克服汽车系统中HB LED集成的挑战

　目前，汽车厂商正在逐步将汽车照明系统从白炽灯和冷阴极荧光灯更换成高亮度LED。这些HBLED广泛用于导航及娱乐设备显示器的背光和汽车内部、外部照明，例如：日间行驶灯、尾灯等。一些新应用 (如平视显示器)也开始使用HB LED。
　　然而，在把HB LED集成到各种系统时，为了提高工作效率、降低成本、获得宽范围调光及其它优势，设计人员还面临诸多挑战。由于第一代驱动器的局限性，设计人员还无法在效率、最少的外部元件数量、最低EMI以及宽范围PWM调光等方面进行优化。最新推向市场的多串LED驱动器(如MAX16814)以极其巧妙的方式解决了上述技术瓶颈，这些驱动器的开关和线性控制器之间能够进行双向通信。
　　为什么选择HB LED？
　　HB LED在汽车领域的应用越来越普及，它们为汽车设计人员带来了众多优势。与其它照明技术相比，HB LED是最环保的解决方案，具有出色的能效，不含汞，回收时只有极少的有害物质。另外，HB LED还有助于改善汽车的安全性，这归功于它们的快速开、关速度(远远高于白炽灯)。也正是考虑到这一因素，刹车灯广泛采用了高亮度LED。
　　此外，它为设计人员在汽车的个性化风格设计上提供了更大的发挥空间，原因是：LED尺寸很小，几乎不占用面板背部的空间，设计人员可以按照任何形状排列LED灯；这种小尺寸射灯非常适合作为指示灯；最后，LED比其它照明方案具有更长的使用寿命，使用寿命达到50,000小时甚至更长，非常适合长期保持照明状态的环境，如日间行驶灯。

　　LED在汽车中的应用已经从刹车灯、尾灯扩展到了前车灯(日间行驶照明，中高端汽车的位置指示灯以及高端汽车的近光灯和远光灯)、内部照明(RGB LED可以控制灯光颜色)，为汽车增添独特风采。此外，LED在导航、娱乐设备和仪表盘背光应用中也逐渐成为主流产品(图1)。

　　LED技术在一些全新应用中也占有重要地位，例如汽车平视显示器。LED具有较宽的调光范围，通过PWM调光，非常适合这类需要根据环境光强在非常宽的范围内调节灯光亮度的应用。

　　HB LED的设计挑战

　　当然，把LED集成到汽车应用时也会面临诸多挑战，例如，必须保持尽可能低的成本。就元件本身而言，LED灯的价格通常高于其它照明方案(白炽灯、卤素灯、CCFL)。因此，必须降低LED方案的系统级成本，以提高该项技术的市场发展潜力。降低方案成本的途径之一是尽可能减少驱动器的元器件数量，这也有利于提高系统可靠性，因为PCB上的每个元件都可能是系统的一个失效点。

　　另一挑战是效率。高能效在汽车中的重要性越来越高，特别是对于混合动力车，须尽可能提高效率使功耗(发热)降至最低。汽车部件一般工作在高温环境，发动机周围的环境温度可能达到105°C，其它部位的温度会达到85°C。LED产生大量热量，它们不会在IR或UV波段辐射能量，其功耗会提高周围环境的温度，这就需要降低驱动器的功耗，避免驱动器IC或驱动模块中的其它器件过热。

　　当然，汽车环境下同样面临EMI问题。任何照明子系统都不能干扰车内的其它子系统，AM收音机通常是最敏感的部件之一。

　　在汽车应用中，LED被排列成多串(每串定义为一个串联LED组，具有相同电流)。可以根据显示器的尺寸方便地排列LED支持背光，将LED排列成多串有助于提高故障容限(如果一个LED开路，只会关闭与该LED串联的LED，而非所有LED)。使用多串LED的另一个原因是限制每串LED的电压，提高系统安全性。例如，一串总电压为80V的LED分成两串后，电压达到40V，避免在与LED或其连线接触时出现对人体构成威胁的高压。

　　由此可见，能够驱动多串LED的单片IC具有明显优势。多串驱动器架构通常包含了LED串、升压转换器(将输入电池电压转换成每串LED所需高压)、多路线性吸电流调节器(用于建立每串的驱动电流)，如图2所示。

　　与具有多路开关转换器的方案相比，这种方案的元件数较少，成本较低(只需要一个电感和少数旁路电容)。与单串驱动器直接驱动并联LED的方案相比，这种方案的优势是可以在每串之间均衡电流。如果多串LED直接并联，因为有些LED的正向导通电压较高，电流不可能在每串之间均分。另外，LED的正向导通电压会随着温度的升高而降低，电流的不均衡会导致热量失控，因为具有较大电流的LED串发热较多，其正向导通电压随之降低，从而吸收更大电流，导致该串LED的温度进一步提升。随着电流差异的增大，可能导致一串或多串大电流LED失效。最后，如果LED串只是简单地并联在一起，由于驱动器只能控制总电流，失效的LED电流会增加到其它LED串，从而由于过驱动而导致其它LED串失效。利用图2方案可以避免出现这种状况。

　　这种架构利用MOSFET调节LED串的电流，为使这些MOSFET的温度尽可能低，需确保管子两端的电压尽可能低，但需足够的电压使管子处于饱和区。理想条件下，升压转换器的输出电压为： Vboost=max(Vstring,i)+ Vsat 式中，Vstring,i为第i串LED的正向导通总电压，Vsat为MOSFET处于饱和状态时的VDS。能够将该电压设置到理想值的驱动器称为具有自适应电压优化(AVO)功能。

　　大多数应用需要通过PWM调节LED亮度，例如按照一定的占空比进行通、断控制，使线性吸电流调节器打开、关闭，从而使AVO设计变得更加复杂。当所有LED串关闭时，升压转换器的工作状态有多种选择和一些限制，后续内容中将详细讨论。

　　传统的多串驱动器
　　传统的LED驱动器方案采用图2所示的拓扑，包含升压开关转换器和多路独立工作的电流调节器，这些转换器在配合外部元件实现AVO功能时存在一些问题。

　　外部电路必须检测哪一串LED具有最高的正向导通电压(或最低的阴极电压)；利用图2中红色标记的几个二极管可以实现这一功能。这种方案会占用更大的电路板面积，提高系统成本。

　　该方案在出现LED故障时还存在另一潜在问题，如果一个LED发生开路，这一串的阴极电压将跌落至零，二极管检测电路将判断这一串具有最高的正向导通电压，并开始提升升压的输出电压，试图为这一串LED提供足够的驱动电压。最终导致其它LED串的吸电流MOSFET上的电压提升，可能造成管子失效或触发升压转换器的输出过压保护(如果具备此项功能)，关闭转换器和所有LED。

　　该架构的第三个问题是LED的PWM调光，当LED关闭时，二极管电路没有电压参考点来设置升压输出电压。一种可能的解决办法是增加另一个二极管，通过分压电路连接到升压输出，如图2中的红色标记电路。LED关闭时，该二极管导通，将升压输出设置到预置电压。这种方式存在的显著问题是：进行PWM调光时，升压转换器输出具有较高的纹波，如图3a所示。这会产生EMI噪声，是汽车设计面临的一个关键问题，它还会在输出电容Cout上产生可闻噪声。

　　新一代多串驱动器

　　新一代多串LED驱动器的升压开关转换器和线性吸电流调节器可以进行双向通信(而不是独立工作)，解决(或部分解决)了上述三个问题，大大提高了系统性能。这些新型驱动器在IC内部检测LED串的电压(比如每个吸电流MOSFET的漏极电压)，利用内部二极管或模拟开关电路选择最低电压(图4)。这种方案大大降低了外部元件数量和方案成本。

　　此外，双向通信功能还解决了上述一个LED失效或开路引发的问题。一旦发生这种情况，升压转换器输出电压开始上升，达到过压保护门限时即可识别故障的LED串，禁止或移出该串对应的AVO控制环路，其它LED串保持正常工作。除了降低照明亮度外(而不是全部关闭LED)，失效的LED不会对用户造成其它影响。

　　新一代驱动器调节LED亮度时，内部开关和线性调节环路采用了与图2不同的方式，具有更低噪声。LED关闭时可能禁止升压转换器工作，如图3b所示。换句话说，转换器在此期间停止了开关操作，功率开关MOSFET保持在断开状态，补偿电路也处于开路。补偿电容保持其电荷量(补偿环路工作时的状态)。升压输出电压由输出电容Cout维持，由于LED关闭电容不放电，放电电流只是漏电流。LED恢复导通时，转换器重新启动开关操作，具有极小的纹波。这种方案中，升压转换器输出电压在PWM亮度调节期间几乎保持恒定，大大降低了EMI噪声和输出电容上的可闻噪声。

　　这种方案的唯一限制是PWM调光的导通周期需要大于几个(三个或四个)开关周期，以便升压转换器为输出电容重新充电，补偿关断期间的漏电流损耗。这限制了能够获得的最小占空比。

　　新一代驱动器的应用解决方案
　　汽车的日间行驶灯和平视显示器具有一个相同的性能要求，即在汽车行驶过程中始终保持开启状态，要求较高的可靠性/冗余设计，任何情况下确保正常工作。利用MAX16814等新一代LED驱动器能够保证行驶灯和平视显示器高度可靠，同时还大大减少了外部元件的数量，有助于降低系统成本、提高可靠性。这类应用还要求工作在较宽的输入电压范围，能够承受汽车电池高达40V的峰值电压(抛负载)并具有极低的EMI。

　　故障容限对于这类使用寿命长，而且即使在发生故障时也不允许关闭LED灯的应用非常重要。MAX16814利用多串驱动架构能够在出现一个LED开路或短路时只关闭出现故障的LED串，其它LED保持有效工作。此外，MAX16814的故障指示输出还可以提供LED失效报警(图5)。

　　平视显示器还要求较宽(1000:1或更大)的PWM调光范围，MAX16814集成了一个独特的PWM调光电路，能够有效抑制升压输出电压的纹波(频率为调光频率)，从而降低了EMI和可闻噪声。该方案与图3b使用的方案类似，但能够以200Hz提供5000:1的调光范围(高于其它产品)，克服了上述最小导通时间的限制。

　　芯片可以驱动四串LED，开关和线性调节器之间可进行双向通信，大大减少了外部元件的数量。此外，MAX16814具有完备的故障保护措施和检测功能，任何一串出现开路或短路的LED时将关闭这一串的工作，并向系统发出故障报警输出。满足汽车产品设计的所有要求，例如可承受40V抛负载，工作在-40°C至125°C温度范围。

　　设计HB LED系统时需要折衷考虑多方面因素，包括元件数量、效率、可靠性等。表1对多种LED驱动方案进行了对比和归纳，有助于设计人员针对具体应用选择最佳方案。