利用高功率Buck LED控制器實現優異的汽車外部照明

本期關鍵詞

汽車外部照明, LED, LED控制器, MAX20078

作者：

Nazzareno (Reno) Rossetti, Maxim Integrated首席作者

Yin Wu, Maxim Integrated汽車事業部業務經理

引言

得益於優異的照明特性和效率，高功率LED在汽車外部照明設計中越來越流行。支持LED的電子器件必須快速、高效、高精度，以控制照明強度、方向和聚焦。這些器件必須支持較寬的輸入電壓範圍，且能夠在汽車無線電的AM頻段範圍之外工作，以避免電磁干擾(EMI)。電子器件還必須支持LED矩陣中要求的複雜照明模式，以支持自適應前燈照明系統。本文回顧典型的LED電源管理方案，並介紹支持快速、高效、高精度LED照明方案的創新buck控制器IC。

圖1. LED汽車前燈

LED在汽車外部照明中的應用

由於相對於傳統技術具有顯著優勢，LED正在汽車行業掀起一場風暴。LED前燈中的白光具有優異的清晰度，從而減少駕駛員反應時間。自適應前燈照明系統(AFS)由LED矩陣支持，能夠產生快速、複雜的照明模式變化，提高駕駛員在不良照明條件下的能見度。夜間，AFS能夠根據對向車輛的射束，自動調節照明模式，防止本方駛員被強光致盲。LED照明開啟的上升時間比白熾燈光源快2倍，所以基於LED的制動燈點亮更快，提前警示駕駛員，提高道路安全。最後，與相當的白熾燈相比，LED功耗更低，所以在耗能方面擁有明顯優勢。LED控制器是負責操作LED的電子器件，在保持和增強LED固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。

LED供電

LED在汽車領域應用廣泛，被廣泛用於從單顆LED到LED燈串和矩陣的各種配置之中。為了實現最優性能，高亮度(HB)LED要求恆流。電流與結溫及顏色有關。所以HB LED必須由電流而非電壓驅動。支持長燈串的電源可以是從12V汽車電池到高達60V升壓轉換器的任何電源。採用啟/停技術的汽車在引擎啟動時，電池壓降比較大，造成電池電壓下降到典型12V以下，甚至6V或更低。

調光

調光是許多汽車應用中普遍採用的功能，也是LED前燈的重要安全特性。照明燈從100%調暗至50%時，人眼幾乎覺察不到。為保證清晰辨別，必須調暗至1%或更低。明白了這一點，就不會奇怪調光比為什麼高達1000:1或更高。由於人眼在適當條件下能夠感知到單個光子，所以實際上該功能沒有限制。

為保證顏色，電流必須保持恆定，最佳的LED調光策略是PWM(脈寬調製)，通過對電流進行時間上的分段式開關來調製光強，而不是更改幅值。為防止LED閃爍，PWM頻率必須保持高於200Hz。

採用PWM調光時，限制LED最小「開/關」時間的因素是開關穩壓器電感中電流上升/下降的時間。這可能造成數十微妙的響應時間，對於依賴於快速、複雜調光方法的LED前燈組來說，這一時間太慢了。此時實現調光的唯一方法是採用專用的MOSFET開關(圖2中的SW1-K)對燈串中的每一顆LED進行獨立開/關。對電流控制環路的挑戰是能夠足夠快的從輸出電壓瞬態變化中恢復，這一瞬態變化由二極體投切引起。

LED控制器特性

為達到最優效果，LED控制器必須支持較寬的輸入電壓範圍，且具有如上文所述的快速瞬態響應。為降低射頻干擾以及滿足EMI標準，要求較高、受控良好的開關頻率，且位於AM頻帶範圍之外。最後，高效率能夠減少發熱，提高LED照明系統的可靠性。

前燈系統

精良的前燈系統採用升壓轉換器作為前端，管理輸入電壓(拋負載或冷啟動)和EMI輻射的變化。升壓轉換器提供穩定、足夠高的輸出電壓(圖2)。專用的降壓轉換器使用該穩定電壓作為輸入，允許每個降壓轉換器控制單一功能，例如遠光、近光、霧燈、日間行車燈(DRL)、方向等，從而克服控制照明亮度和方向的複雜性。

圖2. 高級LED照明系統

該應用中，每個buck轉換器的主控制環路設置其LED燈串中的電流，兩個輔助環路實施過壓和過流保護。

典型高功率Buck LED驅動器方案

典型的buck LED驅動器方案如圖3所示。該方案使用p溝道、高邊MOSFET，其RDSON比n溝道晶體管高；並採用非同步結構，肖特基二極體D用於電流迴流。這兩者都是效率不高的因素。

圖3. 典型非同步Buck LED驅動器

典型瞬態響應

圖4所示為典型方案在瞬態響應方面的另一個缺點。本項測試的12顆LED組成的燈串中，上電二極體的數量從8個激增至12個。致使輸出電壓階躍產生電流和電壓波動，需要數十微妙的時間才能熄滅。高調光比PWM調光電路只在初始幾微妙內將對該電流進行採樣，此時幅值正在下降，造成調光亮度和顏色不正確。

圖4. 帶有滯回Buck的典型瞬態響應

同步高功率Buck LED驅動器方案

理想的方案應滿足寬輸入電壓範圍、快速瞬態響應、高且控制良好的開關頻率等要求，同時通過同步整流支持高效率。MAX20078 LED控制器支持這樣的方案。(圖5)。

圖5. 同步高功率Buck LED驅動器

MAX20078 LED控制器採用專有的平均電流模式控制方法，在調節電感電流的同時保持開關頻率接近恆定。器件工作在4.5V至65V寬輸入電壓範圍，開關頻率高達1MHz，同時支持模擬和PWM調光功能。器件採用節省空間(3mm x 3mm)的16引腳TQFN封裝(普通或SW)或16引腳TSSOP封裝。

高效

圖6所示為基於MAX20078的LED驅動器的效率與電源電壓的關係。兩個107m?同步整流MOSFET晶體管保證了整個寬輸入電壓範圍內都具有高效率。

圖6.MAX20078方案效率與電源電壓的關係

高精度光強控制

與圖4所示的例子相比，MAX20078的專有架構提供幾乎無誤差的瞬態響應。圖7中，二極體的數量從8個增加到12個，輸出電壓或電流未發生任何明顯波動。

圖7.MAX20078瞬態響應

高工作頻率

MAX20078的導通時間可編程，開關頻率範圍為100kHz至高達1MHz。器件的導通時間與輸入電壓和輸出電壓成比例，這意味著開關頻率幾乎是恆定的。MAX20078具有較高且控制良好的開關頻率，且在AM頻帶範圍之外，很容易設置。在降低射頻干擾的同時，擴頻特性滿足EMI標準。

總結

我們回顧了複雜LED照明系統供電中存在的諸多挑戰，以及最優化LED系統性能的要求。我們介紹了MAX20078如何通過創新的LED控制器架構來克服這些挑戰，提供高精度平均電流控制、AM頻帶範圍之外的高工作頻率、支持高調光精度的良好瞬態響應，以及高效率，最大程度降低功耗。這些特性支持優異的汽車外部照明，且效率更高，支持複雜的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。

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