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(多图) 克服汽车系统中高亮度(HB) LED集成方案的技术瓶颈

Maxim公司?? 2010年11月12日 ?? 收藏0

?  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: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,如此循环。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,从而由于过驱动导致其它LED串失效。利用图2所示方案可以避免出现这种状况。

  不可否认,图2所示架构也存在一定限制:它利用MOSFET调整串联电流,为了使这些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,boost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VBOOST电压设置到理想值的LED驱动器称为具有AVO (自适应电压优化)功能。

  因为大多数应用中需要通过PWM调节LED亮度,从而使AVO设计变得更加复杂。它们必须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。但是,当所有LED串关闭时,boost转换器应该处于何种状态呢? 这是设计面临的另一问题,答案可能有多种,每种都有一定的限制,后续内容中将详细讨论。

  传统多串LED驱动器的问题

  传统的多串LED驱动器方案采用图2所示拓扑,包含boost开关转换器和多路独立工作的吸电流调节器,使用这些驱动器构建AVO时,需要一些外部元件,这会引起一系列的问题。

  其中一个问题是: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,增加系统成本。

  该方案在出现LED故障时还存在另一潜在问题,如果一个LED失效发生开路,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VBOOST,试图为这一串LED提供足够的驱动电压。这将引出几个潜在问题,提升后的电压作用在其它串的吸电流MOSFET上,可能造成全部管子失效;或者,电压的提升将触发boost转换器的输出过压保护(OVP),如果器件具有此项功能,则关闭转换器和所有LED串。

  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VBOOST。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boost输出,如图2中的红色标记电路。LED关闭时,该二极管导通,将VBOOST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,boost转换器的输出电压具有较高的纹波,纹波频率为PWM调光频率(见图3)。电压纹波会产生EMI噪声,如上所述,这是汽车设计面临的一个关键问题,它还会从输出电容COUT上产生音频噪声。

图3a. 传统驱动器进行PWM调光时的波形,利用图2所示外部电路,VBOOST在LED电流通、断期间发生变化,电源上存在较大噪声。
图3a. 传统驱动器进行PWM调光时的波形,利用图2所示外部电路,VBOOST在LED电流通、断期间发生变化,电源上存在较大噪声。

图3b. 在新一代驱动器架构中,boost转换器在LED电流断开期间停止开关工作,转换器输出电压由其输出电容保持,由于漏电流的作用,电压略有下降。
图3b. 在新一代驱动器架构中,boost转换器在LED电流断开期间停止开关工作,转换器输出电压由其输出电容保持,由于漏电流的作用,电压略有下降。

  新一代多串LED驱动器的优势

  新一代多串LED驱动器在性能上有较大改进,boost开关转换器与线性吸电流调节器部分可以进行双向通信,而不是独立工作。因此,新型多串驱动器解决了上述三个问题。

  这些新型驱动器在IC内部检测LED串的电压,即每个吸电流MOSFET的漏极电压,IC利用内部二极管或模拟开关电路选择最低串电压(图4)。这种方案大大降低了外部元件数量和方案成本。

图4. 新一代HB LED驱动器IC中,内部LED吸电流调节器与boost转换器之间的通信功能有助于获得更高效率,避免了许多传统驱动器所面临的问题。

图4. 新一代HB LED驱动器IC中,内部LED吸电流调节器与boost转换器之间的通信功能有助于获得更高效率,避免了许多传统驱动器所面临的问题。

  另外,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,新设计中一旦一个LED发生故障,VBOOST开始上升,电压达到OVP门限时即可识别出发生故障的串,从AVO控制环路中禁止或移出该串,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),不会对用户造成其它影响。


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高亮度? HB? LED? MAX16814?

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