引言

隨著消費者環(huán)保理念的加強,，固態(tài)照明(SSL)方案迅速成為通用照明及汽車照明應(yīng)用中首選的照明技術(shù)。按照市場調(diào)研公司Strategies Unlimited的預(yù)測,，通用照明,、背光及汽車應(yīng)用將是高亮度LED (HB LED)市場在今后幾年的主要增長動力，到2011年,，HB LED驅(qū)動器IC的整個市場規(guī)模將會達到19億美元¹,。

與傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，HB LED具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：它們不含任何有害物質(zhì),，例如CCFL中的汞元素,；消耗較低的功率而且具有更長的使用壽命。另外,，HB LED比傳統(tǒng)方案具有更高的成本競爭優(yōu)勢，大大降低了系統(tǒng)的整體成本(例如：運行和維護成本),。

當然,，HB LED的使用也面臨一些特殊挑戰(zhàn)，特別是汽車等嘈雜的工作環(huán)境,。本文討論了HB LED驅(qū)動器選擇的基本原則,，比較了不同的驅(qū)動器拓撲，針對不同的汽車照明應(yīng)用提供了推薦配置方案,，其中包括：汽車頂燈,、日間行駛燈(DRL)、尾燈(RCL),、霧燈和近光燈/遠光燈等,。

HB LED需要恒流驅(qū)動

HB LED驅(qū)動器電路用于管理HB LED的供電，驅(qū)動電路保持恒定的電流和最小的電壓波動非常關(guān)鍵,。過大的驅(qū)動電流會提高HB LED的結(jié)溫,，加快HB LED的退化。

照明應(yīng)用中,，為了獲得更高的流明,，需要使用大功率HB LED。這些HB LED的正向?qū)娏饕话銥?50mA到1A以上,。白光,、藍光和綠光HB LED的正向電壓在2.8至4.5V范圍內(nèi)，紅光和琥珀光HB LED的正向電壓在2.3至3.5V范圍,。

為了保持固定的色譜和亮度,，HB LED驅(qū)動必須滿足特定的額定電流要求,。用電壓源驅(qū)動HB LED、串聯(lián)電阻限流,，可能產(chǎn)生不可接受的亮度及光譜的變化,。

HB LED亮度調(diào)節(jié)

HB LED的發(fā)光顏色會隨著電流的變化而發(fā)生變化，因此,，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式對固定電流進行調(diào)節(jié)效果優(yōu)于調(diào)節(jié)實際電流的幅度,，即將直流電流保持在HB LED廠商規(guī)定的固定值，按照一定的頻率和占空比進行電流斬波,，利用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)亮度可以在不同的亮度等級保持一致的光譜,。為了避免視覺閃爍，調(diào)光頻率應(yīng)高于100Hz,。調(diào)光范圍取決于HB LED驅(qū)動器所允許的最小占空比,。

大部分HB LED驅(qū)動器需要由微控制器或外部定時器產(chǎn)生亮度控制信號。MAX16806等HB LED驅(qū)動器則由內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號,，通過DIM輸入端作用的外部電壓進行調(diào)制(圖1),。這種配置在汽車內(nèi)部照明等應(yīng)用中可以省去外部微控制器或開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。

圖1：350mA線性HB LED驅(qū)動器IC MAX16806能夠省去微控制器或開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器

汽車內(nèi)部照明的最佳選擇—線性驅(qū)動器

驅(qū)動HB LED的最佳方案是使用恒流源,。實現(xiàn)恒流源的簡單電路是：用一個MOSFET與HB LED串聯(lián),，對HB LED的電流進行檢測并將其與基準電壓相比較，比較信號反饋到運算放大器,，進而控制MOSFET的柵極,。這種電路如同一個理想的電流源，可以在正向電壓,、電源電壓變化時保持固定的電流,。

線性驅(qū)動器相對于開關(guān)模式驅(qū)動器的優(yōu)點是：電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn),，因為沒有高頻開關(guān),，所以也不需要考慮EMI問題。此外,，線性驅(qū)動器的外圍元件少,，可有效降低系統(tǒng)的整體成本。

線性HB LED驅(qū)動器IC,，例如：MAX16806,，內(nèi)部集成了MOSFET和高精度基準，能夠使每串LED保持一致的亮度(圖1),。例如：MAX16806所要求的輸入電壓只需比HB LED總壓降高出1V,。利用外部檢流電阻測量HB LED的電流，從而在輸入電壓或LED正向電壓變化時,，MAX16806能夠保證輸出恒定的電流,。

線性驅(qū)動器的功耗等于HB LED電流乘以內(nèi)部(或外部)串聯(lián)調(diào)整管的壓降,。當HB LED電流或輸入電源電壓增大時，功耗也會增大,，從而限制了線性驅(qū)動器的應(yīng)用,。由于過熱會影響HB LED的使用壽命—這也是這類燈源的一個缺陷—限制燈管的功耗非常重要。

值得慶幸的是,，可以通過調(diào)節(jié)HB LED的亮度避免出現(xiàn)過熱,。為了降低功耗，MAX16806對輸入電壓進行監(jiān)測,，如果輸入電壓超過預(yù)先設(shè)定值,，它將減小HB LED的驅(qū)動電流以降低功耗。該項功能可以在某些應(yīng)用中避免使用開關(guān)電源,，例如：汽車頂燈或DRL等,，這些應(yīng)用中通常會在出現(xiàn)不正常的高電池電壓時將燈光調(diào)暗。

汽車外部照明的理想選擇—開關(guān)模式降壓驅(qū)動器

當輸入電壓遠遠高于串聯(lián)HB LED的總壓降時,，最好使用開關(guān)模式降壓(buck)轉(zhuǎn)換驅(qū)動器(圖2),，能夠使功耗降至最低，從而獲得較高的驅(qū)動器效率,。

圖2：利用開關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動器降低功耗并提高照明組件的驅(qū)動效率

與用于驅(qū)動HB LED的一般buck控制器不同,，MAX16819、MAX16820,、MAX16822和MAX16832 HB LED驅(qū)動器采用滯回控制，沒有控制環(huán)路補償,，從而簡化了設(shè)計,，有助于減少外部器件數(shù)量。集成高壓電流檢測放大器,，能夠工作在高達2MHz的開關(guān)頻率,，有效降低電路板空間和元件數(shù)量，可理想用于汽車前后部的照明(RCL,、DRL,、霧燈/近光燈)。

汽車前燈的理想選擇—開關(guān)模式buck-boost (SEPIC)驅(qū)動器

當輸入電壓高于或低于HB LED的總導通電壓時,，必須使用buck-boost模式驅(qū)動器,。在buck-boost配置中，需要一個浮動的電流檢測放大器檢測并調(diào)節(jié)HB LED電流,。另外還需要提供額外的保護,，例如過壓保護，在HB LED發(fā)生開路或短路失效時保護系統(tǒng)不被損壞,。對于汽車前燈中的大功率LED,，輸入電壓的變化范圍可能在5.5V (冷啟動)至24V (電池倍壓),，此時，比較理想的選擇是buck-boost電路,。驅(qū)動器還必須能夠承受40V以上的拋負載峰值電壓,。

高度集成的HB LED驅(qū)動器，例如：MAX16812或MAX16831,，在汽車前燈設(shè)計中有助于減少元件數(shù)量,、降低成本。例如：MAX16812內(nèi)部集成了差分電流檢測放大器和額定電壓為76V的0.2Ω功率MOSFET,，用于控制單串HB LED的電流(圖3),。此外，內(nèi)部調(diào)光MOSFET驅(qū)動器在拋負載時可以自動關(guān)閉LED串的電源,，增強了系統(tǒng)的可靠性,。


圖3. 當輸入電壓可能高于或低于串聯(lián)HB LED的總電壓時,，應(yīng)該選擇buck-boost驅(qū)動器拓撲

汽車中的LCD背光方案—開關(guān)模式boost驅(qū)動器

如果輸入電壓始終低于HB LED串的總電壓,，則需要使用boost轉(zhuǎn)換器。在2010年的新車型中,，普遍增加了平視顯示器,，升壓轉(zhuǎn)換器非常適合這類應(yīng)用或LCD背光。這些應(yīng)用需要3000:1的亮度調(diào)節(jié)范圍,，以適應(yīng)車內(nèi)寬范圍的環(huán)境光照條件,。驅(qū)動器必須提供一個額外的調(diào)光MOSFET驅(qū)動器，以便在極短的時間內(nèi)接通/關(guān)閉LED,。調(diào)光MOSFET還能夠在拋負載時保護LED,。

圖4所示HB LED驅(qū)動器電路用于汽車中LCD背光，MAX16834集成了高邊檢流放大器,、PWM調(diào)光MOSFET驅(qū)動器和高度可靠的保護電路,，大大簡化了LCD背光電路的設(shè)計。該款HB LED驅(qū)動器能夠提供3000:1 PWM調(diào)光范圍,，輸入電壓范圍為4.75V至28V,，在冷啟動和拋負載狀況下確保穩(wěn)定工作。


圖4. 具有3000:1較寬調(diào)光范圍的boost驅(qū)動器，內(nèi)置保護電路,，可理想用于汽車娛樂設(shè)施的LCD背光,。

結(jié)論

合理選擇HB LED驅(qū)動器需要了解具體LED照明裝置的要求，以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計,。設(shè)計人員首先需要確定電參數(shù),，例如：輸入電壓,、LED電流、LED正向?qū)妷阂约斑@些參數(shù)的變化范圍,。安全性,、EMI、熱管理,、機械性能以及可以利用的電路板面積也是必須考慮的因素,。

線性驅(qū)動器比較適合低成本、低EMI應(yīng)用,，例如：汽車內(nèi)部照明,，設(shè)計簡單。開關(guān)型驅(qū)動器則適用于大功率,、高效率和寬輸入電壓范圍等應(yīng)用場合,，例如：汽車的外部照明，但成本較高,，需要考慮EMI問題,。

Maxim針對不同應(yīng)用提供廣泛的HB LED驅(qū)動解決方案，能夠在汽車固態(tài)照明中減小系統(tǒng)尺寸,，降低設(shè)計復雜度和成本,。所有汽車照明方案均可工作在-40°C至+125°C溫度范圍，并且滿足汽車應(yīng)用中對短路保護和熱關(guān)斷的要求,。

參考文獻
¹Strategies Unlimited, The Market for High-Brightness LEDs in Lighting: Application Analysis and Forecast—2007 (January 2007).