引言
隨著消費者環保理念的加強，固態照明方案迅速成為汽車應用中首選的照明技術。按照市場調研公司Strategies Unlimited得出的結論，通用照明、背光及汽車應用將是高亮LED (HB LED)市場在今后幾年的主要增長動力，到2011年，整個市場規模將會達到19億美元¹。
與傳統的照明技術相比，HB LED具有幾個關鍵優勢：它們不含任何有害物質，例如CCFL中的汞元素；消耗較低的功率而且具有更長的使用壽命。另外，HB LED比傳統方案具有更高的成本競爭優勢，大大降低了系統的整體成本(例如：運行和維護成本)。當然，HB LED的使用也面臨一些特殊挑戰，特別是汽車等嘈雜的工作環境。本文討論了HB LED驅動器選擇的基本原則，比較了不同的驅動器拓撲，針對不同的汽車照明應用提供了配置方案，其中包括：汽車頂燈、日間行駛燈(DRL)、尾燈(RCL)、霧燈和近光燈/遠光燈等。
HB LED需要恒流驅動
HB LED驅動器用于管理HB LED的供電，驅動電路保持恒定的電流和最小的電壓波動非常關鍵。過大的驅動電流會提高HB LED的結溫，加快HB LED的退化。照明應用中，為了獲得更高的流明，需要使用大功率HB LED。這些HB LED的正向導通電流一般為350mA到1A。白光、藍光和綠光 HB LED的正向電壓在2.8至4.5V范圍內，紅光和琥珀光 HB LED的正向電壓在2.3至3.5V范圍。為了保持固定的色譜和亮度，HB LED驅動必須滿足特定的額定電流要求。用電壓源驅動HB LED、串聯電阻限流，可能產生不可接受的亮度及光譜的變化。
HB LED亮度調節
HB LED的發光顏色會隨著電流的變化而發生變化，因此，采用脈寬調制(PWM)方式對固定電流進行調節效果優于調節實際電流的幅度，即將直流電流保持在HB LED廠商規定的固定值，按照一定的頻率和占空比進行電流斬波，利用脈寬調制調節亮度可以在不同的亮度等級保持一致的光譜。為了避免視覺閃爍，調光頻率應高于100Hz。調光范圍取決于HB LED驅動器所允許的最小占空比。
大部分LED驅動器需要由微處理器或外部定時器產生亮度控制信號。MAX16806等HB LED驅動器則由內部產生PWM信號，通過DIM輸入端作用的外部電壓進行調制(圖1)。這種配置在汽車內部照明等應用中可以省去微處理器。
圖1：350mA線性HB LED驅動器IC，MAX16806能夠省去微控制器或開關模式轉換器
汽車內部照明——線性驅動器
驅動HB LED的最佳方案是使用恒流源。實現恒流源的簡單電路是：用一個MOSFET與HB LED串聯，對HB LED的電流進行檢測并將其與基準電壓相比較，比較信號反饋到運算放大器，進而控制MOSFET的柵極。這種電路如同一個理想的電流源，可以在正向電壓、電源電壓變化時保持固定的電流。線性驅動器相對于開關模式驅動器的優點是：電路結構簡單，易于實現，因為沒有高頻開關，所以也不需要考慮EMI問題。此外，線性驅動器的外圍元件少，可有效降低系統的整體成本。
線性HB LED驅動器，例如：MAX16806，內部集成了MOSFET和高精度基準，能夠使每串LED保持一致的亮度(圖1)。例如：MAX16806所要求的輸入電壓只需比LED總壓降高出1V。利用外部檢流電阻測量HB LED的電流，從而在輸入電壓和LED正向電壓變化時，MAX16806能夠保證輸出恒定的電流。線性驅動器的功耗等于HB LED電流乘以內部（或外部）串聯調整管的壓降。當HB LED電流或輸入電源電壓增大時，功耗也會增大，從而限制了線性驅動器的應用。由于過熱會影響HB LED的使用壽命——這也是這類燈源的一個缺陷——限制燈管的功耗非常重要。
值得慶幸的是，可以通過調節HB LED的亮度避免出現過熱。為了降低功耗，MAX16806對輸入電壓進行監測，如果輸入電壓超過預先設定值，它將減小HB LED的驅動電流以降低功耗。該項功能可以在某些應用中避免使用開關電源，例如：汽車頂燈或DRL等，這些應用中通常會在出現不正常的高電池電壓時將燈光調暗。
汽車外部照明——開關模式降壓驅動器
當輸入電壓遠遠高于串聯HB LED的總壓降時，最好使用開關模式降壓(buck)轉換驅動器(圖2)，能夠使電源功耗降至最低，從而獲得較高的驅動器效率。與一般HB LED驅動的buck控制器不同，MAX16819、MAX16820、MAX16822和MAX16832采用滯回控制，沒有控制環路補償，從而簡化了設計，有助于減少外部器件數量。集成高壓電流檢測放大器，能夠工作在高達2MHz的開關頻率，有效降低電路板空間和元件數量，可理想用于汽車照明(RCL、DRL、霧燈/近光燈)。
圖2：利用開關模式降壓轉換驅動器降低功耗并提高照明組件的驅動效率
汽車霧燈——開關模式Buck-Boost (SEPIC)驅動器
當輸入電壓高于或低于HB LED的總導通電壓時，必須使用buck-boost模式驅動器。在buck-boost配置中，需要一個浮動的電流檢測放大器檢測并調節HB LED電流。另外還需要提供額外的保護，例如過壓保護，在HB LED發生開路或短路失效時保護系統不被損壞。對于汽車霧燈，輸入電壓的變化范圍可能在5.5V (冷啟動)至24V (電池倍壓)，此時，比較理想的選擇是buck-boost電路，用于提供大功率LED的驅動。驅動器還必須能夠承受40V以上的拋負載峰值電壓。
高度集成的HB LED驅動器，例如：MAX16812或MAX16831，在汽車前燈設計中有助于減少元件數量、降低成本。例如：MAX16812內部集成了差分電流檢測放大器和額定電壓為76V的0.2Ω功率MOSFET，用于控制單串HB LED的電流(圖3)。此外，內部調光MOSFET驅動器在拋負載時可以自動關閉LED串的電源，增強了系統的可靠性。
圖3：當輸入電壓可能高于或低于串聯HB LED的總電壓時，應該選擇buck-boost驅動器拓撲
汽車中的LCD背光方案——開關模式boost驅動器
如果輸入電壓始終低于HB LED串的總電壓，則需要使用boost轉換器。在2010年的新車型中，普遍增加了平視顯示器，升壓轉換器非常適合這類應用或LCD背光。這些應用需要3000:1的亮度調節范圍，以適應車內寬范圍的環境光照條件。驅動器必須提供一個額外的調光MOSFET驅動器，以便在極短的時間內接通/關閉LED。調光MOSFET還能夠在拋負載時保護LED。圖4所示HB LED驅動器電路用于汽車中LCD背光，MAX16834集成了高邊檢流放大器、PWM調光MOSFET驅動器和高度可靠的保護電路，大大簡化了LCD背光電路的設計。該款HB LED驅動器能夠提供3000:1 PWM調光范圍，輸入電壓范圍為4.75V至28V，在冷啟動和拋負載狀況下確保穩定工作。
圖4：具有3000:1調光范圍的boost驅動器，內置保護電路，可理想用于汽車娛樂設施的LCD背光
結論
合理選擇HB LED驅動器需要了解具體LED照明裝置的要求，以優化系統設計。設計人員首先需要確定電參數，例如：輸入電壓、LED電流、LED正向導通電壓以及這些參數的變化范圍。安全性、EMI、熱管理、機械性能以及可以利用的電路板面積也是必須考慮的因素。線性驅動器比較適合低成本、低EMI應用，例如：汽車內部照明，設計簡單。開關型驅動器則適用于大功率、高效率和寬輸入電壓范圍等應用場合，例如：汽車的外部照明，但成本較高，需要考慮EMI問題。
Maxim針對不同應用提供廣泛的HB LED驅動解決方案，能夠在汽車固態照明中減小系統尺寸，降低設計復雜度和成本。所有汽車照明方案均可工作在-40°C至+125°C溫度范圍，并且滿足汽車應用中對短路保護和熱關斷的要求。