新型汽车LED应用为电源管理带来新的机遇与挑战有哪些？

　　过去 10 年来，汽车中的电子系统在数量和电子控制、车载多媒体系统及娱乐系统的复杂性等方面都有了巨大的飞跃。展望未来，预计汽车电子系统还将以更快的速度发展。根据市场调研公司 Allied Business Intelligence 的预测，到 2007 年，全球汽车半导体市场将从 123 亿美元（2004年）增长到每年 170亿以上美元。Strategy Analytics公司也预测，到 2008 年，汽车电子系统在汽车总成本中所占份额将从目前的 20% 增长到 30%。这增长是由多种因素引发的。一方面，汽车中很多传统的机械系统 （如油门控制、制动和悬挂控制系统） 现在都采用了电子系统进行控制和优化。另一方面，LED 照明、娱乐和无线导航也正在迅速成为非豪华汽车的标准配置。所有这些系统通常都需要某种程度的电源管理。这些新型汽车应用给电子行业带来了很多挑战，而且维持解决方案的高可靠性也极其重要。
　　本文主要探讨汽车电子系统市场中一个重要的增长领域，即在目前和未来几代汽车中大量涌现的 LED 照明。这一新的照明领域给汽车电子产品的设计师和制造商都带来了新挑战。理解这些挑战的本质并找到可行的解决方案非常重要，因为与这些照明系统有关的增长看来是无穷无尽的。
　　LED 照明
　　小尺寸、低功耗和快速接通时间等优点使高亮度 LED 在今天的汽车中得到了广泛应用。LED 最初用于中央高位刹车灯（CHMSL），这种应用是用红光 LED 组成一个微小的照明阵列，此阵列易于安装且不需要更换。
　　根据 Strategies Unlimited 公司的统计，在 2003 年生产的所有高亮度 LED 中，大约有15% 用于汽车，这表明其市场规模已经超过 4 亿美元。
　　尽管如此，白炽灯还是最经济的光源，因此也仍然是最常用的标准产品。不过，照明设备可用空间的缩减、不断增强的工作寿命、灯光颜色和灯的设计等因素都导致了 LED 需求的增长。甚至传统的 CCFL TFT-LCD 背光照明应用也逐渐被白光 LED 阵列所取代。唯一的例外是前灯。在可预见的将来，前灯仍将采用包含卤素/氙灯丝的设计，但是很多其它照明系统，如内部/外部和背光照明应用都将转而采用 LED。采用 LED 的好处体现在以下几个方面。首先，可能也是最重要的一点，LED 灯从不需要更换，因为其长达 10万小时（11.5使用年限）的可靠寿命超过了汽车的寿命。这使汽车制造商可永久性地把 LED 嵌入到“舱内”照明设备中，无需为了方便更换而进行相应的设计。其款式也可以有很大的变化，因为 LED 照明系统所需的深度和面积不像白炽灯那么大。LED 的另一个优点是低功耗，这可以减少汽车的燃料消耗。图 1 显示了一辆现代汽车中的大量 LED 照明应用。在汽车内部，有几种采用各种类型 LED 的“标准内置”照明模块。有些是单个 LED，而像导航仪表板背光照明等另一些应用则需要 LED 阵列。在外部照明方面，LED 也得到了认可。现在超过 40% 的中央高位刹车灯已采用红色 LED 。此外，奥迪 2004 A8 采用大电流 LED 阵列（Luxeon）作为白天行车灯（DRL）。同时，我们都已经看到更多中档汽车 （甚至摩托车） 都用彩色 LED 阵列作为刹车灯/转向指示信号灯。
　　
　　图 1 现代汽车中 LED照明系统的典型应用
　　汽车 LED 照明系统的设计参数
　　为确保最佳性能和更长的使用寿命，LED 需要一个有效的驱动电路。这些特殊的驱动电路必须能够适应条件相当苛刻的汽车电源总线，而且要既经济又节省空间。为了保证更长的使用寿命，首要的是不超过 LED 的电流和温度限制。表 1 给出了大电流 LED 的典型正向电压和驱动电流。在单个 LED 应用中，将需要如凌特公司 LT3474 那样的降压 LED 驱动器，把汽车总线电压（标称 12V）降低到更适合 LED 的电压，这个电压在 2.68V 至 4.88V 之间，具体值要根据 LED 的颜色和亮度应用的要求而定。相反，诸如刹车灯等应用则需要多达 8 个串联的 LED 串，并需要 21V 至 39V 的输出电压，这样就必须有凌特公司 LT3486 那样的升压 LED 驱动器。凌特公司所有的 LED 驱动器都采用提供恒定电流的电流模式架构。
　　输入电压是不规则变化的，要在这种环境下产生恒定的 LED 亮度，这些驱动器集成电路必须有恒定电流源。内部检测电阻用来监视输出电流，以实现精确的稳流。这些集成电路可在 35mA 至 1A 的宽电流范围内保证高精度的输出电流，从而实现较宽的调光范围。因为凌特公司的大电流 LED 驱动器是电流模式稳压器，所以它们不直接调制电源开关的占空比，而是由反馈环路控制每个周期的开关峰值电流。与电压模式控制相比，电流模式控制改善了环路动态性能并实施逐周期限流。
　　在很多应用中，尤其是背光照明和内部照明应用，也许需要调光控制，因此该驱动器集成电路必须具有简单的调节输出电流/LED 亮度的方法。用这种驱动器集成电路，可以由 PWM 信号、DC 电压或外部 NMOS 晶体管实现调光，产生的调光范围高达 1000:1。
　　最后，汽车上的电子系统可能对噪声敏感，尤其是导航系统、无线电路和 AM 收音机。为了最大限度地降低噪声干扰的可能性，凌特公司的 LED 驱动器 IC 采用恒定频率开关拓扑。而且，开关频率是用户可编程的，范围为 200kHz 至 2MHz，以保持开关噪声在 AM 无线频段等主要频段之外。高开关频率还可以使用小电感器和陶瓷电容器，从而最大限度地缩小了解决方案的尺寸并降低成本。
　　
　　表1 大电流白光 LED 的正向压降和驱动电流
　　单个 LED 应用
　　如图 1 所示，很多嵌入式大电流 LED 应用都是由单个大电流 LED 组成的。这些应用包括顶灯、地图灯、后备箱照明等内部照明及门槛灯或“水坑”灯等外部照明。视应用情况不同，有的可能用彩色 LED作为仪表板背光照明或用白光 LED作为一般照明。由于这些 LED 一般具有 3V 至 4V 的正向电压，并由 12V 至 14V 的汽车总线供电，所以需要像 LT3474 这样的降压转换器。
　　LT3474 是一种固定频率降压 DC/DC 转换器，用作恒定电流源（见图 2）。其内部检测电阻监视输出电流，以实现精确稳流，该器件非常适用于驱动大电流 LED，可在 35mA 至 1A 的宽电流范围内保持高输出电流精度，以实现一个宽调光范围。该调光范围可以利用 PWM 引脚和一个外部 NMOS MOSFET 进一步扩大，从而实现 1000∶1 的总调光范围。
　　T3474 的开关频率可以编程，范围为 200kHz 至 2MHz，这样，设计师就能够避开主要的噪声敏感频段，并采用小电感器和陶瓷电容器。
　　恒定开关频率工作加上低阻抗陶瓷电容器实现了很低并可预测的输出纹波。LT3474 具有 4V 至 36V 的宽输入范围，可对来自12V 至 24V 汽车电源总线的电源进行宽范围调节。电流模式 PWM 架构具有快速瞬态响应，并可提供逐周期限流。最后，频率折返和热关机可提供附加保护。
　　
　　图2 LT3474 1A 降压 LED 驱动器典型应用
　　用于导航显示器的LCD TFT 背光照明
　　传统上，汽车中大的（对角线长 6 英寸至 9 英寸）TFT-LCD 显示器都是采用冷阴极荧光照明（CCFL）技术进行背光照明。CCFL 带来的问题很多。首先，驱动 CCFL 的高电压电源很大而且很复杂。其次，CCFL “灯泡”本身也相对较大，容易出现故障。由于 CCFL 单元是嵌入到导航系统中的，所以如果 CCFL 失效，一般需要整个更换一个价值不菲的单元。
　　相反，图 3 中的白光 LED 阵列是一种更紧凑和可靠的背光照明解决方案。其外形尺寸更小，因为电源调节电路更简单也更紧凑。LED 及其电源的可靠性将使其寿命非常容易超过汽车的寿命。还有一个很重要的方面，这种背光照明具有很高的效率，高达 83% ，可减少所产生的散热量。
　　LT3466 是一种双输出全功能升压 DC/DC 转换器，是专门为采用恒定电流驱动多达 50 个白光 LED（每个转换器可串联多达 25 个）而设计。串联连接的 LED 可以使其具有相同的电流，从而产生一致的亮度，且无需镇流电阻和昂贵的工厂校准工作。两个相互独立的转换器能够驱动非对称 LED 串。两个 LED 串的调光也可以独立控制。LT3466 非常适用于为汽车应用中的车载多媒体系统/导航显示器提供背光照明。
　　
　　图3 用于 50 个白光 LED 的 LT3466 背光照明电路
　　刹车灯
　　迄今为止最流行的 LED 应用一直是中央高位刹车灯（CHMSL）。到 2003 年年低，至少 40% 的汽车装有基于 LED 的 CHMSL。采用 LED 的好处包括更快达到设定亮度、更高的效率、更长的使用寿命、以及很细小的红光 LED 阵列更易于设计和安装。LED 在低于 1ms 的时间内就可达到设定亮度，从而使后面汽车的驾驶员能够更快地看到刹车灯，因此可以减少追尾事故；相比之下，传统灯泡要花高达 200ms 的时间才能达到设定亮度。与白炽灯相比，LED 灯的功耗可降低高达80%，从而降低了汽车的燃料消耗。其使用寿命会很容易超过汽车的寿命，因此无需更换。除了 CHMSL，一些汽车 （如奥迪 A6） 以及一些摩托车也都已经用 LED 取代白炽灯作为主刹车灯了。
　　为了最大限度地提高刹车 LED 应用的性能并延长其使用寿命，当务之急是按照刹车系统的要求采用合适并能够驱动“红光 LED 串”的 LED 驱动器。凌特公司的 LT3486 是专门为这类汽车应用而开发。
　　LT（r）3486是一种双升压 DC/DC 转换器，如图4所示，经过专门设计，用来自 12V 至 14V 的汽车总线的恒定电流驱动多达16个LED（每个转换器 可串联8 个）。串联连接的 LED 可使其具有相同的LED电流，从而产生一致的亮度。如果需要，这两个相互独立的转换器还能够驱动非对称 LED 串。
　　这两个 LED 串的调光可以通过各自的 CTRL 引脚独立控制。内部 PWM 调光系统可通过向各自的 PWM 引脚提供 PWM 信号，把调光范围扩大到 1000∶1。LT3486 的工作频率可以用外部电阻设置，范围为 200kHz 至 2MHz。低 200mV 反馈电压（2% 准确度）最大限度地降低了该电流设置电阻的功耗以提高效率。其它特性还有当 LED 断接时的输出限压。
　　
　　图5 LT3486 汽车 LED 驱动器电路
　　结语
　　LED 照明系统在目前和未来的汽车中迅速采用，这给大电流 LED 汽车应用中的 LED 驱动器集成电路提出了很多非常严格的性能要求。不管输入电压或 LED 正向电压如何变化，LED 驱动器都必须提供恒定电流以保持一致的亮度，而且必须以高效率工作。这些应用还要求很紧凑和热效率更高的解决方案。凌特公司已经注意到了这些汽车设计挑战，并开发出了一整套大电流 LED 驱动器产品以满足这些要求，这使系统电源设计师们在为这些应用选择电源解决方案时，能更容易地做出抉择。