图1:高亮度LED市场预测(Source:StrategiesUnlimited)
图2:LED背光照明仪表板
图3:LED背光照明仪表板和导航显示器
汽车LED照明设计参数
为了确保最佳性能和长工作寿命,LED需要有效的驱动电路。这类驱动器IC必须能靠条件相当苛刻的汽车电源总线工作,而且经济实惠、空间利用效率高。为了保持长工作寿命,首要的是,不要超过LED的电流和温度限制。
汽车行业的主要挑战之一是,克服汽车电源总线上严酷的电环境。这些主要挑战是称为负载突降和冷车发动的瞬态情况。负载突降指的是,电池电缆断接同时交流发电机仍然在给电池充电的情况。当电池电缆连接不牢固而汽车正在运行时,或当电池电缆断开而汽车正在行驶时,可能发生这种情况。电池电缆这种突然断接能产生高达40V的瞬态电压尖峰,因为交流发电机正在尝试给已经不存在的电池充满电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位到大约36V,并吸收大部分电流浪涌;不过交流发电机下游的DC/DC转换器要承受这36V至40V的瞬态电压尖峰。这些转换器要求不被损坏,并在这种瞬态事件发生时调节输出电压。有各种不同的保护电路可供选择,通常是瞬态电压抑制器,瞬态电压抑制器可以在外部采用,不过增加了成本和重量,并占用空间。
“冷车发动”指的是,当汽车发动机承受寒冷或冰冻温度一段时间时发生的情况。发动机油变得极度黏滞,需要发动机启动器提供更大的扭矩,这反过来又从电池吸取更大的电流。这种大电流负载在点火时可能将电池/主总线电压拉低至6V,之后负载通常返回标称的12V。
幸运的是,对这些问题已经有了解决方案,那就是凌力尔特公司的LT3760,该器件能在这两种情况出现时不被损坏,并调节一个固定输出电压。 LT37606V至40V的输入电压范围使其非常适用于汽车环境。甚至当VIN大于VOUT(这种情况可能在40V瞬态时发生)时,LT3760仍将调节所需的LED电流。
由于大多数汽车LCD背光照明应用都需要20W至35W的LED功率,所以LT3760设计为满足这些需求。该器件可以将汽车总线电压(6V至18V/标称12V)升高至44V,以驱动8个并联LED串(每串含有10个80mA的串联LED)。图4显示了LT3760 驱动8个并联LED串的原理图,每串由10个80mA的LED组成,总功率为28W。
图4:采用LT3760、效率为90%的28WLED背光照明电路
LT3760采用自适应反馈环路设计,该设计调节输出电压以使其略高于LED串的最高电压。这最大限度地减小了通过镇流电路损失的功率,并帮助优化了效率。图2中的电路提供高于90%的效率。这很重要,因为消除了任何散热需求,从而实现了占板面积非常紧凑的扁平解决方案。就驱动LED阵列而言,同样重要的是,提供准确的电流匹配,以确保在整个仪表板上保持背光照明亮度一致。LT3760在-40度至125度的温度范围内保证LED电流变化不到±2%,而且正如在图5中能看到的那样,它的典型值较接近±0.5%。
图5:图4中的LED电流匹配
LT3760采用固定频率、恒定电流升压型控制器拓扑。该器件采用单个60V外部N沟道MOSFET,能驱动8串由多达10个100mA串联连接LED组成的LED串。其开关频率是可编程的,并可在100kHz至1MHz范围内同步,从而使其能提供最佳效率,同时最大限度地减小外部组件尺寸。其设计还使该器件能运行4串 200mA的LED串或甚至两串400mA的LED串。每个LED串能使用同样数量的LED,或能以每串不同数量的LED非对称地运行。
LT3760以高达3,000:1的调光比和通过控制引脚的模拟调光(提供高达25:1的调光比)提供直接PWM。在需要高达30,000:1调光比的应用中,这两种调光功能可以结合起来,以达到所需调光比。似乎随着汽车显示器技术的完善,大多数制造商都更喜欢使用较高的LED电流(50mA至 100mA),以使显示器在明亮的环境照明条件下更可读,同时更喜欢使用较大的调光比,以补偿不断变化的环境照明条件。
此外,LT3760有集成的保护功能,包括开路和短路保护以及一个/FAULT诊断引脚。例如,如果一个或多个LED串开路,那么LT3760就会调节其余的LED串,并将/FAULT引脚设定为高。如果所有LED串都处于开路状态,那么该器件仍会调节输出电压,而且在两种情况下,都会将/FAULT引脚设定为高。类似地,如果在VOUT和任何LED引脚之间发生短路,那么LT3760就立即断开该通道,并继续调节其余通道。停用该通道可保护LT3760不受大功率热耗散的影响,并确保可靠工作。为了实现额外的LED保护,LT3760的CTRL引脚允许通过LED串的环境温度设定LED电流降额曲线。一个放置在靠近LED处的NTC电阻器随着温度升高降低CTRL引脚电压,从而降低了LED电流。其他优化可读性的特点包括停机时输出断接、可编程欠压闭锁、微功率停机和内部软启动。
结论
对更高性能和经济实惠性永不满足的需求驱动着 LED背光照明应用在汽车显示器中的持续加速。这些需求必须由新的LED驱动器IC来满足。结果,这些LED驱动器必须提供恒定电流,以不管输入电压或 LED正向电压如何变化都保持一致的亮度,必须以高效率工作,必须提供非常宽的调光比,且必须有各种保护功能以提高系统可靠性。当然,这些LED驱动器电路还必须提供占板面积非常紧凑、扁平和热效率高的解决方案。幸运的是,凌力尔特公司在不断重新定义LED驱动器系列,以用面向显示器应用的LT3760等高亮度LED驱动器IC迎头客服这些苛刻的挑战。此外,凌力尔特公司已经开发出了一个完整、专门针对汽车应用的大电流LED驱动器IC系列,涵盖从LCD 背光照明到转向指示信号灯以及先进的前向照明前灯等各种应用。随着汽车照明系统继续需要更高性能的LED驱动器,设计师们也将有满足需求的IC解决方案。
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