车用LCD面板背光应用电源浪涌设计考量

　　车用的DC电源由电源线提供，这条电源线连接了所有基于线路供电的电子模组、电池，以及由汽车引擎驱动的发电机。对于典型的12V或24V系统来说，我们通常看到的电源电压变化为±30％。因此，汽车应用中的所有电子模组都应该特别注意输入电压的变化。但是在电源浪涌期间，电源电压会大幅上升。在国际标準ISO7637-2中有pulse 2a和pulse 5a规範，并说明产生浪涌的一些塬因，pulse 2a所定义的浪涌是由线路和线束供电的电子模组中突然中断的电感电流所引起。pulse 5a所定义的浪涌是由以下情况所引起：当一个负载突降瞬态放电的电池被断开而且发电机同时又在利用残存在其电路的其他负载产生的充电电流时，激增发生并产生浪涌。

　　描述上述浪涌的典型电源电压曲线如图1所示，相应的参数列于表1。由图中可看出最大电源电压可能是额定电压的5至7倍。虽然浪涌的持续时间不长，对pulse 2a来说只有0.05ms，而对pulse 5a来说只有几百毫秒，但直接连接到电源线的电子模组都可能由于浪涌过高而导致电压损坏。通常解决浪涌的做法是增加一个类似瞬态电压抑制器（TVS）这种类型的外部元件，它可以在电源浪涌期间箝制峰值电源电压。箝制电压的值可由客户选定。不过，电子模组的设计人员总是着眼于可以在宽广输入电压範围工作的应用电路，让单一设计可以满足客户的多样化需求。

　　

　　

　　汽车背光应用的LED驱动器

　　由于LED具有快速的回应时间、高对比和低功耗的特点，越来越多的人採用LED作为汽车应用中LCD面板背光的设计。LED一般透过串联连接形成一个LED串（若是大型面板可用多串LED），因此一个电流调节器可以调节许多LED的电流。LED串所需的驱动电压通常高于电源电压（12V或24V系统）。为提高驱动LED串的电源电压，电流调节器通常使用升压转换器。升压LED驱动器常见的架构包括可以驱动多个LED串的升压转换器和多通道线性电流调节器，如图2所示。升压转换器由电感L1、开关Q1、升压二极体D1和输出电容COUT组成。VIN和VOUT分别为输入和输出电压。LED灯串1到n经VOUT连接至多通道线性电流调节器，其正向电压表示为VLED1至VLEDn。每串LED的电流是由线性电流调节器1至n调节的，这些调节器嵌入在多通道线性电流调节器中，VCS1至VCSn代表每个线性电流调节器上的电压降。

　　

　　电源浪涌条件下的升压转换器

　　在正常工作情况下，VOUT被调节到一个保证能够完全开启LED串的值，同时使VCS1至VCSn是最小值。举例来说，12个串联LED的LED串的顺向电压（VLED1至VLEDn）是38V，如果VCS1至VCSn的典型电压为1V，VOUT可能达到39V。因此，对于12V或24V系统，VOUT高于VIN。但在电源浪涌条件下，当VIN显着上升时，会出现VIN高于VOUT的异常情况。升压转换器的直接反应就是停止运转，即停止开关Q1，并使Q1保持关闭。但是在这种情况下升压二极体D1被正向偏置，电感L1出现短路，所以电流路径仍然存在（如图2所示），导致VOUT约等于VIN，PEAK，其中VIN，PEAK是浪涌条件下的箝位峰值电源电压（取决于外部瞬态电压抑制器）。我们必须注意的是，升压控制器IC的最大电压和开关Q1（无论是使用外部开关还是整合在IC中的开关）的汲极电压应高于VIN，PEAK。否则，元件可能会在浪涌条件下损坏。 保护升压转换器的另一种方法是在电源线路和升压转换器间插入一个开关，如果检测到浪涌开关就会关闭。这种方法的主要缺点是由升压转换器供电的LED只能在浪涌条件下才能关闭。因此这种替代方法不适合ISO失效模式严重程度分类中的A类或B类的设计，塬因是这两种分类规定曝露在干扰期间和干扰之后，A类要求电子模组的所有功能都能像设计的那样执行，而B类也要求电子模组的功能在规定的容许下执行。

　　电源浪涌条件下的线性电流调节器

　　在电源浪涌条件下，VOUT可能上升到VIN，PEAK，但由于存在LED电流，每串LED（VLED1至VLEDn）的顺向电压保持不变，它仍然是由线性电流调节器来调节，所以不会受到影响。因此，VCS1至VCSn显着增加。例如在正常工作条件下，可使VLED1和VCS1分别为38V和1V。如果在浪涌条件下VIN，PEAK为48V，VCS1可能为10V，这是正常情况的10倍。由于流经线性电流调节器的电流保持不变，VCS1至VCSn突然上升会大幅增加功率损耗。如果VIN，PEAK较大或VLED1至VLEDn较小，VCS1至VCSn则更大。这增加了线性电流调节器的功率损耗程度并可能会导致彻底损坏。为保护电路，良好的线性电流调节器设计应能减少调节电流，以限制浪涌条件下的功率损耗程度。

　　

　　建议使用的电路设计和测量结果

　　图3所示为使用升压转换器和採用德州仪器旗下美国国家半导体LM3492双通道线性电流调节器组成的LED驱动器。该电路可驱动2个LED串，每串由12个150mA的LED组成，LED串的额定顺向电压为38V。图4和图5所示分别为在12V和24V正常输入电压下LM3492的SW、IOUT1（即线性电流调节器1的压降VCS1）接脚的电压稳态波形，以及总LED电流（ILED1+ILED2）。由此可以看出在正常条件下，VCS1低于1V。在VIN，PEAK为50V（图6）的浪涌条件下，升压转换器停止运转（VSW波形中看不到开关），总LED电流保持不变，但VCS1上升到约9V，这表示功率损耗为9倍以上。当VIN从峰值下降至额定电压时，升压转换器通常不会很快开启，因此LED电流出现小幅下降。如果VIN，PEAK增加至65V（如图7所示），VCS1进一步上升至27V，但总LED电流被内部过功率保护电路降至大约200mA（即每个通道为100mA，而不是150mA），以便保护线性电流调节器。

　　结论

　　越来越多人採用LED作为车用LCD面板背光的设计，但在电源浪涌条件下，车用电子模组可能要承受高出额定值5至7倍的输入电压。浪涌电压可透过瞬态电压抑制器等外部元件来进行箝制，而箝位电压可以由客户设定。电子工程师总是致力于设计可在宽广输入电压範围工作的电子模组，从而使单一的设计能够满足客户的多样化需求。本文说明由升压转换器和採用LM3492的双通道线性电流调节器组成的LED驱动器。在浪涌条件下，LED串仍然可以工作，这表示该设计能够满足在ISO失效模式严重程度分类的A类和B类规範；同时说明推荐电路在正常运行条件和浪涌条件下的波形。