LED顯示屏在汽車系統上的應用

發布日期:2018-11-28 點擊次數:140

在建立led供電的電子驅動解決方案時，需要考慮兩個主要的DC/DC電源類別，分別是線性穩壓器和開關穩壓器。線性穩壓器具有減少零部件數和降低電磁干擾的優點，但在效率和熱耗方面有嚴重的弊端。因此，開關穩壓器是很多設計師的驅動解決方案首選。直流電源和需要的LED數目與類型決定了LED驅動器的拓撲結構選擇。如果電源電壓超出總LED電壓，就需要降壓轉換器。如果LED組的電壓超出電源電壓，就需要升壓轉換器。最后，根據具體的條件，LED電壓可能高于或低于電源電壓，這樣，就應該采用降壓/升壓或單端初級電感轉換器等電源拓撲技術。

在設計照明系統時，除了LED供電外，還需要考慮很多因素。LED電路設計的另一項主要考慮因素是熱管理。LED驅動器集成電路改進熱性能的一種方式是通過控制LED正向電流，LED正向電流是關于溫度的函數。這可以通過使用外部電流來感應溫度和控制對LED的電流供應來實現，但更高效的解決方案是利用具有必要內置功能的集成電路。

美國國家半導體的產品包含可實現多種拓撲結構的眾多開關穩壓器集成電路。此外，美國國家半導體專為LED應用開發了一系列集成電路，其中很多具有適合汽車電子系統應用的功能。本文將探討幾個汽車電子系統大燈驅動的應用示例。

使用升壓穩壓器的大燈示例

LED正越來越多地用于汽車大燈及其他前視照明系統。典型的大燈應用可能使用以多種方式排列的10個白色LED.對于各LED最大VF為4V的情況，如果設計師希望使用在一個燈組中串聯全部LED的拓撲結構，將需要設置DC/DC級來驅動LED.在這種情況下，可以對標稱12V~14VDC電源總線使用單個升壓開關功率級。

美國國家半導體研發的多種集成電路正是符合這種應用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列集成電路包含多種多用途部件，可用作升壓、降壓、降壓/升壓或SEPIC拓撲結構中低側外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和 LM3429部件都使用峰值電流模式控制器和預測性關閉時間設計來調節LED電流。峰值電流模式控制器與預測性關閉時間設計的組合簡化了回路補償設計，同時提供內在的輸入電壓前饋補償。LM3429是系列中的基本部件，是優化了成本和尺寸特點的控制器解決方案。LM3421增設了用于控制外部調光FET和系統“零電流”關閉特點的集成驅動器。LM3423進一步增加了LED狀態輸出標記、故障標記、可編程故障計時器和邏輯針腳，用于控制調光驅動器的極性。最后，LM3424與LM3421類似，但使用標準峰值電流模式控制器。LM3424還具有對開關頻率編程的功能，或通過可編程斜率補償、軟啟動和LED 電流熱返送功能使開關頻率與外部來源同步。

LM342x系列使用控制器集成電路實現所需功能和總體系統設計的最大靈活性。圖1以LM3421為例，顯示升壓配置中使用LM342x系列驅動 LED燈組的一個示例。LM342x拓撲結構的一個主要特點是在LED高側進行電流感應，允許燈組中的最后LED的陰極局部在底盤接地，并使感應電壓可以差分地饋送回集成電路。這是一個重要的優點，因為使LED燈組和驅動器集成電路可以彼此分離。

LED制造商通常在數據表中包含顯示LED最大允許正向電流和溫度的圖線，以確保部件的可靠性，這也稱為安全工作區。LED的最大電流額定值在較低溫度測得，但在超出特定溫度后，最大允許電流值降低。由于LED 系統的首要設計要素是適當的散熱和通風，因此很多應用需要考慮不可預測的狀況，即使最佳的熱設計也可能無法預防這些狀況。例如大燈組件被污泥或其他碎屑堵塞的情況。由于對車輛的安全操作至關重要，因此在此類情況下，需要保持LED在較低操作點正常照明，同時使電流保持在安全工作區，以預防照明系統的災難性故障。

為了實現根據溫度調節LED電流的目標，可以使用多種不同的方法。一種方法是構建溫度感應電路，用于驅動LED驅動器集成電路的模擬電流調節針腳。更簡單的解決方法是使用LM3424等具有內置熱返送功能的LED驅動器集成電路。圖2顯示了LM3424熱返送功能所需的外部零部件示例。　　使用LM3424驅動LED和執行熱電流控制具有多項優點。首先，不需要在外部配備大部分復雜的部件，因為這些在集成電路中已集成。在最簡單的配置中，實現熱返送只需要少量標準電阻器和負溫度系數熱敏電阻。如果需要更高的精度，設計師可以使用LM94022等精確溫度傳感器替換RBIAS和RNTC.此外，LM3424使用戶可以設置LED電流開始熱返送的溫度和電流返送的斜率。這使設計師可以使用少量外部部件精確重現制造商數據表中提供的電流額定值下降曲線，同時提高隨溫度變化表現出的性能。

使用LM3424所示，集成電路將在到達某溫度時返送LED電流，此時，LED電流為零。這與LED作為系統中主要熱發生器的情況不同。對于大燈組件等應用，設計師可能想要設置一項安全功能，即使LED可能在超出安全工作區的條件下工作，也始終能夠提供光輸出。對于此類情況，LED電流與溫度曲線將如圖4中示例所示。雖然LM3424沒有這項內置功能，但這可以使用外部箝位電路輕松實現，并且防止TSENSE針腳上的電壓低于預規定值。

雖然汽車電氣系統通常在12V~14VDC條件下工作，但在特殊情況下，向系統部件的供電電壓可能超出或低于正常工作值范圍。例如，在冷啟動情況下，系統供電可能為4.5V或更低，在負載突降狀況下，電壓可能在40V到60V之間。如果在這些特殊情況下仍需要LED工作或保護，設計師可能希望選擇可提供恒定LED電流的功率級，而不管電源電壓與LED組電壓的關系如何。一種采用SEPIC的開關穩壓器可以執行升壓和降壓操作。

SEPIC轉換器的效率可能不如降壓或升壓轉換器，但拓撲結構具有多項優點。除了具有升壓和降壓功能外，另一項尤其適用于汽車電子系統應用的優點是 CSEPIC電容器提供了輸入和輸出之間的隔離。SEPIC轉換器的不足是需要兩個電感器，但兩個電感器可以輕松地纏繞在同個芯上，而不是作為兩個分立的部件。圖6顯示同樣使用LM3421控制器的應用電路示例。