汽车LED照明应用的驱动解决方案分析

LED照明在汽车领域的应用越来越普及，例如车后灯组(RCL)、头灯、日间行车灯、信号灯及第三煞车灯(CHMSL)等，而该趋势正同时出现在原设备制造商及零件市场灯具供应商领域。在驱动车用LED照明方面，市面上有不少适合的开关电源供应拓扑可以使用，但最终的选择还是取决于LED对电压和电流的需求，以及必须符合系统的整体目标。对于那些供电电压远高于负载电压的应用，降压转换器可以说是最理想的选择，原因是它可为LED负载提供稳定及持续不断的输出电流。相反地，假若总LED电压高于系统的供电电压时，系统设计人员便须运用升压/降压混合拓扑或纯升压拓扑。然而，在某些情况下，LED的电源电压可以高于、相等或低于负载电压，这时设计人员便可能需要运用SEPIC(单端初级电感转换器)拓扑。本文将会引用美国国家半导体的LM3406降压稳压器及LM3421控制器作为例，并透过不同的拓扑配置方式，包括降压、升压、降压/升压及SEPIC去阐述个别拓扑的优点和缺点。采用串联及并联安排的LED车后灯组
LED在汽车方面的其中一种比较普遍的应用是尾灯/闪灯组合，也被称作车后灯组。对于那些典型正激电压(VF)为3V的LED，当流经它们的直流电压为12-14Vdc时，便可能需要使用降压开关稳压器作为解决方案。在最低电压为12V下，只能让3个LED以串联方式连接，假若所有LED的总电压超过12V时，便需采用串联/并联方式(图1)。

图 1. 同时运用串联/并联的排列方式。

对于需要进行调光及闪灯的应用而言，有几种方法可以用来切断LED灯串的电源，最常用的方式之一是脉冲宽度调制(PWM)调光控制，通常以专用信号来控制灯光的输出亮度，因为需要在线路系统中加一条专用线路作为调光的用途，因此不太适合汽车应用。另外一种方式是所谓双线调光，当中供给LED驱动器的电源会周期性地被中断以控制明暗。美国国家半导体的LM3406便是其中一款内置了这种功能的器件(可在http://www.national.com/analog/led 获取更多有关LM3406及LED WENEBCH的信息)。图2所示为LM3406的应用电路图。

图 2. LM3406 的双线调光配置。

这种方式有三大优点。第一，LM3406的输入电压感测引脚(VINS)可排除使用专用调光信号，使得LED灯串的PWM调光可通过调节LM3406的电源来实现。第二，至关重要的一点在于，阻流二极体（blockingdiode）D2可允许电路保留输入电容器CIN，正如在非双线调光解决方案中一样，基于降压稳压器的非连续性输入电流，可保留输出电容器。第三，这种配置方式可让器件本身维持驱动状态，无需在调光周期完结后再完全重新启动。这种标准PWM调光方式所需的附加零件包括阻流二极管D2、VINS下拉电阻器 RPD及切断开关S1所需的零件。
采用升压/降压混合拓扑的串联LED车后灯组实例
将LED灯串以并排方式连接能够大幅简化设计，原因在于这种安排能使LED的功率级直接采用12-14Vdc直流电源轨进行运行。可是，这种将串联与并联结合在一起的配置方法也有其缺点。当阅读LED制造商的数据表时，有两个数据至关重要：一是LED的光输出与其流经的电流大小成比例，另一个是LED的动态电阻会随着正激电压VF而改变。制造商以bin值表示LED的VF、光通量、与颜色（或色温），例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51V（25 °C时）范围的LED，当涵盖整个bin值范围时可以变为2.8V至4.2V，因为LED制造商一般都会向客户销售多种bin值的LED，对多数设计人员而言，假设所有LED都有接近的VF值是不切实际的。

图 3. 实验设计。

VF变化的影响可从以下例子中看到。图3所示为一个实验，当中包含两个不同的设置。第一个设置采用四个LED，每一个均拥有独立的电流源，而另一个设置则将四个LED并排连接以共用一个电流源。表1中的数据是于25°C下并于开启电源后5秒内录取，目的是把LED的自我加热效应降至最低。

从上述数据可见当采用并排连接方式时，LED的VF变化会导致电流不平均地分配。即使是同一级bin的LED都会出现类似的反应，使得在并联方式中的个别灯串无法获得相同的电流。改善并联灯串电流分配的其中一个方法是在每条灯串上加装一个锁流电阻器(ballastresistor)，虽然该方法有助电流平均分配，但缺点是锁流电阻器所消耗的电流会导致效率下降。
假若系统设计人员对上述有所顾虑，最好还是采用单一串联的方式。对于这种解决方案，设计人员仍然可采用LM3406，但系统的复杂度则难免会提高，因为需要新的前端来输送高于12-14V的电源电压给LED驱动器，然后LED驱动器将这新生电压降下来供应给单一LED灯串。这种作法可透过在直流电源和LM3406之间加入一个升压直流/直流功率级来完成，正如圗4所见。配合这种拓扑，所有串联在一起的LED便可获分配相同大小的电流，即使它们的VF不尽相同。