HB LED驱动汽车照明系统的设计和应用

背景信息

尽管 LED 用在很多汽车照明应用中已经有几年，例如白天行车灯 (DRL)、刹车灯、转向指示信号灯和内部照明，但是特定于前灯的应用依然相对较新。目前，仅少数量产车具备 LED 前灯，包括本田雅阁、讴歌 RLX 和 MDX、奥迪 A8 和 R8、雷克萨斯 LS600h 和 RX450h、丰田普锐斯、凯迪拉克的凯雷德以及保时捷卡宴。更多汽车平台已经采用了 DRL，而且其形状常常随不同汽车品牌而不同。一些行业预测数据显示，到 2014 年，LED DRL / 前灯市场将超过 40 亿美元，而且由于此后该市场继续快速增长，预计到 2015 年将超过 80 亿美元。

汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是，怎样最充分地利用最新一代高亮度 (HB) LED 的所有优点。HB LED 需要一个准确、高效率、能够调光的 DC 电流源，而且必须包括保护功能。此外，这类 LED 驱动器 IC 还必须设计为，能够在各种环境和电气条件下满足这些要求。因此，电源解决方案必须效率非常高、噪声很低、功能强大且可靠性高，同时还要紧凑和经济实惠。可以说，就驱动 HB LED 而言，要求最苛刻的应用是汽车前向照明应用，即 DRL 和前灯应用，因为这两种应用处于最严酷的汽车电气环境中，必须提供很大的功率，一般在 15W 至 75W 之间，而且必须放入空间非常受限的外壳中，满足所有这一切要求的同时，还要保持富有吸引力的成本结构。

 

设计参数

汽车 LED 驱动器必须紧凑、高效率，且支持无闪烁 PWM 调光。这些驱动器不能在 AM 收音机频段及该频段周围产生很大的传导 EMI。不幸的是，大功率开关模式电源本质上不是低 EMI 的，恒定开关频率在一些频点上产生极大的 EMI 分量，包括电源的基本工作频率及其谐波。但这些不好的东西总会落入 AM 频段。

最大限度地减小 EMI 峰值的一种方法是，通过采用扩展频谱切换，允许开关模式电源 (SMPS) 的工作频率覆盖一系列频率值。希望扩展频谱切换起到的作用是，压低可能出现在 SMPS 基本工作频率及其谐波上的 EMI 峰值，将 EMI 能量扩展到一系列频率范围上。

LED 驱动器 SPMS 有一个额外的要求：频率扩展还要与 PWM 调光 (亮度控制) 信号频率同步，以确保不产生 LED 闪烁。

为了解决这个问题，LT3795 自己产生扩展频谱斜坡信号，并运用一项正在申请专利的技术，让该信号与较低频率的 PWM 调光输入取得频率一致。这样一来，甚至在最高 PWM 调光比时，也能消除扩展频谱信号与 PWM 信号相结合以使 LED 产生可见闪烁的可能性。

 

大功率汽车 LED 驱动器

LT3795 是一款大功率 LED 驱动器，采用与 LT3756 / LT3796 系列同样的高性能 PWM 调光方法，但增加了内部产生扩展频谱斜坡信号的功能，以降低 EMI。LT3795 是一款单开关控制器 IC，输入范围为 4.5V 至 110V，输出范围为 0V 至 110V，可配置为升压模式、SEPIC、降压-升压模式或降压模式 LED 驱动器。该器件具备 100kHz 至 1MHz 开关频率范围、LED 开路保护和短路保护，还可以作为具备电流限制的恒定电压稳压器工作，或者作为恒定电流 SLA 电池或超级电容器充电器使用。

LT3795 自己产生扩展频谱斜坡信号，并运用正在申请专利的技术，使该信号与较低频率 PWM 调光输入取得频率一致。这样一来，即使在最高 PWM 调光比时，扩展频谱信号也不可能与 PWM 信号相结合、使 LED 产生可见闪烁了。

图 1 所示是效率高达 92%、80V、400mA、300kHz 至 450kHz 汽车 LED 前灯驱动器，该驱动器具备扩展频谱频率调制和短路保护。DRL 应用看起来几乎是相同的，但是最大 LED 电流要求接近 200mA。

图 1：80V、400mA 汽车 LED 驱动器具备内部扩展频谱功能以降低 EMI

内部扩展频谱可减轻 EMI 问题

与很多大功率 LED 驱动器不同，LT3795 自己产生扩展频谱斜坡信号，以产生比所设定开关频率低 30% 的开关频率调制。这降低了其传导的 EMI 峰值，减少了对昂贵和笨重的 EMI 输入滤波电容器和电感器的需求。

运用内部或单独的扩展频谱时钟产生 LED 驱动器的开关频率，可能在 PWM 调光时产生可见闪烁，因为扩展频谱频率变化与 PWM 周期是不同步的。由于这个原因，在很多高端 LED 驱动器应用中，实现扩展频谱并非微不足道的任务。如果没有扩展频谱，设计师就必须依靠笨重的 EMI 滤波器、采用降低开关边沿的栅极电阻 (这会降低效率) 以及在开关及箝位二极管上安装减震器。

图 2 比较了在扩展频谱频率调制启用和禁止时，LT3795 LED 驱动器在 AM 频带周围的传导 EMI 测量值。正常 (无扩展频谱频率调制) 工作时，在开关频率及其谐波上产生能量很高的尖峰。在汽车等 EMI 敏感应用中，这些尖峰可能使设计达不到严格的 EMI 要求。图 2 给出了 CISPR 25 Class 5汽车传导 EMI 限制以供参考。图 3 显示了在较宽频带上扩展频谱的效果。

图 2：采用 LT3795 的扩展频谱频率调制时，AM 频段周围的传导 EMI 峰值降低 3dBµV ~ 6dBµV。图中提供了 CISPR25 Class 5 AM 频带限制以供参考。

图 3：用频谱分析仪扫描的 LT3795 在 150kHz 至 30MHz 范围内的传导 EMI 峰值，图中显示，在很宽的频率范围内，EMI 峰值降低了。

既然在 300kHz 至 580kHz 之间没有限制，那么这就是设定基频的绝佳频率范围了。在这个应用中，基频设定在 450kHz，并扩展至 300kHz。简单地将 RAMP 引脚接地，就可以禁止扩展频谱频率调制。

RAMP 引脚端的 6.8nF 电容器将扩展频谱频率调制信号设定为 1kHz 三角波，也就是说，LT3795 的工作频率每毫秒在 300kHz 至 450kHz 频率范围内来回变化一次。增加 1kHz 三角波扩展频谱信号对 LED 纹波电流的影响可以忽略不计，如图 4 所示。

图 4：在 LT3795 内部实现的扩展频谱频率调制对 LED 亮度的影响很小，察觉不到。与无扩展频谱频率调制 (a) 相比，图 1 所示 1kHz 扩展频谱频率范围对 LED 纹波电流 (b) 的影响可以忽略不计，而且这个频率太高，人眼是看不出闪烁的。

之所以选择 1kHz 的调制频率，是因为这个频率在 LT3795 带宽范围内足够低，但是对于大幅衰减 AM 频带的传导 EMI 峰值而言，又足够高。进一步降低调制频率，会减弱 AM 频带的峰值衰减，这对于分类可能有最重要的影响。选择更高的扩展频谱调制频率，似乎不影响 EMI 峰值衰减。只要高于 100Hz，人眼就察觉不到。

 

无闪烁 PWM 调光

运用未与 PWM 信号同步的扩展频谱信号可以降低 EMI，但是开关频率和 PWM 信号之间的差频可能使 LED 产生可见闪烁。当使用 PWM 调光时，LT3795 内部产生的扩展频谱斜坡信号使自己与 PWM 周期同步。这提供了可重复、无闪烁的 PWM 调光，即使在 1000:1 的高调光比时也是如此。

图 5 比较了两种扩展频谱频率调制解决方案的 PWM 调光电流波形：一种采用了正在申请专利的 LT3795 扩展频谱频率调制信号至 PWM 信号同步技术，另一种则没有采用这种技术。两台示波器捕获的波形都是在无穷余辉条件下产生的，显示了 1% PWM 调光波形多个周期的重叠。图 5 (a) 显示了 LT3795 扩展频谱频率调制对 PWM LED 电流的影响。该波形每周期是一致的，从而不会出现闪烁现象。图 5 (b) 显示了可比较、非 LT3795 扩展频谱解决方案的结果。在接通时间波形中的逐周期变化导致 LED 平均电流的变化，在高调光比时，可以看到这种变化以 LED 闪烁的形式表现出来。

 
图 5：比较两种扩展频谱 LED 驱动器解决方案及其对 PWM 调光的影响。无穷余辉示波器捕获的波形显示了重复和重叠的 PWM LED 电流波形。在图 (a) 中，正在申请专利的 LT3795 扩展频谱技术产生了逐周期一致的 LED PWM 接通时间波形。结果是在高调光比时无闪烁工作。图 (b) 中的波形显示了可比较、非 LT3795 扩展频谱 LED 驱动器的结果。在这种情况下，没有 LT3795 的扩展频率至 PWM 同步，LED 电流波形每周期是不一致的，在高 PWM 调光比时产生了可察觉的闪烁。

请注意，扩展频谱驱动器 IC，即使未采用正在申请专利的 LT3795 扩展频谱频率调制技术，也可以降低 EMI，产生干净的扩展频谱 EMI 结果，但是闪烁可能仍然存在。必须观察 LED 或 LED 电流波形，以了解闪烁是否存在。在采用 LT3795 的情况下，传导 EMI 的频谱分析仪扫描图和 LED 电流的示波器波形都很好。

能承受短路的升压模式

图 1 所示 LT3795 升压模式 LED 驱动器具备防短路功能。当 LED+ 终端短路至地时，高压侧 PMOS 断接不仅用于 PWM 调光，而且用于短路保护。当输出电流过大、LED+ 电压过低时，独特的内部电路进行监视、关断该断接 PMOS 并报告出现了 LED 短路故障。类似地，如果 LED 串被去掉或开路，那么该 IC 就限制其最高输出电压，并报告出现了 LED 开路故障。

多拓扑解决方案

LT3795 可用来在升压型设置中驱动 LED，如图 1 所示，或者按照 LED 串的电压与输入电压范围之间关系的要求，以降压模式、降压-升压模式、SEPIC 和反激式拓扑使用。所有拓扑都具备相同的扩展频谱频率调制和短路保护。LT3795 甚至可以配置为具备扩展频谱频率调制的恒定升压型或 SEPIC 稳压器。

 

结论

HB LED 应用不断加速采用，尤其是对更高性能和成本效益永不满足的需求，正在推动 HB LED 在汽车 DRL 及其前灯中的应用。要满足这些需求，必须使用坚固的最新 HB LED 驱动器 IC。LT3795 等 LED 驱动器为输入高达 110V 的应用提供了解决方案。该 IC 还提供内置扩展频谱频率调制以降低 EMI。这简化了必须通过严格 EMI 测试的 LED 应用之设计。扩展频谱频率调制仅需要单个电容器，而且与基于外部时钟的扩展频谱频率调制解决方案不同，该器件的扩展频谱频率调制在 PWM 调光时不会产生 LED 闪烁。该 IC 在所有拓扑中都提供短路保护，从而成为驱动汽车 LED 的坚固和强大之解决方案。