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過去 10 年來，汽車中的電子系統在數量和電子控制、車載多媒體系統及娛樂系統的復雜性等方面都有了巨大的飛躍。展望未來，預計汽車電子系統還將以更快的速度發展。根據市場調研公司 Allied Business Intelligence 的預測，到 2007 年，全球汽車半導體市場將從 123 億美元（2004年）增長到每年 170億以上美元。Strategy Analytics公司也預測，到 2008 年，汽車電子系統在汽車總成本中所占份額將從目前的 20% 增長到 30%。這增長是由多種因素引發的。一方面，汽車中很多傳統的機械系統 (如油門控制、制動和懸掛控制系統) 現在都采用了電子系統進行控制和優化。另一方面，LED 照明、娛樂和無線導航也正在迅速成為非豪華汽車的標準配置。所有這些系統通常都需要某種程度的電源管理。這些新型汽車應用給電子行業帶來了很多挑戰，而且維持解決方案的高可靠性也極其重要。 本文主要探討汽車電子系統市場中一個重要的增長領域，即在目前和未來幾代汽車中大量涌現的 LED 照明。這一新的照明領域給汽車電子產品的設計師和制造商都帶來了新挑戰。理解這些挑戰的本質并找到可行的解決方案非常重要，因為與這些照明系統有關的增長看來是無窮無盡的。 LED 照明 小尺寸、低功耗和快速接通時間等優點使高亮度 LED 在今天的汽車中得到了廣泛應用。LED 最初用于中央高位剎車燈（CHMSL），這種應用是用紅光 LED 組成一個微小的照明陣列，此陣列易于安裝且不需要更換。 根據 Strategies Unlimited 公司的統計，在 2003 年生產的所有高亮度 LED 中，大約有15% 用于汽車，這表明其市場規模已經超過 4 億美元。 盡管如此，白熾燈還是最經濟的光源，因此也仍然是最常用的標準產品。不過，照明設備可用空間的縮減、不斷增強的工作壽命、燈光顏色和燈的設計等因素都導致了 LED 需求的增長。甚至傳統的 CCFL TFT-LCD 背光照明應用也逐漸被白光 LED 陣列所取代。唯一的例外是前燈。在可預見的將來，前燈仍將采用包含鹵素/氙燈絲的設計，但是很多其它照明系統，如內部/外部和背光照明應用都將轉而采用 LED。采用 LED 的好處體現在以下幾個方面。首先，可能也是最重要的一點，LED 燈從不需要更換，因為其長達 10萬小時（11.5使用年限）的可靠壽命超過了汽車的壽命。這使汽車制造商可永久性地把 LED 嵌入到“艙內”照明設備中，無需為了方便更換而進行相應的設計。其款式也可以有很大的變化，因為 LED 照明系統所需的深度和面積不像白熾燈那么大。LED 的另一個優點是低功耗，這可以減少汽車的燃料消耗。圖 1 顯示了一輛現代汽車中的大量 LED 照明應用。在汽車內部，有幾種采用各種類型 LED 的“標準內置”照明模塊。有些是單個 LED，而像導航儀表板背光照明等另一些應用則需要 LED 陣列。在外部照明方面，LED 也得到了認可。現在超過 40% 的中央高位剎車燈已采用紅色 LED 。此外，奧迪 2004 A8 采用大電流 LED 陣列（Luxeon）作為白天行車燈（DRL）。同時，我們都已經看到更多中檔汽車 (甚至摩托車) 都用彩色 LED 陣列作為剎車燈/轉向指示信號燈。 圖 1 現代汽車中 LED照明系統的典型應用 汽車 LED 照明系統的設計參數 為確保最佳性能和更長的使用壽命，LED 需要一個有效的驅動電路。這些特殊的驅動電路必須能夠適應條件相當苛刻的汽車電源總線，而且要既經濟又節省空間。為了保證更長的使用壽命，首要的是不超過 LED 的電流和溫度限制。表 1 給出了大電流 LED 的典型正向電壓和驅動電流。在單個 LED 應用中，將需要如凌特公司 LT3474 那樣的降壓 LED 驅動器，把汽車總線電壓（標稱 12V）降低到更適合 LED 的電壓，這個電壓在 2.68V 至 4.88V 之間，具體值要根據 LED 的顏色和亮度應用的要求而定。相反，諸如剎車燈等應用則需要多達 8 個串聯的 LED 串，并需要 21V 至 39V 的輸出電壓，這樣就必須有凌特公司 LT3486 那樣的升壓 LED 驅動器。凌特公司所有的 LED 驅動器都采用提供恒定電流的電流模式架構。 輸入電壓是不規則變化的，要在這種環境下產生恒定的 LED 亮度，這些驅動器集成電路必須有恒定電流源。內部檢測電阻用來監視輸出電流，以實現精確的穩流。這些集成電路可在 35mA 至 1A 的寬電流范圍內保證高精度的輸出電流，從而實現較寬的調光范圍。因為凌特公司的大電流 LED 驅動器是電流模式穩壓器，所以它們不直接調制電源開關的占空比，而是由反饋環路控制每個周期的開關峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環路動態性能并實施逐周期限流。 在很多應用中，尤其是背光照明和內部照明應用，也許需要調光控制，因此該驅動器集成電路必須具有簡單的調節輸出電流/LED 亮度的方法。用這種驅動器集成電路，可以由 PWM 信號、DC 電壓或外部 NMOS 晶體管實現調光，產生的調光范圍高達 1000:1。 最后，汽車上的電子系統可能對噪聲敏感，尤其是導航系統、無線電路和 AM 收音機。為了最大限度地降低噪聲干擾的可能性，凌特公司的 LED 驅動器 IC 采用恒定頻率開關拓撲。而且，開關頻率是用戶可編程的，范圍為 200kHz 至 2MHz，以保持開關噪聲在 AM 無線頻段等主要頻段之外。高開關頻率還可以使用小電感器和陶瓷電容器，從而最大限度地縮小了解決方案的尺寸并降低成本。 表1 大電流白光 LED 的正向壓降和驅動電流 單個 LED 應用 如圖 1 所示，很多嵌入式大電流 LED 應用都是由單個大電流 LED 組成的。這些應用包括頂燈、地圖燈、后備箱照明等內部照明及門檻燈或“水坑”燈等外部照明。視應用情況不同，有的可能用彩色 LED作為儀表板背光照明或用白光 LED作為一般照明。由于這些 LED 一般具有 3V 至 4V 的正向電壓，并由 12V 至 14V 的汽車總線供電，所以需要像 LT3474 這樣的降壓轉換器。 LT3474 是一種固定頻率降壓 DC/DC 轉換器，用作恒定電流源（見圖 2）。其內部檢測電阻監視輸出電流，以實現精確穩流，該器件非常適用于驅動大電流 LED，可在 35mA 至 1A 的寬電流范圍內保持高輸出電流精度，以實現一個寬調光范圍。該調光范圍可以利用 PWM 引腳和一個外部 NMOS MOSFET 進一步擴大，從而實現 1000∶1 的總調光范圍。 T3474 的開關頻率可以編程，范圍為 200kHz 至 2MHz，這樣，設計師就能夠避開主要的噪聲敏感頻段，并采用小電感器和陶瓷電容器。 恒定開關頻率工作加上低阻抗陶瓷電容器實現了很低并可預測的輸出紋波。LT3474 具有 4V 至 36V 的寬輸入范圍，可對來自12V 至 24V 汽車電源總線的電源進行寬范圍調節。電流模式 PWM 架構具有快速瞬態響應，并可提供逐周期限流。最后，頻率折返和熱關機可提供附加保護。 圖2 LT3474 1A 降壓 LED 驅動器典型應用 用于導航顯示器的LCD TFT 背光照明 傳統上，汽車中大的（對角線長 6 英寸至 9 英寸）TFT-LCD 顯示器都是采用冷陰極熒光照明（CCFL）技術進行背光照明。CCFL 帶來的問題很多。首先，驅動 CCFL 的高電壓電源很大而且很復雜。其次，CCFL “燈泡”本身也相對較大，容易出現故障。由于 CCFL 單元是嵌入到導航系統中的，所以如果 CCFL 失效，一般需要整個更換一個價值不菲的單元。 相反，圖 3 中的白光 LED 陣列是一種更緊湊和可靠的背光照明解決方案。其外形尺寸更小，因為電源調節電路更簡單也更緊湊。LED 及其電源的可靠性將使其壽命非常容易超過汽車的壽命。還有一個很重要的方面，這種背光照明具有很高的效率，高達 83% ，可減少所產生的散熱量。 LT3466 是一種雙輸出全功能升壓 DC/DC 轉換器，是專門為采用恒定電流驅動多達 50 個白光 LED（每個轉換器可串聯多達 25 個）而設計。串聯連接的 LED 可以使其具有相同的電流，從而產生一致的亮度，且無需鎮流電阻和昂貴的工廠校準工作。兩個相互獨立的轉換器能夠驅動非對稱 LED 串。兩個 LED 串的調光也可以獨立控制。LT3466 非常適用于為汽車應用中的車載多媒體系統/導航顯示器提供背光照明。 圖3 用于 50 個白光 LED 的 LT3466 背光照明電路 剎車燈 迄今為止最流行的 LED 應用一直是中央高位剎車燈（CHMSL）。到 2003 年年低，至少 40% 的汽車裝有基于 LED 的 CHMSL。采用 LED 的好處包括更快達到設定亮度、更高的效率、更長的使用壽命、以及很細小的紅光 LED 陣列更易于設計和安裝。LED 在低于 1ms 的時間內就可達到設定亮度，從而使后面汽車的駕駛員能夠更快地看到剎車燈，因此可以減少追尾事故；相比之下，傳統燈泡要花高達 200ms 的時間才能達到設定亮度。與白熾燈相比，LED 燈的功耗可降低高達80%，從而降低了汽車的燃料消耗。其使用壽命會很容易超過汽車的壽命，因此無需更換。除了 CHMSL，一些汽車 (如奧迪 A6) 以及一些摩托車也都已經用 LED 取代白熾燈作為主剎車燈了。 為了最大限度地提高剎車 LED 應用的性能并延長其使用壽命，當務之急是按照剎車系統的要求采用合適并能夠驅動“紅光 LED 串”的 LED 驅動器。凌特公司的 LT3486 是專門為這類汽車應用而開發。 LT(r)3486是一種雙升壓 DC/DC 轉換器，如圖4所示，經過專門設計，用來自 12V 至 14V 的汽車總線的恒定電流驅動多達16個LED（每個轉換器 可串聯8 個）。串聯連接的 LED 可使其具有相同的LED電流，從而產生一致的亮度。如果需要，這兩個相互獨立的轉換器還能夠驅動非對稱 LED 串。 這兩個 LED 串的調光可以通過各自的 CTRL 引腳獨立控制。內部 PWM 調光系統可通過向各自的 PWM 引腳提供 PWM 信號，把調光范圍擴大到 1000∶1。LT3486 的工作頻率可以用外部電阻設置，范圍為 200kHz 至 2MHz。低 200mV 反饋電壓（2% 準確度）最大限度地降低了該電流設置電阻的功耗以提高效率。其它特性還有當 LED 斷接時的輸出限壓。 圖5 LT3486 汽車 LED 驅動器電路 結語 LED 照明系統在目前和未來的汽車中迅速采用，這給大電流 LED 汽車應用中的 LED 驅動器集成電路提出了很多非常嚴格的性能要求。不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，LED 驅動器都必須提供恒定電流以保持一致的亮度，而且必須以高效率工作。這些應用還要求很緊湊和熱效率更高的解決方案。凌特公司已經注意到了這些汽車設計挑戰，并開發出了一整套大電流 LED 驅動器產品以滿足這些要求，這使系統電源設計師們在為這些應用選擇電源解決方案時，能更容易地做出抉擇。 |
