汽车LED照明应用的驱动解决方案分析

2009年05月13日 20:05    李宽
关键词: LED , 方案 , 汽车 , 驱动 , 应用
LED照明在汽车领域的应用越来越普及,例如车后灯组(RCL)、头灯、日间行车灯、信号灯及第三煞车灯(CHMSL)等,而该趋势正同时出现在原设备制造商及零件市场灯具供应商领域。在驱动车用LED照明方面,市面上有不少适合的开关电源供应拓扑可以使用,但最终的选择还是取决于LED对电压电流的需求,以及必须符合系统的整体目标。对于那些供电电压远高于负载电压的应用,降压转换器可以说是最理想的选择,原因是它可为LED负载提供稳定及持续不断的输出电流。相反地,假若总LED电压高于系统的供电电压时,系统设计人员便须运用升压/降压混合拓扑或纯升压拓扑。然而,在某些情况下,LED的电源电压可以高于、相等或低于负载电压,这时设计人员便可能需要运用SEPIC(单端初级电感转换器)拓扑。本文将会引用美国国家半导体的LM3406降压稳压器及LM3421控制器作为例,并透过不同的拓扑配置方式,包括降压、升压、降压/升压及SEPIC去阐述个别拓扑的优点和缺点。采用串联及并联安排的LED车后灯组
LED在汽车方面的其中一种比较普遍的应用是尾灯/闪灯组合,也被称作车后灯组。对于那些典型正激电压(VF)为3V的LED,当流经它们的直流电压为12-14Vdc时,便可能需要使用降压开关稳压器作为解决方案。在最低电压为12V下,只能让3个LED以串联方式连接,假若所有LED的总电压超过12V时,便需采用串联/并联方式(图1)。


图 1. 同时运用串联/并联的排列方式。

对于需要进行调光及闪灯的应用而言,有几种方法可以用来切断LED灯串的电源,最常用的方式之一是脉冲宽度调制(PWM)调光控制,通常以专用信号来控制灯光的输出亮度,因为需要在线路系统中加一条专用线路作为调光的用途,因此不太适合汽车应用。另外一种方式是所谓双线调光,当中供给LED驱动器的电源会周期性地被中断以控制明暗。美国国家半导体的LM3406便是其中一款内置了这种功能的器件(可在http://www.national.com/analog/led 获取更多有关LM3406及LED WENEBCH的信息)。图2所示为LM3406的应用电路图


图 2. LM3406 的双线调光配置。

这种方式有三大优点。第一,LM3406的输入电压感测引脚(VINS)可排除使用专用调光信号,使得LED灯串的PWM调光可通过调节LM3406的电源来实现。第二,至关重要的一点在于,阻流二极体(blockingdiode)D2可允许电路保留输入电容器CIN,正如在非双线调光解决方案中一样,基于降压稳压器的非连续性输入电流,可保留输出电容器。第三,这种配置方式可让器件本身维持驱动状态,无需在调光周期完结后再完全重新启动。这种标准PWM调光方式所需的附加零件包括阻流二极管D2、VINS下拉电阻器 RPD及切断开关S1所需的零件。
采用升压/降压混合拓扑的串联LED车后灯组实例
将LED灯串以并排方式连接能够大幅简化设计,原因在于这种安排能使LED的功率级直接采用12-14Vdc直流电源轨进行运行。可是,这种将串联与并联结合在一起的配置方法也有其缺点。当阅读LED制造商的数据表时,有两个数据至关重要:一是LED的光输出与其流经的电流大小成比例,另一个是LED的动态电阻会随着正激电压VF而改变。制造商以bin值表示LED的VF、光通量、与颜色(或色温),例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51V(25 °C时)范围的LED,当涵盖整个bin值范围时可以变为2.8V至4.2V,因为LED制造商一般都会向客户销售多种bin值的LED,对多数设计人员而言,假设所有LED都有接近的VF值是不切实际的。


图 3. 实验设计。

VF变化的影响可从以下例子中看到。图3所示为一个实验,当中包含两个不同的设置。第一个设置采用四个LED,每一个均拥有独立的电流源,而另一个设置则将四个LED并排连接以共用一个电流源。表1中的数据是于25°C下并于开启电源后5秒内录取,目的是把LED的自我加热效应降至最低。

从上述数据可见当采用并排连接方式时,LED的VF变化会导致电流不平均地分配。即使是同一级bin的LED都会出现类似的反应,使得在并联方式中的个别灯串无法获得相同的电流。改善并联灯串电流分配的其中一个方法是在每条灯串上加装一个锁流电阻器(ballastresistor),虽然该方法有助电流平均分配,但缺点是锁流电阻器所消耗的电流会导致效率下降。
假若系统设计人员对上述有所顾虑,最好还是采用单一串联的方式。对于这种解决方案,设计人员仍然可采用LM3406,但系统的复杂度则难免会提高,因为需要新的前端来输送高于12-14V的电源电压给LED驱动器,然后LED驱动器将这新生电压降下来供应给单一LED灯串。这种作法可透过在直流电源和LM3406之间加入一个升压直流/直流功率级来完成,正如圗4所见。配合这种拓扑,所有串联在一起的LED便可获分配相同大小的电流,即使它们的VF不尽相同。


图 4. 升压及降压混合拓扑

此时,我们的脑海中可能出现一个问题:为何要加入降压功率级,而不干脆使用升压稳压器去运作?这两种拓据之间的一个最重要分别是输出电容器:升压稳压器必须采用输出电容器,而降压稳压器则不一定需要。毫无疑问,LED能够成功地被升压级驱动(以下将会证明这点),但如果系统需要调光,那么输出电容器便可能成为障碍。当稳压器进入“调光”模式后便会停止向LED供电,但如果电路包含输出电容器,它便可继续为LED提供电流。如此,系统在LED真正熄灭前便需额外的时间让输出电容器放电。此外,当遇上负载突降时,LED可能会感受很大的线路电压,而仅仅一个升压稳压器实不足提供保护。相反地,在升压及降压混合拓扑中,降压稳压器(这里是指LM3406) 可以免于高电压的损坏或系统崩解。
采用升压稳压器的头灯设计实例
在汽车的另一端,头灯与日间行车灯也逐渐成为LED替换的热门选项。这类典型应用通常需要把10个白光LED连成一串。对于典型VF为4V的LED而言,假若设计人员不愿意采用串并联的混合安排,便可能需采用某种形式的升压直流/直流级去驱动LED,而假若需降低功率级的复杂度,升压开关稳压器便大派用场。
图5所示为一个采用了LM3421的10盏LED应用(详细资料可在http://www.national.com/analog/led查询),当中的多功能低边MOSFET控制器可视为升压功率级的其中一部份。


图 5. 采用LM3421构成的升压稳压器驱动10盏LED

这种拓扑的一个特色是电流感测会于LED的高边完成,使得串尾LED的阴极能够就地接地至车身底盘并使感测电压以差动信号形式反馈回电路。这可说是一个非常重要的优点,尤其当LED灯串和电路之间的距离很远。
采用SEPIC稳压器的头灯设计实例
虽然汽车电气系统一般在12-14 Vdc范围内运作,有些特殊情况下,系统零件的电压会高于或低于这个水平。举例而言,当冷车启动时,系统所获得的电压可以是4.5V或更低,相反于负载突降的情况下,电压则可能高至40到60V。若LED必须在这些情况下运作且受保护,设计人员可能需要选用另一种功率级设计,使得不管LED的供电电压是多少都可为LED提供稳定的电流。SPEIC(单端初级电感转换器)拓扑是一种可同时运行升压及降压的开关稳压器配置,正如圙6中所示。


图 6. SEPIC 转换器的基本拓扑

虽然SEPIC转换器的效率不如降压稳压器或升压稳压器,但它也有其优点。SEPIC除了同时拥有升压及降压的能力外,另一个极受汽车应用青睐的优点在于其CSEPIC电容器,它可为输入与输出之间提供非常有效的隔离。然而,SEPIC转换器最明显的缺点是需要两个电感器才能运作。然而,两个电感可以同心圆方式缠绕成对立的两个分离元件(这是能够同时兼顾方案尺寸及成本的最佳方法),这个「电感恐惧症」就可以轻易地被治愈。相关电路范例参见图7,其中也采用了LM3421控制器。


图 7. SEPIC配置中的LM3421


结论
当驱动LED时,在电源系统设计方面有许多种选择,这取决于所需的LED数量与型号、照明要求、以及所需的系统特性,必须有一种拓扑方式可供选用。由于可用的拓扑方式包括升压、降压、或两者皆可,LED灯串可以偏离汽车电源的范围运行而不须受限于12-14 V,若设计人员选择在12-14V范围内运作,则可以使用降压稳压器,如此一来,即使所有LED的总VF超过系统供应的直流电压也同样不成问题。若偏好完全串联的方式,而不采用串联/并联设计,便可采用升压与降压稳压器组合,也可以仅用升压稳压器。此外,假若LED需要在特殊情况下运作且受保护,可以使用SEPIC拓扑,其可依据输入电压与所需之输出电压来决定降压或升压。最后,除了不同的拓扑方式外,也有许多IC解决方案可以使用,例如美国国家半导体的LM3406与 LM3421,便可有效地成为LED照明的稳定电流稳压器。
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wzgplane 发表于 2010-12-26 10:36:24
学习
pinonxie 发表于 2014-6-4 11:22:20
多谢分享
zhshm59 发表于 2014-12-5 04:07:18
与一般的LED驱动无实质性的区别
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