- DC/DC變換器在汽車照明中的應(yīng)用方案
- 設(shè)計(jì)用于恒電流LED驅(qū)動(dòng)電路
- 采用調(diào)節(jié)LED電流的DC/DC變換器
LED照明在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日益加速和廣泛。本文針對(duì)汽車上的特定要求，推出了2種新型DC/DC變換器芯片：LTC3787和LTC3475，并對(duì)各自的特性予以介紹，能滿足在不現(xiàn)場(chǎng)合上對(duì)轉(zhuǎn)換的多項(xiàng)要求，促進(jìn)了現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
1 前言
LED被稱為第四代汽車光源，雖然一次性投入較高，但擁有白熾燈無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如LED車燈具有無(wú)延遲、節(jié)能、長(zhǎng)壽、低熱、抗震、色純度高等諸多特點(diǎn)，已成為鎢絲燈、鹵素?zé)舻谋厝蝗〈a(chǎn)品。每臺(tái)車內(nèi)部應(yīng)用如儀表板、閱讀燈，外部應(yīng)用則為尾燈、剎車燈、方向燈、頭燈等，汽車用照明已形成目前LED照明發(fā)展最快的應(yīng)用市場(chǎng)。
今天，在一般的汽車上電子系統(tǒng)的成本約占20%以上，有的豪華車上已飆升至30%以上。汽車上設(shè)置的應(yīng)用實(shí)例包括：車載信息系統(tǒng)，安全系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的能源管理，車載收音機(jī)、電視的衛(wèi)星接收、移動(dòng)電話以及其它無(wú)線電系統(tǒng)等等。5年前，這些電子系統(tǒng)僅設(shè)置在高檔豪華車上，現(xiàn)在每個(gè)汽車制造廠家，已將其集成在中等規(guī)格的車輛上，大幅度加速了汽車用集成電路技術(shù)的飛躍發(fā)展。
2 LED照明取代白熾燈泡
在車用照明產(chǎn)品方面，由于供電電源來(lái)自汽車蓄電池，一般為24V、48V直流電壓，故需要有直流電源的LED驅(qū)動(dòng)IC（集成電路），將交流電源直接轉(zhuǎn)換為直流電源，并完成與LED電壓及電流的匹配。
與此同時(shí)，車載電子系統(tǒng)的元器件增加，要求的可用空間卻不斷縮小。大幅度增加了每一系統(tǒng)的電子元器件密度。所有電子系統(tǒng)均需要功率轉(zhuǎn)換的IC。通常，對(duì)每一分支系統(tǒng)還要配置復(fù)式的多級(jí)電壓干線。由于很高的功率密度和各系統(tǒng)散熱導(dǎo)致的高環(huán)境溫度，汽車上的有限空間和工作溫度范圍的限制，故要求高效率的功率轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵。
在輸出電壓低和幾百毫安(mA)級(jí)以上的電流場(chǎng)合，因發(fā)出的熱量多，簡(jiǎn)單地用線性調(diào)節(jié)器來(lái)輸出電子系統(tǒng)要求的電壓已不實(shí)際。由于這些條件的制約，從而采用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器取代線性調(diào)節(jié)器。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是：效率提高，“碳足跡”少，附加設(shè)備的簡(jiǎn)化以及EMI（電磁干擾）的減小等。
迄今，LED已出現(xiàn)在很多車輛的儀表盤背光(back lighting)，車內(nèi)照明及制動(dòng)燈上。豪華汽車廠愈益吸取了固態(tài)LED照明最新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，借助這些高科技的電子技術(shù)含量和更輕、更小、更可靠的內(nèi)/外部照明器件，提高了現(xiàn)代汽車的美觀、舒適程度。例如，海拉作為汽車燈具領(lǐng)域的領(lǐng)先者，一直將車燈技術(shù)作為一個(gè)重要的研究課題。如今海拉已為新一代凱迪拉克白金版成功開(kāi)發(fā)出全LED前照燈，并已投入量產(chǎn)。
LED還可以降低成本和延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)比車內(nèi)照明用的白熾燈，頭燈用的HID（高強(qiáng)度放電）燈和鹵素?zé)?，它具有明顯的優(yōu)越性。
3 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求
由汽車蓄電池驅(qū)動(dòng)LED，要求具有精密調(diào)節(jié)LED電流的DC/DC變換器，以確保均勻的照明強(qiáng)度和色彩的完整性以及LED的保護(hù)。而且，DC/DC調(diào)節(jié)器應(yīng)按照指定的用途，頭燈或尾燈，信號(hào)燈或車內(nèi)的閱讀燈等，對(duì)特定的功率要進(jìn)行優(yōu)化。此外，由蓄電池電壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)或幾個(gè)LED燈串，蓄電池電壓可能會(huì)出現(xiàn)大于、等于或小于負(fù)載電壓的情況；另一種擔(dān)心則是在大的調(diào)光范圍內(nèi)能否有效調(diào)節(jié)LED的亮度，并在低/高亮度級(jí)是否保持顯色特性。因此，要求DC/DC驅(qū)動(dòng)器的有效運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是在驅(qū)動(dòng)高亮度(HB) LED時(shí) ，因未轉(zhuǎn)換成發(fā)射光的功率將消耗在發(fā)熱上。
在出現(xiàn)某些特殊的工況下，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路也提出了相應(yīng)要求。如圖1所示，在負(fù)載一斷電(Load-dump)段，這是發(fā)電機(jī)正給蓄電池充電時(shí)，蓄電池的連接線斷電。這有可能發(fā)生在車輛正行駛、蓄電池電線松脫，或車在運(yùn)行中蓄電池電線斷開(kāi)。無(wú)蓄電池的情況下，發(fā)電機(jī)正進(jìn)行全充電，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高達(dá)80V的尖峰電壓。
發(fā)電機(jī)瞬態(tài)吸收(Tran-sorbs)段，通常定位于36V~60V母線電壓的某一位置，吸收大部分的浪涌電流。然而發(fā)電機(jī)向下配置的DC/DC變換器則承受著這一36V~60V的瞬態(tài)峰值，故要求這些變換器及子系統(tǒng)的容量能予以承受。某些實(shí)例中，在這一瞬態(tài)過(guò)程采用調(diào)節(jié)輸出電壓，關(guān)鍵在于DC/DC變換器應(yīng)能處理這些高的瞬態(tài)電壓。通常，有各種不同的保護(hù)電路，能在外部執(zhí)行瞬態(tài)吸收，但成本增加，還占用可貴的空間。
“冷曲軸”(cold crank)段，發(fā)生在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)受冷卻或凝固期間，發(fā)動(dòng)機(jī)油變的非常粘滯。因而要求起動(dòng)機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩，相繼需要蓄電池提供更大的電流。這一大的電流負(fù)載導(dǎo)致蓄電池/一次母線的電壓降低，甚至低于4V的點(diǎn)火電壓。隨后，又回復(fù)至額定電壓13.8V（圖1）。這在某些應(yīng)用場(chǎng)合，例如發(fā)動(dòng)電機(jī)控制、安全系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)均不可避免。故要求具有良好調(diào)節(jié)的輸出電壓（一般為3.3V）貫穿“冷曲軸”段，以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的無(wú)間斷（連續(xù)）運(yùn)行。
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4 LED驅(qū)動(dòng)器的新IC
美國(guó)線性技術(shù)公司(LTC)研制成的兩塊新型DC/DC驅(qū)動(dòng)器芯片，能適應(yīng)汽車內(nèi)/外部照明的很多嚴(yán)格要求，具有運(yùn)行效率高、負(fù)載保護(hù)、輸入/輸出電壓范圍寬以及精確的電流調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。因集成電路可構(gòu)建若干DC/DC拓?fù)?，故能為設(shè)計(jì)者提供IC的合理選擇，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合下的功率轉(zhuǎn)換需求。
LTC3783是帶恒流PWM調(diào)光的電流型多拓?fù)渥儞Q器（圖2），用于驅(qū)動(dòng)大功率LED燈串。本項(xiàng)專利技術(shù)可提供非?？於鴾?zhǔn)確的負(fù)載切換，不會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的欠電壓或過(guò)電壓，能數(shù)字式達(dá)到3000∶1的調(diào)光率(100Hz)，純色的PWM調(diào)光可確保白色LED和紅綠藍(lán)(RGB) LED的顏色完整性。LTC3783利用模擬控制，容許附加100∶1的調(diào)光比，因人眼對(duì)周圍光線的變化很敏感，故這一比率必不可少。該多功能的控制器可用于升壓、降壓、升降壓雙向變換器或反激式(Flyback)變換器，或作為恒流/恒壓的調(diào)節(jié)器。利用MOSFET的通態(tài)電阻(on-resistance)可取消傳感電流的電阻器，并提高了效率。LTC3783芯片的應(yīng)用還包括：高電壓LED陣列和LED背光，以及在電訊、自動(dòng)化與工業(yè)控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器。
裝有LTC3783 LED驅(qū)動(dòng)器在汽車上應(yīng)用時(shí)，具有以下很重要的特點(diǎn)：(1)大電流、為輸出大的電流(≥1.5A)，LTC3783驅(qū)動(dòng)外部的N溝道MOSFET，可給高亮度(HB)和超高亮度(SHB) LED供電；(2)高電壓、LTC3783 3V~36V的輸入運(yùn)作和輸出電壓，取決于外部功率元件的選擇，這可按標(biāo)準(zhǔn)確定，易于驅(qū)動(dòng)LED燈串或混串（串+并）；(3)保護(hù)。對(duì)HB LED的保護(hù)，需要IC結(jié)合精確的電流和輸出電壓調(diào)節(jié)。附加保護(hù)包括過(guò)電壓、過(guò)電流和軟啟動(dòng)；(4)調(diào)光、以純色PWM3000∶1數(shù)字式調(diào)光時(shí)，在寬廣的調(diào)光比下保持LED恒定的顏色。而且，LTC3783還能附加模擬100∶1的調(diào)光。
另一種產(chǎn)品LTC3475是雙通道36V、2MHz降壓式DC/DC變換器（圖3）。設(shè)計(jì)用于恒電流LED驅(qū)動(dòng)電路，能提供每通道1.5A的LED電流。內(nèi)部的傳感電阻器和調(diào)光控制，確保理想的驅(qū)動(dòng)大電流LED，可在50mA~1.5A的電流范圍內(nèi)，保持高精度的輸出電流，而均勻、純色的PWM電路，能實(shí)現(xiàn)3000∶1的調(diào)光范圍。
圖3
LTC3475以其寬的輸入電壓范圍(4V~36V，max40V)，可調(diào)節(jié)含汽車動(dòng)力系統(tǒng)在內(nèi)的廣闊的電源陣列。它的開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)幅度為200kHz~2MHz，能利用很小的電感器和陶瓷電容器，與耐熱的TSSOP-16組件結(jié)合，在驅(qū)動(dòng)2個(gè)或4個(gè)大電流LED時(shí)，可提供結(jié)構(gòu)非常緊湊的解決方案。
LTC3475利用高側(cè)的傳感，能與接地的LED陰極連接，而勿需大多數(shù)應(yīng)用中的接地線，電流型的控制與準(zhǔn)確的參考電壓，優(yōu)化了精心調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)回路，LED的電流恒定，波紋小。兩個(gè)通道已分隔Vadj和PWM信號(hào)，以便獨(dú)立操作。每一通道開(kāi)關(guān)相互180°的相位差（異相），減少了兩通道上的輸出波紋，減少了污染“足跡”，降低成本，且附加有LED斷開(kāi)保護(hù)和短路保護(hù)。
