汽车照明电源的LED驱动器

引言

汽车制造商越来越多地利用最新固态 LED 照明技术提高 2007-2008 车型的美感和性能，将这些更轻、更小和更可靠的器件用于内部和外部照明。与用作内部照明的白炽灯和用作前灯及刹车灯的 HID灯以及卤素灯相比，大功率 LED 的优势越来越多，例如，可降低长期成本并具有更长的寿命等。

一般来说，用汽车电池直接驱动单个LED 或LED 串，需要一个DC/DC 转换器来准确调节一个恒定LED电流，进而获得一致的光强和颜色完整性。这个转换器还必须保护这些 LED免受汽车电池总线变化的影响。该 DC/DC 转换器应该针对 LED 串的数量和类型以及每个应用的功能而优化，这些应用包括前灯、尾灯、信号指示灯、内部阅读灯、仪表板背光照明或LCD GPS 监视器显示照明等。

每种汽车LED 应用采用哪种DC/DC转换器集成电路及拓扑由以下因素决定：

a、拓扑－LED 电压与电池电压范围之间的关系决定采用降压、升压还是降压-升压型拓扑，所采用的拓扑必须能在整个电池电压范围内控制LED电流，使其保持恒定。
b、调光－大比例 LED 调光必须在所有亮度等级上保持颜色特性不变，并避免眼睛可看出的波动或振荡。
c、效率－在驱动高亮度（HB）LED 时，DC/DC 转换器的高效率工作和低功耗是关键要求，因为功率损耗在不工作期间会导致电池电量的消耗，而在工作期间，功率损耗会转化成热量，给散热压力很大的汽车环境造成更大压力。

驱动单个LED

舱内白光顶灯和阅读灯可以仅使用单个3W LED，产生75 至100 流明的亮度。这种LED（如Lumileds的Luxeon III Star, www.lumileds.com）一般正向电压范围为3V 至 4.5V，最大电流为1A 至1.5A。最简单的LED 驱动器设计是在整个汽车电池电压范围内采用单个降压型稳压器驱动LED。图 1 所示是一个具有调光功能的单个 LED 内部照明电路。

汽车电池的典型工作电压范围为9V 至16V。一个电量耗光的电池在汽车启动前可能降低至9V，而交流发电机在发动机运行的同时将其充电至14.4V。伴随着一些尖峰和过冲，这种典型的直流电池电压最高可达16V。在通常情况下，当发动机不工作时，充好电的汽车电池电压为12V。在冷车发动时，汽车电池电压可能降至5V 甚至4V。关键的电子产品必须能在这么低的电压下保持工作，但是内部照明不必如此。

在汽车电池中，高瞬态电压也非常常见。从电池到底盘上不同地方的长电缆和汽车环境中的电子噪声总是会导致大的电压尖峰。在为汽车设计选择开关稳压器时，典型的36V 瞬态电压必须考虑。在大多数情况下，用简单的瞬态电压抑制器或RC 滤波器就可以滤掉更高的电压尖峰。

图1 中的LT3474 转换器集成电路是一种高压、大电流降压型LED 转换器，具有宽PWM 调光范围，能以高达1A 的电流驱动一个或更多LED。它具有几个特点，使其非常适用于在汽车环境中驱动LED。

图1：具250:1 PWM 调光比的 LT3474 高压降压型 1A LED 驱动器

它是一个专用LED 驱动器，具有一个片上高压NPN电源开关和一个内部电流检测电阻，可最大限度地缩小占板空间，减少组件数并简化设计，同时保持高效率。

4V 至36V 的宽输入电压范围允许该 LED 驱动器转换器在所有情况下都可直接用电池工作，同时保持恒定LED 电流。

图 2：降压型 LT3474 以高效率驱动单个或多个 LED

低压内部电流检测电阻去除了对昂贵的外部运算放大器的需求，在电流检测电阻通路上提供了一个低压基准。

LT3474 的降压型稳压器设计和可调高频范围使输出电流的纹波极小，甚至在采用非常小和低成本陶瓷输出电容器时也是这样。推荐本文中讨论的所有转换器都使用 X5R 或 X7R 高温度系数陶瓷电容器。

单个LT3474 LED 降压型稳压器的效率在12VIN、LED 电流高于200mA 时高于80%，如图2 所示。用VADJ 引脚实施模拟控制，随着LED 电流和亮度的降低，效率也会下降，但是功耗仍然保持很低。LT3474 是为汽车和由电池供电的应用而定制的，当置于停机状态时，它消耗低于2uA（典型值为10nA）的电流。停机还可以像物理按钮或微控制器集成电路那样，起到LED接通/断开按钮的作用。

图 3：LT3474 PWM 调光 LED 电流波形

PWM调光和亮度控制

图1中的LED亮度可以在LT3474 上控制，将一个模拟电压输入到VADJ 引脚，或将一个数字PWM 信号接到PWM 调光MOSFET 的栅极和PWM引脚上即可。模拟亮度控制通过降低内部检测电阻电压将恒定LED 电流从1A 降至更低的值。这种降低LED 亮度的方法确实简单易行，但是在更低电流时LED 电流的准确度却降低了，而且LED 光线的颜色也会变化。图4中的曲线显示了LT3474 的典型LED电流随VADJ 引脚电压变化的情况。在1A 时，准确度的典型值为2%，但是在200mA 时，准确度仅为3.5%。调光比实际限制在10:1 左右。

图 4：LT3474 LED 电流与 VADJ 引脚电压

另一种降低LED 亮度的方法是数字PWM 调光。当在 1A 恒定电流上对单个白光LED 调光时，与LED 串联的PWM MOSFET 产生了如图3 所示的波型。当 PWM 接通期间 LED 和 PWM MOSFET 接通时，可以非常好地对电流进行调节。在 PWM 断开期间，电流为零。这样，任何 LED 的颜色和真彩特性都可以保持不变，同时降低了亮度。

由于 PWM 功能在该集成电路内部实现，所以在让 LED 回归到编程电流时，PWM 的响应速度非常快。LT3474 有 40us 的最短调光接通时间，提供 250:1 的数字 PWM 调光比，这对内部照明是足够有余的。

采用 LED 串的 LCD 监视器显示照明

在豪华型汽车和主流消费类车型中，安装 GPS 导航和舱内娱乐显示器越来越流行。在日光下，这些 LCD 显示器需要恒定和明亮的 LED 串照明，而在夜间工作时需要宽调光范围。与单个 LED 顶灯相比，LED 串带来了不同的挑战。在这些显示器中，6 至 10 个 LED 组成的多个 LED 串的电流通常是较低的（<150mA），因为 LED 较小，但是累计电压却比汽车电池电压高（>20V）。就这些监视器而言，具有高效率和高 PWM 调光能力的大功率升压型 DC/DC LED 驱动器是必需的。

图 5 所示 LT3486 双输出升压型 LED 驱动器驱动两个具 100mA 恒定电流、LED 正向电压高达 36V 的 LED 串。该升压转换器 LED 驱动器具有高效率，其低压检测电阻与 LED 串和 PWM 调光 MOSFET 串联。9V 至 16V 的整个电池电压范围低于 LED 串的正向工作电压。

图 5：在 GPS LCD 监视器中，LT3486 以 100mA 驱动 20 个白光 LED

采用两个 LED驱动器和两个 LED 串（每串具 10 个 LED）而不是一个LED 串（每串具 20 个 LED）的优点是，最高开关电压保持为一个具 10 个 LED 的 LED 串的最高开关电压（最高开关电压为 42V，最高输出电压为 36V）。

如图 6 所示，在电池工作电压范围内，效率大约为 90%。如果电池电压降低至 4V，那么 LT3486 仍将工作，但是可能处于一种限流状态，具体取决于 LED 编程电流和 LED 串中 LED 的数量。该转换器不仅工作效率高，而且停机电流消耗也低于 1uA（典型值为 100nA）。当转换器断开时，它仅从汽车电池获取微量的电流。该 LED 电流通过选择外部检测电阻值来设定，检测电阻电压是非常低的 200mV，这样可以获得最高效率。每个 LED 串上的 LED 电流都可以用 CTRL 引脚上的模拟信号独立调节， 实现 10:1 的准确调光比，或用 PWM 信号调节，以实现非常高的调光比。

图 6：图 5 中的 LT3486 2 x 10 白光 LED驱动器的效率为 90%

就夜间观看极亮的显示器（这样的显示器也用于日光下）而言，1000:1 的调光比非常有用。LT3486 拥有独特的内部 PWM 调光架构并在 100Hz（高于可视光谱）时采用一些外部 PWM 调光 MOSFET，因此拥有 1000:1 的 PWM 调光比。内部 LED 电流存储器具有超快 PWM 响应时间，可在低于 10us 的时间内让 LED 电流从 0mA 回归到 100mA，以实现真彩 PWM 调光。在高端显示器中，将两个 LT3486 用于 4 串 R-G-G-B，可提供 1000:1 的调光比，在非常暗的夜间工作时保持显示器的真彩特性。

信号指示灯、尾灯和前灯照明

外部信号指示灯、尾灯和前灯需要功率最大的 DC/DC LED 驱动器，因为它们使用的 LED 最亮，数量也最多。尽管由于热量和稳流限制，极亮的 LED 前灯尚不常见，但是红色和黄褐色的刹车灯和信号指示灯却由于其卓越的美感和耐用性而越来越普遍。驱动大功率黄褐色和红色 LED 串对内部照明和照明微调带来了类似的挑战，但挑战的艰巨性是不同的。一般情况下，高调光比不是必需的，但是简单的接通/断开和高/低亮度功能却很有用。大功率 LED 串的电压通常超出了汽车电池的电压范围，因此需要一个同时具有升压和降压能力的 LED 驱动器。

图 7 所示的 LT3477 降压-升压型 LED 驱动器以 1A 电流驱动两个大功率 LED 。这些 LED 不需以地为基准，连接的两个端子一般是转换器的输出和电池输入。LT3477 拥有两个独特的、100mV 浮动电流检测输入引脚，连接到不以地为基准的电流检测电阻上，该电阻与LED 串串联。在汽车电池的工作电压范围内以及低于这个范围，在电流直到 1A 时都可以实现准确的 LED 稳流。LT3477 的停机引脚用于车灯的接通/断开，以及在未工作时将输入电流降低至 1uA（典型值为 100nA）。IADJ 引脚用于面向刹车灯和尾灯应用并高于 10:1 的模拟调光，如后部信号指示灯和刹车灯。真彩 PWM 调光就这些应用而言不是必需的。

图 7：降压-升压型 LT3477 以 80% 的效率驱动刹车灯和信号指示灯 1A LED 串

汽车尾灯使用更红的 LED，电流达到更高的 1.5A。由 6 至 10 个 LED 组成的 LED 串在各种车灯中相当常见，每个 LED 可产生总共高达 140 流明的亮度，每个 LED 串大约为 1000 流明或更高。这些车灯不仅需要非常大的电流，而且还需要高电压。它们直接由汽车电池驱动，不可能因高瞬态电池电压而出故障。这些车灯离电池非常远，输入电压的变化范围非常大。

如图 8 所示，大功率 LED 驱动器 LTC3783 采用降压-升压型拓扑，驱动 6 至 10 个 3W 的红光 LED。外部开关 MOSFET 和开关电流检测电阻为大功率和高压 LED 驱动器设计提供最大的设计灵活性。如果电池电压降至低于 9V，那么 9V 至 36V 的输入和在 1.5A 时高达 25V 的LED 串输出需要一个额定值为 100V 的开关以及高于 8A 的峰值开关电流能力。恒定的 1.5A 电池电流在整个汽车电池电压范围内是良好稳定的。就刹车灯和尾灯调光而言，在 100Hz 时将 PWM 信号直接连接到 LTC3783 的 PWM 引脚，就可将 LED 电流降低至实现 200:1 的调光比。在 1kHz 时，调光比降至 20:1，但是就尾灯应用而言这足够了。调节 ILIM 引脚也可以降低 LED 电流。

图 8：用于 8 x 1.5A 红光 LED 的 LTC3783 刹车灯 LED 驱动器

在最大功率的汽车应用中，高效率是最重要的。在这种应用中，如果输出高达 36W，那么如图 9 所示，93% 的效率在刹车时会降低对电池的消耗，尤其是在汽车没有运行的时候，更是这样。用于刹车灯接通/断开控制的 RUN 引脚将 LED 电流降低至 20uA。

图 9：LTC3783 降压-升压型 8 x 1.5A 红光 LED 驱动器具 93% 的效率

LTC3783 大功率 LED 驱动器的使用非常灵活，它也可以用作大功率升压型稳压器，将 LED 串连接到地而不是VIN，就变成了升压型拓扑，这可以驱动高达 60W 的更高电压 LED 串。在这种情况下，LED 串的电压要求高于 36V 的最高电池电压，而且在车灯关闭时，LED 的断接是通过 PWM 引脚完成的。采用非常亮的白光 LED 高流明前灯应用很快就会采用这种大功率 LED 的升压型拓扑驱动方式。

结论

有很多不同的汽车 LED 应用需要专用大功率、但简单和高效的 LED 驱动器。根据应用的不同有不同的 LED 组合，但是各种组合都需要在断开时电流消耗低、高 PWM 和模拟调光比以及卓越的 LED 稳流性能。凌特公司提供各种不同的汽车 LED 驱动器以克服所有这些挑战。