得益于優(yōu)異的照明特性和效率，高功率 LED 在汽車外部照明設(shè)計中越來越流行,。支持 LED 的電子器件必須快速,、高效,、高精度，以控制照明強度,、方向和聚焦,。這些器件必須支持較寬的輸入電壓范圍,，且能夠在汽車無線電的 AM 頻段范圍之外工作,，以避免電磁干擾(EMI)。電子器件還必須支持 LED 矩陣中要求的復雜照明模式,，以支持自適應(yīng)前燈照明系統(tǒng),。本文回顧典型的 LED 電源管理方案，并介紹支持快速,、高效,、高精度 LED 照明方案的創(chuàng)新 buck 控制器 IC。

LED 在汽車外部照明中的應(yīng)用

由于相對于傳統(tǒng)技術(shù)具有顯著優(yōu)勢,，LED 正在汽車行業(yè)掀起一場風暴,。LED 前燈中的白光具有優(yōu)異的清晰度，從而減少駕駛員反應(yīng)時間,。自適應(yīng)前燈照明系統(tǒng)(AFS)由 LED 矩陣支持,，能夠產(chǎn)生快速、復雜的照明模式變化,，提高駕駛員在不良照明條件下的能見度,。夜間，AFS 能夠根據(jù)對向車輛的射束,，自動調(diào)節(jié)照明模式,，防止本方駛員被強光致盲。LED 照明開啟的上升時間比白熾燈光源快 2 倍,，所以基于 LED 的制動燈點亮更快,，提前警示駕駛員，提高道路安全,。最后,，與相當?shù)陌谉霟粝啾龋琇ED 功耗更低,，所以在耗能方面擁有明顯優(yōu)勢,。LED 控制器是負責操作 LED 的電子器件，在保持和增強 LED 固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用,。

圖 1. LED 汽車前燈

LED 供電

LED 在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,，被廣泛用于從單顆 LED 到 LED 燈串和矩陣的各種配置之中。為了實現(xiàn)最優(yōu)性能,，高亮度(HB)LED 要求恒流,。電流與結(jié)溫及顏色有關(guān)。所以 HB LED 必須由電流而非電壓驅(qū)動,。支持長燈串的電源可以是從 12V 汽車電池到高達 60V 升壓轉(zhuǎn)換器的任何電源,。采用啟 / 停技術(shù)的汽車在引擎啟動時，電池壓降比較大,，造成電池電壓下降到典型 12V 以下,，甚至 6V 或更低。

調(diào)光

調(diào)光是許多汽車應(yīng)用中普遍采用的功能,，也是 LED 前燈的重要安全特性,。照明燈從 100%調(diào)暗至 50%時，人眼幾乎覺察不到,。為保證清晰辨別,，必須調(diào)暗至 1%或更低。明白了這一點,，就不會奇怪調(diào)光比為什么高達 1000:1 或更高,。由于人眼在適當條件下能夠感知到單個光子，所以實際上該功能沒有限制,。

為保證顏色,，電流必須保持恒定，最佳的 LED 調(diào)光策略是 PWM(脈寬調(diào)制),，通過對電流進行時間上的分段式開關(guān)來調(diào)制光強,，而不是更改幅值。為防止 LED 閃爍,，PWM 頻率必須保持高于 200Hz,。

采用 PWM 調(diào)光時，限制 LED 最小“開 / 關(guān)”時間的因素是開關(guān)穩(wěn)壓器電感中電流上升 / 下降的時間,。這可能造成數(shù)十微妙的響應(yīng)時間,，對于依賴于快速、復雜調(diào)光方法的 LED 前燈組來說,，這一時間太慢了,。此時實現(xiàn)調(diào)光的唯一方法是采用專用的 MOSFET 開關(guān)(圖 2 中的 SW1-K)對燈串中的每一顆 LED 進行獨立開 / 關(guān)。對電流控制環(huán)路的挑戰(zhàn)是能夠足夠快的從輸出電壓瞬態(tài)變化中恢復,，這一瞬態(tài)變化由二極管投切引起,。

LED 控制器特性

為達到最優(yōu)效果,，LED 控制器必須支持較寬的輸入電壓范圍，且具有如上文所述的快速瞬態(tài)響應(yīng),。為降低射頻干擾以及滿足 EMI 標準,，要求較高、受控良好的開關(guān)頻率,，且位于 AM 頻帶范圍之外,。最后，高效率能夠減少發(fā)熱,，提高 LED 照明系統(tǒng)的可靠性,。

前燈系統(tǒng)

精良的前燈系統(tǒng)采用升壓轉(zhuǎn)換器作為前端，管理輸入電壓(拋負載或冷啟動)和 EMI 輻射的變化,。升壓轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定,、足夠高的輸出電壓(圖 2)。專用的降壓轉(zhuǎn)換器使用該穩(wěn)定電壓作為輸入,，允許每個降壓轉(zhuǎn)換器控制單一功能,，例如遠光、近光,、霧燈、日間行車燈(DRL),、方向等,，從而克服控制照明亮度和方向的復雜性。

該應(yīng)用中,，每個 buck 轉(zhuǎn)換器的主控制環(huán)路設(shè)置其 LED 燈串中的電流,，兩個輔助環(huán)路實施過壓和過流保護。

典型高功率 Buck LED 驅(qū)動器方案

典型的 buck LED 驅(qū)動器方案如圖 3 所示,。該方案使用 p 溝道,、高邊 MOSFET，其 RDSON 比 n 溝道晶體管高,；并采用非同步結(jié)構(gòu),，肖特基二極管 D 用于電流回流。這兩者都是效率不高的因素,。

圖 2. 高級 LED 照明系統(tǒng)

圖 3. 典型非同步 Buck LED 驅(qū)動器

典型瞬態(tài)響應(yīng)

圖 4 所示為典型方案在瞬態(tài)響應(yīng)方面的另一個缺點,。本項測試的 12 顆 LED 組成的燈串中，上電二極管的數(shù)量從 8 個激增至 12 個,。致使輸出電壓階躍產(chǎn)生電流和電壓波動,，需要數(shù)十微妙的時間才能熄滅。高調(diào)光比 PWM 調(diào)光電路只在初始幾微妙內(nèi)將對該電流進行采樣,，此時幅值正在下降,，造成調(diào)光亮度和顏色不正確,。

同步高功率 Buck LED 驅(qū)動器方案

理想的方案應(yīng)滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng),、高且控制良好的開關(guān)頻率等要求,，同時通過同步整流支持高效率。MAX20078 LED 控制器支持這樣的方案,。(圖 5),。

圖 4. 帶有滯回 Buck 的典型瞬態(tài)響應(yīng)

圖 5. 同步高功率 Buck LED 驅(qū)動器

MAX20078 LED 控制器采用專有的平均電流模式控制方法，在調(diào)節(jié)電感電流的同時保持開關(guān)頻率接近恒定,。器件工作在 4.5V 至 65V 寬輸入電壓范圍,，開關(guān)頻率高達 1MHz，同時支持模擬和 PWM 調(diào)光功能,。器件采用節(jié)省空間(3mm x 3mm)的 16 引腳 TQFN 封裝(普通或 SW)或 16 引腳 TSSOP 封裝,。

高效

圖 6 所示為基于 MAX20078 的 LED 驅(qū)動器的效率與電源電壓的關(guān)系。兩個 107m?同步整流 MOSFET 晶體管保證了整個寬輸入電壓范圍內(nèi)都具有高效率,。

圖 6.MAX20078 方案效率與電源電壓的關(guān)系

圖 7.MAX20078 瞬態(tài)響應(yīng)

高工作頻率

MAX20078 的導通時間可編程,，開關(guān)頻率范圍為 100kHz 至高達 1MHz。器件的導通時間與輸入電壓和輸出電壓成比例,，這意味著開關(guān)頻率幾乎是恒定的,。MAX20078 具有較高且控制良好的開關(guān)頻率，且在 AM 頻帶范圍之外,，很容易設(shè)置,。在降低射頻干擾的同時，擴頻特性滿足 EMI 標準,。

總結(jié)

我們回顧了復雜 LED 照明系統(tǒng)供電中存在的諸多挑戰(zhàn),，以及最優(yōu)化 LED 系統(tǒng)性能的要求。我們介紹了 MAX20078 如何通過創(chuàng)新的 LED 控制器架構(gòu)來克服這些挑戰(zhàn),，提供高精度平均電流控制,、AM 頻帶范圍之外的高工作頻率、支持高調(diào)光精度的良好瞬態(tài)響應(yīng),，以及高效率,，最大程度降低功耗。這些特性支持優(yōu)異的汽車外部照明,，且效率更高,，支持復雜的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制,。