關(guān)鍵字： LED驅動(dòng)器  升壓控制器  汽車(chē)照明 

近年來(lái)，隨著(zhù)LED在光效及成本等幾乎各個(gè)方面的持續改進(jìn)，其應用領(lǐng)域不斷拓寬，從傳統的便攜設備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車(chē)及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。本文將專(zhuān)門(mén)介紹適合于汽車(chē)照明應用的各種LED驅動(dòng)器方案，并探討一些典型應用。 

LED為汽車(chē)照明應用提供眾多優(yōu)勢  

LED在汽車(chē)中的應用領(lǐng)域非常廣泛，但可以簡(jiǎn)單歸納為內部照明及外部照明(參見(jiàn)圖1)。外部照明有如前照燈、尾部照明等，內部照明包括內部便利及舒適照明和儀表盤(pán)背光等。  

圖1：多種多樣的汽車(chē)LED照明應用

推動(dòng)汽車(chē)LED照明應用的因素很多。以前照燈為例，采用LED作為光源擁有眾多優(yōu)勢：  

利于靈活或新穎的造型設計——LED物理尺寸很小，能用于開(kāi)發(fā)極緊湊、極薄的模塊。與鹵素燈和氙氣燈相比，多串LED模塊需要更小、更簡(jiǎn)單的透鏡和光擴散片硬件。且多個(gè)LED光源的光更易于導向，大大減輕工程設計對造型的影響。 

光強度及能效不斷提升——LED光強度處于極快的提升曲線(xiàn)上，呈現出每18至24個(gè)月光通量將會(huì )翻一番的趨勢。LED光輸出已經(jīng)超過(guò)鹵素燈，未來(lái)LED實(shí)際光效性能還將能氙氣燈相匹敵。 

高可靠性及長(cháng)壽命——只要為L(cháng)ED前照燈模塊進(jìn)行有效的熱管理以保持較低的結溫，并保護其免受開(kāi)關(guān)導通/關(guān)閉、調光期間可能出現的電流尖峰和電池脈沖的影響，期望它們在汽車(chē)整個(gè)壽命周期內持續使用就并非不切實(shí)際。 

顯著(zhù)節能——與其它方案相比，LED前照燈使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能電源技術(shù)/芯片，而非需多個(gè)外部元件的一般IC，可以更節能。  

因此，LED在汽車(chē)照明中的應用日漸增多，且被眾多汽車(chē)制造商當作設計賣(mài)點(diǎn)。

應用于汽車(chē)照明的LED驅動(dòng)器方案比較 

LED在汽車(chē)照明中的應用多種多樣，不同應用對LED電流的要求又各不相同，故需要結合具體應用要求，選擇適合的LED驅動(dòng)器方案。  

LED驅動(dòng)方案的一項主要功能是在多種工作條件下穩流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動(dòng)方案必須符合能效、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。同時(shí)，所選方案必須易用及足夠強固，從而適應特定應用的嚴格環(huán)境。 

汽車(chē)應用中的典型LED驅動(dòng)器方案包括電阻、線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器、開(kāi)關(guān)LED驅動(dòng)器及創(chuàng )新的照明管理LED驅動(dòng)器等。一般而言，根據應用中LED電流大小的不同，在20到200 mA的低電流應用中，可以選用分立元件(即電阻)或線(xiàn)性驅動(dòng)方案；在200至500 mA的中等電流應用中，可以選用線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器方案；而在大于500 mA的大電流應用中，一般選擇開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器方案。  

實(shí)際上，電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的LED限流方案，但是它們并不“穩流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導致電流變化從而引起LED亮度變異時(shí)，簡(jiǎn)單地限制LED最大電流。雖然這種方案的成本低，但能效也最低，且存在著(zhù)LED篩選成本及熱失控等問(wèn)題。  

CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線(xiàn)性驅動(dòng)器或開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的方案，適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應用。CCR廉價(jià)并強固，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在輸入電壓較高時(shí)保護LED免受過(guò)驅動(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)生的庫存，使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達50 V，能夠承受電池負載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝，能在嚴格熱環(huán)境下工作(125℃)，負溫度系數特性在高環(huán)境溫度條件下保護器件本身及LED。此外，CCR不產(chǎn)生電磁干擾，易于設計。 

線(xiàn)性穩壓器支持多條線(xiàn)路并行配置以擴散熱耗散，提供達±2%的穩流精度，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，開(kāi)關(guān)穩壓器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復雜，但也提供顯著(zhù)優(yōu)勢，如支持任何類(lèi)型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線(xiàn)性驅動(dòng)器不同，它們對EMI很敏感，給設計人員帶來(lái)需要注意的設計約束。 

值得一提的是，除了這些常見(jiàn)的LED驅動(dòng)器方案，安森美半導體推出了高集成LED照明管理集成電路(IC)。這些照明管理集成了多種LED驅動(dòng)及控制功能，相當于一個(gè)完整子系統，能夠承受高達125℃的環(huán)境溫度，用于汽車(chē)前照燈、組合尾燈及最新的高級前照燈系統(AFS)等應用，后文將會(huì )詳細論及。 

典型汽車(chē)應用LED驅動(dòng)器產(chǎn)品及其應用  

1)適合低電流LED應用的CCR  

安森美半導體運用專(zhuān)利自偏置晶體管(SBT)技術(shù)開(kāi)發(fā)出了NSI45系列CCR(參見(jiàn)圖2)。這系列CCR包含雙端固定輸出和三端可調節輸出兩種類(lèi)型，電流等級涵蓋10至180 mA。其中三端可調節輸出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(mǎn)足特定電流設置要求。

圖2：雙端及三端CCR電路圖

CCR易于設計，適合高邊(High-side)及低邊(Low-side)應用；既能用單個(gè)CCR驅動(dòng)1串或多串LED，也能并聯(lián)多個(gè)CCR驅動(dòng)一串或多串LED(詳見(jiàn)參考資料1)。 

圖3：CCR汽車(chē)中央高位停車(chē)燈(CHMSL)應用電路圖

2)針對背光、內部照明控制及尾燈等應用的線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器  

在線(xiàn)性驅動(dòng)器方案，典型產(chǎn)品包括安森美半導體的NUD4001及NUD4011線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器，兩款器件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500 mA和高達70 mA，在汽車(chē)中的應用領(lǐng)域包括尾燈、方向燈、剎車(chē)燈及車(chē)頂燈等。這兩款器件的設計均用于在交流-直流應用中替代分立方案，設計人員能夠利用外部電阻針對不同LED陣列設置驅動(dòng)電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖4顯示的是NUD4001在汽車(chē)停車(chē)燈中的應用。  

而在要求驅動(dòng)大電流的高亮度LED汽車(chē)照明應用中，可以采用安森美半導體的CAT4101高亮度線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器。CAT4101能驅動(dòng)一串電流高達1 A的高亮度LED，且滿(mǎn)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(kāi)關(guān)噪聲，將元件數量減至最少，并簡(jiǎn)化設計。  

圖4：NUD4001在汽車(chē)停車(chē)燈中的應用示例 

3)涵蓋降壓、升壓及降壓-升壓等不同配置的LED開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器  

驅動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)穩壓器的能效一般介于50%至90%之間，涉及降壓、升壓及降壓-升壓等不同拓撲結構，講究EMI控制方法，主要用于汽車(chē)內部照明、停車(chē)燈、霧燈、日間行車(chē)燈及側面標志燈等應用。安森美半導體應用于汽車(chē)LED照明的開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)品如表1所示。  

其中，典型升壓控制器有如NCV8871。這是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(zhuān)門(mén)用于-40℃至150℃結溫，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10μA)，幫助降低電能消耗。 

在降壓開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器方面，包括NCV8842、NCV8843及NCV51411等產(chǎn)品，適合于車(chē)身/遠程信息系統等應用。NCV8842/3是帶同步功能的1.5 A、170/340 kHz降壓驅動(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(kāi)始編程設定。同步引腳功能用于改善EMI性能。NCV5141x(如NCV51411及NCV51413)是CS5141x針對汽車(chē)應用的版本，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(chē)級同步降壓控制器甚至在寬負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1μA。 

表1：安森美半導體應用于汽車(chē)LED照明的開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)品

此外，安森美半導體還提供多款能用于汽車(chē)LED照明的多拓撲結構開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器，包括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-升壓等拓撲結構，適合汽車(chē)內部照明應用。NCV3065亦可用于內部照明，針對的是對成本非常敏感的應用，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(kāi)關(guān)穩壓器，使系統設計人員能夠以最小數量的外部元件應用降壓、升壓或降壓-升壓(電壓反轉)拓撲結構。

4)針對前照燈及組合尾燈等應用的高集成度照明管理IC  

汽車(chē)的前照燈包括不同細分領(lǐng)域，如日間行車(chē)燈(DRL)、近光及遠光燈、信號燈和霧燈等。前照燈中最早應用LED的是日前行車(chē)燈。而隨著(zhù)高亮度LED的成本持續降低及性能持續提升，越來(lái)越多的新車(chē)設計正更廣泛地將LED用于其它前照燈領(lǐng)域，如近光及遠光燈、信號燈及霧燈等，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(chē)前照燈要求支持從單個(gè)LED到多串LED，電壓可高達60 V；此外，還要求支持脈寬調制(PWM)調光(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。安森美半導體針對LED汽車(chē)前照燈系統開(kāi)發(fā)了NCV78663電源鎮流器及雙LED驅動(dòng)器。NCV78663是先進(jìn)的高可靠性、高能效的系統級芯片(SoC) LED驅動(dòng)器，支持達2 A電流，提供高于90%的總能效，驅動(dòng)高達60 V電壓的多串LED，能以PWM調光維持色溫及控制平均電流，使設計人員能夠以一顆高集成度的SoC控制遠光燈及近光燈、日間行車(chē)燈、轉向指示燈及霧燈，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)地控制系統參數、檢測LED工作狀態(tài)并反饋診斷信息。圖5顯示的是NCV78663在先進(jìn)的汽車(chē)前照燈應用中的電路圖。 

圖5：a) 汽車(chē)LED前照燈應用圖例； b)基于NCV78663的汽車(chē)LED前照燈應用電路圖

對于汽車(chē)尾燈應用而言，可以根據應用需求的不同，采用CCR這樣的低成本低電流LED驅動(dòng)方案，也可以采用提供更高性能、更高能效等級的高集成度等級解決方案，如安森美半導體的高集成度線(xiàn)性電流穩流及控制器NCV7680。這器件包含8路線(xiàn)性可編程恒流源，其設計用于汽車(chē)組合尾燈的穩流和控制，每通道最高可輸出75 mA的LED驅動(dòng)電流。NCV7680由于功能高度集成，使工程師能輕松地實(shí)現兩個(gè)亮度等級，其中一個(gè)用于停車(chē)，另一個(gè)用于尾部照明。如果需要，也可應用可選的PWM控制。設計人員僅需要一個(gè)外部電阻就可以設定所有通道的輸出電流。工作溫度范圍為-40℃至+150℃。 

圖6：a) LED組合尾燈圖例； b)NCV7680在LED組合尾燈中的應用電路圖。

GreenPoint網(wǎng)上設計仿真工具加快汽車(chē)LED照明設計 

安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，針對汽車(chē) LED照明應用提供完整的系統方案，包括電源、MOSFET、整流器、保護、濾波器及熱管理產(chǎn)品等。此外，為了幫助設計人員加快LED照明設計，安森美半導體還提供GreenPoint網(wǎng)上設計仿真工具，讓設計人員坐在工作臺前，即可以輕松地通過(guò)“選定LED驅動(dòng)器”、“確定設計要求”、“自動(dòng)產(chǎn)生設計電路圖”、“仿真及驗證”、“產(chǎn)生物料單及報告”、“下載報告為PDF文件”及“保存文件和分享”等幾個(gè)步驟，大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。 

這網(wǎng)上設計工具目前已經(jīng)支持多款安森美半導體的高能效LED驅動(dòng)器產(chǎn)品的應用設計，其中支持的汽車(chē)應用 LED驅動(dòng)器包括NSI45系列的多款器件，后續還將支持更多產(chǎn)品。  

總結： 

隨著(zhù)LED性能不斷提升性能及成本不斷降低，在汽車(chē)內部及外部照明中的應用領(lǐng)域越來(lái)越寬。設計人員需要針對具體應用選擇適合的LED驅動(dòng)器方案，如線(xiàn)性恒流穩流器、線(xiàn)性穩壓器或開(kāi)關(guān)穩壓器等。安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，提供應用于汽車(chē)照明、通過(guò)AEC Q100認證、涵蓋從低電流到大電流的完整LED驅動(dòng)器產(chǎn)品線(xiàn)，其中還包括新近推出的系列高集成度、高能效的照明管理集成電路，方便設計人員根據具體應用要求，選擇適合的汽車(chē)LED驅動(dòng)器解決方案。