克服汽車系統中HB LED集成的挑戰

目前，汽車廠商正在逐步將汽車照明系統從白熾燈和冷陰極熒光燈更換成高亮度LED。這些HB LED廣泛用于導航及娛樂設備顯示器的背光和汽車內部、外部照明，例如：日間行駛燈、尾燈等。一些新應用 (如平視顯示器)也開始使用HB LED。

然而，在把HB LED集成到各種系統時，為了提高工作效率、降低成本、獲得寬范圍調光及其它優勢，設計人員還面臨諸多挑戰。由于第一代驅動器的局限性，設計人員還無法在效率、最少的外部元件數量、最低EMI以及寬范圍PWM調光等方面進行優化。最新推向市場的多串LED驅動器(如MAX16814)以極其巧妙的方式解決了上述技術瓶頸，這些驅動器的開關和線性控制器之間能夠進行雙向通信。

為什么選擇HB LED？

HB LED在汽車領域的應用越來越普及，它們為汽車設計人員帶來了眾多優勢。與其它照明技術相比，HB LED是最環保的解決方案，具有出色的能效，不含汞，回收時只有極少的有害物質。另外，HB LED還有助于改善汽車的安全性，這歸功于它們的快速開、關速度(遠遠高于白熾燈)。也正是考慮到這一因素，剎車燈廣泛采用了高亮度LED。

此外，它為設計人員在汽車的個性化風格設計上提供了更大的發揮空間，原因是：LED尺寸很小，幾乎不占用面板背部的空間，設計人員可以按照任何形狀排列LED燈；這種小尺寸射燈非常適合作為指示燈；最后，LED比其它照明方案具有更長的使用壽命，使用壽命達到50,000小時甚至更長，非常適合長期保持照明狀態的環境，如日間行駛燈。

LED在汽車中的應用已經從剎車燈、尾燈擴展到了前車燈(日間行駛照明，中高端汽車的位置指示燈以及高端汽車的近光燈和遠光燈)、內部照明(RGB LED可以控制燈光顏色)，為汽車增添獨特風采。此外，LED在導航、娛樂設備和儀表盤背光應用中也逐漸成為主流產品(圖1)。

LED技術在一些全新應用中也占有重要地位，例如汽車平視顯示器。LED具有較寬的調光范圍，通過PWM調光，非常適合這類需要根據環境光強在非常寬的范圍內調節燈光亮度的應用。

HB LED的設計挑戰

當然，把LED集成到汽車應用時也會面臨諸多挑戰，例如，必須保持盡可能低的成本。就元件本身而言，LED燈的價格通常高于其它照明方案(白熾燈、鹵素燈、CCFL)。因此，必須降低LED方案的系統級成本，以提高該項技術的市場發展潛力。降低方案成本的途徑之一是盡可能減少驅動器的元器件數量，這也有利于提高系統可靠性，因為PCB上的每個元件都可能是系統的一個失效點。

另一挑戰是效率。高能效在汽車中的重要性越來越高，特別是對于混合動力車，須盡可能提高效率使功耗(發熱)降至最低。汽車部件一般工作在高溫環境，發動機周圍的環境溫度可能達到105°C，其它部位的溫度會達到85°C。LED產生大量熱量，它們不會在IR或UV波段輻射能量，其功耗會提高周圍環境的溫度，這就需要降低驅動器的功耗，避免驅動器IC或驅動模塊中的其它器件過熱。

當然，汽車環境下同樣面臨EMI問題。任何照明子系統都不能干擾車內的其它子系統，AM收音機通常是最敏感的部件之一。

在汽車應用中，LED被排列成多串(每串定義為一個串聯LED組，具有相同電流)。可以根據顯示器的尺寸方便地排列LED支持背光，將LED排列成多串有助于提高故障容限(如果一個LED開路，只會關閉與該LED串聯的LED，而非所有LED)。使用多串LED的另一個原因是限制每串LED的電壓，提高系統安全性。例如，一串總電壓為80V的LED分成兩串后，電壓達到40V，避免在與LED或其連線接觸時出現對人體構成威脅的高壓。

由此可見，能夠驅動多串LED的單片IC具有明顯優勢。多串驅動器架構通常包含了LED串、升壓轉換器(將輸入電池電壓轉換成每串LED所需高壓)、多路線性吸電流調節器(用于建立每串的驅動電流)，如圖2所示。

與具有多路開關轉換器的方案相比，這種方案的元件數較少，成本較低(只需要一個電感和少數旁路電容)。與單串驅動器直接驅動并聯LED的方案相比，這種方案的優勢是可以在每串之間均衡電流。如果多串LED直接并聯，因為有些LED的正向導通電壓較高，電流不可能在每串之間均分。另外，LED的正向導通電壓會隨著溫度的升高而降低，電流的不均衡會導致熱量失控，因為具有較大電流的LED串發熱較多，其正向導通電壓隨之降低，從而吸收更大電流，導致該串LED的溫度進一步提升。隨著電流差異的增大，可能導致一串或多串大電流LED失效。最后，如果LED串只是簡單地并聯在一起，由于驅動器只能控制總電流，失效的LED電流會增加到其它LED串，從而由于過驅動而導致其它LED串失效。利用圖2方案可以避免出現這種狀況。

這種架構利用MOSFET調節LED串的電流，為使這些MOSFET的溫度盡可能低，需確保管子兩端的電壓盡可能低，但需足夠的電壓使管子處于飽和區。理想條件下，升壓轉換器的輸出電壓為：

Vboost=max(Vstring,i)+ Vsat

式中，Vstring,i為第i串LED的正向導通總電壓，Vsat為MOSFET處于飽和狀態時的VDS。能夠將該電壓設置到理想值的驅動器稱為具有自適應電壓優化(AVO)功能。

大多數應用需要通過PWM調節LED亮度，例如按照一定的占空比進行通、斷控制，使線性吸電流調節器打開、關閉，從而使AVO設計變得更加復雜。當所有LED串關閉時，升壓轉換器的工作狀態有多種選擇和一些限制，后續內容中將詳細討論。

傳統的多串驅動器

傳統的LED驅動器方案采用圖2所示的拓撲，包含升壓開關轉換器和多路獨立工作的電流調節器，這些轉換器在配合外部元件實現AVO功能時存在一些問題。

外部電路必須檢測哪一串LED具有最高的正向導通電壓(或最低的陰極電壓)；利用圖2中紅色標記的幾個二極管可以實現這一功能。這種方案會占用更大的電路板面積，提高系統成本。

該方案在出現LED故障時還存在另一潛在問題，如果一個LED發生開路，這一串的陰極電壓將跌落至零，二極管檢測電路將判斷這一串具有最高的正向導通電壓，并開始提升升壓的輸出電壓，試圖為這一串LED提供足夠的驅動電壓。最終導致其它LED串的吸電流MOSFET上的電壓提升，可能造成管子失效或觸發升壓轉換器的輸出過壓保護(如果具備此項功能)，關閉轉換器和所有LED。

該架構的第三個問題是LED的PWM調光，當LED關閉時，二極管電路沒有電壓參考點來設置升壓輸出電壓。一種可能的解決辦法是增加另一個二極管，通過分壓電路連接到升壓輸出，如圖2中的紅色標記電路。LED關閉時，該二極管導通，將升壓輸出設置到預置電壓。這種方式存在的顯著問題是：進行PWM調光時，升壓轉換器輸出具有較高的紋波，如圖3a所示。這會產生EMI噪聲，是汽車設計面臨的一個關鍵問題，它還會在輸出電容Cout上產生可聞噪聲。

新一代多串驅動器

新一代多串LED驅動器的升壓開關轉換器和線性吸電流調節器可以進行雙向通信(而不是獨立工作)，解決(或部分解決)了上述三個問題，大大提高了系統性能。這些新型驅動器在IC內部檢測LED串的電壓(