升压和SEPIC型50V/1A LED驱动器

作者：Keith Szolusha
应用工程师
凌力尔特公司
在高档豪华车型中，基于LED的汽车前照灯是热门的外在特征，，但是，我们应该了解它们的其它特性，这一点是很重要。在汽车前照灯的设计方面赋予了汽车设计师前所未有的自由度。其与众不同的外观和有利于环保的技术使豪华型汽车制造商在市场上拥有了可以炫耀的资本，并在充满竞争的环境中彰显出别具一格的独特风采。LED拥有着耗能少、价格低和坚固耐用的特点。它们的工作温升低、效率高，从而为当今高端汽车中的众多其他电子功能节省了宝贵的电池电量和发生器带宽，而且其耐用性也远远优于其他的照明技术。

目前，市面上有三种基于灯泡的汽车前照灯，这些汽车前照灯可以很容易地通过其发光的颜色来识别，即：白炽灯 (微黄光)、卤素灯 (黄白光) 和HID (高强度气体放电灯 —— 蓝光)。白炽灯泡和卤素灯泡采用的是灯丝，将肯定会以烧毁而告终。在如今的市场上，它们暗淡的黄色外观被看作是“陈旧”和“便宜 (因为找不到更好的词语来描述了) 的象征。HID灯泡没有灯丝，使用寿命长一些（采用高电压电荷来点燃气体，以产生非常亮的光），但是高电压电子元件和灯泡既昂贵，又易损，而且高色温还导致其发光带有轻微的“蓝色”。纵然“艳蓝”(或“艳紫”) 色HID灯具有令人叫绝之处，但高昂的造价仍将成为其广泛应用的重大障碍。除此之外，不能调光也是其一大缺憾。

白光HB (高亮度) LED串使汽车前照灯设计师能够对其新车型的照明系统进行了全面改造。可以把这种LED串分布或重塑成有趣而特别和前所未见的形状。Audi R8 LED昼间行驶灯就是一个很好的例子 (采用了一个约10W的LED)。您完全可以想象一款采用50W LED的完整汽车前照灯。Cadillac Escalade Platinum将于2008年夏天推出首款50W LED汽车前照灯，另外，Mercedes、Lexus和Audi公司均郑重表示将步其后尘。竞争已经拉开帷幕。

LED的优点

与其他类型的汽车前照灯相比，LED汽车前照灯具有多项技术优势。

* 实现了高效率LED驱动器 (效率 >93%) 与高每瓦流明白光LED的组合，以抑制所需的电池电流。汽车电子产品的成长以及燃料成本的飚升产生了对高效率电子元件的需求，旨在最大限度地降低发生器所承受的负载和电池的电量消耗。

* LED发光的颜色既可以是真实的白光 (尽可能地接近日光)，也可以是任何的暖色白光以模仿“老式”汽车前照灯，从而营造出“念旧”的外观感受，此时，LED发出的光显得“守旧”但却很明亮。

* LED串的使用寿命预计将超过汽车的寿命，从而给车主吃了一颗“定心丸” —— 昂贵的汽车前照灯发生故障以及被更换的可能性将得到最大限度的降低（如果不能完全消除的话）。

* 可以采用成本较低且易于使用的电子元件来驱动50W LED汽车前照灯。DC/DC转换器LED驱动器被直接连接至电池，而无需担心电池电压的大范围变动。诸如HID等其他的高功率汽车前照灯技术需要采用非常高电压 (难以处理而且很危险) 的电子元件，并且必需承受由此产生的费用。相比于其他替代方案，LED本身的成本低得多，而且，破碎的LED更换起来代价也不高。

* 采用LED可以实现即时接通和关断。由于它们是由一个受控的恒定电流驱动器来供电的，因此还能够进行PWM (脉宽调制) 调光，并在一个很宽的亮度设定值范围内实现即时运行，而不会改变发光的颜色。
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驱动一个50W LED汽车前照灯需要些什么？

负责驱动LED的DC/DC转换器是汽车前照灯设计中至关重要的一环。这种转换器必须能够以恒定和受控的LED电流来对一个50W LED汽车前照灯进行高效供电，并把一个可在宽范围内变动的电池电压作为工作电源。想利用分立元件或者哪怕是线性稳压器来完成上述任务将会很困难，甚至是不可能的。如果再增添一些其他的基本要求，例如：恒定彩色条件下的高调光比 (PWM调光)、低电流消耗、高效率 (旨在保护电池系统)、较低的成本、低EMI、高温条件下的可操作性、短路保护和开路LED保护等，将会使事情进一步复杂化，而且这个问题看起来似乎难以对付。

解决方案是采用开关稳压器。例如：凌力尔特公司的LT3755是一款高效率LED驱动器DC/DC转换器IC，专为驱动汽车前照灯而设计。这使得它能够非常容易地完成一个领先LED汽车前照灯系统的装配、测试和设计。

50W升压型LED驱动器

LED串可以由任何能够在LED串两端产生正确的电压、并对流过LED串的电流进行调节的DC/DC转换器来驱动。在大多数场合中，最棘手的问题是选择适合某项任务的最佳稳压器IC。LT3755升压型LED驱动器IC具有易于从汽车电池来驱动50W LED串、同时保持高LED电流准确度的特点。　　



图1：用于1A/50V汽车前照灯的LT3755 50W升压型LED驱动器具有高效率和250:1的PWM调光比。

汽车电池的工作范围为8V至16V (存在高达36V的短暂瞬变)。图1所示的50W汽车前照灯驱动器的输入电压范围为8V至36V (对于一个50V的1A LED串)。鉴于输出电压高于输入电压，升压拓扑结构便成为了必然的选择，以实现最有效和简单的DC/DC转换器解决方案。



图2：50W升压型LED驱动器的效率高于93% (在12V输入条件下)。

该威廉希尔官方网站 所具备的极高效率最大限度地减小了汽车前照灯施加在当今豪华型汽车中的极苛刻电子负载上的应力。如图2所示，在12V输入条件下，该威廉希尔官方网站 的效率高于93%。豪华型私家轿车、SUV和小型货车装饰了过多的附件和电子功能，从而在发生器和电池的待机功率上施加了一个很重的负载。当汽车停驶或引擎被关闭时，从导航装置到用于反光镜调节的电动机无一不在消耗着少量的功率。汽车电子产品必须具备高效率，并在汽车引擎被关闭时消耗很低的功率。对于图1中的威廉希尔官方网站 而言，当照明灯关闭时，12V停机电流 浏览更多凌力尔特技术文章




由于拥有了改变汽车前照灯亮度的能力，因此为诸多新功能的问世开辟了道路。LED串的亮度可以简单地通过降低流经LED的电流来减弱。通过减小恒定电流 (模拟调光) 或在满电流条件下以脉动的方式使LED电流断续地导通和关断 (PWM调光)，便能完成上述任务。

PWM调光显然要比模拟调光复杂，但它具有一个重要的优点，即：PWM调光保持了相同的LED彩色 (这与亮度无关)，而当采用模拟调光时，LED的发光颜色会发生变化。这是因为所有LED的彩色都会随着工作电流的变化而改变。

在PWM调光中，亮度是通过以某种恒定频率来接通和关断LED进行控制的。重要的是应采用一个足够高的频率 (≥100Hz)，这样人眼就不会察觉到闪烁。由于周期的“接通”部分始终具有相同的电流，因此LED的彩色不受影响。调光是通过改变占空比来实现的。虽然在任何给定的时刻流过LED的实际电流是“零”或“完全导通”，但调整占空比将有效地改变流过LED的平均电流。



图3：LT3755 LED驱动器威廉希尔官方网站 的PWM调光波形显示：ILED在100Hz的高调光比条件下保持了恒定的彩色 (a) 50:1调光比 (b) 100:1调光比 (c) 250:1调光比。

LT3755汽车前照灯威廉希尔官方网站 的亮度可以运用模拟调光方法进行相当准确的调光 (通过CTRL引脚电压调节至其满电流水平的1/50)。利用一个至PWM引脚的微控制器输入，LT3755还能够提供高得多而且非常准确的调光比。图3 (a、b、c) 中的PWM调光波形示出了对于高达0.4% 亮度的50:1、100:1和250:1 PWM调光比 (当采用一个100Hz PWM调光频率时)。



图4：LED电流与电池电压的关系 —— CTRL模拟调光使LED电流折返 (VIN < 10V，而且具迟滞的欠压闭锁低于8V输入)。

PWM调光的频率应为100Hz或更高，这样普通人眼在低照度条件下 (此时照明灯将很有可能处于工作状态) 就不会察觉到它。人类的周围视觉和低照度视觉通常能够察觉到高达80Hz的频率 (有些人甚至能觉察到更高的频率)。虽然可以增加PWM调光频率，但最大PWM调光比将成比例地减小。较高的DC/DC转换器开关频率也可提供较高的PWM调光比，但这里选择的是400kHz，旨在把开关电源的主要EMI分量排除在AM频段以外。
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图1所示DC/DC转换器前端上的滤波器用于限制传导EMI。借助少量简单的L和C元件，可减少返回电池和其他电子威廉希尔官方网站 的传导频谱。把开关频率设定为400kHz将使EMI的主要分量处于AM频段 (从500kHz至2MHz) 以外。



图5：LT3755 50W LED驱动器的传导EMI符合CISPR 25 Class 5规范。

汽车前照灯威廉希尔官方网站 的高功率意味着：如果不进行滤波处理，则开关电源中的EMI分量将是相当庞大的。但是，图5示出了开关分量和EMI频谱是如何低于所要求的CISPR 25 Class 5限值的 (对于50W升压威廉希尔官方网站 )。

如果某个LED或全部LED被突然从输出端上拿掉，则转换器输出电压将爬升至56V的过压保护电平并停止运作。当设定正确时，过压保护功能将允许输出开路和闭合，而不会对控制器威廉希尔官方网站 或LED造成任何损坏。LT3755的OPENLED输出标记负责向诊断微控制器提供“存在一个开路输出条件 (因为输出电压已经爬升至高电平)”的反馈信息。

50W SEPIC型LED驱动器

对于大多数汽车前照灯制造商来说，短路保护都是一个问题。每个LED的故障模式可能是“短路”或“开路”，而且，诸如LED在照明灯处于导通状态时被拿掉，或者汽车前照灯连接不当等外部因素有可能导致在 LED+ 和 LED?C(或GND/底盘) 端子的输出上出现开路或短路条件。



图6：用于1A/50V汽车前照灯的LT3755 50W SEPIC型LED驱动器具有短路保护功能以及高效率和100:1 PWM调光比。

SEPIC型拓扑结构采用了第二个电感器和一个耦合电容器，以提供一个用于实现短路保护(从LED+ 至LED?C 或 LED+ 至 GND) 的DC隔离威廉希尔官方网站 ，作为对图1所示升压拓扑结构的一种改进。尽管升压拓扑结构较为简单，但图6所示的LT3755 SEPIC拥有与升压拓扑结构相似的效率，并且增加了短路保护功能。SEPIC型拓扑结构的效率示于图7。



图7：SEPIC型LED驱动器电感器电流处于受控状态，并能够安全承受LED+至GND短路情况。
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图8中的短路波形示出了转换器是如何在输出短路期间保持对电感器电流（因而也包括开关电流）的控制。开关电流是开关接通期间的电感器电流之和，而箝位二极管电流则为开关断开期间的电感器电流之和。由于能够承受严酷的短路条件，因而使SEPIC型拓扑结构特别坚固。控制器IC内部的独特短路检测威廉希尔官方网站 能够辨别出输出电压的骤降是因为短路所致还是由于启动操作所引起的。



图8：50W SEPIC型LED驱动器的效率超过90% (在高于12V输入的条件下)。

与升压拓扑结构相似，SEPIC拓扑结构的传导EMI也是利用前端上一个简单的滤波器进行良好控制 (如图7所示)。其传导EMI的测量结果与升压拓扑结构的测量结果相似，而且它们也符合CISPR 25 Class 5标准。虽然该控制器IC的开关频率可在100kHz至1MHz的范围内进行调节，但是对于汽车应用而言，首选的频率范围为300kHz至400kHz，应将开关频率设定得尽可能高，同时还必须处于AM频段以外。可以理解，在该应用中，传导EMI频谱的主要尖峰位于350kHz的开关频率。

开关频率还会影响解决方案外形尺寸、效率、纹波电流和热特性。较高的开关频率允许采用较小的元件，并造就成本较低的解决方案，但会增加开关 (M1) 和箝位二极管 (D1) 中的AC开关损耗。较低的开关频率将使更多的纹波返回至电感器电流上，并会增加电感器的发热量 (如果未选择一个较大的电感器来减小纹波)。在该应用中，350kHz的开关频率在热管理、效率和小解决方案外形尺寸之间实现了一种平衡。利用低RDS(ON)、一个100V的漏极至源极额定电压、高上升和下降时间 (在7V)、1A栅极驱动电流和低栅极电荷的组合，优化了针对350kHz应用的MOSFET选择。在一个350kHz、高电压和高电流 (8A+ 峰值开关电流限值) 开关电源中，主电源开关的上升和下降时间与低额定 RDS(ON) 同样重要。对于汽车前照灯应用来说，LT3755的高功率栅极驱动器和Si7454DP 100V MOSFET (对于升压拓扑结构，则为Si7850DP 60V MOSFET) 的低栅极电荷是一种精确的匹配。

结论

本文描述的升压和SEPIC型50V/1A LED驱动器是适合为汽车前照灯供电的高性能、坚固型解决方案。这两种驱动器均具有小外形和易于使用的特点，并包括许多汽车前照灯应用所需的内置功能威廉希尔官方网站 。升压型拓扑结构提供了极小的解决方案外形尺寸，而SEPIC型拓扑结构则提供了短路保护功能。这些应用中所使用的LT3755 DC/DC控制器具有高功率和高电压能力，如欲向LED输送充足和准确的功率，那么这种能力是不可或缺的。诸如300kHz至400kHz开关频率、恒定LED电流控制、开路LED保护和低EMI等其他特点使其成为当今和未来豪华型汽车的理想选择。
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