中心議題：
- 適合低電流LED應(yīng)用的CCR
- 針對(duì)背光、內(nèi)部照明控制及尾燈等應(yīng)用的線性LED驅(qū)動(dòng)器
- 用于內(nèi)部照明、停車等、霧燈等的LED開關(guān)驅(qū)動(dòng)器
- 針對(duì)前照燈及組合尾燈等應(yīng)用的高集成度照明管理IC
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隨著LED性能不斷提升及成本不斷下降，在汽車內(nèi)部及外部照明中的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越寬。不同應(yīng)用對(duì)LED電流的要求又各不相同，故需要結(jié)合具體應(yīng)用要求，選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器方案，如線性恒流穩(wěn)流器、線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等。本文介紹幾種應(yīng)用比較廣泛的LED驅(qū)動(dòng)器及具體方案，供設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行汽車照明設(shè)計(jì)時(shí)參考。
LED驅(qū)動(dòng)方案的一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時(shí)，所選方案必須易用及足夠強(qiáng)固，從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴(yán)格環(huán)境。汽車應(yīng)用中的典型LED驅(qū)動(dòng)器方案包括電阻、線性LED驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器及創(chuàng)新的照明管理LED驅(qū)動(dòng)器等。一般而言，根據(jù)應(yīng)用中LED電流大小的不同，在20到200 mA的低電流應(yīng)用中，可以選用分立元件(即電阻)或線性驅(qū)動(dòng)方案；在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中，可以選用線性或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案；而在大于500 mA的大電流應(yīng)用中，一般選擇開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案。除了這些常見的LED驅(qū)動(dòng)器方案，還可以使用安森美半導(dǎo)體的高集成LED照明管理集成電路(IC)。這些照明管理集成了多種LED驅(qū)動(dòng)及控制功能，相當(dāng)于一個(gè)完整子系統(tǒng)，能夠承受高達(dá)125℃的環(huán)境溫度，用于汽車前照燈、組合尾燈及最新的高級(jí)前照燈系統(tǒng)(AFS)等應(yīng)用。
LED驅(qū)動(dòng)器在汽車中的典型應(yīng)用及應(yīng)用特征如圖1所示。
圖1 LED驅(qū)動(dòng)器在汽車中的典型應(yīng)用及應(yīng)用特征
適合低電流LED應(yīng)用的CCR
CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動(dòng)器或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的方案，適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR廉價(jià)并強(qiáng)固，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在輸入電壓較高時(shí)保護(hù)LED免受過(guò)驅(qū)動(dòng)，且在低電池電壓條件下仍提供較高亮度。這種方案能夠減少或消除LED篩選產(chǎn)生的庫(kù)存，使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達(dá)50 V，能夠承受電池負(fù)載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝，能在嚴(yán)格熱環(huán)境下工作(125℃)，負(fù)溫度系數(shù)特性在高環(huán)境溫度條件下保護(hù)器件本身及LED。此外，CCR不產(chǎn)生電磁干擾，易于設(shè)計(jì)。
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適合低電流LED應(yīng)用的CCR，可以采用安森美半導(dǎo)體運(yùn)用專利自偏置晶體管(SBT)技術(shù)開發(fā)出來(lái)得NSI45系列。這系列CCR包含雙端固定輸出和三端可調(diào)節(jié)輸出兩種類型，電流等級(jí)涵蓋10至180 mA，雙端及三端CCR電路圖如圖2所示。其中三端可調(diào)節(jié)輸出CCR包括電流30至80 mA(SOT-223)及60至150 mA(DPAK)等不同選擇，能夠用于滿足特定電流設(shè)置要求。
圖2：雙端及三端CCR電路圖
CCR適合高邊(High-side)及低邊(Low-side)應(yīng)用；既能用單個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)1串或多串LED，也能并聯(lián)多個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)一串或多串LED。 CCR汽車中央高位停車燈應(yīng)用電路如圖3所示。
圖3：CCR汽車中央高位停車燈(CHMSL)應(yīng)用電路圖
針對(duì)背光、內(nèi)部照明控制及尾燈等應(yīng)用的線性LED驅(qū)動(dòng)器
線性穩(wěn)壓器支持多條線路并行配置以擴(kuò)散熱耗散，提供達(dá)±2%的穩(wěn)流精度，無(wú)電磁干擾(EMI)問(wèn)題，成本中等，但能效也較低。而憑借高能效及靈活等優(yōu)勢(shì)，開關(guān)穩(wěn)壓器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復(fù)雜，但也提供顯著優(yōu)勢(shì)，如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據(jù)輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動(dòng)器不同，它們對(duì)EMI很敏感，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)需要注意的設(shè)計(jì)約束。
線性驅(qū)動(dòng)器方案的典型產(chǎn)品有安森美半導(dǎo)體的NUD4001及NUD4011線性LED驅(qū)動(dòng)器等。NUD4001及NUD4011的額定輸入電壓范圍分別為6至30 V和48至200 V，額定輸出電流分別為高達(dá)500 mA和高達(dá)70 mA，在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域包括尾燈、方向燈、剎車燈及車頂燈等。這兩款器件的設(shè)計(jì)均用于在交流-直流應(yīng)用中替代分立方案，設(shè)計(jì)人員能夠利用外部電阻針對(duì)不同LED陣列設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應(yīng)用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖4顯示的是NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用。
圖4：NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用示例[page]
而在要求驅(qū)動(dòng)大電流的高亮度LED汽車照明應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4101高亮度線性LED驅(qū)動(dòng)器。CAT4101能驅(qū)動(dòng)一串電流高達(dá)1 A的高亮度LED，且滿載時(shí)的壓降僅為極低的0.5 V。這種簡(jiǎn)單方案不要求電感，消除開關(guān)噪聲，將元件數(shù)量減至最少，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，典型應(yīng)用電路如圖5所示。
圖5：CAT4101的典型應(yīng)用電路圖
用于內(nèi)部照明、停車等、霧燈等的LED開關(guān)驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)LED的開關(guān)穩(wěn)壓器的能效一般介于50%至90%之間，涉及降壓、升壓及降壓-升壓等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，講究EMI控制方法，主要用于汽車內(nèi)部照明、停車燈、霧燈、日間行車燈及側(cè)面標(biāo)志燈等應(yīng)用。
升壓型的LED開關(guān)驅(qū)動(dòng)器可以使用NCV8871。NCV8871是一款帶多功能啟用(Enable)/同步(SYNC)引腳、能以外部時(shí)鐘同步的升壓控制器，用于驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET。這器件可在3.5 V至 40 V的寬電池電壓范圍條件下工作，專門用于-40℃至150℃結(jié)溫，在工作溫度條件下提供±2.0%的輸出電壓精度，并提供低關(guān)閉電流(典型值小于10 μA)，幫助降低電能消耗。
在降壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方面，包括NCV8842、NCV8843及NCV51411等產(chǎn)品，適合于車身/遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)等應(yīng)用。NCV8842/3是帶同步功能的1.5 A、170/340 kHz降壓驅(qū)動(dòng)器，支持4.5 V至40 V輸入電壓，而輸出電壓可從1.27 V開始編程設(shè)定。同步引腳功能用于改善EMI性能。
圖6： 基于NCV8842轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路[page]
NCV5141x(如NCV51411及NCV51413)是CS5141x針對(duì)汽車應(yīng)用的版本，提供高能效，在9到15 V輸入電壓條件下，以700 mA電流驅(qū)動(dòng)2顆正向壓降為3.5 V LED的能效基本高于85%。另一款支持4.5至45 V輸入電壓的汽車級(jí)同步降壓控制器甚至在寬負(fù)載電流條件下提供高于93%的能效，且在休眠模式下的最大靜態(tài)電流僅為1 μA。 基于CS51411/3的260/520KHz集成PWM降壓轉(zhuǎn)換器如圖7所示。
圖7：基于CS51411/3的260/520KHz集成PWM降壓轉(zhuǎn)換器
此外，用于汽車LED照明的多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，還有NCV33063AV、NCV3065及NCV3163等。其中，NCV33063AV和NCV3065均支持最大1.5 A電流，能夠配置為降壓、升壓、SEPIC或降壓-升壓等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合汽車內(nèi)部照明應(yīng)用。NCV3065亦可用于內(nèi)部照明，針對(duì)的是對(duì)成本非常敏感的應(yīng)用，如果要求更高電流，還能配置為控制器。NCV3163則是一款最大電流3.4 A的單片開關(guān)穩(wěn)壓器，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠以最小數(shù)量的外部元件應(yīng)用降壓、升壓或降壓-升壓(電壓反轉(zhuǎn))拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
針對(duì)前照燈及組合尾燈等應(yīng)用的高集成度照明管理IC
汽車的前照燈包括不同細(xì)分領(lǐng)域，如日間行車燈(DRL)、近光及遠(yuǎn)光燈、信號(hào)燈和霧燈等。前照燈中最早應(yīng)用LED的是日前行車燈。而隨著高亮度LED的成本持續(xù)降低及性能持續(xù)提升，越來(lái)越多的新車設(shè)計(jì)正更廣泛地將LED用于其它前照燈領(lǐng)域，如近光及遠(yuǎn)光燈、信號(hào)燈及霧燈等，甚至利用LED提供光束整形、路面聚光(motorway spot)等新興功能。
一般而言，汽車前照燈要求支持從單個(gè)LED到多串LED，電壓可高達(dá)60 V；此外，還要求支持脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光(如用于示廓燈)、高集成度、高能效、LED串低電磁輻射、集成診斷及通信接口等。安森美半導(dǎo)體針對(duì)LED汽車前照燈系統(tǒng)開發(fā)了NCV78663電源鎮(zhèn)流器及雙LED驅(qū)動(dòng)器。NCV78663是先進(jìn)的高可靠性、高能效的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC) LED驅(qū)動(dòng)器，支持達(dá)2 A電流，提供高于90%的總能效，驅(qū)動(dòng)高達(dá)60 V電壓的多串LED，能以PWM調(diào)光維持色溫及控制平均電流，使設(shè)計(jì)人員能夠以一顆高集成度的SoC控制遠(yuǎn)光燈及近光燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向指示燈及霧燈，所需外部元件極少。這器件通過(guò)SPI接口與外部微控制器通信，在上電后動(dòng)態(tài)地控制系統(tǒng)參數(shù)、檢測(cè)LED工作狀態(tài)并反饋診斷信息。圖8顯示的是NCV78663在先進(jìn)的汽車前照燈應(yīng)用中的電路圖。
圖8： 基于NCV78663的汽車LED前照燈應(yīng)用電路圖[page]
對(duì)于汽車尾燈應(yīng)用而言，可以根據(jù)應(yīng)用需求的不同，采用CCR這樣的低成本低電流LED驅(qū)動(dòng)方案，也可以采用提供更高性能、更高能效等級(jí)的高集成度等級(jí)解決方案，如安森美半導(dǎo)體的高集成度線性電流穩(wěn)流及控制器NCV7680。這器件包含8路線性可編程恒流源，其設(shè)計(jì)用于汽車組合尾燈的穩(wěn)流和控制，每通道最高可輸出75 mA的LED驅(qū)動(dòng)電流。NCV7680由于功能高度集成，使工程師能輕松地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)亮度等級(jí)，其中一個(gè)用于停車，另一個(gè)用于尾部照明。如果需要，也可應(yīng)用可選的PWM控制。設(shè)計(jì)人員僅需要一個(gè)外部電阻就可以設(shè)定所有通道的輸出電流。工作溫度范圍為-40℃至+150℃。NCV7680在LED組合尾燈中的應(yīng)用電路如圖9所示。
圖9： NCV7680在LED組合尾燈中的應(yīng)用電路圖
