新式汽车照明之供电设计

使用LED作为汽车照明，仅只是车上一种用途设计的想法；然而，在今日许多汽车和卡车内，无论是仪表板的背光源、内部照明及煞车灯等，都可看见LED。此外，豪华汽车制造商也正逐渐利用固态LED照明的最新技术，以强化2007～2008年车种的美学造诣，其所凭藉的，正是这些可用于内部和外部照明，具有轻盈、小巧且更为可靠的元件。例如，LED实现了低廉的长期成本和更长寿命，对于内部照明而言，这在许多优点方面已胜过白光灯泡，而HID（高强度气体放电）和卤素灯则使用于头灯照明。

使用汽车电池驱动LED，需要一个DC/DC转换器以精确地调节电流，确保灯光强度的均匀和颜色的完整，并且保护LED。此外，DC/DC稳压器还需因应企图採用LED所延伸出特定的电源要求进行最佳化：头灯、尾灯、方向灯或内部情境或阅读灯。而且，一个重要的挑战是从一个可能低于、等于或高于负载电压的电池电压，去驱动一个或数个字串显示用LED。然而另一个考量是能否有效率地让LED以大调光比例进行调光，同时保持其在低、以及高亮度位准时的色彩特性。DC/DC 驱动器的有效操作是一个极关键的要求，特别在驱动HB（高亮度）LED时，因为所有的功率若非用于光的放射，便是热的产生。

Linear Technology的两款新DC/DC LED驱动器，特别针对汽车内部和外部照明的严厉要求，其具备高操作效率、负载保护、宽广输入和输出额定电压范围、精确电流调节以及更多功能，这些IC可简单地设置成数个DC/DC架构，因此提供设计者满足不同应用转换需求，以认可一颗IC的选项。

保持颜色固定的调光LED
LED的发光强度是与其顺向电流密切相关的，藉由调整顺向电流，LED驱动器可对LED进行调暗或调亮的动作，这种最简单的调光方式，所依侍的是线性电流变化率的模拟控制，例如，使用电位计搭配驱动IC，便可设定调整输出电流，然而，除了光线强度的差异外，LED显示色彩会随着顺向电流的改变而有所变化。採用线性电流变化率方式，一个受调整的白光LED会泛有温和黄光，相对于电流变化的影响，这种颜色的改变程度与光的波长成正比；波长愈长导致愈明显的偏移或变异，高亮度LED颜色的偏移是很容易被一个在不同照明环境，比如强烈日光下或夜幕笼罩下的观察者所察觉。

第二种LED调光的方式，是数位化控制承担以固定峰值将电流脉冲化送入LED的电流。藉由调变与精准控制电流工作週期，从而调整LED的亮度，并于从全暗到全亮的调光范围，维持其颜色的完整性和一致性。虽然本质上LED在每一个脉冲区间皆会被打开与关闭，但当电流以近约高于120Hz的频率被调变时，人肉眼的感觉会整合且解译分隔光脉冲间的亮度，而将这种发光看成是一个平滑连续光束。

在许多的应用特别是汽车内部照明，宽广调光范围是一个明确的先决条件。不论週遭照明如何，也不管信息是来自导航GPS或车用电脑，LED光亮度的控制对于强化显示设备面板LCD萤幕上讯息视觉敏锐度，是相当主要的因素。现在，因美学观点而选择性地调光控制一个彩色LED阵列则是新增的要求。例如，藉由变化一群RGB LEDs中每一个LED的光强度，一辆汽车的内部可能浸浴在一种适合驾驶人或乘客情境的色域中。

针对以上原因，LED驱动器IC应该提供宽广的调光范围，并且还需保持LED的颜色。许多LED驱动器提供50：1或100：1调光比例；然而，更多汽车设计者要求更宽的范围，对于未来车款，这些设计者寻求高达2000：1的调光比例，其为一项非常难以达到的设计要求，除非驱动器IC具备一个精巧的调光设计与电流控制架构。

最大发光输出而不使LED过载
LED不会像白光灯泡一样产生红外线辐射热，但LED确实会产生热。毕竟，使用于照明目的之所有LED，都是在一个极小封装中的极佳光强度来源。不良的热源管理和散热方法会造成LED的接面温度上升，甚至高出安全的操作界限，潜在地危害、改变元件的特性与生命週期，虽然LED提供较长的操作寿命，但不论其对于过电压的保护如何，电流和热仍然是一个问题，尤其是在汽车上，那里的LED是装在不可触及的地方，更重要地是，没有任何的豪华汽车制造商希望建立其汽车需要维修服务，以更换LED的名声。

若驱动LED超出其供应商所建议的范围将提高接面温度，从而对LED造成永久性的损坏[1]。在其技术资料中，所有如Osram Semiconductors和Lumileds等主要LED制造商，皆针对过热对LED生命期冲击的警告。除了过热保护，这些固态元件也必须受到保护而避免处于过电压和过电流状态。LED驱动器在保护LED或LED字串显示，避免过热、电流和电压过载上扮演主要角色，当过载时，LED将显示颜色光谱的变化，如不能挑选一个高效能LED驱动器而依赖较不精巧、且欠缺精准的驱动器IC，将会付出惨痛代价，最终这些IC将会造成LED损坏。

当一个LED处在几百微安培的顺向电流时，典型上可提供最大发光输出，因为LED上的电流会随着顺向电压而产生急遽变化，顺向电压的些微增加会造成电流以指数倍率上升，这些过多的电流持续地退化发光输出，最后导致LED寿命的缩短。很明显地，驱动与保护高亮度LED包含着许多特定的设计挑战。

一个高效能LED驱动器在一个稳定输出电压下，必须提供一个精准的电流，如此的一个驱动IC必须具备精巧电路，以提供精确LED电流与绝佳电源与负载稳压。此外，内部参考电压必须是经过测试的且保证其准确度于一个宽广的週遭温度范围，除了此精确的电流与电压控制，一个良好设计的LED驱动器也必须在启动时能避免过大的输入供电电流冲击。一个可程式化软启动特性将限制在启动照明组合时所见的过高电流。

高效能 LED 驱动器
Linear Technology的两款新LED驱动器具备驱动高亮度LED所有必须的电路，且同时能提供保护。这些IC可被设置成数个DC/DC电路架构，例如降压、升压和降压－升压转换器，其多功能性能满足内部或外部光源等特殊汽车照明要求之不同电压转换应用，以认可一颗IC。

LTC3783是一款高功率LED驱动控制器。这款IC整合一个强大的MOSFET驱动器以开关外部N通道MOSFET，使其可扩展以提供具有严格稳压程度的高输出电压和高输出电流。LTC3783是驱动一群聚串联和并联LED的理想选择，例如顺向头灯，如(图一)所示。
　

(图一)　LTC3783整合MOSFET驱动器，提供高功率给一群聚LED
　

对于低功率与电压驱动的LED，LT3477以一个整合3A、42V且具有过电压和过电流保护的开关而引以为傲，此款IC採用4×4mm QFN和20接脚TSSOP封装，与LTC3783相同，可用于多重DC/DC转换架构。

当VIN低于、高于或等于VLED时，恆定LED电流及电压
汽车电池的电压受到温度、操作状态、年龄与充电量而变化甚大。当字串或群聚内的LED数目增加时，总LED电压很容易落在电池的最低和最高电压范围，因此，一个LED驱动器必须能从变动电压的汽车电池中，不仅提供一个固定的电流，还要有一个固定的电压。如此一个LED驱动器必须能自动地执行降压和升压DC/DC转换操作，而且无缝式地在这些操作模式中转移（也就是VIN?n×VLED或VIN ? n×VLED）。

LTC3783和LT3477提供最简单且具备唯一单电感架构的降压－升压电路，如(图二)。两者皆拥有一个高阶电流检测模式，在此检测处负载电流可流回到VIN，因此可提供大于或小于输入电压的负载电压（VOUT-VIN）。这种架构允许输入与输出电压完全重叠。
　

(图二)　单电感降压－升压电路示意图
　

具有3000：1调光比例的真实色彩True Color PWM调光
时至今日，设计者若非牺牲HB LED的颜色品质以获得宽广的调光范围，就是限制调光范围以保存颜色一致性。LTC3783以正在申请专利的True Color PWM调光技术解决了这个问题。LTC3783具备3000：1的数字调光范围，超出照明设计者的预期；直到今日，如此一个设计需要复杂的电路与多重IC组合。LTC3783也允许额外以模拟输入控制的100：1调光范围。
保护LED
LT3477（单晶片LED驱动器）和LTC3783（LED驱动控制器）可保护LED避免遭受过度电和热应力的冲击。每一个都具备过电压和过电流保护。软启动功能可由一个小电容调整，且在启动时，可保护输入供电避免过电流的破坏。两款IC皆使用电流模式操作，以实现绝佳的电源与负载稳压，即使在大量电压转变存在的汽车供电排线内亦然。

两款元件在LED发生过热事件时，允许降低LED的电流。LT3477和LTC3783让设计者拥有存取内部参考电压的能力。利用一个简单电路的改变，这些驱动器可连接位在LED座附近的热敏电阻，进行温度监控，若LED座週遭温度逼近有害位准时，LTC3783和LT3477会减少负载电流以降低LED上热的产生，保护其避免过热，免受永久性的伤害。

结论
LTC3783和LT3477 LED驱动器于许多DC/DC架构上提供绝佳效能，将系统设计者从选择多个IC以因应不同照明应用的泥沼中释放出来。LT3477和LTC3783可能实现的架构包括降压、升压、降压－升压、SEPIC以及返驰。每一款LED驱动器都专门为从内部华丽灯光到外部前头灯等特定LED供电与电压需求而设计。LTC3783和LT3477都经Linear Technology的测试方法测试过，符合汽车电压与温度规格需求[2]。（作者为Linear Technology凌特电源管理产品行销工程师）