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過(guò)去 10 年來(lái)，汽車(chē)中的電子系統在數量和電子控制、車(chē)載多媒體系統及娛樂(lè )系統的復雜性等方面都有了巨大的飛躍。展望未來(lái)，預計汽車(chē)電子系統還將以更快的速度發(fā)展。根據市場(chǎng)調研公司 Allied Business Intelligence 的預測，到 2007 年，全球汽車(chē)半導體市場(chǎng)將從 123 億美元（2004年）增長(cháng)到每年 170億以上美元。Strategy Analytics公司也預測，到 2008 年，汽車(chē)電子系統在汽車(chē)總成本中所占份額將從目前的 20% 增長(cháng)到 30%。這增長(cháng)是由多種因素引發(fā)的。一方面，汽車(chē)中很多傳統的機械系統 (如油門(mén)控制、制動(dòng)和懸掛控制系統) 現在都采用了電子系統進(jìn)行控制和優(yōu)化。另一方面，LED 照明、娛樂(lè )和無(wú)線(xiàn)導航也正在迅速成為非豪華汽車(chē)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(chē)應用給電子行業(yè)帶來(lái)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(chē)電子系統市場(chǎng)中一個(gè)重要的增長(cháng)領(lǐng)域，即在目前和未來(lái)幾代汽車(chē)中大量涌現的 LED 照明。這一新的照明領(lǐng)域給汽車(chē)電子產(chǎn)品的設計師和制造商都帶來(lái)了新挑戰。理解這些挑戰的本質(zhì)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(guān)的增長(cháng)看來(lái)是無(wú)窮無(wú)盡的。 LED 照明 小尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)使高亮度 LED 在今天的汽車(chē)中得到了廣泛應用。LED 最初用于中央高位剎車(chē)燈（CHMSL），這種應用是用紅光 LED 組成一個(gè)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(chǎn)的所有高亮度 LED 中，大約有15% 用于汽車(chē)，這表明其市場(chǎng)規模已經(jīng)超過(guò) 4 億美元。 盡管如此，白熾燈還是最經(jīng)濟的光源，因此也仍然是最常用的標準產(chǎn)品。不過(guò)，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(cháng)。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(jiàn)的將來(lái)，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(gè)方面。首先，可能也是最重要的一點(diǎn)，LED 燈從不需要更換，因為其長(cháng)達 10萬(wàn)小時(shí)（11.5使用年限）的可靠壽命超過(guò)了汽車(chē)的壽命。這使汽車(chē)制造商可永久性地把 LED 嵌入到“艙內”照明設備中，無(wú)需為了方便更換而進(jìn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是低功耗，這可以減少汽車(chē)的燃料消耗。圖 1 顯示了一輛現代汽車(chē)中的大量 LED 照明應用。在汽車(chē)內部，有幾種采用各種類(lèi)型 LED 的“標準內置”照明模塊。有些是單個(gè) 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�，F在超過(guò) 40% 的中央高位剎車(chē)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(chē)燈（DRL）。同時(shí)，我們都已經(jīng)看到更多中檔汽車(chē) (甚至摩托車(chē)) 都用彩色 LED 陣列作為剎車(chē)燈/轉向指示信號燈。 圖 1 現代汽車(chē)中 LED照明系統的典型應用 汽車(chē) LED 照明系統的設計參數 為確保最佳性能和更長(cháng)的使用壽命，LED 需要一個(gè)有效的驅動(dòng)電路。這些特殊的驅動(dòng)電路必須能夠適應條件相當苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)，而且要既經(jīng)濟又節省空間。為了保證更長(cháng)的使用壽命，首要的是不超過(guò) 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(dòng)電流。在單個(gè) LED 應用中，將需要如凌特公司 LT3474 那樣的降壓 LED 驅動(dòng)器，把汽車(chē)總線(xiàn)電壓（標稱(chēng) 12V）降低到更適合 LED 的電壓，這個(gè)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(chē)燈等應用則需要多達 8 個(gè)串聯(lián)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(dòng)器。凌特公司所有的 LED 驅動(dòng)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(huán)境下產(chǎn)生恒定的 LED 亮度，這些驅動(dòng)器集成電路必須有恒定電流源。內部檢測電阻用來(lái)監視輸出電流，以實(shí)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(shí)現較寬的調光范圍。因為凌特公司的大電流 LED 驅動(dòng)器是電流模式穩壓器，所以它們不直接調制電源開(kāi)關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路控制每個(gè)周期的開(kāi)關(guān)峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動(dòng)態(tài)性能并實(shí)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(dòng)器集成電路必須具有簡(jiǎn)單的調節輸出電流/LED 亮度的方法。用這種驅動(dòng)器集成電路，可以由 PWM 信號、DC 電壓或外部 NMOS 晶體管實(shí)現調光，產(chǎn)生的調光范圍高達 1000:1。 最后，汽車(chē)上的電子系統可能對噪聲敏感，尤其是導航系統、無(wú)線(xiàn)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(dòng)器 IC 采用恒定頻率開(kāi)關(guān)拓撲。而且，開(kāi)關(guān)頻率是用戶(hù)可編程的，范圍為 200kHz 至 2MHz，以保持開(kāi)關(guān)噪聲在 AM 無(wú)線(xiàn)頻段等主要頻段之外。高開(kāi)關(guān)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(dòng)電流 單個(gè) LED 應用 如圖 1 所示，很多嵌入式大電流 LED 應用都是由單個(gè)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(mén)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(chē)總線(xiàn)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(jiàn)圖 2）。其內部檢測電阻監視輸出電流，以實(shí)現精確穩流，該器件非常適用于驅動(dòng)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(shí)現一個(gè)寬調光范圍。該調光范圍可以利用 PWM 引腳和一個(gè)外部 NMOS MOSFET 進(jìn)一步擴大，從而實(shí)現 1000∶1 的總調光范圍。 T3474 的開(kāi)關(guān)頻率可以編程，范圍為 200kHz 至 2MHz，這樣，設計師就能夠避開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率工作加上低阻抗陶瓷電容器實(shí)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(lái)自12V 至 24V 汽車(chē)電源總線(xiàn)的電源進(jìn)行寬范圍調節。電流模式 PWM 架構具有快速瞬態(tài)響應，并可提供逐周期限流。最后，頻率折返和熱關(guān)機可提供附加保護。 圖2 LT3474 1A 降壓 LED 驅動(dòng)器典型應用 用于導航顯示器的LCD TFT 背光照明 傳統上，汽車(chē)中大的（對角線(xiàn)長(cháng) 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(shù)進(jìn)行背光照明。CCFL 帶來(lái)的問(wèn)題很多。首先，驅動(dòng) 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(gè)更換一個(gè)價(jià)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(jiǎn)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(guò)汽車(chē)的壽命。還有一個(gè)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(chǎn)生的散熱量。 LT3466 是一種雙輸出全功能升壓 DC/DC 轉換器，是專(zhuān)門(mén)為采用恒定電流驅動(dòng)多達 50 個(gè)白光 LED（每個(gè)轉換器可串聯(lián)多達 25 個(gè)）而設計。串聯(lián)連接的 LED 可以使其具有相同的電流，從而產(chǎn)生一致的亮度，且無(wú)需鎮流電阻和昂貴的工廠(chǎng)校準工作。兩個(gè)相互獨立的轉換器能夠驅動(dòng)非對稱(chēng) LED 串。兩個(gè) LED 串的調光也可以獨立控制。LT3466 非常適用于為汽車(chē)應用中的車(chē)載多媒體系統/導航顯示器提供背光照明。 圖3 用于 50 個(gè)白光 LED 的 LT3466 背光照明電路 剎車(chē)燈 迄今為止最流行的 LED 應用一直是中央高位剎車(chē)燈（CHMSL）。到 2003 年年低，至少 40% 的汽車(chē)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(cháng)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(shí)間內就可達到設定亮度，從而使后面汽車(chē)的駕駛員能夠更快地看到剎車(chē)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(shí)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(chē)的燃料消耗。其使用壽命會(huì )很容易超過(guò)汽車(chē)的壽命，因此無(wú)需更換。除了 CHMSL，一些汽車(chē) (如奧迪 A6) 以及一些摩托車(chē)也都已經(jīng)用 LED 取代白熾燈作為主剎車(chē)燈了。 為了最大限度地提高剎車(chē) LED 應用的性能并延長(cháng)其使用壽命，當務(wù)之急是按照剎車(chē)系統的要求采用合適并能夠驅動(dòng)“紅光 LED 串”的 LED 驅動(dòng)器。凌特公司的 LT3486 是專(zhuān)門(mén)為這類(lèi)汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)。 LT(r)3486是一種雙升壓 DC/DC 轉換器，如圖4所示，經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，用來(lái)自 12V 至 14V 的汽車(chē)總線(xiàn)的恒定電流驅動(dòng)多達16個(gè)LED（每個(gè)轉換器 可串聯(lián)8 個(gè)）。串聯(lián)連接的 LED 可使其具有相同的LED電流，從而產(chǎn)生一致的亮度。如果需要，這兩個(gè)相互獨立的轉換器還能夠驅動(dòng)非對稱(chēng) LED 串。 這兩個(gè) LED 串的調光可以通過(guò)各自的 CTRL 引腳獨立控制。內部 PWM 調光系統可通過(guò)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(shí)的輸出限壓。 圖5 LT3486 汽車(chē) LED 驅動(dòng)器電路 結語(yǔ) LED 照明系統在目前和未來(lái)的汽車(chē)中迅速采用，這給大電流 LED 汽車(chē)應用中的 LED 驅動(dòng)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(dòng)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(jīng)注意到了這些汽車(chē)設計挑戰，并開(kāi)發(fā)出了一整套大電流 LED 驅動(dòng)器產(chǎn)品以滿(mǎn)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(shí)，能更容易地做出抉擇。 |
