摘要：汽車上的轉(zhuǎn)向燈不再是只能一閃一滅了?，F(xiàn)在的LED光帶中發(fā)光顆?？梢砸砸欢ù涡蛄翜?，光帶看上去像發(fā)光蟲子朝著汽車轉(zhuǎn)向或者變道的方向直直地游去?，F(xiàn)在不僅僅轉(zhuǎn)向燈可以實(shí)現(xiàn)上述功能，全車的照明都已經(jīng)發(fā)展成可以以上述方式開啟和熄滅。隨著LED燈具應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，研究分析用于控制LED燈的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也就越來越迫切了。

　　因?yàn)長ED燈具有很高的應(yīng)用靈活性，所以在進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可利用LED高可塑性將車輛的燈光作為該汽車品牌外觀亮點(diǎn)。而且LED燈發(fā)光效率高，使用壽命長，使這種光源越來越受到汽車廠家的青睞。汽車上很多種類的燈采用的是LED，包括方向燈、尾燈、近光燈和剎車燈，這些LED燈擔(dān)任的角色不同，功能不同，對(duì)為其驅(qū)動(dòng)的電源也提出了不同的要求，并且驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須盡可能地完全滿足LED燈對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求。此外，LED燈的性能也在不斷地發(fā)展。一方面，驅(qū)動(dòng)電流僅為10mA級(jí)LED燈產(chǎn)生的亮度能持續(xù)增強(qiáng)，另一方面，單個(gè)LED需要的電流已經(jīng)達(dá)到了數(shù)安培，這都給LED的控制提出了不同的要求。現(xiàn)在沒有一種通用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能滿足所有LED光源的要求，而且可以兼顧低成本和高效率。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　從技術(shù)上說，設(shè)計(jì)用于控制車輛照明LED的控制電路需要考慮很多方面。這種電路的設(shè)計(jì)從幾個(gè)不同的方向都取得了進(jìn)展：一方面，驅(qū)動(dòng)電流在50毫安以下的LED燈的亮度在不斷增強(qiáng);另一方面，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到數(shù)安培的單個(gè)LED獲得了長足的發(fā)展。在本文中，我們將比較七個(gè)可能用于控制車輛照明LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并解釋它們的性能和各自應(yīng)用領(lǐng)域。IC設(shè)計(jì)人員可以在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用要求的特點(diǎn)，在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中選擇成本與工藝要求相匹配的那一種。但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中并不存在一種低成本、高效率、適用于所有應(yīng)用領(lǐng)域的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　只有在得到良好的散熱，并且驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定的條件下，LED燈才能正常運(yùn)行并達(dá)到最大使用壽命。在近幾年，隨著OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)技術(shù)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，LED燈對(duì)上述基本使用條件的要求更為苛刻了。這是因?yàn)?，相?duì)于較早出現(xiàn)的，以LED技術(shù)制造的LED燈，以O(shè)LED技術(shù)制造的LED燈對(duì)高電流密度更為敏感。此外， OLED驅(qū)動(dòng)方式中所采用的亮度調(diào)節(jié)方式為模擬驅(qū)動(dòng)方法，即通過模擬控制電路，而不是通過數(shù)字脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)改變燈的發(fā)光強(qiáng)度。如遠(yuǎn)光燈和近光燈，這種發(fā)光時(shí)功率較高的LED燈需要幾乎強(qiáng)制性的時(shí)鐘控制功率系統(tǒng)。以電子方式控制的高效開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以減少LED燈工作過程中出現(xiàn)的功率損耗。相對(duì)于傳統(tǒng)的白熾燈，LED燈和電子器件對(duì)高溫工作環(huán)境更為敏感，所以，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境時(shí)，為確保轉(zhuǎn)換器高效穩(wěn)定運(yùn)行，需要將轉(zhuǎn)換器安裝在足夠大的空間內(nèi)。

2 限制和要求

　　在設(shè)計(jì)車輛照明電路過程中，設(shè)計(jì)人員遇到的最典型的挑戰(zhàn)是為不同種類的LED燈提供相當(dāng)寬的驅(qū)動(dòng)電壓范圍，并且不同LED燈要求的輸入電壓和輸入電流組合各不相同。通常情況下，向LED模塊驅(qū)動(dòng)的電壓下限在4V左右，而向LED模塊驅(qū)動(dòng)的電壓范圍會(huì)受到汽車啟停系統(tǒng)(Start-Stop-System)的影響;位于極性保護(hù)電路后的電子器件的驅(qū)動(dòng)電壓下限往往只有3V。因?yàn)長ED燈輸出功率被設(shè)置為恒定，這就導(dǎo)致當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)，輸入電流持續(xù)升高。

　　elmos Semiconductor公司推出的 E522.xx系列控制器可滿足針對(duì)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(dòng)電壓較低時(shí)，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(dòng)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(shí)以及EMC(電磁兼容性)濾波元件的最大電流時(shí)，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)的LED工作電壓大于等于2V，所需的電壓達(dá)到55V以上時(shí)，以集成電路(IC)驅(qū)動(dòng)方案對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是無法產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)電流的。此外，對(duì)上述串聯(lián)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電路中的電流可以被調(diào)整，而實(shí)際的電流范圍應(yīng)該滿足經(jīng)模擬調(diào)整實(shí)現(xiàn)的最大電流和最小電流比應(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，模擬輸出的電流極值在3A～6A范圍內(nèi)，此時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源的單個(gè)二極管的光通量大于1000流明。

3 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，例如，轉(zhuǎn)向燈、尾燈、霧燈以及日間行車燈(如圖1)。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)用起來很簡單。原則上，電源集成電路工作期間對(duì)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(chǔ)器的相關(guān)問題。

　　在選擇對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，除了受到LED電路的限制，還要受到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)電流大小的限制。在車輛中常用的線性驅(qū)動(dòng)器的電流極限值一般在40mA～70mA。而當(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(dòng)器內(nèi)的電流極限值大于150mA。elmos 半導(dǎo)體公司推出的E522.80/81/82/83LED控制器就是一種可行的溫度管理方案，該系列LED控制器內(nèi)置了三個(gè)獨(dú)立的電流源，在并聯(lián)輸出的情況下，向LED驅(qū)動(dòng)的總電流可達(dá)450mA。

　　例如E522.80/81/82/83系列(如圖2)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40mA～70mA的LED燈。

　　此外，elmos Semiconductor公司芯片還支持多顆級(jí)聯(lián)使用，當(dāng)任何一串燈出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行故障診斷。在不同國家，針對(duì)處理單個(gè)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(duì)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(gè)本地的控制器，則PWM信號(hào)可以將可能存在的硬件缺陷精確地識(shí)別出來，并將識(shí)別得到的信息發(fā)回給控制器。

4 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)，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(shí)，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(huì)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(dòng)處設(shè)置了電感存儲(chǔ)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(duì)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)載范圍內(nèi)，且考慮到Jumpstart的要求(在較長的一段時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)電壓不高于28V)，則電路的電壓在30V～60V內(nèi)。因?yàn)長ED燈對(duì)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)電子器件時(shí)不會(huì)被電擊傷。當(dāng)涉及帶有更大的正向電壓OLED stack時(shí)，Boost轉(zhuǎn)換器的作用再次得到體現(xiàn)。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。

5 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Boost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(dòng)電壓。Boost-to-Battery拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被簡稱為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)角度上分析，它是一個(gè)Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，必須在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中配置一個(gè)差分式電流檢測放大器。

　　使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須滿足一個(gè)前提條件，即在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)置一個(gè)差分式電流檢測放大器，如圖3所示為一個(gè)寬共模電壓范圍能實(shí)現(xiàn)精確測量的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(chǔ)在電路中的能量通過空轉(zhuǎn)二極管被傳回到輸出。Elmos出品的LED驅(qū)動(dòng)器E522.31/32/33/34中包括了一個(gè)特殊的放大器，可以在4V～55V內(nèi)進(jìn)行測量，其測量的失調(diào)電壓小于3mV，測量的溫度小于150℃。此外，上述驅(qū)動(dòng)器還可以提供外部頻率同步，以及一個(gè)任意可用的內(nèi)部擴(kuò)頻調(diào)制( frequencyspread modulation)。如果對(duì)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(dòng)器可以幫助整個(gè)系統(tǒng)滿足《CISPR25》中針對(duì)汽車電子部件作出的規(guī)定。

　　在上述驅(qū)動(dòng)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(dòng)器可以在電壓為60V以下時(shí)正常工作，而且通過本驅(qū)動(dòng)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(shí)對(duì)控制器或者模擬輔助電路以3.3V和5V供電。

6 Buck-to-Ground 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(duì)于解決電子控制問題很有意義。一般來說，此類轉(zhuǎn)換器可以為一到兩個(gè)LED燈提供大電流。與Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相反，驅(qū)動(dòng)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)換器不會(huì)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(duì)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(duì)于電流小于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(lì)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。

7 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(dòng)(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(duì)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(dòng)電勢和大地電勢之間。在電感器通過一個(gè)Lowside開關(guān)或者空轉(zhuǎn)二極管交替充放電期間，來自電感器的、變化幅度小的電流向串聯(lián)的LED燈供電。

　　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(jí)減少向外的輻射量。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過一個(gè)外部開關(guān)與一個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)，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(gè)常常被低估的要求。當(dāng)涉及Buck-轉(zhuǎn)換器時(shí)，電流往往呈梯形或者矩形。在Buck-轉(zhuǎn)換器的占空比為50%時(shí)，有效的RMS-電流為輸出側(cè)負(fù)載電流的一半。

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

8 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)中的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)中的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(hào)的外部電源開關(guān)，在選擇時(shí)，可以靈活地選擇不同耐電強(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(duì)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(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是，是否需要一個(gè)由兩個(gè)線圈構(gòu)成的耦合。從工作原理來看，并不需要。但是如果核心上設(shè)置一個(gè)由兩個(gè)線圈構(gòu)成的耦合，則會(huì)限制在兩個(gè)線圈中電流的上升。即，一個(gè)互相耦合的線圈電感值僅僅是兩個(gè)分離的電感線圈的一半。因此，無論從器件的結(jié)構(gòu)緊湊性還是成本來說，設(shè)計(jì)一個(gè)耦合的線圈都是一種合理的選擇。

9 Zeta——尚未被人了解的轉(zhuǎn)換器

　　從原理上說，Zeta轉(zhuǎn)換器是一種頭部被旋轉(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，是一種可以與Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相類比的將能量傳輸?shù)捷敵龆说木W(wǎng)絡(luò)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較低的耐電強(qiáng)度，這一特性是線圈之間的耦合電容正常工作的必要條件。此外，還有其他一些與Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相類似的原則，對(duì)于兩個(gè)電感存儲(chǔ)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(duì)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(lì)級(jí);實(shí)際上，必須使用帶有外部P-FET的驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)(Cold-Cranking)的用電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電源，Zeta拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)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(dòng)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)。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第76頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。