迎接汽車照明的電源管理挑戰(zhàn)

汽車中 LED 模塊的激增對系統(tǒng)硬件提出了新的要求，包括減小組件尺寸以在同一空間內安裝更多電子設備、提高能效以在相同或更低的熱預算內運行、支持多種配置的連接和靈活架構以及精確控制以保留 LED 光特性。本文回顧了汽車 LED 電子元件面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些有效電源管理如何提供幫助的示例。

介紹

由于相對于傳統(tǒng)技術的顯著優(yōu)勢及其多樣化的汽車應用，LED 正在席卷汽車行業(yè)。

前燈模塊往往需要更高的功率（超過 100W），使用高效、基于開關的驅動器。尾燈和其他外部燈需要較低的功率，有時低到足以允許使用簡單的線性驅動器。LED 大燈中白光的卓越清晰度提高了駕駛員的反應時間。自適應前照燈系統(tǒng) (AFS) 由 LED 矩陣支持，可產生快速、復雜的光模式變化，從而提高駕駛員在光線不足條件下的能見度。在夜間，AFS 可以根據(jù)來車的光束自動調整燈光模式，防止迎面而來的司機被刺眼的燈光刺瞎。

LED 照明上升時間是白熾光源的兩倍，使基于 LED 的剎車燈能夠更快地點亮，為駕駛員提供提前警告并提高道路安全。最后，LED 比白熾燈消耗更少的功率，從而在燃料消耗方面具有顯著優(yōu)勢。LED 控制器在保持和增強 LED 固有的清晰度、速度和效率品質方面發(fā)揮著重要作用。

為 LED 供電

LED 有許多汽車應用，用于從單個 LED 到 LED 串或矩陣的各種配置。高亮度 (HB) LED 需要恒定電流才能獲得最佳性能。電流與結溫相關，因此與顏色相關。因此，HB LED 必須由電流而非電壓驅動。電源范圍從 12V 汽車電池到 60V 升壓轉換器，以適應長 LED 串。采用啟/停技術的車輛在發(fā)動機啟動時會經歷較大的電池電壓驟降，導致電池電壓遠低于典型的 12V，有時甚至低于 6V。

挑戰(zhàn)

汽車中 LED 模塊的激增對系統(tǒng)硬件提出了新的要求，包括：減小組件尺寸以在同一空間內安裝更多電子設備，提高能效以在相同或更低的熱預算內運行，支持支持多種配置的連接和靈活架構，以及精確控制以保持 LED 光特性。

在以下部分中，我們將解決以下應用程序的挑戰(zhàn)：

大功率前端燈

低/中功率前端燈

用于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) (DMS) 的紅外 (IR) 攝像頭

尾燈和其他外部燈

解決方案

大功率前端燈

由于卓越的照明特性和效率，高功率 LED 在汽車前照燈設計中變得非常流行。反過來，支持 LED 的電子設備必須快速、高效和準確，以控制光強度、方向和焦點。它們必須支持較寬的輸入電壓范圍，并且必須在汽車收音機的 AM 頻段之外工作，以避免電磁干擾 (EMI)。它們還必須支持 AFS 的 LED 矩陣所需的復雜光模式。

調光是許多汽車應用中無處不在的功能，也是 LED 大燈的一項重要安全功能。人眼幾乎無法檢測到 100% 到 50% 的光線變暗。調光必須降低到 1% 或更少才能清晰可辨?？紤]到這一點，將調光指定為 1000:1 或更高的比率也就不足為奇了。鑒于人眼在適當條件下可以感知單個光子，因此該功能幾乎沒有限制。

由于電流必須保持恒定以保持顏色，因此 LED 的最佳調光策略是 PWM（脈沖寬度調制），通過對電流進行時間切片而不是通過改變幅度來調制光強度。PWM 頻率必須保持在 200Hz 以上，以防止 LED 閃爍。

對于 PWM 調光，最小 LED“開/關”時間的限制是升高/降低開關穩(wěn)壓器電感中的電流所需的時間。這可能會增加數(shù)十微秒的響應時間，這對于需要快速、復雜調光模式的 LED 大燈組應用來說太慢了。在這種情況下，調光只能通過單獨地在一個字符串由專用MOSFET開關裝置（SW接通/關斷每個LED執(zhí)行1-K在圖3中）。電流控制環(huán)路面臨的挑戰(zhàn)是足夠快以快速從由于二極管的切入和切出導致的輸出電壓瞬變中恢復。

為了最有效，LED 控制器必須適應較寬的輸入電壓范圍，并具有如前所述的快速瞬態(tài)響應。需要在 AM 頻帶之外的高、控制良好的開關頻率，以減少射頻干擾并滿足 EMI 標準。最后，高效率減少了熱量的產生，提高了 LED 燈系統(tǒng)的可靠性。

復雜的前照燈系統(tǒng)利用升壓轉換器作為前端來管理輸入電壓（轉儲或冷車發(fā)動）和 EMI 輻射的變化。升壓轉換器提供良好調節(jié)且足夠高的輸出電壓（圖 3）。專用降壓轉換器使用該穩(wěn)定輸入電源工作，然后通過允許每個降壓轉換器控制單個功能（例如遠光燈、近光燈、霧燈、日間行車燈 (DRL)）來處理控制燈強度和位置的復雜性、位置等。單獨的二極管由開關矩陣管理器切入和切出，允許像素級自適應照明。

圖 3：高級 LED 照明系統(tǒng)

在此應用中，每個降壓轉換器的主控制環(huán)路設置其 LED 串中的電流，并帶有兩個實施過壓和過流保護的次級環(huán)路。

理想的解決方案應滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應、高且控制良好的開關頻率的要求，同時通過同步整流實現(xiàn)高效率。MAX20078 LED 降壓控制器可實現(xiàn)這樣的解決方案。

MAX20096 同步、全 n 通道、帶 SPI 的降壓 LED 控制器在單個 IC 中集成了兩個通道，減少了解決方案占板面積和 BOM。

MAX20092 可以實現(xiàn) 12 矩陣開關管理器。該 IC 具有用于串行通信的串行外設接口 (SPI)。MAX20092 是一個從設備，它使用 SPI 與作為主設備的外部微控制器 (μC) 進行通信。12 個開關中的每一個都可以獨立編程，以繞過串中每個開關的 LED。

圖 3 中的升壓轉換器采用 MAX16990/MAX16992、36V、2.5MHz 汽車升壓/SEPIC 控制器實現(xiàn)。

低/中功率前端燈

在低/中功率前照燈系統(tǒng)中，遠光燈和近光燈等前照燈功能由更簡單的單功能控制器 IC 執(zhí)行。

可容納一系列 LED 的低/中功率前照燈系統(tǒng)架構使用升壓轉換器。在圖 4的升壓控制器 IC 中，三個反饋回路 (CURRENT LOOP) 之一確保對輸出電流的嚴格控制。其他兩個反饋回路為一串 12 個二極管執(zhí)行過壓保護 (OVP LOOP) 和過流保護 (OCP LOOP)，這會在串上產生 42V（每個 LED 3.5V）。

圖 4：典型的升壓 LED 控制系統(tǒng)

除了電流和電壓控制之外，IC 還必須配備之前描述的所有功能（調光、擴頻等）。需要高側電流檢測（通過電阻器 R 3和 R S）來保護 LED 系統(tǒng)，以防輸出與地或電池輸入短路。

理想情況下，LED 控制器應具有靈活的架構，支持實現(xiàn)不同功能的多種配置。我們已經討論了升壓配置，但我們還應該考慮降壓-升壓配置。如果二極管串很短，例如兩個或三個 LED（7V 或 10.5V），而電池電壓可能從低于 6V（冷啟動）到 16V 不等，則需要降壓-升壓模式配置。如果關注的是輸入到輸出隔離，那么 SEPIC（不連續(xù)輸出電流）或 Chuck（連續(xù)輸出電流）轉換器可能是正確的解決方案。支持多種架構的單個控制器具有明顯的規(guī)模經濟和易于重用的優(yōu)勢。

例如，MAX20090 是一款非常靈活的 LED 驅動控制器，支持升壓、高端降壓、SEPIC 模式或降壓-升壓模式配置。

用于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) (DMS) 的紅外攝像頭

紅外 (IR) 攝像頭利用 IR-LED 二極管與 CMOS 傳感器相結合，有助于識別影響駕駛者的危險微睡眠。使用紅外線的優(yōu)勢在于它對人眼不可見，并且能夠晝夜操作。圖像分析處理信息以確定駕駛員是否疲勞或分心。典型的正向電壓為 2.8V，正向電流為 1A，驅動 LED 的電子設備直接連接到電池。

例如，MAX20050 降壓 LED 驅動器是一種理想的解決方案（圖 5）。完全同步的 2A 降壓轉換器集成了兩個低 R DS(ON) 0.14Ω（典型值）MOSFET，確保高達 95% 的高效率。MAX20050 具有 4.5V 至 65V 的輸入電源范圍，可輕松承受電池拋負載，使其成為 DMS 應用中前端降壓轉換器的理想選擇。

圖 5：IR-LED 驅動器解決方案

對于更高的功率，可以使用 MAX20078 同步降壓 LED 控制器。對于更高電壓的應用，MAX20090 高壓 HB LED 控制器是一個很好的選擇。

尾燈和其他外燈

尾燈和其他外部燈，如剎車燈、門把手燈等，需要較少的功率，并由簡單的單功能 IC 處理。在這里，MAX20090 可用作升壓 LED 控制器或需要電壓高于最小電池電壓的長燈串，或用作前端升壓穩(wěn)壓器。MAX20050 降壓轉換器可以驅動直接連接到電池的短二極管串?；蛘撸梢栽谇岸松龎恨D換器的幫助下驅動長串二極管。

對于噪聲敏感應用，可以使用線性 LED 驅動器。MAX16823 三通道 LED 驅動器 (圖 6) 在 5.5V 至 40V 輸入電壓范圍內工作，并為一串或多串 HB LED 提供每通道高達 100mA 的電流。每個通道的電流都可以使用與 LED 串聯(lián)的外部電流檢測電阻進行編程。除了提供輸出的開和關控制外，三個 DIM 輸入還允許進行大范圍的獨立脈沖調光。波形整形電路可降低 EMI，同時提供快速開啟和關閉時間。