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DC/DC变换器在汽车照明中的应用方案
  • 2010-11-26
  • 5987
  •   1 前言


      LED被称为第四代汽车光源,虽然一次性投入较高,但拥有白炽灯无法比拟的优点,如LED车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸多特点,已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品。每台车内部应用如仪表板、阅读灯,外部应用则为尾灯、刹车灯、方向灯、头灯等,汽车用照明已形成目前 LED照明发展最快的应用市场。


      今天,在一般的汽车上电子系统的成本约占20%以上,有的豪华车上已飙升至30%以上。汽车上设置的应用实例包括:车载信息系统,安全系统,发动机的能源管理,车载收音机、电视的卫星接收、移动电话以及其它无线电系统等等。5年前,这些电子系统仅设置在高档豪华车上,现在每个汽车制造厂家,已将其集成在中等规格的车辆上,大幅度加速了汽车用集成电路技术的飞跃发展。


      2 LED照明取代白炽灯泡


      在车用照明产品方面,由于供电电源来自汽车蓄电池,一般为24V、48V直流电压,故需要有直流电源的LED驱动IC(集成电路),将交流电源直接转换为直流电源,并完成与LED电压及电流的匹配。


      与此同时,车载电子系统的元器件增加,要求的可用空间却不断缩小。大幅度增加了每一系统的电子元器件密度。所有电子系统均需要功率转换的IC。通常,对每一分支系统还要配置复式的多级电压干线。由于很高的功率密度和各系统散热导致的高环境温度,汽车上的有限空间和工作温度范围的限制,故要求高效率的功率转换是关键。


      在输出电压低和几百毫安(mA)级以上的电流场合,因发出的热量多,简单地用线性调节器来输出电子系统要求的电压已不实际。由于这些条件的制约,从而采用开关调节器取代线性调节器。开关调节器的优点是:效率提高,“碳足迹”少,附加设备的简化以及EMI(电磁干扰)的减小等。


      迄今,LED已出现在很多车辆的仪表盘背光(back lighting),车内照明及制动灯上。豪华汽车厂愈益吸取了固态LED照明最新技术的优点,借助这些高科技的电子技术含量和更轻、更小、更可靠的内/ 外部照明器件,提高了现代汽车的美观、舒适程度。例如,海拉作为汽车灯具领域的领先者,一直将车灯技术作为一个重要的研究课题。如今海拉已为新一代凯迪拉克白金版成功开发出全LED前照灯,并已投入量产。


      LED还可以降低成本和延长使用寿命。对比车内照明用的白炽灯,头灯用的HID(高强度放电)灯和卤素灯,它具有明显的优越性。


      3 对驱动电路的要求


      由汽车蓄电池驱动LED,要求具有精密调节LED电流的DC/DC变换器,以确保均匀的照明强度和色彩的完整性以及LED的保护。而且,DC /DC调节器应按照指定的用途,头灯或尾灯,信号灯或车内的阅读灯等,对特定的功率要进行优化。此外,由蓄电池电压驱动一个或几个LED灯串,蓄电池电压可能会出现大于、等于或小于负载电压的情况;另一种担心则是在大的调光范围内能否有效调节LED的亮度,并在低/高亮度级是否保持显色特性。因此,要求 DC/DC驱动器的有效运行至关重要,尤其是在驱动高亮度(HB) LED时 ,因未转换成发射光的功率将消耗在发热上。


      在出现某些特殊的工况下,对驱动电路也提出了相应要求。如图1所示,在负载一断电(Load-dump)段,这是发电机正给蓄电池充电时,蓄电池的连接线断电。这有可能发生在车辆正行驶、蓄电池电线松脱,或车在运行中蓄电池电线断开。无蓄电池的情况下,发电机正进行全充电,此时会产生瞬时高达 80V的尖峰电压。


    DC/DC变换器在汽车照明中的应用方案


      发电机瞬态吸收(Tran-sorbs)段,通常定位于36V~60V母线电压的某一位置,吸收大部分的浪涌电流。然而发电机向下配置的 DC/DC变换器则承受着这一36V~60V的瞬态峰值,故要求这些变换器及子系统的容量能予以承受。某些实例中,在这一瞬态过程采用调节输出电压,关键在于DC/DC变换器应能处理这些高的瞬态电压。通常,有各种不同的保护电路,能在外部执行瞬态吸收,但成本增加,还占用可贵的空间。


      “冷曲轴”(cold crank)段,发生在汽车发动机经受冷却或凝固期间,发动机油变的非常粘滞。因而要求起动机输出更大的转矩,相继需要蓄电池提供更大的电流。这一大的电流负载导致蓄电池/一次母线的电压降低,甚至低于4V的点火电压。随后,又回复至额定电压13.8V(图1)。这在某些应用场合,例如发动电机控制、安全系统和导航系统均不可避免。故要求具有良好调节的输出电压(一般为3.3V)贯穿“冷曲轴”段,以实现全过程的无间断(连续)运行。


      4 LED驱动器的新IC


      美国线性技术公司(LTC)研制成的两块新型DC/DC驱动器芯片,能适应汽车内/外部照明的很多严格要求,具有运行效率高、负载保护、输入 /输出电压范围宽以及精确的电流调节等特点。因集成电路可构建若干DC/DC拓扑,故能为设计者提供IC的合理选择,以满足不同应用场合下的功率转换需求。



      LTC3783是带恒流PWM调光的电流型多拓扑变换器(图2),用于驱动大功率LED灯串。本项专利技术可提供非常快而准确的负载切换,不会产生瞬时的欠电压或过电压,能数字式达到3000∶1的调光率(100Hz),纯色的PWM调光可确保白色LED和红绿蓝(RGB) LED的颜色完整性。LTC3783利用模拟控制,容许附加100∶1的调光比,因人眼对周围光线的变化很敏感,故这一比率必不可少。该多功能的控制器可用于升压、降压、升降压双向变换器或反激式(Flyback)变换器,或作为恒流/恒压的调节器。利用MOSFET的通态电阻(on- resistance)可取消传感电流的电阻器,并提高了效率。LTC3783芯片的应用还包括:高电压LED阵列和LED背光,以及在电讯、自动化与工业控制系统中的调节器。


    电流型多拓扑变换器


      装有LTC3783 LED驱动器在汽车上应用时,具有以下很重要的特点:(1)大电流、为输出大的电流(≥1.5A),LTC3783驱动外部的N沟道MOSFET,可给高亮度(HB)和超高亮度(SHB) LED供电;(2)高电压、LTC3783 3V~36V的输入运作和输出电压,取决于外部功率元件的选择,这可按标准确定,易于驱动LED灯串或混串(串+并);(3)保护。对HB LED的保护,需要IC结合精确的电流和输出电压调节。附加保护包括过电压、过电流和软启动;(4)调光、以纯色PWM3000∶1数字式调光时,在宽广的调光比下保持LED恒定的颜色。而且,LTC3783还能附加模拟100∶1的调光。


      另一种产品LTC3475是双通道36V、2MHz降压式DC/DC变换器(图3)。设计用于恒电流LED驱动电路,能提供每通道1.5A的 LED电流。内部的传感电阻器和调光控制,确保理想的驱动大电流LED,可在50mA~1.5A的电流范围内,保持高精度的输出电流,而均匀、纯色的 PWM电路,能实现3000∶1的调光范围。


    降压式DC/DC变换器


      LTC3475以其宽的输入电压范围(4V~36V,max40V),可调节含汽车动力系统在内的广阔的电源阵列。它的开关频率调节幅度为 200kHz~2MHz,能利用很小的电感器和陶瓷电容器,与耐热的TSSOP-16组件结合,在驱动2个或4个大电流LED时,可提供结构非常紧凑的解决方案。


      LTC3475利用高侧的传感,能与接地的LED阴极连接,而勿需大多数应用中的接地线,电流型的控制与准确的参考电压,优化了精心调节的动态回路,LED的电流恒定,波纹小。两个通道已分隔Vadj和PWM信号,以便独立操作。每一通道开关相互180°的相位差(异相),减少了两通道上的输出波纹,减少了污染“足迹”,降低成本,且附加有LED断开保护和短路保护。

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