汽車LED驅動器功率轉換拓撲指南

LED不同于傳統的帶有燈絲或氣體成分的電燈。利用特定的半導體結，LED制造商可以生成整個可見光范圍的特定顏色的光，以及紅外線和紫外線。在汽車應用中，LED可以提高白天和夜間駕駛的安全性。效率的提高可以延長電動汽車的電池壽命，而在單個系統中使用多個LED可以避免單一部件的故障問題。

由于其多功能性，LED能夠以多種不同的方式驅動。由于LED的輸出有良好的照明控制，因此LED負載與電力系統的傳統負載不同。LED只靠通過半導體結的精確控制電流來發光，而端口到系統接地（或汽車系統中的底盤）的相對電壓則與此無關。因此，LED系統可以利用開關技術提供的不同拓撲。

如何為汽車LED系統選擇正確的開關拓撲

汽車系統中特定開關拓撲的選擇關系到整個系統設計；應考慮最小輸入電壓、最大串電壓、底盤回路能力、短路輸出能力、最大輸入電流、輸出/LED電流和PWM調光。

降壓(Buck)轉換器

降壓LED驅動器通過高于LED串總電壓的電壓調節LED串中的電流。降壓LED驅動器可以安全地短接至系統接地，確保其本質安全。它們具有底盤回流的能力（一條線用于供電），并且可以輕松適應矩陣或動畫應用。圖1和圖2中的示例原理圖顯示了控制器調節高壓側開關進行電流控制的基本系統圖。

圖1 降壓轉換器

圖2 降壓轉換器示例:ADI LT3932

降壓LED驅動器需要具備幾個關鍵特性：固定頻率操作、通過出色的開關控制和低電阻開關實現高效率、在整個模擬調光范圍內提供高精度，以及為獲得出色的EMI，適當設計擴頻調頻。

表1 使用降壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍

升壓(BOOST)轉換器

升壓LED驅動器通過低于LED串總電壓的電壓調節LED串中的電流。這在很多汽車系統中很有用，其中很多LED都需要在單個串中導通。典型的12V汽車系統的工作電壓范圍為6V至18V，這需要將LED驅動器的電壓降到6V，從而為LED提供較大的升壓比，以保持點亮。圖3和圖4中的示例原理圖顯示了控制器調節低壓側開關進行電流控制的基本系統圖。

圖3 升壓轉換器

圖4 升壓轉換器示例：LT8356-1

表2 使用升壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍

使用升壓轉換器進行升壓-降壓

一些升壓LED驅動器可配置為將LED陰極返回電源。這種配置稱為降壓-升壓?？傒敵鲭妷簽閂IN (VBATTERY)，該電壓加到LED串總電壓中。這種拓撲結構的優點是能夠驅動一個高于、低于或等于電源電壓的LED串。這種拓撲結構的局限性是只受轉換器的限制--低端受控制器IC的最小電源電壓限制，高端受控制器IC的最大輸出電壓限制。

圖5 升壓-降壓轉換器

圖6 升壓-降壓轉換器ADI LT8386

表3 使用升壓-降壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍

使用升壓轉換器的降壓模式

一些升壓LED驅動器可配置為從電源降壓（而不是在標準降壓模式下以地為參考），從而構成降壓模式配置。這種配置與降壓模式具有同樣的局限性，即LED串的總電壓必須低于輸入電源電壓。

圖7 降壓模式轉換器

圖8 降壓模式示例:ADI LT3756-2

表4 使用降壓模式轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍

降壓-升壓轉換器

降壓-升壓LED驅動器通過高于或低于LED串總電壓的電源調節LED電流。該轉換器在降壓模式下調節連接到輸入電壓的高壓側開關，在升壓模式下調節輸出側的低壓側開關。這種拓撲結構最復雜，但也是最靈活的。VIN和VOUT的范圍僅受控制器IC的限制。對于矩陣型應用，這是一種不錯的選擇。

圖9 降壓-升壓轉換器

圖10 降壓升壓示例: LT8391

表5 使用降壓-升壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍

結論

汽車LED照明系統可通過多種不同的方式使用開關穩壓器驅動。根據應用的不同，照明設計人員可通過選擇開關拓撲和配置，針對整個汽車的不同照明要求，設計完整的子系統。顯然，為系統選擇正確的功率轉換開關拓撲和配置，無疑會優化復雜性、效率、EMI和安全性等要求。

關于作者

Josh Caldwell曾在凌力爾特（現在為ADI公司的一部分）工作了10年，目前擔任設計工程部門主管，負責單芯片降壓、升壓和控制器LED驅動器的定義、設計和開發工作。他擁有科羅拉多大學電氣工程學士學位。業余時間，他喜歡騎自行車和繪畫。