利用高功率Buck LED控制器實現(xiàn)優(yōu)異的汽車外部照明

作者　Nazzareno (Reno) Rossetti Yin Wu Maxim公司

　　Nazzareno (Reno) Rossetti，電氣工程博士，經(jīng)驗豐富的模擬和電源管理專家;Yin Wu，MBA，電子工程碩士，半導體業(yè)務專家。

摘要：介紹了利用高功率Buck LED控制器實現(xiàn)優(yōu)異的汽車外部照明方案。

0 引言

　　得益于優(yōu)異的照明特性和效率，高功率LED在汽車外部照明設計中越來越流行。支持LED的電子器件必須快速、高效、高精度，以控制照明強度、方向和聚焦。這些器件必須支持較寬的輸入電壓范圍，且能夠在汽車無線電的AM頻段范圍之外工作，以避免電磁干擾(EMI)。電子器件還必須支持LED矩陣中要求的復雜照明模式，以支持自適應前燈照明系統(tǒng)。本文回顧典型的LED電源管理方案，并介紹支持快速、高效、高精度LED照明方案的創(chuàng)新buck控制器IC。

1 LED在汽車外部照明中的應用

　　由于相對于傳統(tǒng)技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，LED正在汽車行業(yè)掀起一場風暴。LED前燈中的白光具有優(yōu)異的清晰度，從而減少駕駛員反應時間。自適應前燈照明系統(tǒng)(AFS)由LED矩陣支持，能夠產(chǎn)生快速、復雜的照明模式變化，提高駕駛員在不良照明條件下的能見度。夜間，AFS能夠根據(jù)對向車輛的射束，自動調(diào)節(jié)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，所以基于LED的制動燈點亮更快，提前警示駕駛員，提高道路安全。最后，與相當?shù)陌谉霟粝啾龋琇ED功耗更低，所以在耗能方面擁有明顯優(yōu)勢。LED控制器是負責操作LED的電子器件，在保持和增強LED固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。

2 LED供電

　　LED在汽車領(lǐng)域應用廣泛，被廣泛用于從單顆LED到LED燈串和矩陣的各種配置之中。為了實現(xiàn)最優(yōu)性能，高亮度(HB)LED要求恒流。電流與結(jié)溫及顏色有關(guān)。所以HB LED必須由電流而非電壓驅(qū)動。支持長燈串的電源可以從12 V汽車電池到高達60 V升壓轉(zhuǎn)換器的任何電源。采用啟/停技術(shù)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12 V以下，甚至6 V或更低。

3 調(diào)光

　　調(diào)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(diào)暗至50%時，人眼幾乎覺察不到。為保證清晰辨別，必須調(diào)暗至1%或更低。明白了這一點，就不會奇怪調(diào)光比為什么高達1000:1或更高。由于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制。

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

　　采用PWM調(diào)光時，限制LED最小“開/關(guān)”時間的因素是開關(guān)穩(wěn)壓器電感中電流上升/下降的時間。這可能造成數(shù)十微妙的響應時間，對于依賴于快速、復雜調(diào)光方法的LED前燈組來說，這一時間太慢了。此時實現(xiàn)調(diào)光的唯一方法是采用專用的MOSFET開關(guān)(圖2中的SW1-K)對燈串中的每一顆LED進行獨立開/關(guān)。對電流控制環(huán)路的挑戰(zhàn)是能夠足夠快的從輸出電壓瞬態(tài)變化中恢復，這一瞬態(tài)變化由二極管投切引起。

4 LED控制器特性

　　為達到最優(yōu)效果，LED控制器必須支持較寬的輸入電壓范圍，且具有如上文所述的快速瞬態(tài)響應。為降低射頻干擾以及滿足EMI標準，要求較高、受控良好的開關(guān)頻率，且位于AM頻帶范圍之外。最后，高效率能夠減少發(fā)熱，提高LED照明系統(tǒng)的可靠性。

5 前燈系統(tǒng)

　　精良的前燈系統(tǒng)采用升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定、足夠高的輸出電壓(圖2)。專用的降壓轉(zhuǎn)換器使用該穩(wěn)定電壓作為輸入，允許每個降壓轉(zhuǎn)換器控制單一功能，例如遠光、近光、霧燈、日間行車燈(DRL)、方向等，從而克服控制照明亮度和方向的復雜性。

　　該應用中，每個buck轉(zhuǎn)換器的主控制環(huán)路設置其LED燈串中的電流，兩個輔助環(huán)路實施過壓和過流保護。

6 典型高功率Buck LED驅(qū)動器方案

　　典型的buck LED驅(qū)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;并采用非同步結(jié)構(gòu)，肖特基二極管D用于電流回流。這兩者都是效率不高的因素。

7 典型瞬態(tài)響應

　　圖4所示為典型方案在瞬態(tài)響應方面的另一個缺點。本項測試的12顆LED組成的燈串中，上電二極管的數(shù)量從8個激增至12個。致使輸出電壓階躍產(chǎn)生電流和電壓波動，需要數(shù)十微妙的時間才能熄滅。高調(diào)光比PWM調(diào)光電路只在初始幾微妙內(nèi)將對該電流進行采樣，此時幅值正在下降，造成調(diào)光亮度和顏色不正確。

8 同步高功率Buck LED驅(qū)動器方案

　　理想的方案應滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應、高且控制良好的開關(guān)頻率等要求，同時通過同步整流支持高效率。MAX20078 LED控制器支持這樣的方案(圖5)。

　　MAX20078 LED控制器采用專有的平均電流模式控制方法，在調(diào)節(jié)電感電流的同時保持開關(guān)頻率接近恒定。器件工作在4.5 V至65 V寬輸入電壓范圍，開關(guān)頻率高達1 MHz，同時支持模擬和PWM調(diào)光功能。器件采用節(jié)省空間(3 mm x 3 mm)的16引腳TQFN封裝(普通或SW)或16引腳TSSOP封裝。

9 高效

　　圖6所示為基于MAX20078的LED驅(qū)動器的效率與電源電壓的關(guān)系。兩個107 m?同步整流MOSFET晶體管保證了整個寬輸入電壓范圍內(nèi)都具有高效率。

10 高精度光強控制

　　與圖4所示的例子相比，MAX20078的專有架構(gòu)提供幾乎無誤差的瞬態(tài)響應。圖7中，二極管的數(shù)量從8個增加到12個，輸出電壓或電流未發(fā)生任何明顯波動。

11 高工作頻率

　　MAX20078的導通時間可編程，開關(guān)頻率范圍為100 kHz至高達1 MHz。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(guān)頻率幾乎是恒定的。MAX20078具有較高且控制良好的開關(guān)頻率，且在AM頻帶范圍之外，很容易設置。在降低射頻干擾的同時，擴頻特性滿足EMI標準。

12 結(jié)論

　　本文回顧了復雜LED照明系統(tǒng)供電中存在的諸多挑戰(zhàn)，以及最優(yōu)化LED系統(tǒng)性能的要求，介紹了MAX20078如何通過創(chuàng)新的LED控制器架構(gòu)來克服這些挑戰(zhàn)，提供高精度平均電流控制、AM頻帶范圍之外的高工作頻率、支持高調(diào)光精度的良好瞬態(tài)響應，以及高效率，最大程度降低功耗。這些特性支持優(yōu)異的汽車外部照明，且效率更高，支持復雜的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。