??? LED照明在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及,，例如車后燈組(RCL),、頭燈,、日間行車燈、信號(hào)燈及第三煞車燈(CHMSL)等,，而該趨勢(shì)正同時(shí)出現(xiàn)在原設(shè)備制造商及零件市場(chǎng)燈具供應(yīng)商領(lǐng)域。在驅(qū)動(dòng)車用LED照明方面，市面上有不少適合的開關(guān)電源供應(yīng)拓?fù)淇梢允褂?，但最終的選擇還是取決于LED對(duì)電壓和電流的需求，以及必須符合系統(tǒng)的整體目標(biāo),。對(duì)于那些供電電壓遠(yuǎn)高于負(fù)載電壓的應(yīng)用,，降壓轉(zhuǎn)換器可以說是最理想的選擇，原因是它可為L(zhǎng)ED負(fù)載提供穩(wěn)定及持續(xù)不斷的輸出電流,。相反地,，假若總LED電壓高于系統(tǒng)的供電電壓時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員便須運(yùn)用升壓/降壓混合拓?fù)浠蚣兩龎和負(fù)?。然而,，在某些情況下，LED的電源電壓可以高于,、相等或低于負(fù)載電壓,，這時(shí)設(shè)計(jì)人員便可能需要運(yùn)用SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)拓?fù)洹１疚膶?huì)引用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3406降壓穩(wěn)壓器及LM3421控制器作為例,，并透過不同的拓?fù)渑渲梅绞?，包括降壓、升壓,、降?升壓及SEPIC去闡述個(gè)別拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),。
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采用串聯(lián)及并聯(lián)安排的LED車后燈組
??? LED在汽車方面的其中一種比較普遍的應(yīng)用是尾燈/閃燈組合，也被稱作車后燈組,。對(duì)于那些典型正激電壓(VF)為3V的LED,，當(dāng)流經(jīng)它們的直流電壓為12-14 Vdc時(shí)，便可能需要使用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器作為解決方案,。在最低電壓為12V下,，只能讓3個(gè)LED以串聯(lián)方式連接，假若所有LED的總電壓超過12V時(shí),，便需采用串聯(lián)/并聯(lián)方式(圖1),。
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圖 1. 同時(shí)運(yùn)用串聯(lián)/并聯(lián)的排列方式
??? 對(duì)于需要進(jìn)行調(diào)光及閃燈的應(yīng)用而言，有幾種方法可以用來切斷LED燈串的電源,，最常用的方式之一是脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光控制,，通常以專用信號(hào)來控制燈光的輸出亮度，因?yàn)樾枰诰€路系統(tǒng)中加一條專用線路作為調(diào)光的用途,，因此不太適合汽車應(yīng)用,。另外一種方式是所謂雙線調(diào)光，當(dāng)中供給LED驅(qū)動(dòng)器的電源會(huì)周期性地被中斷以控制明暗,。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3406便是其中一款內(nèi)置了這種功能的器件(可在http://www.national.com/analog/led 獲取更多有關(guān)LM3406及LED WENEBCH的信息),。圖2所示為L(zhǎng)M3406的應(yīng)用電路圖,。
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圖 2. LM3406 的雙線調(diào)光配置
??? 這種方式有三大優(yōu)點(diǎn)。第一,，LM3406的輸入電壓感測(cè)引腳(VINS)可排除使用專用調(diào)光信號(hào),，使得LED燈串的PWM調(diào)光可通過調(diào)節(jié)LM3406的電源來實(shí)現(xiàn)。第二,，至關(guān)重要的一點(diǎn)在于,，阻流二極體（blocking diode）D2可允許電路保留輸入電容器CIN，正如在非雙線調(diào)光解決方案中一樣,，基于降壓穩(wěn)壓器的非連續(xù)性輸入電流,，可保留輸出電容器。第三,，這種配置方式可讓器件本身維持驅(qū)動(dòng)狀態(tài),，無需在調(diào)光周期完結(jié)后再完全重新啟動(dòng)。這種標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光方式所需的附加零件包括阻流二極管D2,、VINS 下拉電阻器 RPD及切斷開關(guān)S1所需的零件,。
采用升壓/降壓混合拓?fù)涞拇?lián)LED車后燈組實(shí)例
??? 將LED燈串以并排方式連接能夠大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，原因在于這種安排能使LED的功率級(jí)直接采用12-14Vdc直流電源軌進(jìn)行運(yùn)行,?？墒牵@種將串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合在一起的配置方法也有其缺點(diǎn),。當(dāng)閱讀LED制造商的數(shù)據(jù)表時(shí),，有兩個(gè)數(shù)據(jù)至關(guān)重要：一是LED的光輸出與其流經(jīng)的電流大小成比例，另一個(gè)是LED的動(dòng)態(tài)電阻會(huì)隨著正激電壓VF而改變,。制造商以bin值表示LED的VF,、光通量、與顏色（或色溫）,，例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51 V（25 °C時(shí)）范圍的LED,，當(dāng)涵蓋整個(gè)bin值范圍時(shí)可以變?yōu)?.8V至4.2V ，因?yàn)長(zhǎng)ED制造商一般都會(huì)向客戶銷售多種bin值的LED,，對(duì)多數(shù)設(shè)計(jì)人員而言,，假設(shè)所有LED都有接近的VF值是不切實(shí)際的。
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圖 3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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??? VF變化的影響可從以下例子中看到,。圖3所示為一個(gè)實(shí)驗(yàn),，當(dāng)中包含兩個(gè)不同的設(shè)置。第一個(gè)設(shè)置采用四個(gè)LED,，每一個(gè)均擁有獨(dú)立的電流源,，而另一個(gè)設(shè)置則將四個(gè)LED并排連接以共用一個(gè)電流源。表1中的數(shù)據(jù)是于25°C下并于開啟電源后5秒內(nèi)錄取，目的是把LED的自我加熱效應(yīng)降至最低,。
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??? 從上述數(shù)據(jù)可見當(dāng)采用并排連接方式時(shí),，LED的VF變化會(huì)導(dǎo)致電流不平均地分配。即使是同一級(jí)bin的LED都會(huì)出現(xiàn)類似的反應(yīng),，使得在并聯(lián)方式中的個(gè)別燈串無法獲得相同的電流。改善并聯(lián)燈串電流分配的其中一個(gè)方法是在每條燈串上加裝一個(gè)鎖流電阻器(ballast resistor),，雖然該方法有助電流平均分配,，但缺點(diǎn)是鎖流電阻器所消耗的電流會(huì)導(dǎo)致效率下降。
??? 假若系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)上述有所顧慮,，最好還是采用單一串聯(lián)的方式,。對(duì)于這種解決方案，設(shè)計(jì)人員仍然可采用LM3406,，但系統(tǒng)的復(fù)雜度則難免會(huì)提高,，因?yàn)樾枰碌那岸藖磔斔透哂?2-14 V的電源電壓給LED驅(qū)動(dòng)器，然后LED驅(qū)動(dòng)器將這新生電壓降下來供應(yīng)給單一LED燈串,。這種作法可透過在直流電源和LM3406之間加入一個(gè)升壓直流/直流功率級(jí)來完成,，正如圗4所見。配合這種拓?fù)?，所有串?lián)在一起的LED便可獲分配相同大小的電流,，即使它們的VF不盡相同。
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圖 4. 升壓及降壓混合拓?fù)?/P>
??? 此時(shí),，我們的腦海中可能出現(xiàn)一個(gè)問題：為何要加入降壓功率級(jí),，而不干脆使用升壓穩(wěn)壓器去運(yùn)作？這兩種拓?fù)?jù)之間的一個(gè)最重要分別是輸出電容器：升壓穩(wěn)壓器必須采用輸出電容器,，而降壓穩(wěn)壓器則不一定需要,。毫無疑問，LED能夠成功地被升壓級(jí)驅(qū)動(dòng)(以下將會(huì)證明這點(diǎn)),，但如果系統(tǒng)需要調(diào)光,，那么輸出電容器便可能成為障礙。當(dāng)穩(wěn)壓器進(jìn)入 “調(diào)光”模式后便會(huì)停止向LED供電,，但如果電路包含輸出電容器,，它便可繼續(xù)為L(zhǎng)ED提供電流。如此,，系統(tǒng)在LED真正熄滅前便需額外的時(shí)間讓輸出電容器放電,。此外，當(dāng)遇上負(fù)載突降時(shí),，LED可能會(huì)感受很大的線路電壓,，而僅僅一個(gè)升壓穩(wěn)壓器實(shí)不足提供保護(hù)。相反地,，在升壓及降壓混合拓?fù)渲?，降壓穩(wěn)壓器(這里是指LM3406) 可以免于高電壓的損壞或系統(tǒng)崩解,。
采用升壓穩(wěn)壓器的頭燈設(shè)計(jì)實(shí)例
??? 在汽車的另一端，頭燈與日間行車燈也逐漸成為L(zhǎng)ED替換的熱門選項(xiàng),。這類典型應(yīng)用通常需要把10個(gè)白光LED連成一串,。對(duì)于典型VF為4V的LED而言，假若設(shè)計(jì)人員不愿意采用串并聯(lián)的混合安排,，便可能需采用某種形式的升壓直流/直流級(jí)去驅(qū)動(dòng)LED,，而假若需降低功率級(jí)的復(fù)雜度，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器便大派用場(chǎng),。
??? 圖5所示為一個(gè)采用了LM3421的10盞LED應(yīng)用(詳細(xì)資料可在http://www.national.com/analog/led查詢),，當(dāng)中的多功能低邊MOSFET控制器可視為升壓功率級(jí)的其中一部份。
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圖 5. 采用LM3421構(gòu)成的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)10盞LED
??? 這種拓?fù)涞囊粋€(gè)特色是電流感測(cè)會(huì)于LED的高邊完成,，使得串尾LED的陰極能夠就地接地至車身底盤并使感測(cè)電壓以差動(dòng)信號(hào)形式反饋回電路,。這可說是一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，尤其當(dāng)LED燈串和電路之間的距離很遠(yuǎn),。
采用SEPIC穩(wěn)壓器的頭燈設(shè)計(jì)實(shí)例
??? 雖然汽車電氣系統(tǒng)一般在12-14 V dc范圍內(nèi)運(yùn)作,，有些特殊情況下，系統(tǒng)零件的電壓會(huì)高于或低于這個(gè)水平,。舉例而言,，當(dāng)冷車啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)所獲得的電壓可以是4.5V或更低,，相反于負(fù)載突降的情況下,，電壓則可能高至40到60V。若LED必須在這些情況下運(yùn)作且受保護(hù),，設(shè)計(jì)人員可能需要選用另一種功率級(jí)設(shè)計(jì),，使得不管LED的供電電壓是多少都可為L(zhǎng)ED提供穩(wěn)定的電流。SPEIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)拓?fù)涫且环N可同時(shí)運(yùn)行升壓及降壓的開關(guān)穩(wěn)壓器配置,，正如圙6中所示,。
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圖 6. SEPIC 轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)?/P>
??? 雖然SEPIC轉(zhuǎn)換器的效率不如降壓穩(wěn)壓器或升壓穩(wěn)壓器，但它也有其優(yōu)點(diǎn),。SEPIC除了同時(shí)擁有升壓及降壓的能力外,，另一個(gè)極受汽車應(yīng)用青睞的優(yōu)點(diǎn)在于其CSEPIC電容器，它可為輸入與輸出之間提供非常有效的隔離,。然而,，SEPIC轉(zhuǎn)換器最明顯的缺點(diǎn)是需要兩個(gè)電感器才能運(yùn)作。然而,，兩個(gè)電感可以同心圓方式纏繞成對(duì)立的兩個(gè)分離元件（這是能夠同時(shí)兼顧方案尺寸及成本的最佳方法）,，這個(gè)「電感恐懼癥」就可以輕易地被治愈。相關(guān)電路范例參見圖7，其中也采用了LM3421控制器,。
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圖 7. SEPIC配置中的LM3421
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結(jié)論
??? 當(dāng)驅(qū)動(dòng)LED時(shí),，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有許多種選擇，這取決于所需的LED數(shù)量與型號(hào),、照明要求,、以及所需的系統(tǒng)特性，必須有一種拓?fù)浞绞娇晒┻x用,。由于可用的拓?fù)浞绞桨ㄉ龎?、降壓、或兩者皆可,，LED燈串可以偏離汽車電源的范圍運(yùn)行而不須受限于12-14 V，若設(shè)計(jì)人員選擇在12-14 V范圍內(nèi)運(yùn)作,，則可以使用降壓穩(wěn)壓器,，如此一來，即使所有LED的總VF 超過系統(tǒng)供應(yīng)的直流電壓也同樣不成問題,。若偏好完全串聯(lián)的方式,，而不采用串聯(lián)/并聯(lián)設(shè)計(jì)，便可采用升壓與降壓穩(wěn)壓器組合,，也可以僅用升壓穩(wěn)壓器,。此外，假若LED需要在特殊情況下運(yùn)作且受保護(hù),，可以使用SEPIC拓?fù)?，其可依?jù)輸入電壓與所需之輸出電壓來決定降壓或升壓。最后,，除了不同的拓?fù)浞绞酵?，也有許多IC解決方案可以使用，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3406與 LM3421,，便可有效地成為L(zhǎng)ED照明的穩(wěn)定電流穩(wěn)壓器,。