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下一代汽車照明電源

    作者：宏拓新軟件
    發布日期：2008-09-23         
閱讀：45     
 
 
摘要：目前，汽車中大多采用LED和CCFL作為背光源，兩種方案均需要特殊的供電電源。本應用筆記討論了LED、CCFL燈源的供電方案，可理想用于汽車的內部和外部照明。

引言

縱觀整個汽車照明設備的發展歷史，電源始終扮演著重要角色。起初，汽車僅需要前燈，以便在黑暗中看清道路。隨后，為了安全以及更好地協調不斷增長的交通流量，增加了其它光源 — 尾燈、指示燈等。報警和霧燈在極端情況下提供了特殊功能。內部光源，如儀表板、頂燈、地圖燈、開門燈等為駕駛員和乘客提供了便利。除了早期型號，所有這些光源均采用電能供電并且使用白熾燈泡。

最近幾年，其它光源，如發光二極管(LED)以及冷陰極熒光燈(CCFL)逐漸成為汽車的普通光源。這些新光源的關鍵優勢是具有較長的使用壽命和更高效率。白熾燈的典型壽命為10,000小時，而熒光燈可達50,000小時，LED則高達100,000小時。使用壽命的延長提高了可靠性，并減少了維護工作，最終降低了服務成本。LED的其它優點包括低工作電壓、低電磁輻射、抗機械應力強、形狀設計靈活、工作溫度范圍寬以及亮度調節范圍寬。隨著LED技術的發展，用它取代其它的技術趨勢也更加明顯，但是，就目前的應用情況來看，CCFL仍然占據某些應用領域的優勢，如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的場合。

CCFL和LED光源需要適當的供電電源，而且，不同技術具有不同的特殊要求，電源必須提供特別的應用和功能。本文為LED和CCFL光源提供了一些電源解決方案，針對不同的汽車內部和外部照明裝置，討論了具體的設計方法。

應用

內部照明

內部照明應用包括儀表盤和儀表盤背光、頂燈和地圖燈、安裝在門上或車體上的開門燈以及背光。由于背光顯示有特別的要求，將在后面的文章中單獨討論。

所有內部的照明應用都可以使用LED作為光源。地圖燈和頂燈通常使用一個高亮度LED，儀表盤和開門燈通常需要一個以上的LED串聯實現。串行連接有利于避免不同LED的電流(對應顏色)失配。所有應用都需要一個集成了亮度調節功能的恒流源。圖1和2給出了針對內部照明應用進行優化、可提供各種不同功能的電源IC。

圖1. MAX16800調光電路的典型應用。工作于6.5V至40V輸入范圍，能夠為1個或多個串聯的高亮度LED提供高達350mA電流。
圖1. MAX16800調光電路的典型應用。工作于6.5V至40V輸入范圍，能夠為1個或多個串聯的高亮度LED提供高達350mA電流。

MAX16800具有高輸入電壓范圍(達40V)，因此可以直接連接到汽車電池而不需要保護器件，保護器件一般用來抵御電池負載變化帶來的浪涌電壓。該器件能夠為LED提供恒定電流，電流值可以通過與LED串聯的檢流電阻RSENSE設置。為了提高電流設置精度，提高對外部噪聲的抑制能力，MAX16800采用了差分電流檢測輸入方式。

LED的色度隨其電流的變化而改變，因此調整LED亮度的最好方法是通過脈寬調制(PWM)信號對一個固定電流進行斬波實現，而不是改變電流的實際幅度。MAX16800通過在器件的使能輸入引腳作用一個PWM信號來調整LED亮度。通過LED的電流按照PWM信號的頻率開啟和關斷。

電磁干擾(EMI)抑制在汽車應用中非常重要，這一設計要求與不產生EMI同等重要。對LED電流進行通、斷控制時無論如何都會產生EMI輻射。因此，為了降低PWM調光時的EMI，MAX16800集成了波形整形電路，以便平滑開關信號的邊沿。


圖2. MAX16805/MAX16806 LED驅動器無需微控制器或開關轉換器，適用于汽車內部頂燈、地圖燈以及開門指示燈的應用。

很多照明系統中沒有可以利用的微控制器來產生PWM調光信號，對于這種情況，可以采用MAX16805/MAX16806 LED驅動器。這兩款器件均可由內部產生PWM信號，PWM信號由加在DIM輸入引腳的外部模擬電壓設置。不采用模擬調光時，MAX16806有一個開關輸入(SW)，該開關輸入不僅檢測開關狀態，并具有去抖功能，為開關提供濕電流。

在某些照明應用中，必須密切監測LED的溫度，這一點對于空間緊湊，特別是散熱條件較差的系統特別重要。LED過熱會降低LED的使用壽命，從而減弱了該類光源的關鍵優勢之一。幸運的是，通過短時間調低LED亮度，在大多數應用中可以避免過熱現象。為了達到這個目的，MAX16806為外部溫度傳感器提供了一個輸入端。當檢測到過熱時，器件可以調低亮度，直到溫度恢復到可以接受的范圍。溫度和亮度調節門限可以通過串口編程，并存儲到EEPROM。該功能可以省去昂貴的大尺寸散熱器。

MAX16805/MAX16806的內部基準用于監測反饋回路的LED電流，并且可以通過串口調整。因此，實際應用中可以對各路LED使用固定的檢流電阻，簡化了設備生產并降低成本。

背光顯示

現在，液晶顯示器(LCD)被廣泛用于儀表盤、車載計算機、廣播、導航系統以及娛樂系統。與上述例子不同的是：背光照明需要將光散射到盡量大的面積，而不是產生聚焦光束。

圖3. DS3881 CCFL控制器具有EMI抑制功能，能夠在寒冷的氣候中迅速加熱燈管。
圖3. DS3881 CCFL控制器具有EMI抑制功能，能夠在寒冷的氣候中迅速加熱燈管。

傳統上，由于CCFL背光效率高、溫度低并可提供較高的光照功率，LCD屏主要采用CCFL作為背光源。雖然CCFL控制器在汽車電子以外的領域應用非常成功(例如LCD TV或計算機監視器)，但汽車環境下的設計具有特殊的挑戰和需求。

由于基本的CCFL電路中包含有外部晶體管、變壓器和燈管，CCFL架構存在EMI輻射源。圖3給出了利用DS3881CCFL控制器構建的CCFL燈管電源電路，該設計優化于汽車應用環境。DS3881利用擴展頻譜和頻率偏移技術大大降低了EMI輻射，并把噪聲頻譜搬移到系統不敏感的頻段，從而克服了EMI輻射這一難題。

汽車電子的另一特殊要求是低溫工作，DS3881具有一個特別的燈管電流過驅動模式，當溫度很低時，該模式可以迅速加熱燈管，從而實現快速啟動。該器件還具有多種故障檢測，可以監測燈管故障、燈管開路、過流、啟動失效以及過壓故障。

由于DS3881具有極高的集成度，只需極少的外部元件，大大降低了物料(BOM)成本并有助于簡化設計。多個DS3881控制器可以級聯使用，支持多燈管的大顯示屏設計。所有的 性能和功能均可通過引腳或串口設置，并且可以將設置存儲到內部非易失存儲器中。

對于小尺寸顯示屏，可以選擇LED陣列用于CCFL背光。多串LED面臨獨特的設計挑戰，特別是需要在整個區域提供均勻的亮度和色彩。圖4給出了一個特殊的基于LED的LCD背光電路。

圖4. MAX16807/MAX16808 LED驅動器包含8路漏極開路、固定灌電流LED驅動輸出，可連續工作在36V額定電壓。LED電流控制電路可使不同通道間的電流匹配度達到+/-3%，并使LED驅動電流達到55mA。
圖4. MAX16807/MAX16808 LED驅動器包含8路漏極開路、固定灌電流LED驅動輸出，可連續工作在36V額定電壓。LED電流控制電路可使不同通道間的電流匹配度達到±3%，并使LED驅動電流達到55mA。

MAX16807/MAX16808可以工作在buck、boost或SEPIC模式，具體取決于輸入電壓范圍以及每個輸出通道的LED數量。增加一個外部電阻和一個齊納二極管可以進行拋負載測試。雖然各個通道的電流都由一個電阻設置，但每串通道的電流可以獨立調整。在不增加任何外圍元件的情況下，該架構可以保證每通道之間的電流匹配度優于3％。對于不同批次，每通道可以分別調節匹配度，也可以通過使能引腳統一調節各個通道。采用50Hz至30kHz的調節頻率，可以實現5000:1的調光范圍。為了在黑暗中以及陽光直射的情況下均可見顯示器內容，汽車電子所要求的調光比較高。當亮度調節信號的開關頻率范圍為20kHz至1MHz時，可以避開干擾其它設備(如收音機)的頻段。MAX16808集成了LED開路檢測功能，這些控制器也可級聯起來構成的大型LED陣列驅動電路。

外部照明

外部照明系統對安全性提出了新的要求，需要更大的照明功率。外部照明，如尾燈、指示燈或緊急事件報警燈(以及霧燈)必須確保在任何情況下有效工作，以避免嚴重的安全隱患。


需要較高照明功率的場合，如泛光燈或霧燈，必須使用超高亮度LED (HBLED)。HBLED需要較高的驅動電流，前面討論的產品無法提供低成本設計，需要過多的驅動芯片產生所需的電流。最好采用能驅動大電流功率管的控制器，大電流功率管可以為HBLED提供高達30A的電流，MAX16818可以滿足這種設計要求(圖5)。

圖5. MAX16818 LED驅動器采用經過優化平均電流控制模式，能夠更好地利用MOSFET的電荷、導通電阻特性，無需外部散熱器即可提供高達30A的LED電流驅動。
圖5. MAX16818 LED驅動器采用經過優化平均電流控制模式，能夠更好地利用MOSFET的電荷、導通電阻特性，無需外部散熱器即可提供高達30A的LED電流驅動。

MAX16818可以構成buck、boost以及SEPIC架構，高達1.5MHz的工作頻率允許使用小尺寸外部元件。外部照明應用通常需要迅速開啟或瞬間切換亮度，為達這一目的，MAX16818是首款采用Maxim專利技術的LED驅動器，利用專有技術能夠使LED的瞬態電流響應達20A/µs。需要更高電流輸出或冗余設計時，MAX16818含有一個180°延遲時鐘輸出，可以用來控制第二個LED驅動器。

結論

Maxim擴充了其開關模式和線性模式電源調節器，能夠覆蓋當前汽車照明領域的所有應用。我們不斷增長的電源產品線能夠為汽車照明設計人員和供應商提供完備的、長期的產品選擇，滿足他們的各種需求。

本文討論的解決方案非常適合汽車常見照明設計，提供短路檢測輸出、熱關斷，并可工作在-40°C至+125°C溫度范圍。Maxim采用小尺寸、增強散熱效果的QFN或TSSOP封裝，能夠方便地放置在空間緊湊的汽車照明模塊中。
 

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