作者：Piero Bianco
SPM事业部业务经理
美信集成产品公司
目前，汽车厂商正在逐步将汽车照明系统从白炽灯和冷阴极荧光灯调换成高亮度LED。这些HB LED广泛用于导航及娱乐设备显示器的背光和汽车内部、外部照明，例如：日间行驶灯、尾灯等。一些新利用 (如平视显示器)也开端应用HB LED。
然而，在把HB LED集成到各种系统时，为了提高工作效率、下降本钱、获得宽范畴调光及其它上风，设计职员还面临诸多挑衅。由于第一代驱动器的局限性，设计职员还无法在效率、最少的外部元件数目、最低EMI以及宽范畴PWM调光等方面进行优化。最新推向市场的多串LED驱动器(如MAX16814)以极其奇妙的方法解决了上述技巧瓶颈，这些驱动器的开关和线性把持器之间能够进行双向通信。
为什么选择HB LED？
HB LED在汽车范畴的利用越来越普及，它们为汽车设计职员带来了众多上风。与其它照明技巧相比，HB LED是最环保的解决计划，具有出色的能效，不含汞，回收时只有极少的有害物质。另外，HB LED还有助于改良汽车的安全性，这回功于它们的快速开、关速度(远远高于白炽灯)。也正是考虑到这一因素，刹车灯广泛采用了高亮度LED。
此外，它为设计职员在汽车的个性化作风设计上供给了更大的施展空间，原因是：LED尺寸很小，几乎不占用面板背部的空间，设计职员可以按照任何外形排列LED灯；这种小尺寸射灯非常合适作为唆使灯；最后，LED比其它照明计划具有更长的应用寿命，应用寿命达到50,000小时甚至更长，非常合适长期保持照明状态的环境，如日间行驶灯。
LED在汽车中的利用已经从刹车灯、尾灯扩大到了前车灯(日间行驶照明，中高端汽车的地位唆使灯以及高端汽车的近光灯和远光灯)、内部照明(RGB LED可以把持灯光色彩)，为汽车增加奇特风采。此外，LED在导航、娱乐设备和仪表盘背光利用中也逐渐成为主流产品(图1)。
LED技巧在一些全新利用中也占领重要地位，例如汽车平视显示器。LED具有较宽的调光范畴，通过PWM调光，非常合适这类需要根据环境光强在非常宽的范畴内调节灯光明度的利用。
HB LED的设计挑衅
当然，把LED集成到汽车利用时也会见临诸多挑衅，例如，必需保持尽可能低的本钱。就元件本身而言，LED灯的价格通常高于其它照明计划(白炽灯、卤素灯、CCFL)。因此，必需下降LED计划的系统级本钱，以提高该项技巧的市场发展潜力。下降计划本钱的道路之一是尽可能减少驱动器的元器件数目，这也有利于提高系统可靠性，由于PCB上的每个元件都可能是系统的一个失效点。
另一挑衅是效率。高能效在汽车中的重要性越来越高，特别是对于混杂动力车，须尽可能提高效率使功耗(发热)降至最低。汽车部件一般工作在高温环境，发动机四周的环境温度可能达到105°C，其它部位的温度会达到85°C。LED产生大批热量，它们不会在IR或UV波段辐射能量，其功耗会提高四周环境的温度，这就需要下降驱动器的功耗，避免驱动器IC或驱动模块中的其它器件过热。
当然，汽车环境下同样面临EMI标题。任何照明子系统都不能干扰车内的其它子系统，AM收音机通常是最敏感的部件之一。
在汽车利用中，LED被排列成多串(每串定义为一个串联LED组，具有雷同电流)。可以根据显示器的尺寸方便地排列LED支撑背光，将LED排列成多串有助于提高故障容限(假如一个LED开路，只会封闭与该LED串联的LED，而非所有LED)。应用多串LED的另一个原因是限制每串LED的电压，提高系统安全性。例如，一串总电压为80V的LED分成两串后，电压达到40V，避免在与LED或其连线接触时呈现对人体构成要挟的高压。
由此可见，能够驱动多串LED的单片IC具有明显上风。多串驱动器架构通常包含了LED串、升压转换器(将输进电池电压转换成每串LED所需高压)、多路线性吸电流调节器(用于建立每串的驱动电流)，如图2所示。
与具有多路开关转换器的计划相比，这种计划的元件数较少，本钱较低(只需要一个电感和少数旁路电容)。与单串驱动器直接驱动并联LED的计划相比，这种计划的上风是可以在每串之间均衡电流。假如多串LED直接并联，由于有些LED的正向导通电压较高，电流不可能在每串之间均分。另外，LED的正向导通电压会随着温度的升高而下降，电流的不均衡会导致热量失控，由于具有较大电流的LED串发热较多，其正向导通电压随之下降，从而接收更大电流，导致该串LED的温度进一步晋升。随着电流差别的增大，可能导致一串或多串大电流LED失效。最后，假如LED串只是简略地并联在一起，由于驱动器只能把持总电流，失效的LED电流会增加到其它LED串，从而由于过驱动而导致其它LED串失效。利用图2计划可以避免呈现这种状态。
这种架构利用MOSFET调节LED串的电流，为使这些MOSFET的温度尽可能低，需确保管子两真个电压尽可能低，但需足够的电压使管子处于饱和区。幻想条件下，升压转换器的输出电压为：
Vboost=max(Vstring,i)+ Vsat
式中，Vstring,i为第i串LED的正向导通总电压，Vsat为MOSFET处于饱和状态时的VDS。能够将该电压设置到幻想值的驱动器称为具有自适应电压优化(AVO)功效。
大多数利用需要通过PWM调节LED亮度，例如按照必定的占空比进行通、断把持，使线性吸电流调节器打开、封闭，从而使AVO设计变得更加复杂。当所有LED串封闭时，升压转换器的工作状态有多种选择和一些限制，后续内容中将具体讨论。
传统的多串驱动器
传统的LED驱动器计划采用图2所示的拓扑，包含升压开关转换器和多路独立工作的电流调节器，这些转换器在配合外部元件实现AVO功效时存在一些标题。
外部电路必需检测哪一串LED具有最高的正向导通电压(或最低的阴极电压)；利用图2中红色标记的几个二极管可以实现这一功效。这种计划会占用更大的电路板面积，提高系统本钱。
该计划在呈现LED故障时还存在另一埋伏标题，假如一个LED产生开路，这一串的阴极电压将跌落至零，二极管检测电路将判定这一串具有最高的正向导通电压，并开端晋升升压的输出电压，试图为这一串LED供给足够的驱动电压。终极导致其它LED串的吸电流MOSFET上的电压晋升，可能造成管子失效或触发升压转换器的输出过压保护(假如具备此项功效)，封闭转换器和所有LED。
该架构的第三个标题是LED的PWM调光，当LED封闭时，二极管电路没有电压参考点来设置升压输出电压。一种可能的解决措施是增加另一个二极管，通过火压电路连接到升压输出，如图2中的红色标记电路。LED封闭时，该二极管导通，将升压输出设置到预置电压。这种方法存在的明显标题是：进行PWM调光时，升压转换器输出具有较高的纹波，如图3a所示。这会产生EMI噪声，是汽车设计面临的一个关键标题，它还会在输出电容Cout上产生可闻噪声。
新一代多串驱动器
新一代多串LED驱动器的升压开关转换器和线性吸电流调节器可以进行双向通信(而不是独立工作)，解决(或部分解决)了上述三个标题，大大提高了系统性能。这些新型驱动器在IC内部检测LED串的电压(比如每个吸电流MOSFET的漏极电压)，利用内部二极管或模仿开关电路选择最低电压(图4)。这种计划大大下降了外部元件数目和计划本钱。
此外，双向通信功效还解决了上述一个LED失效或开路引发的标题。一旦产生这种情况，升压转换器输出电压开端上升，达到过压保护门限时即可辨认故障的LED串，禁止或移出该串对应的AVO把持环路，其它LED串保持正常工作。除了下降照明亮度外(而不是全部封闭LED)，失效的LED不会对用户造成其它影响。
新一代驱动器调节LED亮度时，内部开关和线性调节环路采用了与图2不同的方法，具有更低噪声。LED封闭时可能禁止升压转换器工作，如图3b所示。换句话说，转换器在此期间结束了开关把持，功率开关MOSFET保持在断开状态，补偿电路也处于开路。补偿电容保持其电荷量(补偿环路工作时的状态)。升压输出电压由输出电容Cout保持，由于LED封闭电容不放电，放电电流只是漏电流。LED恢复导通时，转换器重新启动开关把持，具有极小的纹波。这种计划中，升压转换器输出电压在PWM亮度调节期间几乎保持恒定，大大下降了EMI噪声和输出电容上的可闻噪声。
这种计划的唯一限制是PWM调光的导通周期需要大于几个(三个或四个)开关周期，以便升压转换器为输出电容重新充电，补偿关断期间的漏电流损耗。这限制了能够获得的最小占空比。
新一代驱动器的利用解决计划
汽车的日间行驶灯和平视显示用具有一个雷同的性能请求，即在汽车行驶过程中始终保持开启状态，请求较高的可靠性/冗余设计，任何情况下确保正常工作。利用MAX16814等新一代LED驱动器能够保证行驶灯和平视显示器高度可靠，同时还大大减少了外部元件的数目，有助于下降系统本钱、提高可靠性。这类利用还请求工作在较宽的输进电压范畴，能够蒙受汽车电池高达40V的峰值电压(抛负载)并具有极低的EMI。
故障容限对于这类应用寿命长，而且即使在产生故障时也不答应封闭LED灯的利用非常重要。MAX16814利用多串驱动架构能够在呈现一个LED开路或短路时只封闭呈现故障的LED串，其它LED保持有效工作。此外，MAX16814的故障唆使输出还可以供给LED失效报警(图5)。
平视显示器还请求较宽(1000:1或更大)的PWM调光范畴，MAX16814集成了一个奇特的PWM调光电路，能够有效克制升压输出电压的纹波(频率为调光频率)，从而下降了EMI和可闻噪声。该计划与图3b应用的计划类似，但能够以200Hz供给5000:1的调光范畴(高于其它产品)，克服了上述最小导通时间的限制。
芯片可以驱动四串LED，开关和线性调节器之间可进行双向通信，大大减少了外部元件的数目。此外，MAX16814具有完备的故障保护措施和检测功效，任何一串呈现开路或短路的LED时将封闭这一串的工作，并向系统发出故障报警输出。满足汽车产品设计的所有请求，例如可蒙受40V抛负载，工作在-40°C至125°C温度范畴。
设计HB LED系统时需要调和考虑多方面因素，包含元件数目、效率、可靠性等。表1对多种LED驱动计划进行了对照和回纳，有助于设计职员针对具体利用选择最佳计划。
