迎接汽车照明的电源管理挑战

汽车中 LED 模块的激增对系统硬件提出了新的要求，包括减小组件尺寸以在同一空间内安装更多电子设备、提高能效以在相同或更低的热预算内运行、支持多种配置的连接和灵活架构以及精确控制以保留 LED 光特性。本文回顾了汽车 LED 电子元件面临的挑战，并提供了一些有效电源管理如何提供帮助的示例。

介绍

由于相对于传统技术的显着优势及其多样化的汽车应用，LED 正在席卷汽车行业。

前灯模块往往需要更高的功率（超过 100W），使用高效、基于开关的驱动器。尾灯和其他外部灯需要较低的功率，有时低到足以允许使用简单的线性驱动器。LED 大灯中白光的卓越清晰度提高了驾驶员的反应时间。自适应前照灯系统 (AFS) 由 LED 矩阵支持，可产生快速、复杂的光模式变化，从而提高驾驶员在光线不足条件下的能见度。在夜间，AFS 可以根据来车的光束自动调整灯光模式，防止迎面而来的司机被刺眼的灯光刺瞎。

LED 照明上升时间是白炽光源的两倍，使基于 LED 的刹车灯能够更快地点亮，为驾驶员提供提前警告并提高道路安全。最后，LED 比白炽灯消耗更少的功率，从而在燃料消耗方面具有显着优势。LED 控制器在保持和增强 LED 固有的清晰度、速度和效率品质方面发挥着重要作用。

为 LED 供电

LED 有许多汽车应用，用于从单个 LED 到 LED 串或矩阵的各种配置。高亮度 (HB) LED 需要恒定电流才能获得最佳性能。电流与结温相关，因此与颜色相关。因此，HB LED 必须由电流而非电压驱动。电源范围从 12V 汽车电池到 60V 升压转换器，以适应长 LED 串。采用启/停技术的车辆在发动机启动时会经历较大的电池电压骤降，导致电池电压远低于典型的 12V，有时甚至低于 6V。

挑战

汽车中 LED 模块的激增对系统硬件提出了新的要求，包括：减小组件尺寸以在同一空间内安装更多电子设备，提高能效以在相同或更低的热预算内运行，支持支持多种配置的连接和灵活架构，以及精确控制以保持 LED 光特性。

在以下部分中，我们将解决以下应用程序的挑战：

大功率前端灯

低/中功率前端灯

用于驾驶员监控系统 (DMS) 的红外 (IR) 摄像头

尾灯和其他外部灯

解决方案

大功率前端灯

由于卓越的照明特性和效率，高功率 LED 在汽车前照灯设计中变得非常流行。反过来，支持 LED 的电子设备必须快速、高效和准确，以控制光强度、方向和焦点。它们必须支持较宽的输入电压范围，并且必须在汽车收音机的 AM 频段之外工作，以避免电磁干扰 (EMI)。它们还必须支持 AFS 的 LED 矩阵所需的复杂光模式。

调光是许多汽车应用中无处不在的功能，也是 LED 大灯的一项重要安全功能。人眼几乎无法检测到 100% 到 50% 的光线变暗。调光必须降低到 1% 或更少才能清晰可辨。考虑到这一点，将调光指定为 1000:1 或更高的比率也就不足为奇了。鉴于人眼在适当条件下可以感知单个光子，因此该功能几乎没有限制。

由于电流必须保持恒定以保持颜色，因此 LED 的最佳调光策略是 PWM（脉冲宽度调制），通过对电流进行时间切片而不是通过改变幅度来调制光强度。PWM 频率必须保持在 200Hz 以上，以防止 LED 闪烁。

对于 PWM 调光，最小 LED“开/关”时间的限制是升高/降低开关稳压器电感中的电流所需的时间。这可能会增加数十微秒的响应时间，这对于需要快速、复杂调光模式的 LED 大灯组应用来说太慢了。在这种情况下，调光只能通过单独地在一个字符串由专用MOSFET开关装置（SW接通/关断每个LED执行1-K在图3中）。电流控制环路面临的挑战是足够快以快速从由于二极管的切入和切出导致的输出电压瞬变中恢复。

为了最有效，LED 控制器必须适应较宽的输入电压范围，并具有如前所述的快速瞬态响应。需要在 AM 频带之外的高、控制良好的开关频率，以减少射频干扰并满足 EMI 标准。最后，高效率减少了热量的产生，提高了 LED 灯系统的可靠性。

复杂的前照灯系统利用升压转换器作为前端来管理输入电压（转储或冷车发动）和 EMI 辐射的变化。升压转换器提供良好调节且足够高的输出电压（图 3）。专用降压转换器使用该稳定输入电源工作，然后通过允许每个降压转换器控制单个功能（例如远光灯、近光灯、雾灯、日间行车灯 (DRL)）来处理控制灯强度和位置的复杂性、位置等。单独的二极管由开关矩阵管理器切入和切出，允许像素级自适应照明。

图 3：高级 LED 照明系统

在此应用中，每个降压转换器的主控制环路设置其 LED 串中的电流，并带有两个实施过压和过流保护的次级环路。

理想的解决方案应满足宽输入电压范围、快速瞬态响应、高且控制良好的开关频率的要求，同时通过同步整流实现高效率。MAX20078 LED 降压控制器可实现这样的解决方案。

MAX20096 同步、全 n 通道、带 SPI 的降压 LED 控制器在单个 IC 中集成了两个通道，减少了解决方案占板面积和 BOM。

MAX20092 可以实现 12 矩阵开关管理器。该 IC 具有用于串行通信的串行外设接口 (SPI)。MAX20092 是一个从设备，它使用 SPI 与作为主设备的外部微控制器 (μC) 进行通信。12 个开关中的每一个都可以独立编程，以绕过串中每个开关的 LED。

图 3 中的升压转换器采用 MAX16990/MAX16992、36V、2.5MHz 汽车升压/SEPIC 控制器实现。

低/中功率前端灯

在低/中功率前照灯系统中，远光灯和近光灯等前照灯功能由更简单的单功能控制器 IC 执行。

可容纳一系列 LED 的低/中功率前照灯系统架构使用升压转换器。在图 4的升压控制器 IC 中，三个反馈回路 (CURRENT LOOP) 之一确保对输出电流的严格控制。其他两个反馈回路为一串 12 个二极管执行过压保护 (OVP LOOP) 和过流保护 (OCP LOOP)，这会在串上产生 42V（每个 LED 3.5V）。

图 4：典型的升压 LED 控制系统

除了电流和电压控制之外，IC 还必须配备之前描述的所有功能（调光、扩频等）。需要高侧电流检测（通过电阻器 R 3和 R S）来保护 LED 系统，以防输出与地或电池输入短路。

理想情况下，LED 控制器应具有灵活的架构，支持实现不同功能的多种配置。我们已经讨论了升压配置，但我们还应该考虑降压-升压配置。如果二极管串很短，例如两个或三个 LED（7V 或 10.5V），而电池电压可能从低于 6V（冷启动）到 16V 不等，则需要降压-升压模式配置。如果关注的是输入到输出隔离，那么 SEPIC（不连续输出电流）或 Chuck（连续输出电流）转换器可能是正确的解决方案。支持多种架构的单个控制器具有明显的规模经济和易于重用的优势。

例如，MAX20090 是一款非常灵活的 LED 驱动控制器，支持升压、高端降压、SEPIC 模式或降压-升压模式配置。

用于驾驶员监控系统 (DMS) 的红外摄像头

红外 (IR) 摄像头利用 IR-LED 二极管与 CMOS 传感器相结合，有助于识别影响驾驶者的危险微睡眠。使用红外线的优势在于它对人眼不可见，并且能够昼夜操作。图像分析处理信息以确定驾驶员是否疲劳或分心。典型的正向电压为 2.8V，正向电流为 1A，驱动 LED 的电子设备直接连接到电池。

例如，MAX20050 降压 LED 驱动器是一种理想的解决方案（图 5）。完全同步的 2A 降压转换器集成了两个低 R DS(ON) 0.14Ω（典型值）MOSFET，确保高达 95% 的高效率。MAX20050 具有 4.5V 至 65V 的输入电源范围，可轻松承受电池抛负载，使其成为 DMS 应用中前端降压转换器的理想选择。

图 5：IR-LED 驱动器解决方案

对于更高的功率，可以使用 MAX20078 同步降压 LED 控制器。对于更高电压的应用，MAX20090 高压 HB LED 控制器是一个很好的选择。

尾灯和其他外灯

尾灯和其他外部灯，如刹车灯、门把手灯等，需要较少的功率，并由简单的单功能 IC 处理。在这里，MAX20090 可用作升压 LED 控制器或需要电压高于最小电池电压的长灯串，或用作前端升压稳压器。MAX20050 降压转换器可以驱动直接连接到电池的短二极管串。或者，它可以在前端升压转换器的帮助下驱动长串二极管。

对于噪声敏感应用，可以使用线性 LED 驱动器。MAX16823 三通道 LED 驱动器 (图 6) 在 5.5V 至 40V 输入电压范围内工作，并为一串或多串 HB LED 提供每通道高达 100mA 的电流。每个通道的电流都可以使用与 LED 串联的外部电流检测电阻进行编程。除了提供输出的开和关控制外，三个 DIM 输入还允许进行大范围的独立脉冲调光。波形整形电路可降低 EMI，同时提供快速开启和关闭时间。

图 6：用于低噪声的线性驱动器

概括

表 1 总结了汽车 LED 驱动器应用和建议的产品解决方案。

表 1：汽车 LED 驱动器

结论

LED 模块在汽车中的激增对系统硬件提出了新的要求，包括：减小组件尺寸以在同一空间内安装更多电子设备、提高能效以在相同或更低的热预算内运行、支持多种配置的连接和灵活架构以及准确的控制保持 LED 灯的特性。

在本文中，我们解决了在设计大功率和中低功率前端灯、DMS 中使用的红外摄像头以及尾灯和外部灯时遇到的挑战。在每种情况下，都根据手头的应用提供了最佳电源管理解决方案。

审核编辑 黄昊宇