車用LCD面板背光應用電源浪涌設計考量

　　車用的DC電源由電源線提供，這條電源線連接了所有基于線路供電的電子模組、電池，以及由汽車引擎驅動的發電機。對于典型的12V或24V系統來說，我們通常看到的電源電壓變化為±30％。因此，汽車應用中的所有電子模組都應該特別注意輸入電壓的變化。但是在電源浪涌期間，電源電壓會大幅上升。在國際標準ISO7637-2中有pulse 2a和pulse 5a規範，并說明產生浪涌的一些塬因，pulse 2a所定義的浪涌是由線路和線束供電的電子模組中突然中斷的電感電流所引起。pulse 5a所定義的浪涌是由以下情況所引起：當一個負載突降瞬態放電的電池被斷開而且發電機同時又在利用殘存在其電路的其他負載產生的充電電流時，激增發生并產生浪涌。

　　描述上述浪涌的典型電源電壓曲線如圖1所示，相應的參數列于表1。由圖中可看出最大電源電壓可能是額定電壓的5至7倍。雖然浪涌的持續時間不長，對pulse 2a來說只有0.05ms，而對pulse 5a來說只有幾百毫秒，但直接連接到電源線的電子模組都可能由于浪涌過高而導致電壓損壞。通常解決浪涌的做法是增加一個類似瞬態電壓抑制器（TVS）這種類型的外部元件，它可以在電源浪涌期間箝制峰值電源電壓。箝制電壓的值可由客戶選定。不過，電子模組的設計人員總是著眼于可以在寬廣輸入電壓範圍工作的應用電路，讓單一設計可以滿足客戶的多樣化需求。

　　汽車背光應用的LED驅動器

　　由于LED具有快速的回應時間、高對比和低功耗的特點，越來越多的人採用LED作為汽車應用中LCD面板背光的設計。LED一般透過串聯連接形成一個LED串（若是大型面板可用多串LED），因此一個電流調節器可以調節許多LED的電流。LED串所需的驅動電壓通常高于電源電壓（12V或24V系統）。為提高驅動LED串的電源電壓，電流調節器通常使用升壓轉換器。升壓LED驅動器常見的架構包括可以驅動多個LED串的升壓轉換器和多通道線性電流調節器，如圖2所示。升壓轉換器由電感L1、開關Q1、升壓二極體D1和輸出電容COUT組成。VIN和VOUT分別為輸入和輸出電壓。LED燈串1到n經VOUT連接至多通道線性電流調節器，其正向電壓表示為VLED1至VLEDn。每串LED的電流是由線性電流調節器1至n調節的，這些調節器嵌入在多通道線性電流調節器中，VCS1至VCSn代表每個線性電流調節器上的電壓降。

　　電源浪涌條件下的升壓轉換器

　　在正常工作情況下，VOUT被調節到一個保證能夠完全開啟LED串的值，同時使VCS1至VCSn是最小值。舉例來說，12個串聯LED的LED串的順向電壓（VLED1至VLEDn）是38V，如果VCS1至VCSn的典型電壓為1V，VOUT可能達到39V。因此，對于12V或24V系統，VOUT高于VIN。但在電源浪涌條件下，當VIN顯著上升時，會出現VIN高于VOUT的異常情況。升壓轉換器的直接反應就是停止運轉，即停止開關Q1，并使Q1保持關閉。但是在這種情況下升壓二極體D1被正向偏置，電感L1出現短路，所以電流路徑仍然存在（如圖2所示），導致VOUT約等于VIN，PEAK，其中VIN，PEAK是浪　　電源浪涌條件下的線性電流調節器

　　在電源浪涌條件下，VOUT可能上升到VIN，PEAK，但由于存在LED電流，每串LED（VLED1至VLEDn）的順向電壓保持不變，它仍然是由線性電流調節器來調節，所以不會受到影響。因此，VCS1至VCSn顯著增加。例如在正常工作條件下，可使VLED1和VCS1分別為38V和1V。如果在浪涌條件下VIN，PEAK為48V，VCS1可能為10V，這是正常情況的10倍。由于流經線性電流調節器的電流保持不變，VCS1至VCSn突然上升會大幅增加功率損耗。如果VIN，PEAK較大或VLED1至VLEDn較小，VCS1至VCSn則更大。這增加了線性電流調節器的功率損耗程度并可能會導致徹底損壞。為保護電路，良好的線性電流調節器設計應能減少調節電流，以限制浪涌條件下的功率損耗程度。

　　建議使用的電路設計和測量結果

　　圖3所示為使用升壓轉換器和採用德州儀器旗下美國國家半導體LM3492雙通道線性電流調節器組成的LED驅動器。該電路可驅動2個LED串，每串由12個150mA的LED組成，LED串的額定順向電壓為38V。圖4和圖5所示分別為在12V和24V正常輸入電壓下LM3492的SW、IOUT1（即線性電流調節器1的壓降VCS1）接腳的電壓穩態波形，以及總LED電流（ILED1+ILED2）。由此可以看出在正常條件下，VCS1低于1V。在VIN，PEAK為50V（圖6）的浪涌條件下，升壓轉換器停止運轉（VSW波形中看不到開關），總LED電流保持不變，但VCS1上升到約9V，這表示功率損耗為9倍以上。當VIN從峰值　結論

　　越來越多人採用LED作為車用LCD面板背光的設計，但在電源浪涌條件下，車用電子模組可能要承受高出額定值5至7倍的輸入電壓。浪涌電壓可透過瞬態電壓抑制器等外部元件來進行箝制，而箝位電壓可以由客戶設定。電子工程師總是致力于設計可在寬廣輸入電壓範圍工作的電子模組，從而使單一的設計能夠滿足客戶的多樣化需求。本文說明由升壓轉換器和採用LM3492的雙通道線性電流調節器組成的LED驅動器。在浪涌條件下，LED串仍然可以工作，這表示該設計能夠滿足在ISO失效模式嚴重程度分類的A類和B類規範；同時說明推薦電路在正常運行條件和浪涌條件下的波形。下降至額定電壓時，升壓轉換器通常不會很快開啟，因此LED電流出現小幅下降。如果VIN，PEAK增加至65V（如圖7所示），VCS1進一步上升至27V，但總LED電流被內部過功率保護電路降至大約200mA（即每個通道為100mA，而不是150mA），以便保護線性電流調節器。

涌條件下的箝位峰值電源電壓（取決于外部瞬態電壓抑制器）。我們必須注意的是，升壓控制器IC的最大電壓和開關Q1（無論是使用外部開關還是整合在IC中的開關）的汲極電壓應高于VIN，PEAK。否則，元件可能會在浪涌條件下損壞。 保護升壓轉換器的另一種方法是在電源線路和升壓轉換器間插入一個開關，如果檢測到浪涌開關就會關閉。這種方法的主要缺點是由升壓轉換器供電的LED只能在浪涌條件下才能關閉。因此這種替代方法不適合ISO失效模式嚴重程度分類中的A類或B類的設計，塬因是這兩種分類規定曝露在干擾期間和干擾之后，A類要求電子模組的所有功能都能像設計的那樣執行，而B類也要求電子模組的功能在規定的容許下執行。