汽车电子系统应用的LED驱动解决方案

简介

目前，越来越多的汽车电子系统应用照明设计师正在采用LED照明满足实用和美观的用途。众所周知，LED适用于各种汽车照明元件，例如大灯、白天行车灯、雾灯、转向信号灯、内部照明、资讯娱乐的背光照明，以及组合尾灯(RCL)和高位制动灯(CHMSL)。

在建立LED供电的电子驱动解决方案时，需要考虑两个主要的DC/DC电源类别，分别是线性稳压器和开关稳压器。线性稳压器具有减少零部件数和降低电磁干扰(EMI)的优点，但在效率和热耗方面有严重的弊端。因此，开关稳压器是很多设计师的驱动解决方案首选。直流电源和需要的LED数目与类型决定了LED驱动器的拓扑结构选择。如果电源电压超出总LED电压，就需要降压转换器。如果LED组的电压超出电源电压，就需要升压转换器。最后，根据具体的条件，LED电压可能高于或低于电源电压，这样，就应该采用降压/升压或单端初级电感转换器(SEPIC)等电源拓扑技术。

在设计照明系统时，除了LED供电外，还需要考虑很多因素。LED电路设计的另一项主要考虑因素是热管理。LED驱动器集成电路改进热性能的一种方式是通过控制LED正向电流，LED正向电流是关于温度的函数。这可以通过使用外部电流来感应温度和控制对LED的电流供应来实现，但更高效的解决方案是利用具有必要内置功能的集成电路。

美国国家半导体的产品包含可实现多种拓扑结构的众多开关稳压器集成电路。此外，美国国家半导体专为LED应用开发了一系列集成电路，其中很多具有适合汽车电子系统应用的功能。本文将探讨几个汽车电子系统大灯驱动的应用示例。

使用升压稳压器的大灯示例

LED正越来越多地用于汽车大灯及其他前视照明系统。典型的大灯应用可能使用以多种方式排列的10个白色LED。对于各LED最大VF为4V的情况，如果设计师希望使用在一个灯组中串联全部LED的拓扑结构，将需要设置DC/DC级来驱动LED。在这种情况下，可以对标称12V~14VDC电源总线使用单个升压开关功率级。

美国国家半导体研发的多种集成电路正是符合这种应用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列集成电路包含多种多用途部件，可用作升压、降压、降压/升压或SEPIC拓扑结构中低侧外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和LM3429部件都使用峰值电流模式控制器和预测性关闭时间设计来调节LED电流。峰值电流模式控制器与预测性关闭时间设计的组合简化了回路补偿设计，同时提供内在的输入电压前馈补偿。LM3429是系列中的基本部件，是优化了成本和尺寸特点的控制器解决方案。LM3421增设了用于控制外部调光FET和系统“零电流”关闭特点的集成驱动器。LM3423进一步增加了LED状态输出标记、故障标记、可编程故障计时器和逻辑针脚，用于控制调光驱动器的极性。最后，LM3424与LM3421类似，但使用标准峰值电流模式控制器。LM3424还具有对开关频率编程的功能，或通过可编程斜率补偿、软启动和LED电流热返送功能使开关频率与外部来源同步。

LM342x系列使用控制器集成电路实现所需功能和总体系统设计的最大灵活性。图1以LM3421为例，显示升压配置中使用LM342x系列驱动LED灯组的一个示例。LM342x拓扑结构的一个主要特点是在LED高侧进行电流感应，允许灯组中的最后LED的阴极局部在底盘接地，并使感应电压可以差分地馈送回集成电路。这是一个重要的优点，因为使LED灯组和驱动器集成电路可以彼此分离。

图1使用LM3421的升压稳压器驱动10个LED

使用热返送升压稳压器的大灯示例

LED制造商通常在数据表中包含显示LED最大允许正向电流和温度的图线，以确保部件的可靠性，这也称为安全工作区(SOA)。LED的最大电流额定值在较低温度测得，但在超出特定温度后，最大允许电流值降低。由于LED系统的首要设计要素是适当的散热和通风，因此很多应用需要考虑不可预测的状况，即使最佳的热设计也可能无法预防这些状况。例如大灯组件被污泥或其他碎屑堵塞的情况。由于对车辆的安全操作至关重要，因此在此类情况下，需要保持LED在较低操作点正常照明，同时使电流保持在安全工作区，以预防照明系统的灾难性故障。