??? LED照明在汽車領域的應用越來越普及，例如車后燈組(RCL)、頭燈、日間行車燈、信號燈及第三煞車燈(CHMSL)等，而該趨勢正同時出現在原設備制造商及零件市場燈具供應商領域。在驅動車用LED照明方面，市面上有不少適合的開關電源供應拓撲可以使用，但最終的選擇還是取決于LED對電壓和電流的需求，以及必須符合系統的整體目標。對于那些供電電壓遠高于負載電壓的應用，降壓轉換器可以說是最理想的選擇，原因是它可為LED負載提供穩定及持續不斷的輸出電流。相反地，假若總LED電壓高于系統的供電電壓時，系統設計人員便須運用升壓/降壓混合拓撲或純升壓拓撲。然而，在某些情況下，LED的電源電壓可以高于、相等或低于負載電壓，這時設計人員便可能需要運用SEPIC(單端初級電感轉換器)拓撲。本文將會引用美國國家半導體的LM3406降壓穩壓器及LM3421控制器作為例，并透過不同的拓撲配置方式，包括降壓、升壓、降壓/升壓及SEPIC去闡述個別拓撲的優點和缺點。
?
采用串聯及并聯安排的LED車后燈組
??? LED在汽車方面的其中一種比較普遍的應用是尾燈/閃燈組合，也被稱作車后燈組。對于那些典型正激電壓(VF)為3V的LED，當流經它們的直流電壓為12-14 Vdc時，便可能需要使用降壓開關穩壓器作為解決方案。在最低電壓為12V下，只能讓3個LED以串聯方式連接，假若所有LED的總電壓超過12V時，便需采用串聯/并聯方式(圖1)。
?
圖 1. 同時運用串聯/并聯的排列方式
??? 對于需要進行調光及閃燈的應用而言，有幾種方法可以用來切斷LED燈串的電源，最常用的方式之一是脈沖寬度調制(PWM)調光控制，通常以專用信號來控制燈光的輸出亮度，因為需要在線路系統中加一條專用線路作為調光的用途，因此不太適合汽車應用。另外一種方式是所謂雙線調光，當中供給LED驅動器的電源會周期性地被中斷以控制明暗。美國國家半導體的LM3406便是其中一款內置了這種功能的器件(可在http://www.national.com/analog/led 獲取更多有關LM3406及LED WENEBCH的信息)。圖2所示為LM3406的應用電路圖。
?
?
圖 2. LM3406 的雙線調光配置
??? 這種方式有三大優點。第一，LM3406的輸入電壓感測引腳(VINS)可排除使用專用調光信號，使得LED燈串的PWM調光可通過調節LM3406的電源來實現。第二，至關重要的一點在于，阻流二極體（blocking diode）D2可允許電路保留輸入電容器CIN，正如在非雙線調光解決方案中一樣，基于降壓穩壓器的非連續性輸入電流，可保留輸出電容器。第三，這種配置方式可讓器件本身維持驅動狀態，無需在調光周期完結后再完全重新啟動。這種標準PWM調光方式所需的附加零件包括阻流二極管D2、VINS 下拉電阻器 RPD及切斷開關S1所需的零件。
采用升壓/降壓混合拓撲的串聯LED車后燈組實例
??? 將LED燈串以并排方式連接能夠大幅簡化設計，原因在于這種安排能使LED的功率級直接采用12-14Vdc直流電源軌進行運行。可是，這種將串聯與并聯結合在一起的配置方法也有其缺點。當閱讀LED制造商的數據表時，有兩個數據至關重要：一是LED的光輸出與其流經的電流大小成比例，另一個是LED的動態電阻會隨著正激電壓VF而改變。制造商以bin值表示LED的VF、光通量、與顏色（或色溫），例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51 V（25 °C時）范圍的LED，當涵蓋整個bin值范圍時可以變為2.8V至4.2V ，因為LED制造商一般都會向客戶銷售多種bin值的LED，對多數設計人員而言，假設所有LED都有接近的VF值是不切實際的。
?
?
圖 3. 實驗設計
?
??? VF變化的影響可從以下例子中看到。圖3所示為一個實驗，當中包含兩個不同的設置。第一個設置采用四個LED，每一個均擁有獨立的電流源，而另一個設置則將四個LED并排連接以共用一個電流源。表1中的數據是于25°C下并于開啟電源后5秒內錄取，目的是把LED的自我加熱效應降至最低。
?
??? 從上述數據可見當采用并排連接方式時，LED的VF變化會導致電流不平均地分配。即使是同一級bin的LED都會出現類似的反應，使得在并聯方式中的個別燈串無法獲得相同的電流。改善并聯燈串電流分配的其中一個方法是在每條燈串上加裝一個鎖流電阻器(ballast resistor)，雖然該方法有助電流平均分配，但缺點是鎖流電阻器所消耗的電流會導致效率下降。
??? 假若系統設計人員對上述有所顧慮，最好還是采用單一串聯的方式。對于這種解決方案，設計人員仍然可采用LM3406，但系統的復雜度則難免會提高，因為需要新的前端來輸送高于12-14 V的電源電壓給LED驅動器，然后LED驅動器將這新生電壓降下來供應給單一LED燈串。這種作法可透過在直流電源和LM3406之間加入一個升壓直流/直流功率級來完成，正如圗4所見。配合這種拓撲，所有串聯在一起的LED便可獲分配相同大小的電流，即使它們的VF不盡相同。
?
圖 4. 升壓及降壓混合拓撲
??? 此時，我們的腦海中可能出現一個問題：為何要加入降壓功率級，而不干脆使用升壓穩壓器去運作？這兩種拓據之間的一個最重要分別是輸出電容器：升壓穩壓器必須采用輸出電容器，而降壓穩壓器則不一定需要。毫無疑問，LED能夠成功地被升壓級驅動(以下將會證明這點)，但如果系統需要調光，那么輸出電容器便可能成為障礙。當穩壓器進入 “調光”模式后便會停止向LED供電，但如果電路包含輸出電容器，它便可繼續為LED提供電流。如此，系統在LED真正熄滅前便需額外的時間讓輸出電容器放電。此外，當遇上負載突降時，LED可能會感受很大的線路電壓，而僅僅一個升壓穩壓器實不足提供保護。相反地，在升壓及降壓混合拓撲中，降壓穩壓器(這里是指LM3406) 可以免于高電壓的損壞或系統崩解。
采用升壓穩壓器的頭燈設計實例
??? 在汽車的另一端，頭燈與日間行車燈也逐漸成為LED替換的熱門選項。這類典型應用通常需要把10個白光LED連成一串。對于典型VF為4V的LED而言，假若設計人員不愿意采用串并聯的混合安排，便可能需采用某種形式的升壓直流/直流級去驅動LED，而假若需降低功率級的復雜度，升壓開關穩壓器便大派用場。
??? 圖5所示為一個采用了LM3421的10盞LED應用(詳細資料可在http://www.national.com/analog/led查詢)，當中的多功能低邊MOSFET控制器可視為升壓功率級的其中一部份。
?
圖 5. 采用LM3421構成的升壓穩壓器驅動10盞LED
??? 這種拓撲的一個特色是電流感測會于LED的高邊完成，使得串尾LED的陰極能夠就地接地至車身底盤并使感測電壓以差動信號形式反饋回電路。這可說是一個非常重要的優點，尤其當LED燈串和電路之間的距離很遠。
采用SEPIC穩壓器的頭燈設計實例
??? 雖然汽車電氣系統一般在12-14 V dc范圍內運作，有些特殊情況下，系統零件的電壓會高于或低于這個水平。舉例而言，當冷車啟動時，系統所獲得的電壓可以是4.5V或更低，相反于負載突降的情況下，電壓則可能高至40到60V。若LED必須在這些情況下運作且受保護，設計人員可能需要選用另一種功率級設計，使得不管LED的供電電壓是多少都可為LED提供穩定的電流。SPEIC(單端初級電感轉換器)拓撲是一種可同時運行升壓及降壓的開關穩壓器配置，正如圙6中所示。
?
圖 6. SEPIC 轉換器的基本拓撲
??? 雖然SEPIC轉換器的效率不如降壓穩壓器或升壓穩壓器，但它也有其優點。SEPIC除了同時擁有升壓及降壓的能力外，另一個極受汽車應用青睞的優點在于其CSEPIC電容器，它可為輸入與輸出之間提供非常有效的隔離。然而，SEPIC轉換器最明顯的缺點是需要兩個電感器才能運作。然而，兩個電感可以同心圓方式纏繞成對立的兩個分離元件（這是能夠同時兼顧方案尺寸及成本的最佳方法），這個「電感恐懼癥」就可以輕易地被治愈。相關電路范例參見圖7，其中也采用了LM3421控制器。
?
圖 7. SEPIC配置中的LM3421
?
結論
??? 當驅動LED時，在電源系統設計方面有許多種選擇，這取決于所需的LED數量與型號、照明要求、以及所需的系統特性，必須有一種拓撲方式可供選用。由于可用的拓撲方式包括升壓、降壓、或兩者皆可，LED燈串可以偏離汽車電源的范圍運行而不須受限于12-14 V，若設計人員選擇在12-14 V范圍內運作，則可以使用降壓穩壓器，如此一來，即使所有LED的總VF 超過系統供應的直流電壓也同樣不成問題。若偏好完全串聯的方式，而不采用串聯/并聯設計，便可采用升壓與降壓穩壓器組合，也可以僅用升壓穩壓器。此外，假若LED需要在特殊情況下運作且受保護，可以使用SEPIC拓撲，其可依據輸入電壓與所需之輸出電壓來決定降壓或升壓。最后，除了不同的拓撲方式外，也有許多IC解決方案可以使用，例如美國國家半導體的LM3406與 LM3421，便可有效地成為LED照明的穩定電流穩壓器。