LED在汽車外部照明中的應用

 

由於相對於傳統技術具有顯著優勢，LED正在汽車行業掀起一場風暴。LED前燈中的白光具有優異的清晰度
，從而減少駕駛員反應時間。自適應前燈照明係統(AFS)由LED矩陣支持，能夠產生快速
、複雜的照明模式變化
，提高駕駛員在不良照明條件下的能見度。夜間
，AFS能夠根據對向車輛的射束，自動調節照明模式，防止本方駛員被強光致盲。LED照明開啟的上升時間比白熾燈光源快2倍
，所以基於LED的製動燈點亮更快，提前警示駕駛員，提高道路安全。最後，與相當的白熾燈相比
，LED功耗更低，所以在耗能方麵擁有明顯優勢。LED控製器是負責操作LED的電子器件，在保持和增強LED固有的清晰度、速度和效率方麵具有重要作用。

 

圖 1. LED汽車前燈

 

LED供電

 

LED在汽車領域應用廣泛
，被廣泛用於從單顆LED到LED燈串和矩陣的各種配置之中。為了實現最優性能，高亮度(HB)LED要求恒流。電流與結溫及顏色有關。所以HB LED必須由電流而非電壓驅動。支持長燈串的電源可以是從12V汽車電池到高達60V升壓轉換器的任何電源。采用啟/停技術的汽車在引擎啟動時，電池壓降比較大
，造成電池電壓下降到典型12V以下
，甚至6V或更低。

 

調光

 

調光是許多汽車應用中普遍采用的功能
，也是LED前燈的重要安全特性。照明燈從100%調暗至50%時，人眼幾乎覺察不到。為保證清晰辨別

，必須調暗至1%或更低。明白了這一點，就不會奇怪調光比為什麼高達1000:1或更高。由於人眼在適當條件下能夠感知到單個光子，所以實際上該功能沒有限製。

 

為保證顏色，電流必須保持恒定，最佳的LED調光策略是PWM(脈寬調製)
，通過對電流進行時間上的分段式開關來調製光強，而不是更改幅值。為防止LED閃爍
，PWM頻率必須保持高於200Hz。

 

采用PWM調光時

，限製LED最小“開/關”時間的因素是開關穩壓器電感中電流上升/下降的時間。這可能造成數十微妙的響應時間
，對於依賴於快速
、複雜調光方法的LED前燈組來說
，這一時間太慢了。此時實現調光的唯一方法是采用專用的MOSFET開關(圖2中的SW1-K)對燈串中的每一顆LED進行獨立開/關。對電流控製環路的挑戰是能夠足夠快的從輸出電壓瞬態變化中恢複，這一瞬態變化由二極管投切引起。

 

LED控製器特性

 

為達到最優效果
，LED控製器必須支持較寬的輸入電壓範圍，且具有如上文所述的快速瞬態響應。為降低射頻幹擾以及滿足EMI標準
，要求較高

、受控良好的開關頻率
，且位於AM頻帶範圍之外。最後
，高效率能夠減少發熱
，提高LED照明係統的可靠性。

 

前燈係統

 

精良的前燈係統采用升壓轉換器作為前端
，管理輸入電壓(拋負載或冷啟動)和EMI輻射的變化。升壓轉換器提供穩定、足夠高的輸出電壓(圖2)。專用的降壓轉換器使用該穩定電壓作為輸入

，允許每個降壓轉換器控製單一功能，例如遠光、近光、霧燈、日間行車燈(DRL)、方向等，從而克服控製照明亮度和方向的複雜性。

 

該應用中，每個buck轉換器的主控製環路設置其LED燈串中的電流，兩個輔助環路實施過壓和過流保護。

 

典型高功率Buck LED驅動器方案

 

典型的buck LED驅動器方案如圖3所示。該方案使用p溝道
、高邊MOSFET，其RDSON比n溝道晶體管高；並采用非同步結構，肖特基二極管D用於電流回流。這兩者都是效率不高的因素。

 

圖 2. 高級LED照明係統

 

圖 3. 典型非同步Buck LED驅動器

 

典型瞬態響應

 

圖4所示為典型方案在瞬態響應方麵的另一個缺點。本項測試的12顆LED組成的燈串中，上電二極管的數量從8個激增至12個。致使輸出電壓階躍產生電流和電壓波動，需要數十微妙的時間才能熄滅。高調光比PWM調光電路隻在初始幾微妙內將對該電流進行采樣

，此時幅值正在下降，造成調光亮度和顏色不正確。

 

同步高功率Buck LED驅動器方案

 

理想的方案應滿足寬輸入電壓範圍
、快速瞬態響應
、高且控製良好的開關頻率等要求

，同時通過同步整流支持高效率。MAX20078 LED控製器支持這樣的方案。(圖5)。

 

圖 4. 帶有滯回Buck的典型瞬態響應

 

圖 5. 同步高功率Buck LED驅動器

 

MAX20078 LED控製器采用專有的平均電流模式控製方法，在調節電感電流的同時保持開關頻率接近恒定。器件工作在4.5V至65V寬輸入電壓範圍，開關頻率高達1MHz，同時支持模擬和PWM調光功能。器件采用節省空間(3mm x 3mm)的16引腳TQFN封裝(普通或SW)或16引腳TSSOP封裝。

 

高效

 

圖6所示為基於MAX20078的LED驅動器的效率與電源電壓的關係。兩個107mΩ同步整流MOSFET晶體管保證了整個寬輸入電壓範圍內都具有高效率。

 

圖 6.MAX20078方案效率與電源電壓的關係

 

圖 7.MAX20078瞬態響應

 

高工作頻率

 

MAX20078的導通時間可編程
，開關頻率範圍為100kHz至高達1MHz。器件的導通時間與輸入電壓和輸出電壓成比例，這意味著開關頻率幾乎是恒定的。MAX20078具有較高且控製良好的開關頻率，且在AM頻帶範圍之外
，很容易設置。在降低射頻幹擾的同時
，擴頻特性滿足EMI標準。

 

總結

 

我們回顧了複雜LED照明係統供電中存在的諸多挑戰，以及最優化LED係統性能的要求。我們介紹了MAX20078如何通過創新的LED控製器架構來克服這些挑戰
，提供高精度平均電流控製
、AM頻帶範圍之外的高工作頻率
、支(zhi)持(chi)高(gao)調(tiao)光(guang)精(jing)度(du)的(de)良(liang)好(hao)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)，以(yi)及(ji)高(gao)效(xiao)率(lv)，最(zui)大(da)程(cheng)度(du)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)。這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)支(zhi)持(chi)優(you)異(yi)的(de)汽(qi)車(che)外(wai)部(bu)照(zhao)明(ming)
，且(qie)效(xiao)率(lv)更(geng)高(gao)，支(zhi)持(chi)複(fu)雜(za)的(de)照(zhao)明(ming)模(mo)式(shi)和(he)更(geng)高(gao)精(jing)度(du)的(de)照(zhao)明(ming)亮(liang)度(du)
、方向和聚焦控製。

 

● AFS：自適應前燈照明係統

● LED：發光二極管

● SW：側麵防潮

 

 

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