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支援調節複雜燈光模式 LED控制器優化智慧車照明
新通訊 20179 月號 199 期《 技術前瞻 》
文.Reno Rossetti/Yin Wu
高功率發光二極體(LED)由於支援獨特的頭燈設計及其高能源效率,正成為汽車外部照明設計的常見組件。其亮度和精準度控制也對安全性具有正面影響。透過支援LED的電子電路可以看出,這些電路必須具備快速、高效、高精準度的特性,以控制光強度、方向以及定焦。理想的元件必須能夠支援較廣的輸入電壓範圍,且能夠在汽車無線電的振幅調變(AM)頻寬範圍之外運作,以避免電磁干擾(EMI)。對於主動頭燈轉向照明系統,有這些元件來支援LED矩陣必備的複雜照明模式也非常重要。
接下來了解一下典型的LED電源管理解決方案,並探討可支援快速、高效率、高精準度LED照明方案的全新降壓控制器IC。 

優於傳統照明技術 LED跨足汽車外部照明 

與傳統照明技術相比,LED具有顯著的優勢。LED頭燈中的白光具有出色的清晰度,進而提升駕駛反應時間。LED也在照明不足的條件下扮演著改善駕駛可見度的角色,LED矩陣支援的主動頭燈轉向照明系統(AFS)能夠快速改變複雜的燈光模式。例如,夜晚駕駛時,AFS能夠根據來車的射束自動調節燈光模式,使對向駕駛不會因強光而看不見。 

與白熾燈光源相比,LED照明的升壓時間快達兩倍,這意味著以LED為基礎的剎車燈能夠更快地提前警告駕駛。LED的另一項優勢是其功耗比相對應的白熾燈低,這對油耗有正面的影響。顯而易見,LED本質上提高了清晰度、速度和效率。支援LED的電子元件(LED控制器)對保持和提高這些品質也有著不可或缺的作用。 

從單顆LED到LED燈串和矩陣,此類照明具有多種配置,可用於各種汽車應用。為提供最佳性能,高亮度(HB)LED需要定電流,這就與接面溫度相關,進而與顏色有關。這就是HB LED必須用電流而不是電壓驅動的原因。支援長燈串的電源可以是從12伏特(V)的汽車電池到高達60伏特的升壓轉換器的任何電源。 

PWM調光防閃爍 頭燈照明安全性高 

LED頭燈照明的一項重要安全特性是調光。當照明燈從100%調暗至50%時,人眼可能幾乎覺察不到。只有亮度調低至1%甚至更低時,人眼才會有明顯的感覺。因此,規定調光比為1000:1或更高。由於人眼在適當條件下能夠感測到單個光子,所以實際上該功能沒有限制。 

為了維持顏色,電流必須保持一致。所以,LED的最佳調光方法是脈寬調變(PWM)。採用這個方法,是透過時間分割電流對光強進行調變,而不是改變振幅。為防止LED閃爍,PWM頻率必須保持在200Hz以上。 

透過PWM調光時,最小LED「開/關」時間的限制是切換調節器電感中電流上升/下降的時間。這可能導致數十微秒(μs)的回應時間,但對於依賴快速且複雜調光模式的LED頭燈組應用來說,這時間太慢了。因此,實現調光的唯一方法是採用專用的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)開關(圖1中的SW1-K)對燈串中的每一顆LED進行獨立切換。然後,電流控制迴路需要夠快,才能夠從二極體(Diode)切換所造成的輸出電壓暫態變化中快速恢復。 

了解LED控制器 改進頭燈照明系統 

最有效的LED控制器應該支援較寬的輸入電壓範圍,且具有快速暫態反應。為降低射頻干擾並符合EMI標準,要求較高、受控良好的切換頻率,且在AM頻寬範圍之外。此外,高效率可降低發熱,提升LED照明系統的可靠性。 

為管理輸入電壓的變化(拋負載或冷車起動)和EMI輻射,先進的頭燈系統一般使用升壓轉換器作為提供調節性高、夠高輸出電壓的前端(圖1)。輸入電源穩定時,專用的降壓轉換器可處理控制燈具照明亮度和位置的複雜性。每個降壓轉換器可專注於控制單項功能,例如遠光燈、近光燈、霧燈、日行燈(DRL)、位置燈等。 

圖1 先進LED照明系統
圖1所示的應用中,每個降壓轉換器的主控制迴路設置其LED燈串中的電流,兩個輔助迴路實施過壓和過流保護。 

典型高功率降壓LED驅動器簡介 

圖2所示為典型的降壓LED驅動器解決方案。該方案使相較於n通道電晶體RDSON較高的p通道High-side MOSFET以及使用用於電流迴流的蕭特基二極體D的非同步結構。然而,從執行的角度來看,這些特性是低效率的。 

圖2 典型非同步降壓LED驅動器
由圖3中可以看出,暫態回應是典型LED驅動器解決方案的另一項缺點。本項測試的12顆LED組成的燈串中,通電的二極體的數量從8個快速增加至12個。致使輸出電壓階段產生電流和電壓波動,需要數十微秒的時間才能消除。高調光比PWM調光電路只在最初幾微秒內將對該電流進行採樣,此時振幅正在下降。這將形成不正確的調光亮度和顏色。 

圖3 帶有磁滯降壓的典型暫態回應
同步高功率降壓LED驅動器介紹 

根據以上討論的要求,以及同步整流的高效率需求,理想的解決方案是同步高功率降壓LED驅動器。圖4所示是以MAX20078 LED控制器為基礎的解決方案。此控制器採用專有的平均電流模式控制方法,在調節電感電流的同時維持近乎一至的切換頻率。控制器提供小型封裝選項,並在4.5伏特至65伏特較寬的輸入電壓範圍且切換頻率最高達1MHz的狀態下運作,包含類比和PWM調光功能。 

圖4 同步高功率降壓LED驅動器
與圖3所示的例子相比,裝置也提供幾乎無誤差的暫態回應。MAX20078的工作時間能夠以程式編寫從100kHz至高達1MHz的切換頻率範圍。裝置的工作時間隨輸入電壓和輸出電壓變化,這意味著切換頻率幾乎是一致的。 

優化LED系統性能 未來發展可期 

複雜LED照明系統的供電帶來一些獨特的挑戰,為優化LED系統性能,與相對應的非同步方法相比,同步高功率降壓LED控制器是更好的選擇。高精準度平均電流控制、AM頻寬以外的高頻率操作、改善高調光比精準度的良好暫態回應、最低功耗帶來的高效率,都是生產卓越的汽車外部照明所不可或缺的特性。 

(本文作者皆任職於Maxim)

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