車(chē)用LCD面板背光應(yīng)用電源浪涌設(shè)計(jì)考量 - 全文

　　車(chē)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(chē)引擎驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。對(duì)于典型的12V或24V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我們通常看到的電源電壓變化為±30％。因此，汽車(chē)應(yīng)用中的所有電子模組都應(yīng)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(huì)大幅上升。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7637-2中有pulse 2a和pulse 5a規(guī)範(fàn)，并說(shuō)明產(chǎn)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(dāng)一個(gè)負(fù)載突降瞬態(tài)放電的電池被斷開(kāi)而且發(fā)電機(jī)同時(shí)又在利用殘存在其電路的其他負(fù)載產(chǎn)生的充電電流時(shí)，激增發(fā)生并產(chǎn)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(yīng)的參數(shù)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(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)pulse 2a來(lái)說(shuō)只有0.05ms，而對(duì)pulse 5a來(lái)說(shuō)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(guò)高而導(dǎo)致電壓損壞。通常解決浪涌的做法是增加一個(gè)類(lèi)似瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）這種類(lèi)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(hù)選定。不過(guò)，電子模組的設(shè)計(jì)人員總是著眼于可以在寬廣輸入電壓範(fàn)圍工作的應(yīng)用電路，讓單一設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足客戶(hù)的多樣化需求。

　　汽車(chē)背光應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器

　　由于LED具有快速的回應(yīng)時(shí)間、高對(duì)比和低功耗的特點(diǎn)，越來(lái)越多的人採(cǎi)用LED作為汽車(chē)應(yīng)用中LCD面板背光的設(shè)計(jì)。LED一般透過(guò)串聯(lián)連接形成一個(gè)LED串（若是大型面板可用多串LED），因此一個(gè)電流調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)許多LED的電流。LED串所需的驅(qū)動(dòng)電壓通常高于電源電壓（12V或24V系統(tǒng)）。為提高驅(qū)動(dòng)LED串的電源電壓，電流調(diào)節(jié)器通常使用升壓轉(zhuǎn)換器。升壓LED驅(qū)動(dòng)器常見(jiàn)的架構(gòu)包括可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED串的升壓轉(zhuǎn)換器和多通道線性電流調(diào)節(jié)器，如圖2所示。升壓轉(zhuǎn)換器由電感L1、開(kāi)關(guān)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(jīng)VOUT連接至多通道線性電流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器1至n調(diào)節(jié)的，這些調(diào)節(jié)器嵌入在多通道線性電流調(diào)節(jié)器中，VCS1至VCSn代表每個(gè)線性電流調(diào)節(jié)器上的電壓降。

　　電源浪涌條件下的升壓轉(zhuǎn)換器

　　在正常工作情況下，VOUT被調(diào)節(jié)到一個(gè)保證能夠完全開(kāi)啟LED串的值，同時(shí)使VCS1至VCSn是最小值。舉例來(lái)說(shuō)，12個(gè)串聯(lián)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(dá)到39V。因此，對(duì)于12V或24V系統(tǒng)，VOUT高于VIN。但在電源浪涌條件下，當(dāng)VIN顯著上升時(shí)，會(huì)出現(xiàn)VIN高于VOUT的異常情況。升壓轉(zhuǎn)換器的直接反應(yīng)就是停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即停止開(kāi)關(guān)Q1，并使Q1保持關(guān)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(xiàn)短路，所以電流路徑仍然存在（如圖2所示），導(dǎo)致VOUT約等于VIN，PEAK，其中VIN，PEAK是浪涌條件下的箝位峰值電源電壓（取決于外部瞬態(tài)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(kāi)關(guān)Q1（無(wú)論是使用外部開(kāi)關(guān)還是整合在IC中的開(kāi)關(guān)）的汲極電壓應(yīng)高于VIN，PEAK。否則，元件可能會(huì)在浪涌條件下?lián)p壞。 保護(hù)升壓轉(zhuǎn)換器的另一種方法是在電源線路和升壓轉(zhuǎn)換器間插入一個(gè)開(kāi)關(guān)，如果檢測(cè)到浪涌開(kāi)關(guān)就會(huì)關(guān)閉。這種方法的主要缺點(diǎn)是由升壓轉(zhuǎn)換器供電的LED只能在浪涌條件下才能關(guān)閉。因此這種替代方法不適合ISO失效模式嚴(yán)重程度分類(lèi)中的A類(lèi)或B類(lèi)的設(shè)計(jì)，塬因是這兩種分類(lèi)規(guī)定曝露在干擾期間和干擾之后，A類(lèi)要求電子模組的所有功能都能像設(shè)計(jì)的那樣執(zhí)行，而B(niǎo)類(lèi)也要求電子模組的功能在規(guī)定的容許下執(zhí)行。

　　電源浪涌條件下的線性電流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)，所以不會(huì)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(jīng)線性電流調(diào)節(jié)器的電流保持不變，VCS1至VCSn突然上升會(huì)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(diào)節(jié)器的功率損耗程度并可能會(huì)導(dǎo)致徹底損壞。為保護(hù)電路，良好的線性電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)應(yīng)能減少調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果

　　圖3所示為使用升壓轉(zhuǎn)換器和採(cǎi)用德州儀器旗下美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM3492雙通道線性電流調(diào)節(jié)器組成的LED驅(qū)動(dòng)器。該電路可驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED串，每串由12個(gè)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(diào)節(jié)器1的壓降VCS1）接腳的電壓穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)換器停止運(yùn)轉(zhuǎn)（VSW波形中看不到開(kāi)關(guān)），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(dāng)VIN從峰值下降至額定電壓時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器通常不會(huì)很快開(kāi)啟，因此LED電流出現(xiàn)小幅下降。如果VIN，PEAK增加至65V（如圖7所示），VCS1進(jìn)一步上升至27V，但總LED電流被內(nèi)部過(guò)功率保護(hù)電路降至大約200mA（即每個(gè)通道為100mA，而不是150mA），以便保護(hù)線性電流調(diào)節(jié)器。

　　結(jié)論

　　越來(lái)越多人採(cǎi)用LED作為車(chē)用LCD面板背光的設(shè)計(jì)，但在電源浪涌條件下，車(chē)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(guò)瞬態(tài)電壓抑制器等外部元件來(lái)進(jìn)行箝制，而箝位電壓可以由客戶(hù)設(shè)定。電子工程師總是致力于設(shè)計(jì)可在寬廣輸入電壓範(fàn)圍工作的電子模組，從而使單一的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足客戶(hù)的多樣化需求。本文說(shuō)明由升壓轉(zhuǎn)換器和採(cǎi)用LM3492的雙通道線性電流調(diào)節(jié)器組成的LED驅(qū)動(dòng)器。在浪涌條件下，LED串仍然可以工作，這表示該設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足在ISO失效模式嚴(yán)重程度分類(lèi)的A類(lèi)和B類(lèi)規(guī)範(fàn)；同時(shí)說(shuō)明推薦電路在正常運(yùn)行條件和浪涌條件下的波形。