可用于汽車LED照明系統(tǒng)的驅(qū)動IC研究

司小平

(黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450063)

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可用于汽車LED照明系統(tǒng)的驅(qū)動IC研究

司小平

(黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450063)

摘要:文中介紹了車用大功率LED照明IC的具體要求，以幾個著名IC生產(chǎn)設(shè)計公司的經(jīng)典LED驅(qū)動器為例說明了汽車LED照明驅(qū)動芯片現(xiàn)狀，從性能參數(shù)、適用拓?fù)洹⒎庋b形式等方面對目前國內(nèi)外具有代表性的大功率車用LED驅(qū)動芯片作了比較和研究，并對車用LED照明驅(qū)動IC進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：照明；LED；車燈；驅(qū)動IC

0　引　言

超高亮LED 具有高可靠性，使用壽命可以達(dá)到幾萬小時，比傳統(tǒng)的白熾燈或鹵素?zé)舻氖褂脡勖叱鰩讉€數(shù)量級。基于這一優(yōu)勢，超高亮 LED 已普遍應(yīng)用在生活的各個領(lǐng)域，如：汽車電子、交通信號燈、背光源、建筑照明、建筑裝飾等。超高亮 LED 需要專門的驅(qū)動電路來點亮 。而超高亮 LED 驅(qū)動器IC(Integrated Circuit集成電路，俗稱芯片)作為電源管理芯片中的一個重要組成部分，其研發(fā)越來越受到各大集成電路設(shè)計廠家的重視。車用恒流LED驅(qū)動芯片是目前汽車照明應(yīng)用中的熱點，已經(jīng)在汽車電子系統(tǒng)占有了一席之地。

1　車用大功率LED照明IC的要求

車用大功率LED 照明IC在穩(wěn)定性能等方面要求非常嚴(yán)格。汽車在不同的運行狀態(tài)下輸入電壓是不規(guī)則變化的，在這種情況下產(chǎn)生恒定的LED亮度，要求驅(qū)動IC必須是恒流輸出，而且必須高效率工作，從而實現(xiàn)較寬的PWM調(diào)光范圍。

汽車電子系統(tǒng)的供電電源是蓄電池，但其輸出電壓并不能保證高度穩(wěn)定。目前小轎車常用的12 V系統(tǒng)的典型工作電壓范圍在9～16 V之間，而大型車輛的24 V系統(tǒng)的典型工作電壓范圍在18～32 V之間。在一些特殊的使用環(huán)境中，汽車蓄電池的供電電壓會有更大的波動，比如在汽車?yán)鋯訒r12 V系統(tǒng)的蓄電池輸出電壓可能會跌至6 V，而負(fù)載跌落運行時可能會使輸入電壓陡升到35～42 V[1]。車載電子產(chǎn)品通常對各類噪聲非常敏感，如導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)和中波AM無線電波接收機(jī)等[2]。LED 驅(qū)動芯片的外圍器件要盡可能簡單，以降低系統(tǒng)復(fù)雜度和節(jié)省空間，還要求有極寬的工作溫度范圍(-40 ℃～125 ℃)。因此，對應(yīng)用于汽車照明系統(tǒng)中的大功率超高亮 LED，車用 LED驅(qū)動芯片必須滿足以下設(shè)計要求[3]：

(1)具有極寬的輸入電壓范圍，以保護(hù)芯片不受冷啟動和負(fù)載跌落過程中巨大瞬變的影響；

(2)需要低噪聲和較弱的EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，以達(dá)到對其他電路干擾較小的目標(biāo)；

(3)要求外圍元件少而小，盡量采用小尺寸封裝，使其占印制板的體積更??；

(4)較寬的工作溫度范圍(-40 ℃～125 ℃)；

(5)為了保證多個LED并聯(lián)時各LED產(chǎn)生均勻的亮度，也就是各LED電流相匹配，就要求電流精度高；

(6)具有PWM調(diào)光功能，以提高輸出電流精度，即LED的最大電流ILED可設(shè)定，使用過程中可調(diào)節(jié)；

(7)靜態(tài)電流小、功耗低，在關(guān)閉狀態(tài)時耗電??；

(8)有完善的保護(hù)電路，如：過溫保護(hù)、短路保護(hù)和過/欠壓保護(hù)等；

(9)盡量采用散熱型封裝；

(10)使用方便，性價比高。

2　汽車LED照明驅(qū)動芯片現(xiàn)狀

為適應(yīng)LED的快速發(fā)展，世界上很多著名IC設(shè)計生產(chǎn)公司均推出了各種各樣的LED專用驅(qū)動IC。目前，LED專用驅(qū)動芯片生產(chǎn)廠家主要以MAXIM(美信公司，Maxim Integrated Products)、TOSHIBA(東芝公司，Toshiba Corporation)、TI(德州儀器，Texas Instruments)、SONY(索尼公司，Sony Corporation)、SITI(臺灣點晶科技)、 Linear(凌力爾特，Linear Technology Corporation)、National(松下電器)、安森美半導(dǎo)體 (ON Semiconductor)等為代表。這些國際知名公司的LED DC-DC專用IC款式較多，性能較強(qiáng)，下面舉例說明[4，5]。

LED前照燈大多要求支持單個LED或多個LED串，電壓最高可達(dá)60 V，并且要具有PWM調(diào)光、高效驅(qū)動IC、LED串低電磁兼容輻射、診斷和同步接口等功能。針對這樣的需求，安美森推出NCV78663功率LED前照燈方案，這是一個集成度非常高、外部元件非常少的方案，是一個Buck-Boost模式的驅(qū)動IC，可以恒定LED的輸出工作電流，最大輸出電流可達(dá)2 A，帶診斷和熱保護(hù)模式，通過外部的SPI和OTP來設(shè)置整個系統(tǒng)，單個器件可以支持多種系統(tǒng)配置，而且可以直接連接電池，降低EMC輻射，總體能效在90%以上[6]。

凌力爾特在其LED集成驅(qū)動IC LT3795、LT3955中采用了恒定頻率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以期獲得極大地降低產(chǎn)生噪聲干擾的可能性。另外，用戶還可在200 kHz～2 MHz的范圍內(nèi)設(shè)置開關(guān)頻率，使開關(guān)噪聲遠(yuǎn)離關(guān)鍵頻段，如AM無線電波段。在高開關(guān)頻率上允許使用小電感器和陶瓷電容器，最大限度地縮減系統(tǒng)的尺寸和成本[2]。

德州儀器 (TI，Texas Instruments) 在2014年5月20日推出汽車產(chǎn)業(yè)兩款LED車燈集成驅(qū)動IC，其中一款是首款具有前照燈雙通道開關(guān)的 LED驅(qū)動IC，另一款是唯一一款支持后燈單短路LED檢測的線性LED驅(qū)動IC。與目前市面上其它LED驅(qū)動IC不同，該TPS92630-Q1和TPS92602-Q1集成驅(qū)動器都具有高側(cè)電流感應(yīng)模擬調(diào)光與PWM調(diào)光功能，還具有全面診斷和熱管理功能，可幫助設(shè)計人員搭建符合各國不同交通規(guī)則需求的高靈活照明系統(tǒng)；應(yīng)用范圍包括汽車LED前燈、后燈以及車內(nèi)照明燈等[7，8]。

半導(dǎo)體在汽車電子系統(tǒng)設(shè)計中所占的比重不斷增加，而汽車生產(chǎn)商對高效率、安全性以及便捷性的需求也進(jìn)一步推動了這一趨勢。目前，Maxim提供具有創(chuàng)新特性的集成驅(qū)動芯片，能推動汽車制造商實現(xiàn)這些先進(jìn)的設(shè)計要求。Maxim是電壓穩(wěn)壓器和電池管理集成芯片(包括高效LED照明驅(qū)動IC在內(nèi))的領(lǐng)先供應(yīng)商。不管是汽車車燈(包括前車燈、尾燈RCL、日間行駛燈DRL)等，還是內(nèi)部照明包括常規(guī)的車體內(nèi)部照明以及儀表盤背光和顯示器背光等，Maxim均提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先、經(jīng)過AEC-Q100認(rèn)證的開關(guān)穩(wěn)壓器(SEPIC、buck/boost、升/降壓)，滿足這些車內(nèi)外照明需求[9]。

MAX16831是典型的一款電流型、高亮LED車燈照明驅(qū)動器，可以通過控制2個外部n溝道MOSFET來實現(xiàn)調(diào)節(jié)單串LED的電流；MAX16831具有6～76 V的寬輸入電壓范圍，PWM調(diào)光，電流精度可達(dá)5%，具有輸出過壓、開路、LED短路、過熱保護(hù)等功能；集成了較寬范圍的亮度控制、固定頻率HB-LED(High Brightness LED)驅(qū)動器所需的全部組件，而且可配置為降壓型buck、升壓型boost或升/降壓型buck-boost電流調(diào)節(jié)器；可工作于汽車級溫度范圍(-40 ℃～125 ℃)；可應(yīng)用于汽車外部照明，如遠(yuǎn)光燈、近光燈、信號燈、后組合燈(RCL， Rear Combination Lamp)、白天行車燈(DRL，Daytime Running Lamps)、霧燈和自適應(yīng)前燈等[10]。

3　適用于汽車LED照明驅(qū)動的芯片比較研究

隨著LED在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來越迫切，而超高亮LED驅(qū)動器芯片作為這一領(lǐng)域中電源管理的核心技術(shù)和難題，受到世界范圍內(nèi)各大集成電路設(shè)計廠家的重視，紛紛開展研發(fā)和生產(chǎn)，針對車內(nèi)外照明的不同應(yīng)用及需求推出各類LED驅(qū)動IC。但也出現(xiàn)了這類產(chǎn)品品種繁多，性能、價格高低不一的狀況。如何從這些看起來類似，其實性能相差甚遠(yuǎn)的大功率LED驅(qū)動IC產(chǎn)品中選擇出適合自己的產(chǎn)品就成了問題的關(guān)鍵。表1列出了目前市場上具有代表性的大功率LED驅(qū)動器芯片及其主要功能比較，以方便這類芯片的選取。

從表1可知，國外各大集成電路廠商推出的大功率 LED 驅(qū)動器芯片種類繁多，功能各異?，F(xiàn)有的LED驅(qū)動電路主要有電阻限流型、線性穩(wěn)流型、開關(guān)電源型和電荷泵型等四種。

(1)電阻限流型的電流會隨正向電壓升高而變大，在電阻上產(chǎn)生較大的壓降，故其對電流的調(diào)節(jié)能力有限，調(diào)節(jié)精度很低。另外，該電路依靠在電阻上消耗部分功率來達(dá)到平衡輸出的作用，效率很低。因此該電路僅適用于小功率、精度要求不高的場合，在汽車大功率LED照明驅(qū)動IC中鮮見用此方法。

(2)線性穩(wěn)流型(又稱線性調(diào)節(jié)器)高亮 LED 驅(qū)動器芯片主要是應(yīng)用于蓄電池供電的場合，由于有了反饋控制，可以得到精確的輸出，和開關(guān)穩(wěn)壓器型LED驅(qū)動相比，這種驅(qū)動不會帶來EMI干擾問題、紋波抑制比好，且電路結(jié)構(gòu)相對簡單，但其調(diào)節(jié)原理依然是利用耗能元件的能耗平衡輸入與輸出的能量落差來實現(xiàn)輸出穩(wěn)定的，其效率同樣不高，比較適用于小功率場合。

表1　目前具有代表性的大功率LED驅(qū)動器芯片主要功能比較[11-27]

(3)開關(guān)電源型主要依靠開關(guān)在兩種電路結(jié)構(gòu)間的高速切換，將能量在各器件間存儲和轉(zhuǎn)移來得到所需的輸出，其損耗僅限于器件和線路損耗，沒有專門的耗能元件平衡能量，有著很高的能量轉(zhuǎn)換效率，特別適用于大功率LED 的驅(qū)動。但由于需要外接電感電容，噪聲干擾較大，EMI干擾問題嚴(yán)重，而且電路相對復(fù)雜、體積大、成本較高。

(4)電荷泵型 LED 驅(qū)動器無需用外部電感，只需要電容和少量開關(guān)控制元件，這就有利于提高系統(tǒng)的集成度，而且可以保證EMI干擾較小，但是其缺點是效率相對較低[1,3]。

和國外超高亮LED驅(qū)動芯片的研發(fā)如火如荼的景象相比，國內(nèi)高亮度LED驅(qū)動器芯片的研發(fā)工作相對較少，只有少數(shù)公司在進(jìn)行此項研究。美芯晟科技有限公司(Maxic Technology Corporation)的MT7201，及最新推出的MT7282、MT7285等低壓恒流DC-DC驅(qū)動均可用于車燈LED照明。它們的性能參數(shù)如表2所示[28-30]。

表2　Maxic各低壓恒流DC-DC驅(qū)動IC性能參數(shù)比較

武漢芯景科技有限公司2010年推出了AT8860，這款LED驅(qū)動芯片是一款能驅(qū)動高亮度LED的Buck型恒流驅(qū)動芯片，額定工作溫度范圍為汽車級溫度范圍(-40 ℃～125 ℃)，能夠提供1 A可調(diào)輸出電流，輸入電壓范圍為5 V～ 40 V，可通過采樣電阻設(shè)定輸出電流，單顆LED最大輸出電流可達(dá)1 000 mA，電流精度可達(dá)±3%；AT8860可以實現(xiàn)寬頻率范圍的PWM調(diào)光，而且包含過溫保護(hù)功能； AT8860的散熱增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)效率高達(dá)95%，高度的組件集成度可設(shè)計組件少、配置簡單的緊湊型LED照明解決方案。 AT8860有三種封裝形式，分別是SOT89-5、ESOP8、SOP8； 另外，AT8860還集成了一個40 V的NDMOS開關(guān)和高端電流檢測電路，以設(shè)置與外部檢測電阻器相關(guān)的平均輸出電流；AT8860可承受的最高輸入電壓達(dá)40 V，適用于基于 LED的汽車照明、建筑照明電路及日常照明應(yīng)用[31]。

4　結(jié)　論

LED 給汽車照明系統(tǒng)的革命帶來了契機(jī)。但是由于LED驅(qū)動技術(shù)的高成本制約了LED在汽車照明中的應(yīng)用，因此研究與超高亮LED配套使用的車用LED驅(qū)動芯片有著極其重大的社會和經(jīng)濟(jì)意義。目前，我國市場上經(jīng)濟(jì)型車的車燈還是以白熾燈為主，但是，在高位剎車燈和一些運營車輛中已經(jīng)開始用紅光LED代替白熾燈。LED應(yīng)用呈現(xiàn)向汽車尾燈和高位剎車燈市場滲透的趨勢。國內(nèi)外研究人員正在緊鑼密鼓地開展高效大功率白光車用LED照明驅(qū)動技術(shù)的研究，特別是適用于汽車前照燈的高效大功率LED驅(qū)動器的研究。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和革新，車用LED照明必將迎來春天。

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研制開發(fā)

Research on IC Driver Used in Automotive LED Lighting

SI Xiao-ping

(Department of Information Engineering, Huanghe Science and Technology College, Zhengzhou 450063, China)

Abstract:This paper introduces the specific requirements of high power LED lighting IC uses in vehicles. With classic LED drivers from several famous IC companies as an example, current situation of automotive LED lighting driver is illustrated. Typical high power automotive LED lighting drivers at home and abroad are compared in aspects of parameters, suitable topology and footprint. Finally, prospects of automotive LED lighting driving IC are outlined.

Key words:lighting; LED; automotive lights; driving IC

中圖分類號：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0017-04

作者簡介：司小平(1981-)，女，河南太康人，碩士研究生，講師，主要從事電路與系統(tǒng)方面的教學(xué)研究。

基金項目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目，項目編號：14B510006；光電信息技術(shù)及應(yīng)用鄭州市重點實驗室項目，項目編號：114PYFZX505。

收稿日期：2014-12-15