前燈典型應(yīng)用

　　DC/DC電源管理

　　步進(jìn)電機(jī)控制器

　　遠(yuǎn)光燈/近光燈

　　霧燈

　　日間行車燈

　　方向燈

　　帶總線接口的LIN控制器

　　elmos Semiconductor公司推出的 E522.xx系列控制器可滿足針對車輛前部照明所需的各種LED燈，并符合解決方案設(shè)定的限定條件和要求。

　　為了抵消這種電流升高的效應(yīng)，在LED燈控制電路的設(shè)計(jì)任務(wù)書中往往要求設(shè)計(jì)出一種合適的降低輸入電流額定值的電路裝置(例如，一種可以設(shè)在燈具中，在燈的驅(qū)動電壓較低時，能夠?qū)崿F(xiàn)線性降低燈輸入電流額定值的電路裝置)。模擬連續(xù)驅(qū)動電路裝置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)向LED供電，避免出現(xiàn)照明中斷的情況。上述措施不僅僅在技術(shù)上解決了問題，而且在設(shè)計(jì)極性保護(hù)電路的最大電流時以及EMC(電磁兼容性)濾波元件的最大電流時，使用上述措施也有利于降低解決方案的成本。

　　一般來說，如果串聯(lián)連接的LED工作電壓大于等于2V，乃至所需的電壓達(dá)到55V以上時，以集成電路(IC)驅(qū)動方案對其進(jìn)行驅(qū)動是無法產(chǎn)生足夠的驅(qū)動電流的。此外，對上述串聯(lián)LED進(jìn)行驅(qū)動，電路中的電流可以被調(diào)整而實(shí)現(xiàn)的電流范圍應(yīng)該滿足以下條件，即，經(jīng)模擬調(diào)整實(shí)現(xiàn)的最大電流與經(jīng)模擬調(diào)整實(shí)現(xiàn)的最小電流之間的比應(yīng)大于10:1。一般情況下，經(jīng)調(diào)整后電流的極值為1.5A，在試驗(yàn)研究中，模擬輸出的電流的極值已經(jīng)達(dá)到了大于3A小于6A的這個范圍內(nèi)，此時，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源的單個二極管的光通量大于1000流明。

　　現(xiàn)在的問題是，哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和哪種LED相匹配呢?下面的例子給出了一些用于特定應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)成本也合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。選擇這些例子的出發(fā)點(diǎn)是體現(xiàn)應(yīng)用程序開發(fā)人員的愿望，也就是編制出一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個特定的組合，即，在照明設(shè)備上獲得的恒定電流和電壓的組合。如何設(shè)計(jì)這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有很多種思路。

　　線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電源集成電路轉(zhuǎn)換器適合于電流和功率比較小的LED燈，比如，轉(zhuǎn)向燈、尾燈、霧燈，還有低成本的日間行車燈。這些電源集成電路的總成本比較小，而且典型的電源集成應(yīng)用起來非常簡單。原則上，電源集成電路工作期間對外的輻射量很小，所以幾乎不需要為電源集成電路配EMC(電磁兼容性)濾波器。本文不討論用于交換解決方案所需的電感式存儲器的相關(guān)問題。

　　在選擇對LED進(jìn)行驅(qū)動的驅(qū)動方案時，選擇哪種方案往往除了受到LED電路的限制之外，還要受到驅(qū)動器內(nèi)的電流大小的限制。在車輛中常用的線性驅(qū)動器的電流極限值一般大于40mA小于70mA。電路設(shè)計(jì)人員必須針對此限制條件采取措施，以確保驅(qū)動器模塊的溫度不至于升至保證電路安全運(yùn)行的極限值以上。當(dāng)今業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出了相應(yīng)的溫度管理方案，能夠確保在驅(qū)動器內(nèi)的電流極限值能夠大于150mA。Elmos 半導(dǎo)體公司推出的E522.80/81/82/83LED控制器就是作為可行的溫度管理方案的一個很好的例子，該系列LED控制器中內(nèi)置了三個獨(dú)立的電流源，在并聯(lián)輸出的情況下，向LED驅(qū)動的總電流可達(dá)450mA。

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　　E522.81線性橫流LED評估板

　　例如E522.80/81/82/83系列線性控制器可以作為電源集成電路型控制器控制如轉(zhuǎn)向燈，尾燈等工作電流和功率比較小的LED燈，即，工作電流大約在大于40mA且小于70mA這個范圍之內(nèi)的LED燈。

　　此外，elmos Semiconductor公司還支持多顆芯片級聯(lián)使用，當(dāng)任何一串燈出現(xiàn)故障的時候進(jìn)行故障診斷。在不同國家里針對處理單個LED故障設(shè)定了不同的處理目標(biāo)和行業(yè)規(guī)則，這些目標(biāo)和規(guī)則包括對故障公差的規(guī)定以及關(guān)于不完整的光源完全停止工作的規(guī)定和處理目標(biāo)。如果設(shè)有一個本地的控制器，則PWM信號可以將可能存在的硬件缺陷精確地識別出來，并將識別得到的信息發(fā)回給控制器。

　　Boost-to-GND-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　Boost-to-GND拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它也被稱作升壓電路或者Step-Up升壓轉(zhuǎn)換器。它是一種效率很高且一般情況下EMC(電磁兼容性)非常友好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，只有在所有的工作狀態(tài)下，負(fù)載電壓都大于輸入電壓時，才可以使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以在車輛照明電路中幾乎不會使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谶@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的驅(qū)動處設(shè)置了電感存儲器，所在Boost升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流大致維持不變，因此，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更容易被過濾。當(dāng)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的負(fù)載處于其可以使用的負(fù)載范圍之內(nèi)時，且考慮到Jumpstart的要求(在較長的一段時間內(nèi)驅(qū)動電壓在不高于28V的水平)，則電路的電壓在大于30V且小于60V的區(qū)間內(nèi)。因?yàn)長ED燈對溫度條件要求非常高，所以從技術(shù)角度考慮，在上述電壓區(qū)間內(nèi)幾乎不能在LED燈的電路中使用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　最后但同樣重要的一點(diǎn)是，如果輸出電壓超過了60V，則必須采取專門的措施，以確保人員在觸碰相關(guān)電子器件不會被電擊傷。當(dāng)涉及帶有更大的正向電壓OLED stack時，Boost轉(zhuǎn)換器的作用再一次扮演了更為重要的角色。例如， elmosE522.31/32/33/34就是作為LED控制使用的Boost轉(zhuǎn)換器的解決方案。

　　Boost-to-Battery-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本原理和典型的Booster拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本原理類似，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，LED負(fù)載的基點(diǎn)不是接地，而是驅(qū)動電壓。Boost-to-Battery拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以被簡稱為Boost-to-Bat-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任意規(guī)格的輸入電壓在經(jīng)過這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后可以輸出任意規(guī)格的輸出電壓。因此，從技術(shù)的角度上分析，它是一個Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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　　Boost-to-Battery拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以被簡稱為Boost-to-Bat-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任意規(guī)格的輸入電壓在經(jīng)過這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后可以輸出任意規(guī)格的輸出電壓;然而，必須在這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中配置一個差分式電流檢測放大器。

　　Lowside開關(guān)將在第一相中的電流負(fù)載在電感器中，在第二相中(即Lowside已經(jīng)被斷開的狀態(tài))，存儲在電路中的能量通過空轉(zhuǎn)二極管被傳回到輸出端。

　　使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須滿足一個前提條件，即，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)置一個差分式電流檢測放大器，上述差分式電流檢測放大器通過一個寬共模電壓范圍能實(shí)現(xiàn)精確的測量。Elmos出品的LED驅(qū)動器E522.31/32/33/34中包括了一個特殊的放大器，可以在大于4V小于55V的范圍內(nèi)進(jìn)行測量，其測量的失調(diào)電壓小于3mV，測量的溫度范圍為小于150 °C。此外，上述驅(qū)動器還可以提供外部頻率同步，以及一個任意可用的內(nèi)部擴(kuò)頻調(diào)制( frequencyspread modulation)，如果對LED控制裝置提出了很高的EMC(電磁兼容性)要求，那么這種驅(qū)動器可以幫助整個系統(tǒng)滿足《CISPR25》中針對汽車電子部件作出的規(guī)定。

　　在上述驅(qū)動器電子器件的內(nèi)部和外部電路中都設(shè)有不同的診斷功能，本驅(qū)動器可以在電壓在60V以下時正常工作，而且通過本驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬的調(diào)光功能。汽車內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器(LDOs)可以同時對控制器或者模擬輔助電路以3.3V和5V供電。

　　Buck-to-Ground 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　第二個經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Buck-to-Ground拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡稱為Buck-to-GND-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于降壓轉(zhuǎn)換器(Step-Down-Converter 或者 Buck-Converter)。該轉(zhuǎn)換器可以讓負(fù)載電壓小于輸入電壓，此性能對于解決電子控制問題很有意義。一般來說，此類轉(zhuǎn)換器可以為一個到兩個LED燈提供大電流。與Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相反，驅(qū)動側(cè)的降壓轉(zhuǎn)換器可以調(diào)整電流，負(fù)載電流被設(shè)定了上限。因此，具有這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器不像具有Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那樣，總是需要配置降低輸入電流額定值的電路裝置。

　　降壓轉(zhuǎn)換器可以配合日間行車燈(DRL)、霧燈、轉(zhuǎn)向燈、車燈以及倒車燈工作。市場上已經(jīng)開發(fā)出了很多照明產(chǎn)品，比如，針對電流小于2A的照明產(chǎn)品開發(fā)出了基于降壓轉(zhuǎn)換器的elmos E522.10型控制器。對于電流較大，即，小于6A的LED，市場上開發(fā)出了基于開關(guān)穩(wěn)壓器IC的解決方案。這種解決方案允許在外部激勵晶體管內(nèi)靈活選擇導(dǎo)通電阻。這就意味著，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況降低成本。在有的情況下可以使用Buck-to-Battery拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如帶有LED控制器的E522.31/32/33/34。

　　Buck-to-Battery-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　還有一種使用了N型晶體管用在Lowside控制器里形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種Buck-轉(zhuǎn)換器用于為LED燈驅(qū)動(被稱為Buck-to-Battery拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者簡稱為Buck-to-Bat拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))。在這種控制器工作過程中，相對于電池，LED負(fù)載為負(fù)電荷，因此，LED的電勢永遠(yuǎn)在電池驅(qū)動電勢和大地電勢之間。在電感器通過一個Lowside開關(guān)或者空轉(zhuǎn)二極管交替充電放電期間，來自電感器的，變化幅度小的電流向串聯(lián)的LED燈供電。

　　Buck-to-Battery拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過電源開關(guān)處較小電壓振幅幫助減少在側(cè)面內(nèi)的開關(guān)損失以及通過高交換層級減少向外的輻射量。

　　通過在電源開關(guān)較小的電壓振幅，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以幫助減少邊緣的開關(guān)損失，并通過高交換層級減少向外的輻射量。因?yàn)檫@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過一個外部開關(guān)總是能與一個給定的電流條件和電壓條件相匹配，所以這樣的解決方案是相當(dāng)靈活的。在組件設(shè)計(jì)過程中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)人員必須時時注意，轉(zhuǎn)換器所決定的最大占空比(Duty Cycle)。Elmos建議，采用經(jīng)典的Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)平衡這種Buck-to-Battery-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此時，大部分情況下轉(zhuǎn)換器都允許100 %的占空比(Duty Cycle)，采用經(jīng)典的Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行平衡之后，Buck-to-Battery-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用的輸入電壓區(qū)間可以向下延伸。因?yàn)锽uck-to-Battery-也需要差分放大器，elmos支持采取各種方式給開發(fā)人員以支持，如 elmos提供已經(jīng)完成的、完整的演示電路。

　　在電容器中用于緩沖電源電壓的電路的有效值是一個常常被低估的要求。當(dāng)涉及Buck-轉(zhuǎn)換器(和Buck-to-Battery)時，電流往往呈梯形或者矩形。在Buck-轉(zhuǎn)換器的占空比為50%的例子中，有效的RMS-電流為輸出側(cè)負(fù)載電流的一半。

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　　在一些情況下，帶有兩個集成的控制電路的LED轉(zhuǎn)換器E522.32/34可以解決有效電流問題;上述轉(zhuǎn)換器也可以用在多相系統(tǒng)中。即，通過將電源電路中的相位偏轉(zhuǎn)180°，并且對電流進(jìn)行分流，可以明顯降低不同部件中的功耗。

　　Sepic-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　從原理上說，Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要lowside-開關(guān)的轉(zhuǎn)換器，諸如LED控制器系列的E522.31/32/33/34就可以應(yīng)用于Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不僅僅從輸入電壓，而且也可以從輸出電壓導(dǎo)出應(yīng)用于Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中晶體管和二極管的電壓要求(一般來講，應(yīng)用于Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中晶體管和二極管的電壓要求與輸入電壓和輸出電壓的和有關(guān))。因此，建議使用外部電源開關(guān)。在市場上，可以買到高質(zhì)量的多種型號和外部電源開關(guān)，在選擇時，可以靈活地選擇不同的耐電強(qiáng)度的外部電源開關(guān)，也可以靈活選擇不同工作電流的外部電源開關(guān)。高RMS電流要求對耦合電容器規(guī)格的選擇起著很重要的作用，因此，通常采用陶瓷耦合電容器用作外部電源開關(guān)中的耦合電容器。

　　在進(jìn)行涉及Sepic-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時，經(jīng)常遇到的一個問題是，是否需要一個由兩個線圈構(gòu)成的耦合。如果從工作原理出發(fā)考慮這個問題，得到的回答是不需要，但是：如果核心上設(shè)置一個由兩個線圈構(gòu)成的耦合，則可以說，耦合會限制在兩個線圈的中電流上升。綜上所述可以得出，一個互相耦合的線圈電感值僅僅是兩個分離的電感線圈的一半即可。通常情況下，綜上所述，無論從器件的結(jié)構(gòu)緊湊性還是成本來說，設(shè)一個耦合的線圈都是一種合理的選項(xiàng)。從控制技術(shù)角度上說，耦合也有它的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)轳詈蠝p少了相關(guān)磁極的復(fù)雜性。

　　Zeta，尚未被人了解的轉(zhuǎn)換器

　　從原理上說，Zeta轉(zhuǎn)換器就是一種頭部被旋轉(zhuǎn)了的Sepic轉(zhuǎn)換器。和Sepic轉(zhuǎn)換器相反，Zeta轉(zhuǎn)換器作為Highside開關(guān)使用。一種可以與Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相類比的網(wǎng)絡(luò)將能量傳輸?shù)捷敵龆?。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是具有較低的耐電強(qiáng)度，這一特性對于線圈之間的耦合電容的正常工作是必要的條件。此外，還有其他一些與Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相類似的原則，以及對于兩個電感存儲器之間的耦合也適用于Zeta轉(zhuǎn)換器。

　　一般來說，Buck轉(zhuǎn)換器集成電路適合于在Zeta拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中被操作。電源開關(guān)必須能夠承受相對于轉(zhuǎn)換器接地電位電壓為輸出電壓的負(fù)漏電壓。出于上述原因，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不宜使用異步激勵級;實(shí)際上，必須使用帶有外部P-FET的驅(qū)動器或者帶有自由連接的漏機(jī)端子內(nèi)部集成晶體管。此處，可以使用elmos推出的控制器E522.01-09和E522.10。

　　Zeta拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在EMC(電磁兼容性)方面的表現(xiàn)和Buck轉(zhuǎn)換器類似。會出現(xiàn)不連續(xù)的輸入電流和連續(xù)的輸出電流的情況。如果作為需要向小負(fù)荷且冷啟動(Cold-Cranking)的用電器進(jìn)行驅(qū)動的電源，Zeta拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會是一種很有意思的選項(xiàng)。在轉(zhuǎn)換器E522.10的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)或者在控制器系列E522.01-09的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，可以達(dá)到上述應(yīng)用要求。這種帶有內(nèi)置驅(qū)動器，漏電電壓耐受力小于-10V的Buck轉(zhuǎn)換器也特別適合于Zeta拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。