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《車用電子技術剖析》

汽車電壓變化多 車用LED驅動設計不可不慎

2006/8  Keith Szolusha
LED照明廣受汽車製造業歡迎,汽車的頭燈、尾燈、方向燈、車內閱讀燈、儀表板背光燈或GPS液晶螢幕照明等裝置都可見LED應用,這些不同型態應用需求的DC/DC轉換器架構大不相同,而高轉換效率、關機時的低電流消耗、高調光比例,以及LED電流調節功能,則是車用LED驅動器共通的需求。
LED照明廣受汽車製造業歡迎,汽車的頭燈、尾燈、方向燈、車內閱讀燈、儀表板背光燈或GPS液晶螢幕照明等裝置都可見LED應用,這些不同型態應用需求的DC/DC轉換器架構大不相同,而高轉換效率、關機時的低電流消耗、高調光比例,以及LED電流調節功能,則是車用LED驅動器共通的需求。  

固態LED照明是目前廣受汽車製造業者採用的新技術,這些輕盈短小且可靠的裝置,在車內與車外照明上提升了2007∼2008年度車系的美感與效能。高功率LED擁有許多優點,包括比用於車內照明的白熾燈泡,和用於頭燈和煞車燈的鹵素或HID燈泡具備更低的成本,並且壽命更長。  

從典型汽車電池驅動單顆LED或多串LED,基本上需要一個DC/DC轉換器,從而精確地提供固定的LED電流,以達成均勻的亮度和顏色的飽和度。轉換器也必須保護LED免受汽車電池排線電壓無常變化的傷害。DC/DC轉換器必須針對多串LED的數目與類型,以及其於各項應用上的功能如:頭燈、尾燈、方向燈、車內閱讀燈、儀表板背光燈或GPS液晶螢幕照明等進行最佳化設計。  

有三個因素可決定不同的汽車LED應用該採取何種DC/DC轉換器晶片及架構。首先是架構,LED電壓與電池電壓範圍的關係,指定了降壓、升壓、或升降壓架構,該架構在整個電池電壓操作範圍下,還必須能夠維持固定的LED電流。其次是調光,大比例範圍的LED調光,必須在不同亮度變化下保有色彩特質,且避免肉眼可見的閃爍跳動或震盪。第三是效率,DC/DC轉換器的高效率操作與低功耗,在驅動高亮度LED是相當關鍵的需求,因為在不工作的情況下,功耗會消耗電池電力,而在工作時,這些功耗在承受極大熱應力的車體環境下,即消散為熱能。  

汽車電池電壓變動範圍較大  

車內頂燈與閱讀燈也許只使用單顆3瓦LED,能產生75∼100流明的亮度。此種LED,例如Lumileds公司的Luxeon III Star,具有一個範圍介於3∼4.5伏特的典型順向電壓,以及1∼1.5安培的最大電流。最簡單的LED驅動器設計,是使用一個降壓(Buck)穩壓器,從全範圍汽車電池電壓驅動此顆LED。圖1是具備調光功能單顆LED車內照明電路的實例。  

汽車電池的典型工作電壓範圍,是介於9∼16伏特之間。使用中的電池,在汽車尚未啟動時,電壓可能降至9伏特;當馬達運轉後,發電機會將其充電回14.4伏特;伴隨著一些突波與過調,此典型DC電池電壓可能高達16伏特。一個正常、充電後的汽車電池,當馬達不工作時,電壓會維持在12伏特。  

在冷啟動情況下,汽車電池的電壓也許會降至5伏特、甚至4伏特。關鍵的電子零組件必須能在這些低電壓下工作,但車內照明則不然。高電壓暫態瞬變在汽車電池中也是相當普遍的。從電池延伸至不同位置而環繞著汽車底盤的長電線,以及電子雜訊夾雜的車體環境,使得高電壓突波不斷產生。當選擇一個用於汽車設計的開關穩壓器時,36伏特的典型暫態瞬變是必要的考量。大部分情況下,較高的電壓突波可由突波吸收器或RC濾波器濾除。  

在此以LT3474為例,說明適用於驅動車用LED的DC/DC轉換器應該具備的特性(圖1)。此款高電壓、高電流LED降壓轉換器具有寬PWM調光比例,能以高達1安培的電流驅動單一或多顆LED。內建高電壓NPN功率開關及內部電流檢測電阻,以減少板面占用空間、減少元件數並簡化設計,同時保有高效率。4∼36伏特工作輸入電壓範圍,則能使此LED驅動轉換器在所有的電池狀態下能直接與電池搭配工作,同時穩壓固定LED電流。此轉換器也具備一個低電壓內部電流檢測電阻,可省下昂貴的外部運算放大器,並提供位於電流檢測電阻路徑上的一個低電壓參考源。此轉換器的降壓穩壓器設計,以及可調整的高頻率範圍,允許極低漣波輸出電流,即使在使用非常小、低成本的陶瓷輸出電容情況下亦然。本文討論的所有轉換器,均建議使用X5R或X7R高溫度係數陶瓷電容。  

在12伏特輸入電壓和高於200毫安培的LED電流下,本文範例中的LED降壓穩壓器效率將高於80%(圖2)。當利用類比控制VADJ接腳降低LED電流和亮度時,效率似乎略為下降,但功耗仍非常低。一款專為汽車與電池供電應用所設計的LED降壓穩壓器,在關機狀態下,電流消耗可低於2微安培(通常為10奈安培)。利用實體按鈕或微控器晶片,關機狀態可做為LED開關的按鈕功能。  

類比式調光將影響LED彩度  

LED亮度可由圖1所示的轉換器控制,因此不論類比電壓輸入至VADJ接腳、或數位PWM訊號至PWM調光MOSFET的閘極與PWM腳接,都可達成控制。類比亮度控制藉由降低內部檢測電阻電壓,將固定LED電流從1安培降至更低。雖然這是降低LED亮度的簡單方式,但LED電流的精準度在低電流時也同時降低,因而改變了LED的彩度。圖3說明該轉換器的典型LED電流與VADJ接腳電壓的關係曲線,在1安培下的精準度典型上為2%,但在200毫安培時只有3.5%,調光比例存在約10:1的實際限制。  

另一個降低LED亮度的方式,是數位PWM調光。當單一白光LED在1安培固定電流下受調時,與LED相聯的PWM MOSFET將產生如圖4的波形。當LED與PWM MOSFET在PWM訊號的導通時間下導通,電流會被穩定在1安培,在PWM關閉時電流則為零,如此在降低任何LED亮度的同時,將能保持彩度與達到真實色彩的呈現。由於PWM功能是作用於晶片內,因此將LED電流調整至可程式LED設定電流,所需PWM的響應非常快速。以LT3474為例,40微秒的最低調光導通時間,以及250:1數位PWM調光比例,可滿足車內照明需求。  

高亮度LED矩陣背光須升壓驅動  

GPS導航與車內娛樂螢幕在高價汽車中相當風行,這些LCD螢幕不僅需要固定且明亮的LED矩陣以便在日光環境下使用,亦需寬廣調光比例以利於夜間操作,多串LED也因而帶來不同於單顆LED車內照明的挑戰。這些螢幕上由6∼10顆LED組成的多顆串聯方式,通常是低電流(小於150毫安培)且較小型的LED,但堆疊起來的電壓會比汽車電池更高(大於20伏特)。因此,具備高效率與高PWM調光能力的高功率升壓DC/DC LED驅動器,對這些螢幕而言相當重要。  

圖5所示雙路輸出升壓LED驅動器的應用,是以100毫安培的固定電流以及高達3.6伏特的LED順向電壓,驅動兩個串聯LED。此升壓轉換LED驅動器,藉由與LED和PWM調光MOSFET相串聯的低電壓檢測電阻提供高效率,全範圍電池電壓為9∼16伏特,則低於多串LED的工作順向電壓。  

針對兩個10-LED矩陣,而非單一20-LED多串之運用,使用兩個LED驅動器的好處是最大開關電壓可以維持在單一10-LED矩陣的電壓(最大開關電壓42伏特、最大輸出電壓36伏特)。而效率方面,在電池的整個工作電壓範圍中,效率大約為90%(圖6)。如果電池電壓降至4伏特,LT3486依然仍工作,但可能處於電流限制狀態,此須視LED設定電流與串聯LED數目而定。LED電流可利用基於最大效率所需的200毫伏特檢測電阻電壓原則,透過外部檢測電阻值的選擇來設定,任一串聯的LED電流皆可被獨立調整,其調整方式可從CTRL接腳接入類比訊號,以達到10:1的精確調光比例,或使用PWM訊號達到非常高的調光比例。  

針對夜間觀賞用的極亮型螢幕,若需能同樣於日間運用,則1,000:1的調光比例是非常需要的。雙路輸出升壓LED驅動器利用內部PWM調光架構,以及使用100Hz(高於可見光譜)的外部PWM調光MOSFET,可達成1,000:1的PWM調光比例。快速的PWM響應時間與內部LED電流記憶,在真實色彩PWM調光情況下,將LED電流從0毫安培升至100毫安培,需時短於10微秒。若在R-G-G-B四多串的頂級螢幕使用兩個雙路輸出升壓LED驅動器,可提供1,000:1調光,且在昏暗的夜間操作時,仍可維持螢幕真實色彩。  

方向燈/尾燈/頭燈功率需求最高  

汽車的方向燈、尾燈和頭燈需要最高功率DC/DC LED驅動器,因為它們擁有最亮且為數最多的LED。雖然由於散熱與法規限制,極亮型LED頭燈還不普遍,但紅色和琥珀色煞車燈與方向燈則已逐漸盛行,因為它們擁有絕佳的美感特質與耐久力。驅動琥珀色和紅色的LED高功率矩陣所面臨的挑戰與內部及裝飾照明相似,但程度不同。一般而言,高調光比例是不必要的,但簡單開關以及高低亮度功能則相當有用。高功率LED矩陣電壓大小通常落於汽車電池的整個電壓範圍,這便產生對於具備升壓與降壓、或升降壓能力LED驅動器的需求。  

圖7所示的升降壓LED驅動器,正以1安培電流驅動兩個高功率LED。LED不需對地參考,而是連接於轉換器的輸出與電池的輸入之間。圖7舉例的升降壓LED驅動器具有兩個浮動的100毫伏特電流檢測輸入接腳,該接腳連接於一個與LED多串聯的無對地參考電流檢測電阻,對於汽車電池所有的工作電壓範圍(含以下),皆可實現高達1安培的精確LED電流調節。圖7舉例的關機接腳可用來作為照明的開關功能,當不工作時也能用來降低輸入電流至1微安培(典型為100奈安培)。IADJ接腳用於煞車和車尾燈應用,如後方向燈或煞車燈等需要類比調光大於10:1的場合,而真實色彩PWM調光對於這些應用是不需要的。  

由於汽車尾燈使用更多的紅色LED,且其電流更高,可達1.5安培。針對不同的燈型設計,6∼10顆LED矩陣是相當普遍的,每顆LED可產生高達140流明的總亮度,或每矩陣約1,000流明,甚至更高。這些燈不僅需要非常高的電流,同時也需要高電壓,可由汽車電池直接驅動,且不會因高電池電壓瞬變而失效。  

圖8所示的高功率LED驅動器,以升降壓架構驅動6∼10顆3瓦紅色LED。外部開關MOSFET和開關電流檢測電阻,可為高功率與高電壓LED驅動器設計提供較大的設計彈性。在9∼36伏特輸入以及1.5安培電流下,若要產生高達25伏特的多串LED輸出,當電池電壓降至低於9伏特時,需要100伏特的開關額定電壓和大於8安培尖峰開關電流的能力。恆定的1.5安培電池電流,於整個汽車電池電壓範圍均獲得良好調節;對於煞車與尾燈調光,則可利用PWM訊號直接輸入至開關為100Hz下的高功率LED驅動器PWM接腳,使LED電流能以達200:1的調光比例調降。在1kHz時,此調光比例降至20:1,足夠應付尾燈應用所需,調整ILIM接腳的輸入也可降低LED電流。  

在汽車的最高功率應用中,高效率是最重要的。在此輸出高達36瓦的應用中,效率可達93%,降低了煞車、尤其是汽車處於停止狀態時的電池電力消耗(圖9)。RUN接腳可用於煞車燈的開關控制,降低LED電流至20微安培。  

汽車照明包含著許多不同類型的LED應用,每一項應用都需要專有的高功率、簡單且具效率的LED驅動器。關機時的低電流消耗、高PWM與類比調光比例,以及LED電流調節功能,則依不同應用而有不同組合的要求。  

(本文作者為凌力爾特設計工程師)  

(詳細圖表請見新電子科技雜誌245期8月號)  

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