在汽車應(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。它們更環(huán)保，提高了安全性，增強了車輛的外觀和風格，并且使用壽命更長。但是，設(shè)計一種高效、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)動器使應(yīng)對所有這些挑戰(zhàn)變得更加容易。

介紹

當今的汽車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 用于導航和娛樂顯示器的背光、車廂內(nèi)部照明以及日光行車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)動器有一些局限性。它們不允許設(shè)計人員優(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)動器，如MAX16814，允許開關(guān)和線性控制部分之間的相互通信，以獨特的方式解決了這些設(shè)計挑戰(zhàn)。本文介紹了日間行車燈或平視顯示器的設(shè)計示例。

為什么選擇HB LED？

HB LED在汽車界越來越受歡迎，很簡單，因為它們?yōu)槠囋O(shè)計師提供了許多優(yōu)勢。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，因此它們在回收時釋放的有害化學物質(zhì)更少。HB LED還可以提高汽車安全性。它們比白熾燈打開和關(guān)閉得更快，這就是為什么它們通常用于剎車燈的原因。

HB LED使汽車制造商在設(shè)計車輛的風格或“外觀”時具有更大的自由度。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，它們是帶光導應(yīng)用的理想選擇。

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

HB LED技術(shù)對于推進平視顯示器等新應(yīng)用也很重要。根據(jù)環(huán)境光的強度，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。

當您了解HB LED的“原因”時，它們的使用在當今的汽車設(shè)計中變得越來越普遍也就不足為奇了。它們的應(yīng)用包括剎車燈和尾燈;前燈（日間行車燈、中高檔汽車位置燈、超高端車輛遠光燈和近光燈）;和車內(nèi)燈，其中 RGB LED 允許控制燈光顏色，為車輛賦予獨特的風格。HB LED在導航、娛樂和集群顯示背光中的應(yīng)用也正在成為主流。

使用 HB LED 進行設(shè)計的挑戰(zhàn)

當然，將HB LED集成到汽車應(yīng)用中也帶來了挑戰(zhàn)。保持盡可能低的成本是一個當務(wù)之急。一般來說，LED燈在組件級別比其他技術(shù)（例如，白熾燈，鹵素燈，CCFL）更昂貴的照明解決方案。因此，必須將系統(tǒng)級LED解決方案的成本降至最低，以提高該技術(shù)的市場滲透率。為了降低解決方案成本，必須盡可能減少驅(qū)動器所需的組件數(shù)量。這種方法還可以提高可靠性，因為PCB上的每個組件都是系統(tǒng)中的潛在故障點。

另一個挑戰(zhàn)是效率。高能效在汽車中越來越重要，尤其是混合動力汽車。必須優(yōu)化效率以降低功耗（熱量）。汽車部件在炎熱的環(huán)境中工作，發(fā)動機艙內(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)生相當大的傳導熱量（它們不像其他類型的燈那樣照射紅外或紫外線波段的能量），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)動器的功耗，以避免IC或驅(qū)動器模塊中的其他組件過熱。

毫不奇怪，汽車環(huán)境對EMI的要求具有挑戰(zhàn)性。照明子系統(tǒng)可能會干擾其他車輛子系統(tǒng)，其中AM無線電通常是最敏感的。這可能是一個問題，因為LED需要電子開關(guān)或線性驅(qū)動器電路，這可能會導致EMI噪聲（尤其是開關(guān)電路）或EMI敏感性。驅(qū)動電路還會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

許多汽車應(yīng)用要求將LED放置在多個燈串上。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放置在多個背光燈串上變得更加容易。此外，擁有多個字符串可以提高容錯能力。如果一個 LED 損壞，則只有該特定串中的 LED 無法點亮，而不是所有串中的所有 LED。出于安全原因，多個燈串也會限制單個LED燈串的電壓。例如，總電壓為 80V 的單個 LED 串可以分成兩串 40V，從而降低意外接觸 LED 觸點或電線的人受傷的風險。

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

圖2.基本的多串驅(qū)動器配置使用單個芯片來控制多個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)換器和線性吸電流則獨立工作。

與具有多個開關(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（需要單個電感和更少的并聯(lián)電容器）。與使用單串驅(qū)動器并直接并聯(lián)LED串相比，串之間的電流平衡具有優(yōu)勢。如果多個串直接并聯(lián)，電流會在它們之間分配不均勻，因為某些LED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，這種電流不平衡會導致熱失控。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，依此類推。電流不平衡增加，一個或多個承載更大電流的串可能會失效。最后，如果LED串只是并聯(lián)，則驅(qū)動器僅控制總電流。當一個字符串發(fā)生故障并打開時，其電流將轉(zhuǎn)移到其他字符串，然后這些字符串可能會失敗，因為它們被過驅(qū)動。圖2中的電流平衡解決方案不會出現(xiàn)這些問題。

誠然，圖2的拓撲結(jié)構(gòu)存在局限性：它使用線性MOSFET來設(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是線性MOSFET保持飽和所需的VDS。將VBOOST設(shè)置為理想值的LED驅(qū)動器被稱為執(zhí)行AVO（自適應(yīng)電壓優(yōu)化）。

AVO更加復(fù)雜，因為在大多數(shù)應(yīng)用中，LED必須進行PWM調(diào)光。它們必須以一定的占空比打開和關(guān)閉，這是通過打開和關(guān)閉它們的線性電流吸收來完成的。但是，當所有LED串都關(guān)閉時，升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)該怎么做？正如我們將要討論的，這是另一個設(shè)計問題，有許多可能的答案和一些限制。

傳統(tǒng)多字符串驅(qū)動程序的問題

采用圖2拓撲結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多串LED驅(qū)動器解決方案包括一個升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器和多個作為獨立實體工作的吸電流。使用這些驅(qū)動程序時，實現(xiàn) AVO 需要一些外部組件，這些組件反過來可能會導致自己的一組問題。

一個問題是外部電路必須檢測哪個LED串具有最高的正向電壓（或最低的陰極電壓）。這可以通過幾個二極管來完成，例如圖2中標記為紅色的結(jié)構(gòu)。該解決方案導致電路板面積和解決方案成本增加。

另一個問題是當發(fā)生LED故障時會發(fā)生什么。如果 LED 發(fā)生故障并斷開電路，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始增加V提高.這會導致多個可能的問題。電壓的增加施加到其他串的吸電流MOSFET，這可能導致它們失效?；蛘撸妷荷呖梢杂|發(fā)升壓轉(zhuǎn)換器（如果存在）的輸出過壓保護（OVP），將其關(guān)閉，從而關(guān)閉所有串。

第三個問題是當LED變光時，該電路應(yīng)該做什么。當LED熄滅時，二極管電路沒有串電壓作為設(shè)置VBOOST的參考。一種可能的解決方案是通過分壓器增加另一個連接到升壓輸出的二極管，如圖2中標記為紅色的電路一樣。該二極管在 LED 熄滅時打開，并將 VBOOST 設(shè)置為預(yù)定電壓。該解決方案的明顯問題是升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓在PWM調(diào)光頻率下具有高紋波。（請參閱圖 3。這種電壓波動會導致EMI噪聲，如上所述，這對汽車應(yīng)用來說是一個嚴重的問題。電壓紋波也會從輸出電容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電流的導通和關(guān)斷時間之間的變化。結(jié)果是嘈雜的電壓軌。

圖 3b.使用新一代驅(qū)動器時，升壓轉(zhuǎn)換器在 LED 電流關(guān)斷期間停止開關(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)動程序的進展

新一代多串驅(qū)動程序大大提高了性能。它們不是讓轉(zhuǎn)換器和吸電流器獨立工作，而是允許升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器和設(shè)計的線性吸電流部分之間進行通信。因此，這些新的多字符串驅(qū)動程序解決了上述三個設(shè)計問題。

在這些新一代驅(qū)動器中，IC在內(nèi)部檢測LED串電壓，即每個吸電流MOSFET漏極處的電壓。然后，IC 使用基于二極管或模擬開關(guān)的內(nèi)部電路選擇最低的串電壓（圖 4）。通過這種方式，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)動器IC中，LED灌電流驅(qū)動器和升壓轉(zhuǎn)換器之間的內(nèi)部通信可實現(xiàn)更有效的控制，并消除了舊驅(qū)動器遇到的許多問題。

這種相互通信解決了串中的一個LED發(fā)生故障并斷開電路時的中斷問題。如果這種新設(shè)計中發(fā)生 LED 故障，則 V提高開始增加。一旦該電壓達到OVP閾值，故障串就會被識別、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。對用戶來說最重要的是，LED故障的影響僅僅是降低光的亮度，而不是完全關(guān)閉。

當LED變暗時，LED驅(qū)動器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)該做什么，存在一些問題。開關(guān)部分和線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LED熄滅時，升壓轉(zhuǎn)換器可以“凍結(jié)”，如圖3b所示。當轉(zhuǎn)換器停止開關(guān)時，開關(guān)功率MOSFET保持開路，補償電路也斷開。此時，補償電容保持其電荷，這是補償環(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 LED 重新亮起時，轉(zhuǎn)換器以最小的紋波重新啟動開關(guān)。使用此解決方案，V提高在整個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)光導通時間必須長于幾個（例如，三個或四個）開關(guān)周期。需要更長的導通時間，以便升壓轉(zhuǎn)換器可以為C充電外在休息時間泄漏的電荷。這限制了可以實現(xiàn)的最小占空比。

應(yīng)用新一代驅(qū)動程序

在汽車中，日間行車燈和平視顯示器都有相似的性能要求：每當汽車行駛時，它們都會亮起，并且需要高可靠性/冗余以確保它們始終可用。通過使用MAX16814等新一代多串驅(qū)動器，可以實現(xiàn)所需的高可靠性，同時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;維持汽車電池通常高達40V的電壓峰值（拋負載）;和低 EMI 產(chǎn)生。

容錯至關(guān)重要。至關(guān)重要的是，在發(fā)生故障時，LED 燈永遠不會完全關(guān)閉。采用多串方法與MAX16814結(jié)合使用，確保當一個LED打開或短路時，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)動器發(fā)出信號，告知一個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集成了獨特的PWM調(diào)光方案，可消除V時的紋波提高（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所示方法類似，但也允許在5000Hz時具有1：200的極寬PWM調(diào)光范圍。該調(diào)光范圍比任何類似產(chǎn)品都寬，并克服了上述最小導通時間限制。

MAX16814可以驅(qū)動4個LED串，每串電流高達150mA，并在開關(guān)和線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和檢測功能。如果任何串的指示燈開路或短路故障，則該串將被禁用，并向系統(tǒng)發(fā)出故障條件信號。最后，該IC是一款功能齊全的汽車產(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.這是一個針對平視燈或行車燈驅(qū)動器子系統(tǒng)的完整汽車設(shè)計示例，包括所有外部元件和一個輸入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)計基于HB LED的系統(tǒng)時，可以進行許多權(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)動器解決方案，以幫助設(shè)計人員選擇適合其應(yīng)用的最佳方法。

新一代 LED 驅(qū)動器可減少元件數(shù)量。此外，通過利用開關(guān)和線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、更高的效率和改進的功能，包括更好的故障保護和檢測。MAX16814為多串驅(qū)動器，具有所有這些優(yōu)點，比市場上任何類似產(chǎn)品具有更寬的PWM調(diào)光范圍。

審核編輯：郭婷