克服汽车系统中高亮度(HB) LED集成方案的技术瓶颈

目前，汽车厂商正在逐步将汽车照明系统从白炽灯和CCFL (冷阴极荧光灯)更换成HB (高亮度) LED。这些HB LED广泛用于导航及娱乐设备显示器的背光以及汽车内部、外部照明，例如：日间行驶灯、尾灯等。新应用中(例如：平视显示器)也开始使用HB LED。

由于第一代HB LED驱动器的局限性，设计人员还无法在效率、最少的外部元件数量、最低EMI以及宽范围PWM调光等方面进行优化。最新推向市场的多串HB LED驱动器，例如：MAX16814，以极其巧妙的方式解决了上述技术瓶颈，这些驱动器的开关和线性控制器之间能够进行双向通信。本文介绍了一个用于日间行驶灯或平视显示器的设计实例。

为什么选择HB LED?

HB LED在汽车领域的应用越来越普及，这一点很容易理解，因为它们为汽车设计人员带来了众多优势：与其它照明技术相比，HB LED是最环保的解决方案—具有出色的能效，不含汞，回收时只有极少的有害物质。另外，HB LED还有助于提高汽车的安全性，这归功于它们远远高于白炽灯的开、关速度，也正是考虑到这一因素，它们被广泛用于刹车灯。

HB LED为设计人员在汽车的“个性化”风格设计上提供了更大的发挥空间。LED尺寸很小，灯源几乎不占用面板背部的空间，设计人员可以按照任何形状排列灯管，这要归功于其小尺寸和照射的方向性。这种小尺寸射灯非常适合作为指示灯。

最后，HB LED比其它照明方案具有更长的使用寿命，使用寿命达到50,000小时甚至更长，基于这一原因，它们非常适合长期保持照明状态的任何环境，日间行驶灯就是一个很好的应用案例。

HB LED技术在一些全新应用中也占有重要地位，例如，汽车平视显示器。LED具有较宽的调光范围，特别适合需要根据环境光强调节灯光亮度的应用。正是在这些应用中体现了PWM调光的重要性。

如果了解“为什么”使用HB LED，也就不难理解它们在今天的汽车设计中为什么如此普及，其典型应用包括：刹车灯、尾灯、前车灯(日间行驶照明，中高端汽车的位置指示灯以及高端汽车的远光灯和近光灯)、内部照明(RGB LED可以控制灯光颜色)，为汽车增添独特风采。另外，HB LED在导航、娱乐设备和仪表盘背光应用中也逐渐成为主流产品(图1)。



图1. HB LED正在渗透到汽车每个部位的照明设计中，从前车灯到刹车灯以及位于二者之间任何部位的照明。

HB LED的设计挑战

当然，把HB LED集成到汽车应用时也会面临诸多挑战，例如，保持尽可能低的成本。就元件本身而言，LED灯的价格通常高于其它照明方案(例如：白炽灯、卤素灯、 CCFL)。因此，必须降低LED方案的系统级成本，以提高该项技术的市场发展潜力。为了降低方案成本，必须尽可能减少驱动器的元器件数量，这也有利于提高系统可靠性，因为PCB上的每个元件都可能是系统的一个失效点。

另一挑战是效率，高能效在汽车中的重要性越来越高，特别是对于混合动力车。必须尽可能提高效率使功耗(发热)降至最低，汽车部件一般工作在高温环境，发动机周围的环境温度可能达到+105°C，其它许多应用中温度也会达到+85°C。LED产生大量热量(与其它灯源不同，它们不会在IR或UV波段辐射能量)，其功耗会提高周围的环境温度。这就需要降低LED驱动器的功耗，避免驱动器IC或驱动模块中的其它器件过热。

当然，汽车环境下同样面临EMI问题，任何照明子系统都不能干扰车内的其它子系统，AM收音机通常是最敏感的部件之一。由于LED需要开关型或线性驱动电路，这些电路会引发EMI噪声(特别是开关电路)或EMI干扰问题，设计中需要关注这一问题。驱动器电路还会引入音频噪声，例如：陶瓷电容产生的噪声。

多串LED的优点

汽车应用中，LED被排列成多串，每串定义为一组串联LED，具有相同电流。可以根据显示器的尺寸方便地排列LED支持背光，将LED排列成多串有助于提高故障容限。如果一个LED开路，只会关闭与该LED串联的灯管，而非所有LED。使用多串LED的另一个原因是限制每串LED的电压，提高系统安全性。例如，一串总电压为80V的LED分成两串后，电压变为40V，避免在与LED或其连线接触时出现对人体构成威胁的高压。

由此可见，能够驱动多串LED的单片IC具有明显优势。多串架构通常包括：LED串、一个boost转换器(将输入电池电压转换成LED串所需的高压)、多路线性吸电流调节器(用于建立每串的驱动电流) (图2)。



图2. 多串驱动器的基础配置，利用单芯片控制多串LED的电流。Boost转换器和线性电流调节器独立工作时，可增加红色标记元件来自适应调节电压。

与具有多路开关转换器的方案相比，这种方案的元件数较少，成本较低(只需要一个电感和少数旁路电容)。与单串驱动器直接驱动并联LED的方案相比，这种方案的优势是可以在每串之间均衡电流。如果多串LED直接并联，因为有些LED的正向导通电压较高，电流不可能在每串之间均分。另外，LED的正向导通电压会随着温度的升高而降低，电流的不均衡会导致热量失控：具有较大电流的LED串发热较多，其正向导通电压随之降低，从而吸收更大电流，导致该串LED的温度进一步提升，如此循环。随着电流差异的增大，可能导致一串或多串大电流LED失效。最后，如果LED串只是简单地并联在一起，由于驱动器只能控制总电流，失效的LED电流会增加到其它LED串，从而由于过驱动导致其它LED串失效。利用图2所示方案可以避免出现这种状况。

不可否认，图2所示架构也存在一定限制：它利用MOSFET调整串联电流，为了使这些MOSFET的温度尽可能低，需确保管子两端的电压尽可能低，但需足够的电压使管子处于饱和区。理想条件下，boost输出电压为：

VBOOST = max(VSTRING,I) + VSAT

式中，VSTRING,I为第I串LED的正向导通总电压，VSAT为MOSFET处于饱和状态时的VDS。能够将VBOOST电压设置到理想值的LED驱动器称为具有AVO (自适应电压优化)功能。

因为大多数应用中需要通过PWM调节LED亮度，从而使AVO设计变得更加复杂。它们必须按照一定的占空比进行通、断控制，使线性吸电流调节器打开、关闭。但是，当所有LED串关闭时，boost转换器应该处于何种状态呢? 这是设计面临的另一问题，答案可能有多种，每种都有一定的限制，后续内容中将详细讨论。