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|汽车LED驱动器功率转换拓扑指南

LED与现有的灯泡或有气体成分的电灯不同。LED制造商可以使用特定半导体结生成整个可见光范围内特定颜色的光、红外线和紫外线。在汽车应用中,LED可以提高白天和晚上驾驶的安全性。提高效率可以延长电动汽车的电池寿命,在单个系统中使用多个LED可以防止单个部件故障。

其多功能性使LED能够以多种方式驱动。由于LED的输出具有良好的照明控制,因此LED负载不同于电力系统的传统负载。LED只通过半导体结的精确控制电流发光,端口对系统接地(或汽车系统的机箱)的相对电压与此无关。因此,LED系统可以利用交换机技术提供的各种拓扑结构。

如何为汽车LED系统选择正确的开关拓扑结构

汽车系统的特定开关拓扑选择关系到整个系统设计。必须考虑最小输入电压、最大串行电压、机箱电路容量、短路输出容量、最大输入电流、输出/LED电流和PWM调光。

巴克(巴克)变换器

巴克LED驱动器将LED字符串的电流调整为高于LED字符串总电压的电压。降压LED驱动器可以安全地接触系统接地,本质上是安全的。具备机箱重排功能(一条供电线路),可轻松适应矩阵或动画应用程序。图1和图2的示例结构图示出了控制器为电流控制而调整高压侧开关的基本系统图。

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图1巴克变换器

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图2 buck转换器示例:ADI LT3932

压降LED驱动器需要一些主要功能,包括固定频率操作、卓越的开关控制和低电阻开关的效率、在整个模拟调光范围内提供高精度,以及为卓越的EMI调整扩频频率。

表1使用降压转换器作为LED驱动器的优点和权衡

巴克LED驱动器的优点

巴克LED驱动器权衡

应用

接地灯串-机箱电路

输入电压必须高于LED电压

平行光/近距光

矩阵开关可以并行连接整个照明字符串

大多数汽车系统需要预升压调节器。

方向指示灯/动画

更高的带宽(五分之一的fSW)

矩阵前照灯

卓越的EMI性能

短路安全系统

最小电感大小

升压(升压)转换器

升压LED驱动器将LED字符串的电流调整为低于LED字符串总电压的电压。此功能在许多汽车系统中很有用,其中很多LED必须作为单个字符串传递。典型的12V汽车系统的工作电压范围为6V ~ 18V,这需要将LED驱动器的电压降低到6V,从而为LED提供更大的升压比,以保持照明。图3和图4的示例结构图显示了控制器通过调整低压侧开关来执行电流控制的基本系统图。

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图3 boost转换器

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图4 boost转换器示例:LT8356-1

表2使用升压转换器作为LED驱动器的优点和权衡。

升压LED驱动器优点

升压LED驱动器权衡

应用

接地-机箱环路

输入电压必须高于LED电压

平行光/近距光

通常总价值最小。

解决方案大小

低带宽(fSW的1/20)

平视显示器

卓越的EMI性能

更高额定电感电流

背光

直接将电池切换到LED

输出不能短时间连接到地面

使用升压转换器的升压-降压

某些boost LED驱动器可以配置为将LED阴极返回电源。这种配置称为降压。总输出电压是添加到LED串行总电压的VIN (VBATTERY)。这种拓扑的优点是可以驱动高于、低于或等于电源电压的LED字符串。这些拓扑结构的限制仅受转换器的限制。低端受控制器IC的最小电源电压限制,高端受控制器IC的最大输出电压限制。

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图5 boost-buck转换器

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图6 boost-buck转换器ADI LT8386

表3使用boost-buck转换器作为LED驱动器的优点和权衡

升压-降压LED驱动器的优点

升压-降压LED驱动器权衡

应用

直接将电池切换到LED

效率低

平行光/近距光

LED电压可以高于或低于电源电压

低带宽(fSW的1/20)

方向指示灯

卓越的EMI性能

更高额定电感电流

日间行车灯

可以使用矩阵短连接整个灯字符串

输出不能短时间连接到地面

同一输出中有多个灯串

采用升压变换器的降压模式

某些升压LED驱动器可以通过配置从电源而不是标准降压模式来配置降压模式配置。此配置与压降模式有相同的限制,因为LED字符串的总电压必须低于输入电源电压。

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图7巴克模式转换器

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图8降压模式示例:ADI LT3756-2

表4使用降压模式转换器作为LED驱动器的优点和权衡

降压模式LED驱动器的优点

降压模式LED驱动器权衡

应用

卓越的EMI性能

输入电压必须高于LED电压

平行光/近距光

可以使用矩阵短连接整个灯字符串

大多数汽车系统需要预升压调节器。

方向指示灯

同一个驱动器可用于多个应用程序

输出(LED阴极)不能短时间连接到地面

日间行车灯

降压-升压变换器

降压-升压LED驱动器通过高于或低于LED字符串总电压的电源调节LED电流。该转换器在压降模式下调整连接到输入电压的高压侧开关,在升压模式下调整输出侧的低压侧开关。这种拓扑结构最复杂,但最灵活。VIN和VOUT的范围仅受控制器IC的限制。对于矩阵应用来说,这是个不错的选择。

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图9 buck-boost转换器

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图10下降示例:LT8391

表5使用降压-升压转换器作为LED驱动器的优点和权衡

降压-升压LED驱动器的优点

buck-boost LED驱动器权衡

应用

最常见的拓扑结构

至少需要两个开关和两个续杯二极管

平行光/近距光

可以使用矩阵短连接整个灯字符串

转换效率通常最低

方向指示灯

同一个驱动器可用于多个应用程序

一般来说,EMI性能最低(差)

日间行车灯

短路安全系统

结论

汽车LED照明系统可以通过多种方式使用开关调节器驱动。根据应用的不同,照明设计师可以选择开关拓扑结构和配置,为整个汽车的各种照明需求设计整个子系统。选择适合系统的电源转换交换机拓扑结构和配置,可以优化复杂性、效率、EMI和安全性要求。

作者信息

Josh Caldwell目前在ADI的一部分LINLIT工作了10年,目前担任设计工程部负责单片机降压、助推器和控制器LED驱动器的定义、设计和开发的负责人。他在科罗拉多大学获得了电气工程学士学位。业余时间他喜欢骑自行车画画。

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