深度解析典型高功率 Buck LED 驅(qū)動器方案

作者：Nazzareno（Rossrtti），Yin Wu

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(shè)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(fù)雜照明模式，以支持自適應(yīng)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。

LED 在汽車外部照明中的應(yīng)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(fēng)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(yīng)時間。自適應(yīng)前燈照明系統(tǒng)(AFS)由 LED 矩陣支持，能夠產(chǎn)生快速、復(fù)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(dāng)?shù)陌谉霟粝啾?，LED 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(zé)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。

LED 供電

LED 在汽車領(lǐng)域應(yīng)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是從 12V 汽車電池到高達 60V 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 12V 以下，甚至 6V 或更低。

調(diào)光

調(diào)光是許多汽車應(yīng)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(dāng)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 200Hz。

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(yīng)時間，對于依賴于快速、復(fù)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(fù)，這一瞬態(tài)變化由二極管投切引起。

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(yīng)。為降低射頻干擾以及滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，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。

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(fù)雜性。

該應(yīng)用中，每個 buck 轉(zhuǎn)換器的主控制環(huán)路設(shè)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。

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。

圖 2. 高級 LED 照明系統(tǒng)

圖 3. 典型非同步 Buck LED 驅(qū)動器

典型瞬態(tài)響應(yīng)

圖 4 所示為典型方案在瞬態(tài)響應(yīng)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。

同步高功率 Buck LED 驅(qū)動器方案

理想的方案應(yīng)滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)、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)。

圖 4. 帶有滯回 Buck 的典型瞬態(tài)響應(yīng)

圖 5. 同步高功率 Buck LED 驅(qū)動器

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 4.5V 至 65V 寬輸入電壓范圍，開關(guān)頻率高達 1MHz，同時支持模擬和 PWM 調(diào)光功能。器件采用節(jié)省空間(3mm x 3mm)的 16 引腳 TQFN 封裝(普通或 SW)或 16 引腳 TSSOP 封裝。

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 107m?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。

圖 6.MAX20078 方案效率與電源電壓的關(guān)系

圖 7.MAX20078 瞬態(tài)響應(yīng)

高工作頻率

MAX20078 的導(dǎo)通時間可編程，開關(guān)頻率范圍為 100kHz 至高達 1MHz。器件的導(dǎo)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(shè)置。在降低射頻干擾的同時，擴頻特性滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

我們回顧了復(fù)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。我們介紹了 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(yīng)，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(fù)雜的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。

編輯：hfy