電壓;以及多個(gè)線(xiàn)性吸電流，用于設(shè)置每個(gè)串的電流（圖 2）。

圖2.基本的多串驅(qū)動(dòng)器配置使用單個(gè)芯片來(lái)控制多個(gè)LED串的電流。可以添加紅色顯示的組件以執(zhí)行自適應(yīng)電壓優(yōu)化，而升壓轉(zhuǎn)換器和線(xiàn)性吸電流則獨(dú)立工作。

與具有多個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的解決方案相比，該解決方案具有更少的元件和更低的成本（需要單個(gè)電感和更少的并聯(lián)電容器）。與使用單串驅(qū)動(dòng)器并直接并聯(lián)LED串相比，串之間的電流平衡具有優(yōu)勢(shì)。如果多個(gè)串直接并聯(lián)，電流會(huì)在它們之間分配不均勻，因?yàn)槟承㎜ED的正向電壓高于其他LED的正向電壓。此外，由于LED正向電壓隨著溫度的升高而降低，這種電流不平衡會(huì)導(dǎo)致熱失控。電流較大的串更熱，其正向電壓降低，因此它吸收更多的電流，變得更熱，依此類(lèi)推。電流不平衡增加，一個(gè)或多個(gè)承載更大電流的串可能會(huì)失效。最后，如果LED串只是并聯(lián)，則驅(qū)動(dòng)器僅控制總電流。當(dāng)一個(gè)字符串發(fā)生故障并打開(kāi)時(shí)，其電流將轉(zhuǎn)移到其他字符串，然后這些字符串可能會(huì)失敗，因?yàn)樗鼈儽贿^(guò)驅(qū)動(dòng)。圖2中的電流平衡解決方案不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。

誠(chéng)然，圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在局限性：它使用線(xiàn)性MOSFET來(lái)設(shè)置串電流。為了保持這些MOSFET的低溫，它們兩端的壓降必須盡可能低，但要足夠高，以使它們保持在飽和區(qū)域。理想情況下，升壓輸出電壓必須為：

VBOOST = max（VSTRING，I） + VSAT

其中VSTRING，I是串I的總正向電壓，VSAT是線(xiàn)性MOSFET保持飽和所需的VDS。將VBOOST設(shè)置為理想值的LED驅(qū)動(dòng)器被稱(chēng)為執(zhí)行AVO（自適應(yīng)電壓優(yōu)化）。

AVO更加復(fù)雜，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中，LED必須進(jìn)行PWM調(diào)光。它們必須以一定的占空比打開(kāi)和關(guān)閉，這是通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉它們的線(xiàn)性電流吸收來(lái)完成的。但是，當(dāng)所有LED串都關(guān)閉時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)該怎么做？正如我們將要討論的，這是另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，有許多可能的答案和一些限制。

傳統(tǒng)多字符串驅(qū)動(dòng)程序的問(wèn)題

采用圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多串LED驅(qū)動(dòng)器解決方案包括一個(gè)升壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器和多個(gè)作為獨(dú)立實(shí)體工作的吸電流。使用這些驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，實(shí)現(xiàn) AVO 需要一些外部組件，這些組件反過(guò)來(lái)可能會(huì)導(dǎo)致自己的一組問(wèn)題。

一個(gè)問(wèn)題是外部電路必須檢測(cè)哪個(gè)LED串具有最高的正向電壓（或最低的陰極電壓）。這可以通過(guò)幾個(gè)二極管來(lái)完成，例如圖2中標(biāo)記為紅色的結(jié)構(gòu)。該解決方案導(dǎo)致電路板面積和解決方案成本增加。

另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)發(fā)生LED故障時(shí)會(huì)發(fā)生什么。如果 LED 發(fā)生故障并斷開(kāi)電路，則該串陰極處的電壓降至零;二極管電路將該 LED 串檢測(cè)為正向電壓最高的 LED 串。因此，它試圖為該串提供足夠的電壓并開(kāi)始增加V提高.這會(huì)導(dǎo)致多個(gè)可能的問(wèn)題。電壓的增加施加到其他串的吸電流MOSFET，這可能導(dǎo)致它們失效?；蛘撸妷荷呖梢杂|發(fā)升壓轉(zhuǎn)換器（如果存在）的輸出過(guò)壓保護(hù)（OVP），將其關(guān)閉，從而關(guān)閉所有串。

第三個(gè)問(wèn)題是當(dāng)LED變光時(shí)，該電路應(yīng)該做什么。當(dāng)LED熄滅時(shí)，二極管電路沒(méi)有串電壓作為設(shè)置VBOOST的參考。一種可能的解決方案是通過(guò)分壓器增加另一個(gè)連接到升壓輸出的二極管，如圖2中標(biāo)記為紅色的電路一樣。該二極管在 LED 熄滅時(shí)打開(kāi)，并將 VBOOST 設(shè)置為預(yù)定電壓。該解決方案的明顯問(wèn)題是升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓在PWM調(diào)光頻率下具有高紋波。（請(qǐng)參閱圖 3。這種電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致EMI噪聲，如上所述，這對(duì)汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。電壓紋波也會(huì)從輸出電容COUT引起令人不快的可聞噪聲。

圖 3a.使用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行PWM調(diào)光并利用圖2所示的外部電路，V.提高LED電流的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間之間的變化。結(jié)果是嘈雜的電壓軌。

圖 3b.使用新一代驅(qū)動(dòng)器時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器在 LED 電流關(guān)斷期間停止開(kāi)關(guān)。因此，轉(zhuǎn)換器的輸出由其輸出電容維持，電壓僅因漏電流而略有降低。

新一代多串驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)展

新一代多串驅(qū)動(dòng)程序大大提高了性能。它們不是讓轉(zhuǎn)換器和吸電流器獨(dú)立工作，而是允許升壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器和設(shè)計(jì)的線(xiàn)性吸電流部分之間進(jìn)行通信。因此，這些新的多字符串驅(qū)動(dòng)程序解決了上述三個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在這些新一代驅(qū)動(dòng)器中，IC在內(nèi)部檢測(cè)LED串電壓，即每個(gè)吸電流MOSFET漏極處的電壓。然后，IC 使用基于二極管或模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)部電路選擇最低的串電壓（圖 4）。通過(guò)這種方式，外部元件的數(shù)量和解決方案成本大幅降低。

圖4.在新一代HB LED驅(qū)動(dòng)器IC中，LED灌電流驅(qū)動(dòng)器和升壓轉(zhuǎn)換器之間的內(nèi)部通信可實(shí)現(xiàn)更有效的控制，并消除了舊驅(qū)動(dòng)器遇到的許多問(wèn)題。

這種相互通信解決了串中的一個(gè)LED發(fā)生故障并斷開(kāi)電路時(shí)的中斷問(wèn)題。如果這種新設(shè)計(jì)中發(fā)生 LED 故障，則 V提高開(kāi)始增加。一旦該電壓達(dá)到OVP閾值，故障串就會(huì)被識(shí)別、禁用并從AVO控制環(huán)路中刪除。其他字符串繼續(xù)正常工作。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)最重要的是，LED故障的影響僅僅是降低光的亮度，而不是完全關(guān)閉。

當(dāng)LED變暗時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)該做什么，存在一些問(wèn)題。開(kāi)關(guān)部分和線(xiàn)性部分的集成提供了與圖2所示不同的、更安靜的解決方案?，F(xiàn)在，當(dāng)LED熄滅時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器可以“凍結(jié)”，如圖3b所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換器停止開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)功率MOSFET保持開(kāi)路，補(bǔ)償電路也斷開(kāi)。此時(shí)，補(bǔ)償電容保持其電荷，這是補(bǔ)償環(huán)路的狀態(tài)。V提高然后由 C 保留外，由于指示燈熄滅，因此未放電。C的唯一放電電流外是漏電流。當(dāng) LED 重新亮起時(shí)，轉(zhuǎn)換器以最小的紋波重新啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。使用此解決方案，V提高在整個(gè)PWM調(diào)光周期內(nèi)幾乎保持不變，從而大大降低了EMI噪聲和輸出電容的可聞噪聲。

該解決方案的唯一限制是PWM調(diào)光導(dǎo)通時(shí)間必須長(zhǎng)于幾個(gè)（例如，三個(gè)或四個(gè)）開(kāi)關(guān)周期。需要更長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間，以便升壓轉(zhuǎn)換器可以為C充電外在休息時(shí)間泄漏的電荷。這限制了可以實(shí)現(xiàn)的最小占空比。

應(yīng)用新一代驅(qū)動(dòng)程序

在汽車(chē)中，日間行車(chē)燈和平視顯示器都有相似的性能要求：每當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，它們都會(huì)亮起，并且需要高可靠性/冗余以確保它們始終可用。通過(guò)使用MAX16814等新一代多串驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)所需的高可靠性，同時(shí)最大限度地減少元件數(shù)量，從而提高可靠性，減少故障部件，降低系統(tǒng)成本。

這些生命攸關(guān)的應(yīng)用在系統(tǒng)要求方面也相似：在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作;維持汽車(chē)電池通常高達(dá)40V的電壓峰值（拋負(fù)載）;和低 EMI 產(chǎn)生。

容錯(cuò)至關(guān)重要。至關(guān)重要的是，在發(fā)生故障時(shí)，LED 燈永遠(yuǎn)不會(huì)完全關(guān)閉。采用多串方法與MAX16814結(jié)合使用，確保當(dāng)一個(gè)LED打開(kāi)或短路時(shí)，僅關(guān)斷該串;其他字符串將繼續(xù)正常工作。此外，由于其故障輸出，MAX16814可以向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)，告知一個(gè)LED發(fā)生故障（圖5）。

平視顯示器還需要非常寬（1000：1或更高）的PWM調(diào)光范圍。MAX16814集成了獨(dú)特的PWM調(diào)光方案，可消除V時(shí)的紋波提高（在調(diào)光頻率下），從而最大限度地減少 EMI 和可聞噪聲。MAX16814方案與圖3b所示方法類(lèi)似，但也允許在5000Hz時(shí)具有1：200的極寬PWM調(diào)光范圍。該調(diào)光范圍比任何類(lèi)似產(chǎn)品都寬，并克服了上述最小導(dǎo)通時(shí)間限制。

MAX16814可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED串，每串電流高達(dá)150mA，并在開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性控制部分之間提供必要的相互通信。因此，該芯片大大減少了外部元件數(shù)量。此外，MAX16814還包括一套完整的故障保護(hù)和檢測(cè)功能。如果任何串的指示燈開(kāi)路或短路故障，則該串將被禁用，并向系統(tǒng)發(fā)出故障條件信號(hào)。最后，該IC是一款功能齊全的汽車(chē)產(chǎn)品，具有40V最大輸入電壓能力和-40°C至+125°C的工作溫度范圍。

圖5.這是一個(gè)針對(duì)平視燈或行車(chē)燈驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)的完整汽車(chē)設(shè)計(jì)示例，包括所有外部元件和一個(gè)輸入EMI濾波器。由于MAX16814噪聲低，EMI濾波器元件值可以保持在較低水平。

在設(shè)計(jì)基于HB LED的系統(tǒng)時(shí)，可以進(jìn)行許多權(quán)衡，例如組件數(shù)量、效率和可靠性。表1比較了各種多LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，以幫助設(shè)計(jì)人員選擇適合其應(yīng)用的最佳方法。

新一代 LED 驅(qū)動(dòng)器可減少元件數(shù)量。此外，通過(guò)利用開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性部分之間的相互通信，它們提供了更具成本效益的解決方案、更高的效率和改進(jìn)的功能，包括更好的故障保護(hù)和檢測(cè)。MAX16814為多串驅(qū)動(dòng)器，具有所有這些優(yōu)點(diǎn)，比市場(chǎng)上任何類(lèi)似產(chǎn)品具有更寬的PWM調(diào)光范圍。

審核編輯：郭婷