摘要：目前，汽車中大多采用LED和CCFL作為背光源，兩種方案均需要特殊的供電電源。本應(yīng)用筆記討論了LED、CCFL燈源的供電方案，可理想用于汽車的內(nèi)部和外部照明。

引言

縱觀整個(gè)汽車照明設(shè)備的發(fā)展歷史，電源始終扮演著重要角色。起初，汽車僅需要前燈，以便在黑暗中看清道路。隨后，為了安全以及更好地協(xié)調(diào)不斷增長(zhǎng)的交通流量，增加了其它光源 — 尾燈、指示燈等。報(bào)警和霧燈在極端情況下提供了特殊功能。內(nèi)部光源，如儀表板、頂燈、地圖燈、開門燈等為駕駛員和乘客提供了便利。除了早期型號(hào)，所有這些光源均采用電能供電并且使用白熾燈泡。

最近幾年，其它光源，如發(fā)光二極管(LED)以及冷陰極熒光燈(CCFL)逐漸成為了汽車的普通光源。這些新光源的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是具有較長(zhǎng)的使用壽命和更高效率。白熾燈的典型壽命為10,000小時(shí)，而熒光燈可達(dá)50,000小時(shí)，LED則高達(dá)100,000小時(shí)。使用壽命的延長(zhǎng)提高了可靠性，并減少了維護(hù)工作，最終降低了服務(wù)成本。LED的其它優(yōu)點(diǎn)包括低工作電壓、低電磁輻射、抗機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)、形狀設(shè)計(jì)靈活、工作溫度范圍寬以及亮度調(diào)節(jié)范圍寬。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，用它取代其它的技術(shù)趨勢(shì)也更加明顯，但是，就目前的應(yīng)用情況來(lái)看，CCFL仍然占據(jù)某些應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的場(chǎng)合。

CCFL和LED光源需要適當(dāng)?shù)墓╇婋娫矗?，不同技術(shù)具有不同的特殊要求，電源必須提供特別的應(yīng)用和功能。本文為L(zhǎng)ED和CCFL光源提供了一些電源解決方案，針對(duì)不同的汽車內(nèi)部和外部照明裝置，討論了具體的設(shè)計(jì)方法。

應(yīng)用

內(nèi)部照明

內(nèi)部照明應(yīng)用包括儀表盤和儀表盤背光、頂燈和地圖燈、安裝在門上或車體上的開門燈以及背光。由于背光顯示有特別的要求，將在后面的文章中單獨(dú)討論。

所有內(nèi)部的照明應(yīng)用都可以使用LED作為光源。地圖燈和頂燈通常使用一個(gè)高亮度LED，儀表盤和開門燈通常需要一個(gè)以上的LED串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。串行連接有利于避免不同LED的電流(對(duì)應(yīng)顏色)失配。所有應(yīng)用都需要一個(gè)集成了亮度調(diào)節(jié)功能的恒流源。圖1和2給出了針對(duì)內(nèi)部照明應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化、可提供各種不同功能的電源IC。


圖1. MAX16800調(diào)光電路的典型應(yīng)用。工作于6.5V至40V輸入范圍，能夠?yàn)?個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的高亮度LED提供高達(dá)350mA電流。

MAX16800具有高輸入電壓范圍(達(dá)40V)，因此可以直接連接到汽車電池而不需要保護(hù)器件，保護(hù)器件一般用來(lái)抵御電池負(fù)載變化帶來(lái)的浪涌電壓。該器件能夠?yàn)長(zhǎng)ED提供恒定電流，電流值可以通過(guò)與LED串聯(lián)的檢流電阻RSENSE設(shè)置。為了提高電流設(shè)置精度，提高對(duì)外部噪聲的抑制能力，MAX16800采用了差分電流檢測(cè)輸入方式。

LED的色度隨其電流的變化而改變，因此調(diào)整LED亮度的最好方法是通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)對(duì)一個(gè)固定電流進(jìn)行斬波實(shí)現(xiàn)，而不是改變電流的實(shí)際幅度。MAX16800通過(guò)在器件的使能輸入引腳作用一個(gè)PWM信號(hào)來(lái)調(diào)整LED亮度。通過(guò)LED的電流按照PWM信號(hào)的頻率開啟和關(guān)斷。

電磁干擾(EMI)抑制在汽車應(yīng)用中非常重要，這一設(shè)計(jì)要求與不產(chǎn)生EMI同等重要。對(duì)LED電流進(jìn)行通、斷控制時(shí)無(wú)論如何都會(huì)產(chǎn)生EMI輻射。因此，為了降低PWM調(diào)光時(shí)的EMI，MAX16800集成了波形整形電路，以便平滑開關(guān)信號(hào)的邊沿。


圖2. MAX16805/MAX16806 LED驅(qū)動(dòng)器無(wú)需微控制器或開關(guān)轉(zhuǎn)換器，適用于汽車內(nèi)部頂燈、地圖燈以及開門指示燈的應(yīng)用。

很多照明系統(tǒng)中沒(méi)有可以利用的微控制器來(lái)產(chǎn)生PWM調(diào)光信號(hào)，對(duì)于這種情況，可以采用MAX16805/MAX16806 LED驅(qū)動(dòng)器。這兩款器件均可由內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號(hào)，PWM信號(hào)由加在DIM輸入引腳的外部模擬電壓設(shè)置。不采用模擬調(diào)光時(shí)，MAX16806有一個(gè)開關(guān)輸入(SW)，該開關(guān)輸入不僅檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)，并具有去抖功能，為開關(guān)提供濕電流。

在某些照明應(yīng)用中，必須密切監(jiān)測(cè)LED的溫度，這一點(diǎn)對(duì)于空間緊湊，特別是散熱條件較差的系統(tǒng)特別重要。LED過(guò)熱會(huì)降低LED的使用壽命，從而減弱了該類光源的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。幸運(yùn)的是，通過(guò)短時(shí)間調(diào)低LED亮度，在大多數(shù)應(yīng)用中可以避免過(guò)熱現(xiàn)象。為了達(dá)到這個(gè)目的，MAX16806為外部溫度傳感器提供了一個(gè)輸入端。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)熱時(shí)，器件可以調(diào)低亮度，直到溫度恢復(fù)到可以接受的范圍。溫度和亮度調(diào)節(jié)門限可以通過(guò)串口編程，并存儲(chǔ)到EEPROM。該功能可以省去昂貴的大尺寸散熱器。

MAX16805/MAX16806的內(nèi)部基準(zhǔn)用于監(jiān)測(cè)反饋回路的LED電流，并且可以通過(guò)串口調(diào)整。因此，實(shí)際應(yīng)用中可以對(duì)各路LED使用固定的檢流電阻，簡(jiǎn)化了設(shè)備生產(chǎn)并降低成本。

背光顯示

現(xiàn)在，液晶顯示器(LCD)被廣泛用于儀表盤、車載計(jì)算機(jī)、廣播、導(dǎo)航系統(tǒng)以及娛樂(lè)系統(tǒng)。與上述例子不同的是：背光照明需要將光散射到盡量大的面積，而不是產(chǎn)生聚焦光束。


圖3. DS3881 CCFL控制器具有EMI抑制功能，能夠在寒冷的氣候中迅速加熱燈管。

傳統(tǒng)上，由于CCFL背光效率高、溫度低并可提供較高的光照功率，LCD屏主要采用CCFL作為背光源。雖然CCFL控制器在汽車電子以外的領(lǐng)域應(yīng)用非常成功(例如LCD TV或計(jì)算機(jī)監(jiān)視器)，但汽車環(huán)境下的設(shè)計(jì)具有特殊的挑戰(zhàn)和需求。

由于基本的CCFL電路中包含有外部晶體管、變壓器和燈管，CCFL架構(gòu)存在EMI輻射源。圖3給出了利用DS3881CCFL控制器構(gòu)建的CCFL燈管電源電路，該設(shè)計(jì)優(yōu)化于汽車應(yīng)用環(huán)境。DS3881利用擴(kuò)展頻譜和頻率偏移技術(shù)大大降低了EMI輻射，并把噪聲頻譜搬移到系統(tǒng)不敏感的頻段，從而克服了EMI輻射這一難題。

汽車電子的另一特殊要求是低溫工作，DS3881具有一個(gè)特別的燈管電流過(guò)驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)溫度很低時(shí)，該模式可以迅速加熱燈管，從而實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。該器件還具有多種故障檢測(cè)，可以監(jiān)測(cè)燈管故障、燈管開路、過(guò)流、啟動(dòng)失效以及過(guò)壓故障。

由于DS3881具有極高的集成度，只需極少的外部元件，大大降低了物料(BOM)成本并有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。多個(gè)DS3881控制器可以級(jí)聯(lián)使用，支持多燈管的大顯示屏設(shè)計(jì)。所有的性能和功能均可通過(guò)引腳或串口設(shè)置，并且可以將設(shè)置存儲(chǔ)到內(nèi)部非易失存儲(chǔ)器中。

對(duì)于小尺寸顯示屏，可以選擇LED陣列用于CCFL背光。多串LED面臨獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，特別是需要在整個(gè)區(qū)域提供均勻的亮度和色彩。圖4給出了一個(gè)特殊的基于LED的LCD背光電路。


圖4. MAX16807/MAX16808 LED驅(qū)動(dòng)器包含8路漏極開路、固定灌電流LED驅(qū)動(dòng)輸出，可連續(xù)工作在36V額定電壓。LED電流控制電路可使不同通道間的電流匹配度達(dá)到±3%，并使LED驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到55mA。

MAX16807/MAX16808可以工作在buck、boost或SEPIC模式，具體取決于輸入電壓范圍以及每個(gè)輸出通道的LED數(shù)量。增加一個(gè)外部電阻和一個(gè)齊納二極管可以進(jìn)行拋負(fù)載測(cè)試。雖然各個(gè)通道的電流都由一個(gè)電阻設(shè)置，但每串通道的電流可以獨(dú)立調(diào)整。在不增加任何外圍元件的情況下，該架構(gòu)可以保證每通道之間的電流匹配度優(yōu)于3％。對(duì)于不同批次，每通道可以分別調(diào)節(jié)匹配度，也可以通過(guò)使能引腳統(tǒng)一調(diào)節(jié)各個(gè)通道。采用50Hz至30kHz的調(diào)節(jié)頻率，可以實(shí)現(xiàn)5000:1的調(diào)光范圍。為了在黑暗中以及陽(yáng)光直射的情況下均可見(jiàn)顯示器內(nèi)容，汽車電子所要求的調(diào)光比較高。當(dāng)亮度調(diào)節(jié)信號(hào)的開關(guān)頻率范圍為20kHz至1MHz時(shí)，可以避開干擾其它設(shè)備(如收音機(jī))的頻段。MAX16808集成了LED開路檢測(cè)功能，這些控制器也可級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的大型LED陣列驅(qū)動(dòng)電路。

外部照明

外部照明系統(tǒng)對(duì)安全性提出了新的要求，需要更大的照明功率。外部照明，如尾燈、指示燈或緊急事件報(bào)警燈(以及霧燈)必須確保在任何情況下有效工作，以避免嚴(yán)重的安全隱患。

尾燈必須有較遠(yuǎn)的穿透距離，但照射區(qū)域不能過(guò)大。用于內(nèi)部照明的LED以及電流指標(biāo)也適用于外部照明應(yīng)用。也就是說(shuō)，上述用于照明驅(qū)動(dòng)的MAX16800/MAX16807/MAX16808驅(qū)動(dòng)電路也可用于此類應(yīng)用。由于尾燈中的LED數(shù)量多于內(nèi)部照明，必須采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片。多芯片驅(qū)動(dòng)架構(gòu)也提供了必要的冗余設(shè)計(jì)，即使在某些電路故障時(shí)仍能確保工作，同樣的冗余設(shè)計(jì)也適用于指示燈及其它信號(hào)燈。

需要較高照明功率的場(chǎng)合，如泛光燈或霧燈，必須使用超高亮度LED (HB LED)。HB LED需要較高的驅(qū)動(dòng)電流，前面討論的產(chǎn)品無(wú)法提供低成本設(shè)計(jì)，需要過(guò)多的驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生所需的電流。最好采用能驅(qū)動(dòng)大電流功率管的控制器，大電流功率管可以為HB LED提供高達(dá)30A的電流，MAX16818可以滿足這種設(shè)計(jì)要求(圖5)。


圖5. MAX16818 LED驅(qū)動(dòng)器采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化平均電流控制模式，能夠更好地利用MOSFET的電荷、導(dǎo)通電阻特性，無(wú)需外部散熱器即可提供高達(dá)30A的LED電流驅(qū)動(dòng)。

MAX16818可以構(gòu)成buck、boost以及SEPIC架構(gòu)，高達(dá)1.5MHz的工作頻率允許使用小尺寸外部元件。外部照明應(yīng)用通常需要迅速開啟或瞬間切換亮度，為達(dá)這一目的，MAX16818是首款采用Maxim專利技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)器，利用專有技術(shù)能夠使LED的瞬態(tài)電流響應(yīng)達(dá)20A/μs。需要更高電流輸出或冗余設(shè)計(jì)時(shí)，MAX16818含有一個(gè)180°延遲時(shí)鐘輸出，可以用來(lái)控制第二個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)論

Maxim擴(kuò)充了其開關(guān)模式和線性模式電源調(diào)節(jié)器，能夠覆蓋當(dāng)前汽車照明領(lǐng)域的所有應(yīng)用。我們不斷增長(zhǎng)的電源產(chǎn)品線能夠?yàn)槠囌彰髟O(shè)計(jì)人員和供應(yīng)商提供完備的、長(zhǎng)期的產(chǎn)品選擇，滿足他們的各種需求。

本文討論的解決方案非常適合汽車常見(jiàn)照明設(shè)計(jì)，提供短路檢測(cè)輸出、熱關(guān)斷，并可工作在-40°C至+125°C溫度范圍。Maxim采用小尺寸、增強(qiáng)散熱效果的QFN或TSSOP封裝，能夠方便地放置在空間緊湊的汽車照明模塊中。