【導讀】得益于優(yōu)異的照明特性和效率,高功率LED在汽車外部照明設計中越來越流行。支持LED的電子器件必須快速、高效、高精度,以控制照明強度、方向和聚焦。這些器件必須支持較寬的輸入電壓范圍,且能夠在汽車無線電的AM頻段范圍之外工作,以避免電磁干擾(EMI)。電子器件還必須支持LED矩陣中要求的復雜照明模式,以支持自適應前燈照明系統(tǒng)。本文回顧典型的LED電源管理方案,并介紹支持快速、高效、高精度LED照明方案的創(chuàng)新buck控制器IC。
LED在汽車外部照明中的應用
由于相對于傳統(tǒng)技術(shù)具有顯著優(yōu)勢,LED正在汽車行業(yè)掀起一場風暴。LED前燈中的白光具有優(yōu)異的清晰度,從而減少駕駛員反應時間。自適應前燈照明系統(tǒng)(AFS)由LED矩陣支持,能夠產(chǎn)生快速、復雜的照明模式變化,提高駕駛員在不良照明條件下的能見度。夜間,AFS能夠根據(jù)對向車輛的射束,自動調(diào)節(jié)照明模式,防止本方駛員被強光致盲。LED照明開啟的上升時間比白熾燈光源快2倍,所以基于LED的制動燈點亮更快,提前警示駕駛員,提高道路安全。最后,與相當?shù)陌谉霟粝啾龋琇ED功耗更低,所以在耗能方面擁有明顯優(yōu)勢。LED控制器是負責操作LED的電子器件,在保持和增強LED固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。
圖 1. LED汽車前燈
LED供電
LED在汽車領(lǐng)域應用廣泛,被廣泛用于從單顆LED到LED燈串和矩陣的各種配置之中。為了實現(xiàn)最優(yōu)性能,高亮度(HB)LED要求恒流。電流與結(jié)溫及顏色有關(guān)。所以HB LED必須由電流而非電壓驅(qū)動。支持長燈串的電源可以是從12V汽車電池到高達60V升壓轉(zhuǎn)換器的任何電源。采用啟/停技術(shù)的汽車在引擎啟動時,電池壓降比較大,造成電池電壓下降到典型12V以下,甚至6V或更低。
調(diào)光
調(diào)光是許多汽車應用中普遍采用的功能,也是LED前燈的重要安全特性。照明燈從100%調(diào)暗至50%時,人眼幾乎覺察不到。為保證清晰辨別,必須調(diào)暗至1%或更低。明白了這一點,就不會奇怪調(diào)光比為什么高達1000:1或更高。由于人眼在適當條件下能夠感知到單個光子,所以實際上該功能沒有限制。
為保證顏色,電流必須保持恒定,最佳的LED調(diào)光策略是PWM(脈寬調(diào)制),通過對電流進行時間上的分段式開關(guān)來調(diào)制光強,而不是更改幅值。為防止LED閃爍,PWM頻率必須保持高于200Hz。
采用PWM調(diào)光時,限制LED最小“開/關(guān)”時間的因素是開關(guān)穩(wěn)壓器電感中電流上升/下降的時間。這可能造成數(shù)十微妙的響應時間,對于依賴于快速、復雜調(diào)光方法的LED前燈組來說,這一時間太慢了。此時實現(xiàn)調(diào)光的唯一方法是采用專用的MOSFET開關(guān)(圖2中的SW1-K)對燈串中的每一顆LED進行獨立開/關(guān)。對電流控制環(huán)路的挑戰(zhàn)是能夠足夠快的從輸出電壓瞬態(tài)變化中恢復,這一瞬態(tài)變化由二極管投切引起。
LED控制器特性
為達到最優(yōu)效果,LED控制器必須支持較寬的輸入電壓范圍,且具有如上文所述的快速瞬態(tài)響應。為降低射頻干擾以及滿足EMI標準,要求較高、受控良好的開關(guān)頻率,且位于AM頻帶范圍之外。最后,高效率能夠減少發(fā)熱,提高LED照明系統(tǒng)的可靠性。
前燈系統(tǒng)
精良的前燈系統(tǒng)采用升壓轉(zhuǎn)換器作為前端,管理輸入電壓(拋負載或冷啟動)和EMI輻射的變化。升壓轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定、足夠高的輸出電壓(圖2)。專用的降壓轉(zhuǎn)換器使用該穩(wěn)定電壓作為輸入,允許每個降壓轉(zhuǎn)換器控制單一功能,例如遠光、近光、霧燈、日間行車燈(DRL)、方向等,從而克服控制照明亮度和方向的復雜性。
該應用中,每個buck轉(zhuǎn)換器的主控制環(huán)路設置其LED燈串中的電流,兩個輔助環(huán)路實施過壓和過流保護。
典型高功率Buck LED驅(qū)動器方案
典型的buck LED驅(qū)動器方案如圖3所示。該方案使用p溝道、高邊MOSFET,其RDSON比n溝道晶體管高;并采用非同步結(jié)構(gòu),肖特基二極管D用于電流回流。這兩者都是效率不高的因素。
圖 2. 高級LED照明系統(tǒng)
圖 3. 典型非同步Buck LED驅(qū)動器
典型瞬態(tài)響應
圖4所示為典型方案在瞬態(tài)響應方面的另一個缺點。本項測試的12顆LED組成的燈串中,上電二極管的數(shù)量從8個激增至12個。致使輸出電壓階躍產(chǎn)生電流和電壓波動,需要數(shù)十微妙的時間才能熄滅。高調(diào)光比PWM調(diào)光電路只在初始幾微妙內(nèi)將對該電流進行采樣,此時幅值正在下降,造成調(diào)光亮度和顏色不正確。
同步高功率Buck LED驅(qū)動器方案
理想的方案應滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應、高且控制良好的開關(guān)頻率等要求,同時通過同步整流支持高效率。MAX20078 LED控制器支持這樣的方案。(圖5)。
圖 4. 帶有滯回Buck的典型瞬態(tài)響應
圖 5. 同步高功率Buck LED驅(qū)動器
MAX20078 LED控制器采用專有的平均電流模式控制方法,在調(diào)節(jié)電感電流的同時保持開關(guān)頻率接近恒定。器件工作在4.5V至65V寬輸入電壓范圍,開關(guān)頻率高達1MHz,同時支持模擬和PWM調(diào)光功能。器件采用節(jié)省空間(3mm x 3mm)的16引腳TQFN封裝(普通或SW)或16引腳TSSOP封裝。
高效
圖6所示為基于MAX20078的LED驅(qū)動器的效率與電源電壓的關(guān)系。兩個107m?同步整流MOSFET晶體管保證了整個寬輸入電壓范圍內(nèi)都具有高效率。
圖 6.MAX20078方案效率與電源電壓的關(guān)系
圖 7.MAX20078瞬態(tài)響應
高工作頻率
MAX20078的導通時間可編程,開關(guān)頻率范圍為100kHz至高達1MHz。器件的導通時間與輸入電壓和輸出電壓成比例,這意味著開關(guān)頻率幾乎是恒定的。MAX20078具有較高且控制良好的開關(guān)頻率,且在AM頻帶范圍之外,很容易設置。在降低射頻干擾的同時,擴頻特性滿足EMI標準。
總結(jié)
我們回顧了復雜LED照明系統(tǒng)供電中存在的諸多挑戰(zhàn),以及最優(yōu)化LED系統(tǒng)性能的要求。我們介紹了MAX20078如何通過創(chuàng)新的LED控制器架構(gòu)來克服這些挑戰(zhàn),提供高精度平均電流控制、AM頻帶范圍之外的高工作頻率、支持高調(diào)光精度的良好瞬態(tài)響應,以及高效率,最大程度降低功耗。這些特性支持優(yōu)異的汽車外部照明,且效率更高,支持復雜的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。
● AFS:自適應前燈照明系統(tǒng)
● LED:發(fā)光二極管
● SW:側(cè)面防潮
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