- DC/DC變換器在汽車照明中的應用方案
- 設計用于恒電流LED驅動電路
- 采用調節(jié)LED電流的DC/DC變換器
LED照明在汽車領域的應用日益加速和廣泛。本文針對汽車上的特定要求，推出了2種新型DC/DC變換器芯片：LTC3787和LTC3475，并對各自的特性予以介紹，能滿足在不現(xiàn)場合上對轉換的多項要求，促進了現(xiàn)代汽車電子技術的應用與發(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，但擁有白熾燈無法比擬的優(yōu)點，如LED車燈具有無延遲、節(jié)能、長壽、低熱、抗震、色純度高等諸多特點，已成為鎢絲燈、鹵素燈的必然取代產(chǎn)品。每臺車內(nèi)部應用如儀表板、閱讀燈，外部應用則為尾燈、剎車燈、方向燈、頭燈等，汽車用照明已形成目前LED照明發(fā)展最快的應用市場。
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。汽車上設置的應用實例包括：車載信息系統(tǒng)，安全系統(tǒng)，發(fā)動機的能源管理，車載收音機、電視的衛(wèi)星接收、移動電話以及其它無線電系統(tǒng)等等。5年前，這些電子系統(tǒng)僅設置在高檔豪華車上，現(xiàn)在每個汽車制造廠家，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驅動IC（集成電路），將交流電源直接轉換為直流電源，并完成與LED電壓及電流的匹配。
與此同時，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)均需要功率轉換的IC。通常，對每一分支系統(tǒng)還要配置復式的多級電壓干線。由于很高的功率密度和各系統(tǒng)散熱導致的高環(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換是關鍵。
在輸出電壓低和幾百毫安(mA)級以上的電流場合，因發(fā)出的熱量多，簡單地用線性調節(jié)器來輸出電子系統(tǒng)要求的電壓已不實際。由于這些條件的制約，從而采用開關調節(jié)器取代線性調節(jié)器。開關調節(jié)器的優(yōu)點是：效率提高，“碳足跡”少，附加設備的簡化以及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)照明及制動燈上。豪華汽車廠愈益吸取了固態(tài)LED照明最新技術的優(yōu)點，借助這些高科技的電子技術含量和更輕、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域的領先者，一直將車燈技術作為一個重要的研究課題。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使用壽命。對比車內(nèi)照明用的白熾燈，頭燈用的HID（高強度放電）燈和鹵素燈，它具有明顯的優(yōu)越性。
3 對驅動電路的要求
由汽車蓄電池驅動LED，要求具有精密調節(jié)LED電流的DC/DC變換器，以確保均勻的照明強度和色彩的完整性以及LED的保護。而且，DC/DC調節(jié)器應按照指定的用途，頭燈或尾燈，信號燈或車內(nèi)的閱讀燈等，對特定的功率要進行優(yōu)化。此外，由蓄電池電壓驅動一個或幾個LED燈串，蓄電池電壓可能會出現(xiàn)大于、等于或小于負載電壓的情況；另一種擔心則是在大的調光范圍內(nèi)能否有效調節(jié)LED的亮度，并在低/高亮度級是否保持顯色特性。因此，要求DC/DC驅動器的有效運行至關重要，尤其是在驅動高亮度(HB) LED時 ，因未轉換成發(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，對驅動電路也提出了相應要求。如圖1所示，在負載一斷電(Load-dump)段，這是發(fā)電機正給蓄電池充電時，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，或車在運行中蓄電池電線斷開。無蓄電池的情況下，發(fā)電機正進行全充電，此時會產(chǎn)生瞬時高達80V的尖峰電壓。
發(fā)電機瞬態(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。某些實例中，在這一瞬態(tài)過程采用調節(jié)輸出電壓，關鍵在于DC/DC變換器應能處理這些高的瞬態(tài)電壓。通常，有各種不同的保護電路，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)動機經(jīng)受冷卻或凝固期間，發(fā)動機油變的非常粘滯。因而要求起動機輸出更大的轉矩，相繼需要蓄電池提供更大的電流。這一大的電流負載導致蓄電池/一次母線的電壓降低，甚至低于4V的點火電壓。隨后，又回復至額定電壓13.8V（圖1）。這在某些應用場合，例如發(fā)動電機控制、安全系統(tǒng)和導航系統(tǒng)均不可避免。故要求具有良好調節(jié)的輸出電壓（一般為3.3V）貫穿“冷曲軸”段，以實現(xiàn)全過程的無間斷（連續(xù)）運行。
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4 LED驅動器的新IC
美國線性技術公司(LTC)研制成的兩塊新型DC/DC驅動器芯片，能適應汽車內(nèi)/外部照明的很多嚴格要求，具有運行效率高、負載保護、輸入/輸出電壓范圍寬以及精確的電流調節(jié)等特點。因集成電路可構建若干DC/DC拓撲，故能為設計者提供IC的合理選擇，以滿足不同應用場合下的功率轉換需求。
LTC3783是帶恒流PWM調光的電流型多拓撲變換器（圖2），用于驅動大功率LED燈串。本項專利技術可提供非?？於鴾蚀_的負載切換，不會產(chǎn)生瞬時的欠電壓或過電壓，能數(shù)字式達到3000∶1的調光率(100Hz)，純色的PWM調光可確保白色LED和紅綠藍(RGB) LED的顏色完整性。LTC3783利用模擬控制，容許附加100∶1的調光比，因人眼對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芯片的應用還包括：高電壓LED陣列和LED背光，以及在電訊、自動化與工業(yè)控制系統(tǒng)中的調節(jié)器。
裝有LTC3783 LED驅動器在汽車上應用時，具有以下很重要的特點：(1)大電流、為輸出大的電流(≥1.5A)，LTC3783驅動外部的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的輸入運作和輸出電壓，取決于外部功率元件的選擇，這可按標準確定，易于驅動LED燈串或混串（串+并）；(3)保護。對HB LED的保護，需要IC結合精確的電流和輸出電壓調節(jié)。附加保護包括過電壓、過電流和軟啟動；(4)調光、以純色PWM3000∶1數(shù)字式調光時，在寬廣的調光比下保持LED恒定的顏色。而且，LTC3783還能附加模擬100∶1的調光。
另一種產(chǎn)品LTC3475是雙通道36V、2MHz降壓式DC/DC變換器（圖3）。設計用于恒電流LED驅動電路，能提供每通道1.5A的LED電流。內(nèi)部的傳感電阻器和調光控制，確保理想的驅動大電流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，能實現(xiàn)3000∶1的調光范圍。
圖3
LTC3475以其寬的輸入電壓范圍(4V~36V，max40V)，可調節(jié)含汽車動力系統(tǒng)在內(nèi)的廣闊的電源陣列。它的開關頻率調節(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組件結合，在驅動2個或4個大電流LED時，可提供結構非常緊湊的解決方案。
LTC3475利用高側的傳感，能與接地的LED陰極連接，而勿需大多數(shù)應用中的接地線，電流型的控制與準確的參考電壓，優(yōu)化了精心調節(jié)的動態(tài)回路，LED的電流恒定，波紋小。兩個通道已分隔Vadj和PWM信號，以便獨立操作。每一通道開關相互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斷開保護和短路保護。
