汽车LED驱动器电源转换拓扑指南

在许多系统中（包括部署在汽车供电系统中的无数稳压器），功率转换稳压器的设计通常是一项困难而复杂的任务。本文旨在通过解释用于LED驱动器的不同开关拓扑的优点、权衡和应用来简化选择过程。

LED不同于传统的电光产生灯丝或气体成分。利用特定的半导体结，LED制造商可以产生跨越整个可见光范围的特定颜色的光，以及红外和紫外线。在汽车应用中，LED可以提高白天和夜间驾驶场景的安全性。提高效率可以延长电动汽车的电池寿命，单个系统中的多个LED可以消除单个组件故障。

由于其多功能性，LED提供了以多种不同方式驱动的能力。由于LED的输出是控制良好的光，因此LED负载不同于电源系统的传统负载。LED仅依靠精确调节的电流通过半导体结产生光，其中端子与系统接地（或汽车系统中的底盘）的相对电压无关。因此，LED系统可以利用开关技术提供的不同拓扑结构。

如何为汽车LED系统选择正确的开关拓扑

汽车系统中特定开关拓扑的选择与完整的系统设计有关;应考虑最小输入电压、最大串电压、机箱返回能力、短路输出能力、最大输入电流、输出/LED 电流和 PWM 调光。

降压转换器

降压（或降压）LED驱动器调节LED串中的电流，其电压高于总LED串电压。降压 LED 驱动器可以安全地短路到系统地，使其本质安全。它们可以具有底盘返回功能（一根电线供电），并且可以轻松适应矩阵或动画应用。图1和图2所示为控制器调制高边开关以进行电流控制的基本系统图。

图1.降压转换器。

降压型LED驱动器需要注意的几个关键特性是固定频率操作、通过出色的开关控制和低电阻开关实现高效率、整个模拟调光范围内的高精度，以及为实现出色的EMI而正确设计的扩频频率调制。

升压转换器

升压（或升压）LED 驱动器将 LED 串中的电流调节到低于总 LED 串电压的电压。这在许多汽车系统中非常有用，其中许多LED需要在单个灯串中导通。典型的12 V汽车系统的工作电压范围为6 V至18 V，要求LED驱动器运行电压低至6 V，从而为LED保持亮起提供较大的升压比。图3和图4所示的示例原理图显示了控制器调制低边开关以进行电流控制的基本系统图。

图2.降压转换器示例：

LT3932

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降压 LED 驱动器的优势	降压型LED驱动器的权衡取舍	应用
接地串 — 机箱返回	输入电压必须高于 LED 电压	远光灯/近光灯
矩阵开关可以分流整个串	大多数汽车系统都需要预升压稳压器	转向信号灯/动画
更高的带宽（>1/5 f西 南部)		矩阵前照灯
最佳电磁干扰性能		短路安全系统
最小的电感器尺寸

 

图3.升压转换器。

图4.升压转换器示例：

LT8356-1

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提升 LED 驱动器的优势	升压式LED驱动器的权衡取舍	应用
接地 — 机箱返回	输入电压必须高于 LED 电压	远光灯/近光灯
通常，最小的总解决方案尺寸	带宽较低（<1/20 f西 南部)	平视显示器
良好的电磁干扰性能	更高的电感电流额定值	逆光
直接电池到 LED 转换	不能短路输出到接地

 

使用升压转换器的升压-降压

某些升压（或升压）LED驱动器可能配置为将LED阴极返回到电源。此配置称为降压-升压。总输出电压为 V在（五电池），将其添加到总 LED 灯串电压中。这种拓扑的优点是能够驱动更高、更低或等于电源电压的LED串。这种拓扑的局限性仅受转换器的限制——低端是控制器IC的最小电源电压，高端是控制器IC的最大输出电压。

图5.升压-降压转换器。

Figure 6. Boost-buck converter: 

LT8386

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Benefits to Boost-Buck LED Drivers	Trade-Offs to Boost-Buck LED Drivers	Applications
Direct battery to LED conversion	Lower efficiency	High beam/low beam
LED voltage may be higher or lower than supply	Lower bandwidth (<1/20 of fSW)	Turn signal
Good EMI performance	Higher inductor current rating	Daytime running lights
May use matrix to short entire string	Cannot short output to GND	Multiple strings on the same output

 

Buck Mode Using a Boost Converter

Some step-up (or boost) LED drivers may be configured to step-down from the supply (rather than ground referenced, as in a standard buck)—creating a buck-mode configuration. This configuration has the same limitations as a buck, where the total LED string voltage must be less than the input supply.

图7.降压模式转换器。

图8.降压模式示例：

LT3756-2

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降压模式LED驱动器的优势	降压模式LED驱动器的权衡	应用
良好的电磁干扰性能	输入电压必须高于 LED 电压	远光灯/近光灯
可以使用矩阵来缩短整个字符串	大多数汽车系统都需要预升压稳压器	方向灯
可以对多个应用程序使用相同的驱动程序	不能将输出（LED 阴极）短路至接地	日间行车灯

 

降压-升压转换器

降压-升压 LED 驱动器调节来自高于或低于总 LED 灯串电压的电源的 LED 电流。转换器调制降压模式下连接到输入电压的高边开关，升压模式下调制输出侧的低边开关。这种拓扑是最复杂的，但也是最灵活的。V在和 V外范围仅受控制器 IC 的限制。这是矩阵应用的不错选择。

图9.降压-升压转换器。

图 10.降压-升压示例：

LT8391

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降压-升压型 LED 驱动器的优势	降压-升压LED驱动器的权衡取舍	应用
最通用的拓扑结构	至少需要两个开关和两个续流二极管	远光灯/近光灯
可以使用矩阵来缩短整个字符串	通常，转换效率最低	方向灯
可以对多个应用程序使用相同的驱动程序	通常，最低（最差）的 EMI 性能	日间行车灯
		短安全系统

 

结论

汽车LED照明系统可以通过多种不同的方式与开关稳压器一起驱动。根据应用的不同，开关拓扑和配置的选择使照明设计人员能够为整个汽车的不同照明要求创建完整的子系统。为系统选择正确的电源转换开关拓扑和配置可优化复杂性、效率、EMI 和安全性等要求。

审核编辑：郭婷