HB LED驅(qū)動(dòng)汽車照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

背景信息

盡管 LED 用在很多汽車照明應(yīng)用中已經(jīng)有幾年，例如白天行車燈 (DRL)、剎車燈、轉(zhuǎn)向指示信號(hào)燈和內(nèi)部照明，但是特定于前燈的應(yīng)用依然相對(duì)較新。目前，僅少數(shù)量產(chǎn)車具備 LED 前燈，包括本田雅閣、謳歌 RLX 和 MDX、奧迪 A8 和 R8、雷克薩斯 LS600h 和 RX450h、豐田普銳斯、凱迪拉克的凱雷德以及保時(shí)捷卡宴。更多汽車平臺(tái)已經(jīng)采用了 DRL，而且其形狀常常隨不同汽車品牌而不同。一些行業(yè)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，到 2014 年，LED DRL / 前燈市場(chǎng)將超過 40 億美元，而且由于此后該市場(chǎng)繼續(xù)快速增長，預(yù)計(jì)到 2015 年將超過 80 億美元。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，怎樣最充分地利用最新一代高亮度 (HB) LED 的所有優(yōu)點(diǎn)。HB LED 需要一個(gè)準(zhǔn)確、高效率、能夠調(diào)光的 DC 電流源，而且必須包括保護(hù)功能。此外，這類 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 還必須設(shè)計(jì)為，能夠在各種環(huán)境和電氣條件下滿足這些要求。因此，電源解決方案必須效率非常高、噪聲很低、功能強(qiáng)大且可靠性高，同時(shí)還要緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。可以說，就驅(qū)動(dòng) HB LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用是汽車前向照明應(yīng)用，即 DRL 和前燈應(yīng)用，因?yàn)檫@兩種應(yīng)用處于最嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境中，必須提供很大的功率，一般在 15W 至 75W 之間，而且必須放入空間非常受限的外殼中，滿足所有這一切要求的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

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設(shè)計(jì)參數(shù)

汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器必須緊湊、高效率，且支持無閃爍 PWM 調(diào)光。這些驅(qū)動(dòng)器不能在 AM 收音機(jī)頻段及該頻段周圍產(chǎn)生很大的傳導(dǎo) EMI。不幸的是，大功率開關(guān)模式電源本質(zhì)上不是低 EMI 的，恒定開關(guān)頻率在一些頻點(diǎn)上產(chǎn)生極大的 EMI 分量，包括電源的基本工作頻率及其諧波。但這些不好的東西總會(huì)落入 AM 頻段。

最大限度地減小 EMI 峰值的一種方法是，通過采用擴(kuò)展頻譜切換，允許開關(guān)模式電源 (SMPS) 的工作頻率覆蓋一系列頻率值。希望擴(kuò)展頻譜切換起到的作用是，壓低可能出現(xiàn)在 SMPS 基本工作頻率及其諧波上的 EMI 峰值，將 EMI 能量擴(kuò)展到一系列頻率范圍上。

LED 驅(qū)動(dòng)器 SPMS 有一個(gè)額外的要求：頻率擴(kuò)展還要與 PWM 調(diào)光 (亮度控制) 信號(hào)頻率同步，以確保不產(chǎn)生 LED 閃爍。

為了解決這個(gè)問題，LT3795 自己產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號(hào)，并運(yùn)用一項(xiàng)正在申請(qǐng)專利的技術(shù)，讓該信號(hào)與較低頻率的 PWM 調(diào)光輸入取得頻率一致。這樣一來，甚至在最高 PWM 調(diào)光比時(shí)，也能消除擴(kuò)展頻譜信號(hào)與 PWM 信號(hào)相結(jié)合以使 LED 產(chǎn)生可見閃爍的可能性。

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大功率汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器

LT3795 是一款大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器，采用與 LT3756 / LT3796 系列同樣的高性能 PWM 調(diào)光方法，但增加了內(nèi)部產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號(hào)的功能，以降低 EMI。LT3795 是一款單開關(guān)控制器 IC，輸入范圍為 4.5V 至 110V，輸出范圍為 0V 至 110V，可配置為升壓模式、SEPIC、降壓-升壓模式或降壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器。該器件具備 100kHz 至 1MHz 開關(guān)頻率范圍、LED 開路保護(hù)和短路保護(hù)，還可以作為具備電流限制的恒定電壓穩(wěn)壓器工作，或者作為恒定電流 SLA 電池或超級(jí)電容器充電器使用。

LT3795 自己產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號(hào)，并運(yùn)用正在申請(qǐng)專利的技術(shù)，使該信號(hào)與較低頻率 PWM 調(diào)光輸入取得頻率一致。這樣一來，即使在最高 PWM 調(diào)光比時(shí)，擴(kuò)展頻譜信號(hào)也不可能與 PWM 信號(hào)相結(jié)合、使 LED 產(chǎn)生可見閃爍了。

圖 1 所示是效率高達(dá) 92%、80V、400mA、300kHz 至 450kHz 汽車 LED 前燈驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具備擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制和短路保護(hù)。DRL 應(yīng)用看起來幾乎是相同的，但是最大 LED 電流要求接近 200mA。

圖 1：80V、400mA 汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器具備內(nèi)部擴(kuò)展頻譜功能以降低 EMI

內(nèi)部擴(kuò)展頻譜可減輕 EMI 問題

與很多大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器不同，LT3795 自己產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜斜坡信號(hào)，以產(chǎn)生比所設(shè)定開關(guān)頻率低 30% 的開關(guān)頻率調(diào)制。這降低了其傳導(dǎo)的 EMI 峰值，減少了對(duì)昂貴和笨重的 EMI 輸入濾波電容器和電感器的需求。

運(yùn)用內(nèi)部或單獨(dú)的擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘產(chǎn)生 LED 驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，可能在 PWM 調(diào)光時(shí)產(chǎn)生可見閃爍，因?yàn)閿U(kuò)展頻譜頻率變化與 PWM 周期是不同步的。由于這個(gè)原因，在很多高端 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻譜并非微不足道的任務(wù)。如果沒有擴(kuò)展頻譜，設(shè)計(jì)師就必須依靠笨重的 EMI 濾波器、采用降低開關(guān)邊沿的柵極電阻 (這會(huì)降低效率) 以及在開關(guān)及箝位二極管上安裝減震器。