新型DC/DC变换器在汽车照明中的应用
2010-09-29 14:45:39
来源：《磁性元件与电源》2010年10月刊
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1 前言
LED被称为第四代汽车光源，虽然一次性投入较高，但拥有白炽灯无法比拟的优点，如LED车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸多特点，已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品。每台车内部应用如仪表板、阅读灯，外部应用则为尾灯、刹车灯、方向灯、头灯等，汽车用照明已形成目前LED照明发展最快的应用市场。
今天，在一般的汽车上电子系统的成本约占20%以上，有的豪华车上已飙升至30%以上。汽车上设置的应用实例包括：车载信息系统，安全系统，发动机的能源管理，车载收音机、电视的卫星接收、移动电话以及其它无线电系统等等。5年前，这些电子系统仅设置在高档豪华车上，现在每个汽车制造厂家，已将其集成在中等规格的车辆上，大幅度加速了汽车用集成电路技术的飞跃发展。
2 LED照明取代白炽灯泡
在车用照明产品方面，由于供电电源来自汽车蓄电池，一般为24V、48V直流电压，故需要有直流电源的LED驱动IC（集成电路），将交流电源直接转换为直流电源，并完成与LED电压及电流的匹配。
与此同时，车载电子系统的元器件增加，要求的可用空间却不断缩小。大幅度增加了每一系统的电子元器件密度。所有电子系统均需要功率转换的IC。通常，对每一分支系统还要配置复式的多级电压干线。由于很高的功率密度和各系统散热导致的高环境温度，汽车上的有限空间和工作温度范围的限制，故要求高效率的功率转换是关键。
在输出电压低和几百毫安(mA)级以上的电流场合，因发出的热量多，简单地用线性调节器来输出电子系统要求的电压已不实际。由于这些条件的制约，从而采用开关调节器取代线性调节器。开关调节器的优点是：效率提高，“碳足迹”少，附加设备的简化以及EMI（电磁干扰）的减小等。
迄今，LED已出现在很多车辆的仪表盘背光(back lighting)，车内照明及制动灯上。豪华汽车厂愈益吸取了固态LED照明最新技术的优点，借助这些高科技的电子技术含量和更轻、更小、更可靠的内/外部照明器件，提高了现代汽车的美观、舒适程度。例如，海拉作为汽车灯具领域的领先者，一直将车灯技术作为一个重要的研究课题。如今海拉已为新一代凯迪拉克白金版成功开发出全LED前照灯，并已投入量产。
LED还可以降低成本和延长使用寿命。对比车内照明用的白炽灯，头灯用的HID（高强度放电）灯和卤素灯，它具有明显的优越性。
3 对驱动电路的要求
由汽车蓄电池驱动LED，要求具有精密调节LED电流的DC/DC变换器，以确保均匀的照明强度和色彩的完整性以及LED的保护。而且，DC/DC调节器应按照指定的用途，头灯或尾灯，信号灯或车内的阅读灯等，对特定的功率要进行优化。此外，由蓄电池电压驱动一个或几个LED灯串，蓄电池电压可能会出现大于、等于或小于负载电压的情况；另一种担心则是在大的调光范围内能否有效调节LED的亮度，并在低/高亮度级是否保持显色特性。因此，要求DC/DC驱动器的有效运行至关重要，尤其是在驱动高亮度(HB) LED时 ，因未转换成发射光的功率将消耗在发热上。
在出现某些特殊的工况下，对驱动电路也提出了相应要求。如图1所示，在负载一断电(Load-dump)段，这是发电机正给蓄电池充电时，蓄电池的连接线断电。这有可能发生在车辆正行驶、蓄电池电线松脱，或车在运行中蓄电池电线断开。无蓄电池的情况下，发电机正进行全充电，此时会产生瞬时高达80V的尖峰电压。
发电机瞬态吸收(Tran-sorbs)段，通常定位于36V~60V母线电压的某一位置，吸收大部分的浪涌电流。然而发电机向下配置的DC/DC变换器则承受着这一36V~60V的瞬态峰值，故要求这些变换器及子系统的容量能予以承受。某些实例中，在这一瞬态过程采用调节输出电压，关键在于DC/DC变换器应能处理这些高的瞬态电压。通常，有各种不同的保护电路，能在外部执行瞬态吸收，但成本增加，还占用可贵的空间。
“冷曲轴”(cold crank)段，发生在汽车发动机经受冷却或凝固期间，发动机油变的非常粘滞。因而要求起动机输出更大的转矩，相继需要蓄电池提供更大的电流。这一大的电流负载导致蓄电池/一次母线的电压降低，甚至低于4V的点火电压。随后，又回复至额定电压13.8V（图1）。这在某些应用场合，例如发动电机控制、安全系统和导航系统均不可避免。故要求具有良好调节的输出电压（一般为3.3V）贯穿“冷曲轴”段，以实现全过程的无间断（连续）运行。
4 LED驱动器的新IC
美国线性技术公司(LTC)研制成的两块新型DC/DC驱动器芯片，能适应汽车内/外部照明的很多严格要求，具有运行效率高、负载保护、输入/输出电压范围宽以及精确的电流调节等特点。因集成电路可构建若干DC/DC拓扑，故能为设计者提供IC的合理选择，以满足不同应用场合下的功率转换需求。
LTC3783是带恒流PWM调光的电流型多拓扑变换器（图2），用于驱动大功率LED灯串。本项专利技术可提供非常快而准确的负载切换，不会产生瞬时的欠电压或过电压，能数字式达到3000∶1的调光率(100Hz)，纯色的PWM调光可确保白色LED和红绿蓝(RGB) LED的颜色完整性。LTC3783利用模拟控制，容许附加100∶1的调光比，因人眼对周围光线的变化很敏感，故这一比率必不可少。该多功能的控制器可用于升压、降压、升降压双向变换器或反激式(Flyback)变换器，或作为恒流/恒压的调节器。利用MOSFET的通态电阻(on-resistance)可取消传感电流的电阻器，并提高了效率。LTC3783芯片的应用还包括：高电压LED阵列和LED背光，以及在电讯、自动化与工业控制系统中的调节器。
装有LTC3783 LED驱动器在汽车上应用时，具有以下很重要的特点：(1)大电流、为输出大的电流(≥1.5A)，LTC3783驱动外部的N沟道MOSFET，可给高亮度(HB)和超高亮度(SHB) LED供电；(2)高电压、LTC3783 3V~36V的输入运作和输出电压，取决于外部功率元件的选择，这可按标准确定，易于驱动LED灯串或混串（串+并）；(3)保护。对HB LED的保护，需要IC结合精确的电流和输出电压调节。附加保护包括过电压、过电流和软启动；(4)调光、以纯色PWM3000∶1数字式调光时，在宽广的调光比下保持LED恒定的颜色。而且，LTC3783还能附加模拟100∶1的调光。
另一种产品LTC3475是双通道36V、2MHz降压式DC/DC变换器（图3）。设计用于恒电流LED驱动电路，能提供每通道1.5A的LED电流。内部的传感电阻器和调光控制，确保理想的驱动大电流LED，可在50mA~1.5A的电流范围内，保持高精度的输出电流，而均匀、纯色的PWM电路，能实现3000∶1的调光范围。
LTC3475以其宽的输入电压范围(4V~36V，max40V)，可调节含汽车动力系统在内的广阔的电源阵列。它的开关频率调节幅度为200kHz~2MHz，能利用很小的电感器和陶瓷电容器，与耐热的TSSOP-16组件结合，在驱动2个或4个大电流LED时，可提供结构非常紧凑的解决方案。
LTC3475利用高侧的传感，能与接地的LED阴极连接，而勿需大多数应用中的接地线，电流型的控制与准确的参考电压，优化了精心调节的动态回路，LED的电流恒定，波纹小。两个通道已分隔Vadj和PWM信号，以便独立操作。每一通道开关相互180°的相位差（异相），减少了两通道上的输出波纹，减少了污染“足迹”，降低成本，且附加有LED断开保护和短路保护。
参考文献
[1] Tony Armstrong， LED illumination requires new power IC designs，《Electronic product Design》2007.No.4 P.40-41
[2] Bjoy santos， Using LEDs to liaght displays，《Electrionic product Design》2007. No.8 P.33-34
作者简介
邓隐北(1937—)男，研究员，原郑州大学机电工程系系主任，现为河南森源电气股份有限公司技术顾问。
姜轶轩(1985—)女，河南森源电气股份有限公司工程师。
LED被称为第四代汽车光源，虽然一次性投入较高，但拥有白炽灯无法比拟的优点，如LED车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸多特点，已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品。每台车内部应用如仪表板、阅读灯，外部应用则为尾灯、刹车灯、方向灯、头灯等，汽车用照明已形成目前LED照明发展最快的应用市场。
今天，在一般的汽车上电子系统的成本约占20%以上，有的豪华车上已飙升至30%以上。汽车上设置的应用实例包括：车载信息系统，安全系统，发动机的能源管理，车载收音机、电视的卫星接收、移动电话以及其它无线电系统等等。5年前，这些电子系统仅设置在高档豪华车上，现在每个汽车制造厂家，已将其集成在中等规格的车辆上，大幅度加速了汽车用集成电路技术的飞跃发展。
2 LED照明取代白炽灯泡
在车用照明产品方面，由于供电电源来自汽车蓄电池，一般为24V、48V直流电压，故需要有直流电源的LED驱动IC（集成电路），将交流电源直接转换为直流电源，并完成与LED电压及电流的匹配。
与此同时，车载电子系统的元器件增加，要求的可用空间却不断缩小。大幅度增加了每一系统的电子元器件密度。所有电子系统均需要功率转换的IC。通常，对每一分支系统还要配置复式的多级电压干线。由于很高的功率密度和各系统散热导致的高环境温度，汽车上的有限空间和工作温度范围的限制，故要求高效率的功率转换是关键。
在输出电压低和几百毫安(mA)级以上的电流场合，因发出的热量多，简单地用线性调节器来输出电子系统要求的电压已不实际。由于这些条件的制约，从而采用开关调节器取代线性调节器。开关调节器的优点是：效率提高，“碳足迹”少，附加设备的简化以及EMI（电磁干扰）的减小等。
迄今，LED已出现在很多车辆的仪表盘背光(back lighting)，车内照明及制动灯上。豪华汽车厂愈益吸取了固态LED照明最新技术的优点，借助这些高科技的电子技术含量和更轻、更小、更可靠的内/外部照明器件，提高了现代汽车的美观、舒适程度。例如，海拉作为汽车灯具领域的领先者，一直将车灯技术作为一个重要的研究课题。如今海拉已为新一代凯迪拉克白金版成功开发出全LED前照灯，并已投入量产。
LED还可以降低成本和延长使用寿命。对比车内照明用的白炽灯，头灯用的HID（高强度放电）灯和卤素灯，它具有明显的优越性。
3 对驱动电路的要求
由汽车蓄电池驱动LED，要求具有精密调节LED电流的DC/DC变换器，以确保均匀的照明强度和色彩的完整性以及LED的保护。而且，DC/DC调节器应按照指定的用途，头灯或尾灯，信号灯或车内的阅读灯等，对特定的功率要进行优化。此外，由蓄电池电压驱动一个或几个LED灯串，蓄电池电压可能会出现大于、等于或小于负载电压的情况；另一种担心则是在大的调光范围内能否有效调节LED的亮度，并在低/高亮度级是否保持显色特性。因此，要求DC/DC驱动器的有效运行至关重要，尤其是在驱动高亮度(HB) LED时 ，因未转换成发射光的功率将消耗在发热上。
在出现某些特殊的工况下，对驱动电路也提出了相应要求。如图1所示，在负载一断电(Load-dump)段，这是发电机正给蓄电池充电时，蓄电池的连接线断电。这有可能发生在车辆正行驶、蓄电池电线松脱，或车在运行中蓄电池电线断开。无蓄电池的情况下，发电机正进行全充电，此时会产生瞬时高达80V的尖峰电压。
发电机瞬态吸收(Tran-sorbs)段，通常定位于36V~60V母线电压的某一位置，吸收大部分的浪涌电流。然而发电机向下配置的DC/DC变换器则承受着这一36V~60V的瞬态峰值，故要求这些变换器及子系统的容量能予以承受。某些实例中，在这一瞬态过程采用调节输出电压，关键在于DC/DC变换器应能处理这些高的瞬态电压。通常，有各种不同的保护电路，能在外部执行瞬态吸收，但成本增加，还占用可贵的空间。
“冷曲轴”(cold crank)段，发生在汽车发动机经受冷却或凝固期间，发动机油变的非常粘滞。因而要求起动机输出更大的转矩，相继需要蓄电池提供更大的电流。这一大的电流负载导致蓄电池/一次母线的电压降低，甚至低于4V的点火电压。随后，又回复至额定电压13.8V（图1）。这在某些应用场合，例如发动电机控制、安全系统和导航系统均不可避免。故要求具有良好调节的输出电压（一般为3.3V）贯穿“冷曲轴”段，以实现全过程的无间断（连续）运行。
4 LED驱动器的新IC
美国线性技术公司(LTC)研制成的两块新型DC/DC驱动器芯片，能适应汽车内/外部照明的很多严格要求，具有运行效率高、负载保护、输入/输出电压范围宽以及精确的电流调节等特点。因集成电路可构建若干DC/DC拓扑，故能为设计者提供IC的合理选择，以满足不同应用场合下的功率转换需求。
LTC3783是带恒流PWM调光的电流型多拓扑变换器（图2），用于驱动大功率LED灯串。本项专利技术可提供非常快而准确的负载切换，不会产生瞬时的欠电压或过电压，能数字式达到3000∶1的调光率(100Hz)，纯色的PWM调光可确保白色LED和红绿蓝(RGB) LED的颜色完整性。LTC3783利用模拟控制，容许附加100∶1的调光比，因人眼对周围光线的变化很敏感，故这一比率必不可少。该多功能的控制器可用于升压、降压、升降压双向变换器或反激式(Flyback)变换器，或作为恒流/恒压的调节器。利用MOSFET的通态电阻(on-resistance)可取消传感电流的电阻器，并提高了效率。LTC3783芯片的应用还包括：高电压LED阵列和LED背光，以及在电讯、自动化与工业控制系统中的调节器。
装有LTC3783 LED驱动器在汽车上应用时，具有以下很重要的特点：(1)大电流、为输出大的电流(≥1.5A)，LTC3783驱动外部的N沟道MOSFET，可给高亮度(HB)和超高亮度(SHB) LED供电；(2)高电压、LTC3783 3V~36V的输入运作和输出电压，取决于外部功率元件的选择，这可按标准确定，易于驱动LED灯串或混串（串+并）；(3)保护。对HB LED的保护，需要IC结合精确的电流和输出电压调节。附加保护包括过电压、过电流和软启动；(4)调光、以纯色PWM3000∶1数字式调光时，在宽广的调光比下保持LED恒定的颜色。而且，LTC3783还能附加模拟100∶1的调光。
另一种产品LTC3475是双通道36V、2MHz降压式DC/DC变换器（图3）。设计用于恒电流LED驱动电路，能提供每通道1.5A的LED电流。内部的传感电阻器和调光控制，确保理想的驱动大电流LED，可在50mA~1.5A的电流范围内，保持高精度的输出电流，而均匀、纯色的PWM电路，能实现3000∶1的调光范围。
LTC3475以其宽的输入电压范围(4V~36V，max40V)，可调节含汽车动力系统在内的广阔的电源阵列。它的开关频率调节幅度为200kHz~2MHz，能利用很小的电感器和陶瓷电容器，与耐热的TSSOP-16组件结合，在驱动2个或4个大电流LED时，可提供结构非常紧凑的解决方案。
LTC3475利用高侧的传感，能与接地的LED阴极连接，而勿需大多数应用中的接地线，电流型的控制与准确的参考电压，优化了精心调节的动态回路，LED的电流恒定，波纹小。两个通道已分隔Vadj和PWM信号，以便独立操作。每一通道开关相互180°的相位差（异相），减少了两通道上的输出波纹，减少了污染“足迹”，降低成本，且附加有LED断开保护和短路保护。
参考文献
[1] Tony Armstrong， LED illumination requires new power IC designs，《Electronic product Design》2007.No.4 P.40-41
[2] Bjoy santos， Using LEDs to liaght displays，《Electrionic product Design》2007. No.8 P.33-34
作者简介
邓隐北(1937—)男，研究员，原郑州大学机电工程系系主任，现为河南森源电气股份有限公司技术顾问。
姜轶轩(1985—)女，河南森源电气股份有限公司工程师。
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