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战胜轿车体系中HB LED集成的应战

2018-10-06 09:46

  战胜轿车体系中HB LED集成的应战

  

作者:Piero Bianco

  

SPM事业部业务经理

  

美信集成产品公司

  现在,轿车厂商正在逐步将轿车照明体系从白炽灯和冷阴极荧光灯更换成高亮度LED。这些HB LED广泛用于导航及文娱设备显示器的背光和轿车内部、外部照明,例如:日间行进灯、尾灯等。一些新运用 (如平视显示器)也开端运用HB LED。

  但是,在把HB LED集成到各种体系时,为了进步作业功率、下降本钱、取得宽规模调光及其它优势,规划人员还面对许多应战。因为第一代驱动器的局限性,规划人员还无法在功率、最少的外部元件数量、最低EMI以及宽规模PWM调光等方面进行优化。最新推向商场的多串LED驱动器(如MAX16814)以极端奇妙的方法处理了上述技能瓶颈,这些驱动器的开关和线性操控器之间能够进行双向通信。

  为什么挑选HB LED?

  HB LED在轿车范畴的运用越来越遍及,它们为轿车规划人员带来了很多优势。与其它照明技能比较,HB LED是最环保的处理计划,具有超卓的能效,不含汞,收回时只要很少的有害物质。别的,HB LED还有助于改进轿车的安全性,这归功于它们的快速开、关速度(远远高于白炽灯)。也正是考虑到这一要素,刹车灯广泛选用了高亮度LED。

  此外,它为规划人员在轿车的个性化风格规划上供给了更大的发挥空间,原因是:LED尺度很小,简直不占用面板背部的空间,规划人员能够依照任何形状摆放LED灯;这种小尺度射灯十分合适作为指示灯;终究,LED比其它照明计划具有更长的运用寿命,运用寿命到达50,000小时乃至更长,十分合适长期坚持照明状况的环境,如日间行进灯。

  LED在轿车中的运用现已从刹车灯、尾灯扩展到了前车灯(日间行进照明,中高端轿车的方位指示灯以及高端轿车的近光灯和远光灯)、内部照明(RGB LED能够操控灯火色彩),为轿车添加共同风貌。此外,LED在导航、文娱设备和仪表盘背光运用中也逐步成为主流产品(图1)。

  
LED技能在一些全新运用中也占有重要位置,例如轿车平视显示器。LED具有较宽的调光规模,经过PWM调光,十分合适这类需求依据环境光强在十分宽的规模内调理灯火亮度的运用。

  HB LED的规划应战

  当然,把LED集成到轿车运用时也会面对许多应战,例如,有必要坚持尽可能低的本钱。就元件自身而言,LED灯的价格一般高于其它照明计划(白炽灯、卤素灯、CCFL)。因而,有必要下降LED计划的体系级本钱,以进步该项技能的商场发展潜力。下降计划本钱的途径之一是尽可能削减驱动器的元器材数量,这也有利于进步体系牢靠性,因为PCB上的每个元件都可能是体系的一个失效点。

  另一应战是功率。高能效在轿车中的重要性越来越高,特别是关于混合动力车,须尽可能进步功率使功耗(发热)降至最低。轿车部件一般作业在高温环境,发动机周围的环境温度可能到达105°C,其它部位的温度会到达85°C。LED发作很多热量,它们不会在IR或UV波段辐射能量,其功耗会进步周围环境的温度,这就需求下降驱动器的功耗,防止驱动器IC或驱动模块中的其它器材过热。

  当然,轿车环境下相同面对EMI问题。任何照明子体系都不能搅扰车内的其它子体系,AM收音机一般是最灵敏的部件之一。

  在轿车运用中,LED被摆放成多串(每串界说为一个串联LED组,具有相同电流)。能够依据显示器的尺度方便地摆放LED支撑背光,将LED摆放成多串有助于进步毛病容限(假如一个LED开路,只会封闭与该LED串联的LED,而非一切LED)。运用多串LED的另一个原因是约束每串LED的电压,进步体系安全性。例如,一串总电压为80V的LED分红两串后,电压到达40V,防止在与LED或其连线触摸时呈现对人体构成威胁的高压。

  由此可见,能够驱动多串LED的单片IC具有显着优势。多串驱动器架构一般包含了LED串、升压转换器(将输入电池电压转换成每串LED所需高压)、多路线性吸电流调理器(用于树立每串的驱动电流),如图2所示。

  与具有多路开关转换器的计划比较,这种计划的元件数较少,本钱较低(只需求一个电感和少量旁路电容)。与单串驱动器直接驱动并联LED的计划比较,这种计划的优势是能够在每串之间均衡电流。假如多串LED直接并联,因为有些LED的正导游通电压较高,电流不行能在每串之间均分。别的,LED的正导游通电压会跟着温度的升高而下降,电流的不均衡会导致热量失控,因为具有较大电流的LED串发热较多,其正导游通电压随之下降,然后吸收更大电流,导致该串LED的温度进一步进步。跟着电流差异的增大,可能导致一串或多串大电流LED失效。终究,假如LED串仅仅简略地并联在一起,因为驱动器只能操控总电流,失效的LED电流会添加到其它LED串,然后因为过驱动而导致其它LED串失效。运用图2计划能够防止呈现这种状况。

  

  

  
这种架构运用MOSFET调理LED串的电流,为使这些MOSFET的温度尽可能低,需确保管子两头的电压尽可能低,但需满意的电压使管子处于饱满区。抱负条件下,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的正导游通总电压,Vsat为MOSFET处于饱满状况时的VDS。能够将该电压设置到抱负值的驱动器称为具有自适应电压优化(AVO)功用。

  大多数运用需求经过PWM调理LED亮度,例如依照必定的占空比进行通、断操控,使线性吸电流调理器翻开、封闭,然后使AVO规划变得愈加杂乱。当一切LED串封闭时,升压转换器的作业状况有多种挑选和一些约束,后续内容中将详细评论。

  传统的多串驱动器

  传统的LED驱动器计划选用图2所示的拓扑,包含升压开关转换器和多路独立作业的电流调理器,这些转换器在合作外部元件完成AVO功用时存在一些问题。

  外部电路有必要检测哪一串LED具有最高的正导游通电压(或最低的阴极电压);运用图2中赤色符号的几个二极管能够完成这一功用。这种计划会占用更大的电路板面积,进步体系本钱。

  该计划在呈现LED毛病时还存在另一潜在问题,假如一个LED发作开路,这一串的阴极电压将下跌至零,二极管检测电路将判别这一串具有最高的正导游通电压,并开端进步升压的输出电压,试图为这一串LED供给满意的驱动电压。终究导致其它LED串的吸电流MOSFET上的电压进步,可能形成管子失效或触发升压转换器的输出过压维护(假如具有此项功用),封闭转换器和一切LED。

  该架构的第三个问题是LED的PWM调光,当LED封闭时,二极管电路没有电压参阅点来设置升压输出电压。一种可能的处理办法是添加另一个二极管,经过火压电路连接到升压输出,如图2中的赤色符号电路。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问题是: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。这会发作EMI噪声,是轿车规划面对的一个关键问题,它还会在输出电容Cout上发作可闻噪声。

  

  
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理器能够进行双向通信(而不是独立作业),处理(或部分处理)了上述三个问题,大大进步了体系功用。这些新式驱动器在IC内部检测LED串的电压(比方每个吸电流MOSFET的漏极电压),运用内部二极管或模仿开关电路挑选最低电压(图4)。这种计划大大下降了外部元件数量和计划本钱。

  

  
此外,双向通信功用还处理了上述一个LED失效或开路引发的问题。一旦发作这种状况,升压转换器输出电压开端上升,到达过压维护门限时即可辨认毛病的LED串,制止或移出该串对应的AVO操控环路,其它LED串坚持正常作业。除了下降照明亮度外(而不是悉数封闭LED),失效的LED不会对用户形成其它影响。

  新一代驱动器调理LED亮度时,内部开关和线性调理环路选用了与图2不同的方法,具有更低噪声。LED封闭时可能制止升压转换器作业,如图3b所示。换句话说,转换器在此期间中止了开关操作,功率开关MOSFET坚持在断开状况,补偿电路也处于开路。补偿电容坚持其电荷量(补偿环路作业时的状况)。升压输出电压由输出电容Cout坚持,因为LED封闭电容不放电,放电电流仅仅漏电流。LED康复导通时,转换器从头启动开关操作,具有极小的纹波。这种计划中,升压转换器输出电压在PWM亮度调理期间简直坚持稳定,大大下降了EMI噪声和输出电容上的可闻噪声。

  这种计划的仅有约束是PWM调光的导通周期需求大于几个(三个或四个)开关周期,以便升压转换器为输出电容从头充电,补偿关断期间的漏电流损耗。这约束了能够取得的最小占空比。

  
新一代驱动器的运用处理计划

  
轿车的日间行进灯和平视显示器具有一个相同的功用要求,即在轿车行进过程中始终坚持敞开状况,要求较高的牢靠性/冗余规划,任何状况下确保正常作业。运用MAX16814等新一代LED驱动器能够确保行进灯和平视显示器高度牢靠,一起还大大削减了外部元件的数量,有助于下降体系本钱、进步牢靠性。这类运用还要求作业在较宽的输入电压规模,能够接受轿车电池高达40V的峰值电压(抛负载)并具有极低的EMI。

  毛病容限关于这类运用寿命长,并且即便在发作毛病时也不允许封闭LED灯的运用十分重要。MAX16814运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毛病的LED串,其它LED坚持有用作业。此外,MAX16814的毛病指示输出还能够供给LED失效报警(图5)。

  
平视显示器还要求较宽(1000:1或更大)的PWM调光规模,MAX16814集成了一个共同的PWM调光电路,能够有用按捺升压输出电压的纹波(频率为调光频率),然后下降了EMI和可闻噪声。该计划与图3b运用的计划相似,但能够以200Hz供给5000:1的调光规模(高于其它产品),克服了上述最小导通时刻的约束。

  芯片能够驱动四串LED,开关和线性调理器之间可进行双向通信,大大削减了外部元件的数量。此外,MAX16814具有齐备的毛病维护措施和检测功用,任何一串呈现开路或短路的LED时将封闭这一串的作业,并向体系宣布毛病报警输出。满意轿车产品规划的一切要求,例如可接受40V抛负载,作业在-40°C至125°C温度规模。

  规划HB LED体系时需求折衷考虑多方面要素,包含元件数量、功率、牢靠性等。表1对多种LED驱动计划进行了比照和概括,有助于规划人员针对详细运用挑选最佳计划。

  
 

  

  

   HB LED