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2018-10-20 00:13 来源:现代生活

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利用高功率Buck LED控制器实现优异的汽车外部照明

作者:Nazzareno (Reno) Rossetti Yin Wu时间:2018-10-20来源:电子产品世界收藏
编者按:介绍了利用高功率Buck LED控制器实现优异的汽车外部照明方案。

”  百家争鸣、实事求是,坚持用马克思主义观点研究中国和世界历史,是《历史研究》编辑部同仁始终坚持不懈的办刊方针和不断发扬光大的优良传统和工作作风。

作者 Nazzareno (Reno) Rossetti Yin Wu Maxim公司

本文引用地址:
http://www-eepw-com-cn.6vs4.cn/article/201807/389584.htm

  Nazzareno (Reno) Rossetti,电气工程博士,经验丰富的模拟和电源管理专家;Yin Wu,MBA,电子工程硕士,半导体业务专家。

摘要:介绍了利用高功率实现优异的汽车外部照明方案。

0 引言

  得益于优异的照明特性和效率,高功率LED在汽车外部照明设计中越来越流行。支持LED的电子器件必须快速、高效、高精度,以控制照明强度、方向和聚焦。这些器件必须支持较宽的输入电压范围,且能够在汽车无线电的AM频段范围之外工作,以避免(EMI)。电子器件还必须支持LED矩阵中要求的复杂照明模式,以支持自适应前灯照明系统。本文回顾典型的LED电源管理方案,并介绍支持快速、高效、高精度LED照明方案的创新buck控制器IC。

1 LED在汽车外部照明中的应用

  由于相对于传统技术具有显著优势,LED正在汽车行业掀起一场风暴。LED前灯中的白光具有优异的清晰度,从而减少驾驶员反应时间。自适应前灯照明系统(AFS)由LED矩阵支持,能够产生快速、复杂的照明模式变化,提高驾驶员在不良照明条件下的能见度。夜间,AFS能够根据对向车辆的射束,自动调节照明模式,防止本方驶员被强光致盲。LED照明开启的上升时间比白炽灯光源快2倍,所以基于LED的制动灯点亮更快,提前警示驾驶员,提高道路安全。最后,与相当的白炽灯相比,LED功耗更低,所以在耗能方面拥有明显优势。LED控制器是负责操作LED的电子器件,在保持和增强LED固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。

2 LED供电

  LED在汽车领域应用广泛,被广泛用于从单颗LED到LED灯串和矩阵的各种配置之中。为了实现最优性能,高亮度(HB)LED要求恒流。电流与结温及颜色有关。所以HB LED必须由电流而非电压驱动。支持长灯串的电源可以从12 V汽车电池到高达60 V升压转换器的任何电源。采用启/停技术的汽车在引擎启动时,电池压降比较大,造成电池电压下降到典型12 V以下,甚至6 V或更低。

3 调光

  调光是许多汽车应用中普遍采用的功能,也是LED前灯的重要安全特性。照明灯从100%调暗至50%时,人眼几乎觉察不到。为保证清晰辨别,必须调暗至1%或更低。明白了这一点,就不会奇怪调光比为什么高达1000:1或更高。由于人眼在适当条件下能够感知到单个光子,所以实际上该功能没有限制。

  为保证颜色,电流必须保持恒定,最佳的LED调光策略是PWM(脉宽调制),通过对电流进行时间上的分段式开关来调制光强,而不是更改幅值。为防止LED闪烁,PWM频率必须保持高于200 Hz。

  采用PWM调光时,限制LED最小“开/关”时间的因素是开关稳压器电感中电流上升/下降的时间。这可能造成数十微妙的响应时间,对于依赖于快速、复杂调光方法的LED前灯组来说,这一时间太慢了。此时实现调光的唯一方法是采用专用的MOSFET开关(图2中的SW1-K)对灯串中的每一颗LED进行独立开/关。对电流控制环路的挑战是能够足够快的从输出电压瞬态变化中恢复,这一瞬态变化由二极管投切引起。

4 LED控制器特性

  为达到最优效果,LED控制器必须支持较宽的输入电压范围,且具有如上文所述的快速瞬态响应。为降低射频干扰以及满足EMI标准,要求较高、受控良好的开关频率,且位于AM频带范围之外。最后,高效率能够减少发热,提高LED照明系统的可靠性。

5 前灯系统

  精良的前灯系统采用升压转换器作为前端,管理输入电压(抛负载或冷启动)和EMI辐射的变化。升压转换器提供稳定、足够高的输出电压(图2)。专用的降压转换器使用该稳定电压作为输入,允许每个降压转换器控制单一功能,例如远光、近光、雾灯、日间行车灯(DRL)、方向等,从而克服控制照明亮度和方向的复杂性。

  该应用中,每个buck转换器的主控制环路设置其LED灯串中的电流,两个辅助环路实施过压和过流保护。

6 典型高功率Buck LED驱动器方案

  典型的buck LED驱动器方案如图3所示。该方案使用p沟道、高边MOSFET,其RDSON比n沟道晶体管高;并采用非同步结构,肖特基二极管D用于电流回流。这两者都是效率不高的因素。

7 典型瞬态响应

  图4所示为典型方案在瞬态响应方面的另一个缺点。本项测试的12颗LED组成的灯串中,上电二极管的数量从8个激增至12个。致使输出电压阶跃产生电流和电压波动,需要数十微妙的时间才能熄灭。高调光比PWM调光电路只在初始几微妙内将对该电流进行采样,此时幅值正在下降,造成调光亮度和颜色不正确。

8 同步高功率Buck LED驱动器方案

  理想的方案应满足宽输入电压范围、快速瞬态响应、高且控制良好的开关频率等要求,同时通过同步整流支持高效率。MAX20078 LED控制器支持这样的方案(图5)。

  MAX20078 LED控制器采用专有的平均电流模式控制方法,在调节电感电流的同时保持开关频率接近恒定。器件工作在4.5 V至65 V宽输入电压范围,开关频率高达1 MHz,同时支持模拟和PWM调光功能。器件采用节省空间(3 mm x 3 mm)的16引脚TQFN封装(普通或SW)或16引脚TSSOP封装。

9 高效

  图6所示为基于MAX20078的LED驱动器的效率与电源电压的关系。两个107 m?同步整流MOSFET晶体管保证了整个宽输入电压范围内都具有高效率。

10 高精度光强控制

  与图4所示的例子相比,MAX20078的专有架构提供几乎无误差的瞬态响应。图7中,二极管的数量从8个增加到12个,输出电压或电流未发生任何明显波动。

11 高工作频率

  MAX20078的导通时间可编程,开关频率范围为100 kHz至高达1 MHz。器件的导通时间与输入电压和输出电压成比例,这意味着开关频率几乎是恒定的。MAX20078具有较高且控制良好的开关频率,且在AM频带范围之外,很容易设置。在降低射频干扰的同时,扩频特性满足EMI标准。

12 结论

  本文回顾了复杂LED照明系统供电中存在的诸多挑战,以及最优化LED系统性能的要求,介绍了MAX20078如何通过创新的LED控制器架构来克服这些挑战,提供高精度平均电流控制、AM频带范围之外的高工作频率、支持高调光精度的良好瞬态响应,以及高效率,最大程度降低功耗。这些特性支持优异的汽车外部照明,且效率更高,支持复杂的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。

  本文来源于《电子产品世界》2018年第8期第72页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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