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                几种车用LED驱动方案的比较

                2016年09月08日07:56:19 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
                关键字:应用 半导体 汽车 电源 数字 

                Noval Power Supply Topologies for Automotive Lighting Applications

                 

                —用于车辆LED照明的DC/DC拓扑结构

                 

                作者:Andre Suhaus 产品设计部啪高级经理,elmos Semiconductor AG

                 

                摘要:汽车」上的转向灯不再是只能一闪一灭了。现在的LED光带中发 哈哈一笑光颗粒可以以一定次序亮灭,光带看上去像发光虫子朝着○汽车转向或者变道的方向直直地游不知道他們是不是也有什么動靜去:现在不仅仅转向灯←可以实现上述功能了,全车的◤照明都已经发展成可以以上述方式开启和熄灭。随着LED灯具应用领域越来越广泛,研究∴分析用于控制LED灯的转换器拓扑结构也就越来越迫切了。

                 

                关键词:车用LED照明;控制器;拓扑结构

                 

                 

                因为LED灯具有腳下展開很高的应用灵活性,所以在进行汽车设计时,设计♂人员可利用LED高可塑而則平靜性将车辆的灯光作为该汽车品牌外观亮点。而且LED灯发⊙光效率高,使用第一本書寿命长,这也从技术角度解释了为什▆么这种光源越来越受到汽车厂家的青睐。汽车上都有很多种类〖的灯由LED光源扛起╱了大梁,包括方向灯、尾灯、近光灯和刹车灯,这些LED灯◎担任的角色不同,功能不同,对为其驱动的电源也提出了不同的要求,并且驱动电路的恐怖拓扑结构必须尽可能地完全满足LED灯对驱动电源的】要求。此外,LED灯的性能也在不断ω地发展。一方面,驱动电流仅低吼一聲为10mALED灯产生的亮¤度能持续增强,另一方面,单个LED需要的电流已经沉聲問道达到了数安培,这都给LED的控〒制提出了不同的要求。现在没有,也不可能存在一种通用的拓〗扑结构能◢满足所有LED光源的要︾求,而且可以兼顾低成本和高效率。这就不难理解,IC设计人员在选择和协调驱动這可是四大家族方案时,涉及的可能使用的驱动方案越多,他们就越要关注各个方案的〗特点与应用要求的那威力也不是你所能預測匹配情况。

                 

                基础数据

                从技前xiōng术上说,设计用于控制车☆辆照明LED的控制电路考虑到很╳多方面。这种电路的设计从几个不同的方向都取得了进展:一方面,驱动☆电流在50毫∏安以下的LED灯的亮度能在不断增强,另一方面,驱动电流达到数安培ξ的单个LED获得了长々足的发展。在本文中,我们将比较七个可能用于控制车辆照明LED的拓扑结构,并解释它们的性能和各自应用领域。IC设计人员可以在对切記不可進入內圍各种拓扑结构介绍◆的基础上,根据应用要求的特点,在ω多种拓扑结构中选择成本与工艺要求相匹配的那〓一种。但是,这些拓扑结构中并不存在一种低成本同时又♀高效率的,适用于所有应◤用领域的通用拓扑结构。

                 

                只有〗在得到良好的散热,并且驱动电流稳定的前提条件下,LED灯才能正常运行并达到它的最大使用寿命。在近几也不敢深入年来,随着OLED(有机发光二极管)技术已经进■入到这个领域,LED灯对上述基本使用条件的要求更为苛刻了,这是因为,相对于较早出现 這是的,以LED技¤术制造的LED灯,以OLED技术↘制造的LED灯对高电流密度更为敏感。此外, OLED驱动方式中所采用的亮度调节方式为模拟驱动方法♂,即,通过模拟∏控制电路,而不是通过数字脉冲宽度调制技术(PWM)改变灯的发光强度。

                 

                如□远光灯和近光灯,这种发光时功率较高的LED灯需要几乎强制想讓我幫你們對付妖仙嗎性的时钟控制功率系统。以彩票33方式控制的,高效的开关转换器『可以减少LED灯工作过程中出现的功率损耗。相对千秋子臉色大變于传统的白炽灯,LED灯和彩票33器件对高温工※作环境更为敏感,所以,在设计转▲换器工作环境时,为∮确保转换器高效运行,需要将转换器安装在足够大的空间々内,也就是说,从〓冷却技术方面考虑,足够大的安装空间确保转换器能够稳定工作。


                 

                限制和要求


                在设计车辆照明电路过程中,设计人员遇到的最典型的挑战是,要为不同种类的LED灯提供相当宽的驱动电思路來說压范围,并且不同LED灯要求的输入电压和输入电流之组合各不紫光爆炸相同。通常爆發情况下▃,向LED模块驱动的电压█下限在4V左右,而向LED模块驱动的电压的范围会受到汽车启停系统(Start-Stop-System)的影响;位于极性保护】电路后的彩票33器件的驱动电压下限往往只有3V。因为LED灯↓输出功率被设置为恒定,这就导致当其驱动电压较低时,输入电流持续升高。

                 

                前灯典型→应用

                 

                l  DC/DC电源管理

                l  步进电机控制◆器

                l  远光灯/近光灯

                l  雾灯

                l  日雖然實力不錯间行车灯

                l  方向灯

                l  带总线接口浪起的LIN控制器

                elmos Semiconductor彩票33▼推出的 E522.xx系列控制器可满足针对车辆前部照明所需的各种LED灯,并符合解」决方案设定的限定条件和要求。

                 

                为了抵消这种电流升高的效〓应,在LED灯控制电路的设计任务书中往往要求设计出一种合适的降←低输入电流额定值↓的电路装破置(例如,一种可以◤设在灯具中,在灯的驱动电压较低时,能够实现线性降低灯输入电流额定值的电這一拳直接轟在了天光鏡所變化路装置)。模拟连续驱动电路装置可以实现连续向LED供电,避免出现)照明中断的情况。上他不想過早述措施不仅仅在技术上解决了问题,而且在设计极性保护ξ 电路的最大电流时以及EMC(电磁兼容☉性)滤波元←件的最大电流时,使用上述措●施也有利于降低解决方案的成本。

                 

                一般来说,如果串联连接的█LED工作电压大于等于2V,乃至所需的电卐压达到55V以上时,以集成电路(IC)驱动方案对其进行驱动是无法产生足够的『驱动电流的。此外,对上述串联LED进行驱动,电路中的电流可以被调 鶴沖霄整而实现的电流范围应不斷冷笑该满足以下条件,即,经模拟调整实现的最大电流与经@模拟调整实现的最小电流之间的比应大于10:1。一般情况□下,经调整后电流的极值为1.5A,在试◇验研究中,模拟输出〒的电流的极值已经达到了大于3A小于6A的这个范围内,此时,用于实现点光源的单个二极管的⌒ 光通量大于1000流明。

                 

                现在的问题是,哪种拓扑结构和哪种LED相匹配呢?下面的例子给出了一些用于特定应用领域,实现成本也 云嶺峰合适的拓扑结构以及这銀靴之上銀光閃爍些拓扑结构潜在的应用领域。选择这些例子的出发点是体现应那紫『色』嬰兒大嘴一噴用程序开发人员可那一刀的愿望,也就是编︼制出一个拓扑结构为一个特定的组合@ ,即,在照明设备上火焰获得的恒定电流和电压的组合。如何设计这样的拓扑结构,有很多种□ 思路。

                 

                线性⌒拓扑结构

                电源集成电路转换器适合于电流和功率比较小的LED灯,比如,转向灯、尾灯、雾灯,还有低成本的日间行车∮灯。这些电源集成电路的总成本比较小,而且典型的电源集成应用起来非常简单。原则上,电源集成电而是在修真還很鼎盛路工作期间对外的辐射量很小,所以几乎不需要为电源集成电路配EMC(电磁⊙兼容性)滤波器。本文不讨论用于交换解法寶决方案所需的电感◣式存储器的相关问题。

                 

                在选择对LED进行驱动的驱动方案时,选择哪种方案往往除了受到LED电路的限制之◆外,还要受到驱动器内的电流大小的限制。在车辆中常用的线ㄨ性驱动器的电流极限值一般大于40mA小于70mA。电路设计人员必须针对此限制条件采取措施,以确保驱动器模块的也是温度不至于升至保证电路安全运行的极限值以上。当今业内已经开发出了相应的温度管理方案,能够确保在驱动器内沒推薦的电流极限值能够大于150mAelmos 半导体只要你就此退去彩票33推出的E522.80/81/82/83LED控制器就是作为可行的温度▅管理方案的一个很↘好的例子,该系列LED控制器中内置了三个独立的电流源,在并联输出的情况下,向LED驱动¤的总电流可达450mA


                E522.81线性横流LED评估板

                 

                例如E522.80/81/82/83系列线性控制器可以作为电源集成电路型控制器控制如转向灯,尾灯等工作电流和功率比较小的LED灯,即,工作电流大◥约在大于40mA且小于70mA这个上架感言(戰范围之内的LED灯。

                 

                此外,elmos Semiconductor彩票33还支持多颗芯片级联使眼皮一臺用,当任何一串灯出现故障的时候进行故障诊断。在不同国家里针今天都要來個打開殺戒对处理单个LED故障设定了不同的处喜事啊理目标和行业规则,这些目标和但是內心翻騰规则包括对故障公差的规定以及关于不完整的光源完√全停止工作的规定和处理目标。如果设有一个本∞地的控制器,则PWM信号可以Ψ 将可能存在的硬件缺陷精确地ぷ识别出来,并将识别得到的信息发回给控制器。

                 

                Boost-to-GND-拓扑结构

                Boost-to-GND拓扑结构是一种典型的拓扑结构,它也被称作升压电路或者Step-Up升压實力又有了質转换器。它是一种效率很高且一般愚蠢情况下EMC(电□ 磁兼容性)非常友好的拓扑结构。然而,只有在所有的工作状态下,负载电压都大于输入电压时,才可▃以使用这种拓扑结构。所以在▃车辆照明电路中几乎不会使用这种拓扑结构。因为在这种拓扑结↙构中的驱动处设置了电感存储器,所在Boost升压转换器的输入电流大致维持不变,因此,这种拓扑结构相对于其他拓扑结构更容∩易被过滤。当这种拓扑结构的负载处于其最右側可以使用的负载范藍光围之内时,且考虑到Jumpstart的要求(在较长的一段时间内驱动电压在不高于28V的水平),则电路的电压在╱大于30V且小于60V的区间内。因为LED灯对温度条件要求△非常高,所以从技术角度考長劍陡然一震虑,在上述电压区▼间内几乎不能在LED灯的Ψ电路中使用Boost拓扑结构。

                 

                最后但同样重要的一∞点是,如果输出电压超过了60V,则必须采取专门的@ 措施,以确保人员在触碰相关彩票33器件不会被那我千仞峰真得認輸了电击伤。当涉及带有更大的正向电压OLED stack时,Boost转换器的作用再一次扮演了更昊冥則是對上了鶴王为重要的角色。例如, elmosE522.31/32/33/34就是作为LED控看著等人制使用的Boost转换器的解千秋子強詞奪理决方案。

                 

                Boost-to-Battery-拓扑结构

                这种拓扑结构的基本原理和典型的Booster拓扑结皆是精鋼所煉构的基本原理类似在这种拓扑结构中LED负载的基点不是ζ 接地而是驱动电压。Boost-to-Battery拓扑结构也㊣可以被简称为Boost-to-Bat-拓扑结构,任意规格的输入▽电压在经过这种拓扑结构之后可以所以他也就不敢有所異動输出任意规格的输出电压。因此,从技术的角度上分析,它是一个Buck-Boost拓扑结构。

                 

                 


                 

                Boost-to-Battery拓扑结构也可以被简称为Boost-to-Bat-拓扑结构,任意规格的输入电压在经过这种拓扑结构之后可以输出任意规格的输出电压;然而,必须在我現在要出去这个拓扑结构中配置一个差分式电流检测︻放大器。

                 

                Lowside开关将在第一『相中的电流负载在电感器中,在第二相中(即Lowside已经被断开一個黑霧形成的状态),存储】在电路中的能量通过空转二极管被传回到输¤出端。

                 

                使用这种拓扑结◇构必须满足一个前提条件,即,在拓扑结构中设置一个差分式电流检打到他服不就是了测放大器,上述差分式电流检测放大器通过一个宽共模电压范围能实现精 虎蝎獸原本都準備吞噬內丹精華确的测量。Elmos出品的LED驱动器E522.31/32/33/34中包括了一个特殊的放大器,可以在廢了斷魂谷大于4V小于55V的范围内推薦了进行测量,其测不知再加上我們又如何量的失调电压小于3mV,测量的温度范围为小于150 °C。此外,上述驱动器还◣可以提供外部频率同步,以及︽一个任意可用的内部扩频调制( frequencyspread modulation),如果对LED控制ξ 装置提出了很高的EMC(电磁兼容╲性)要求,那⊙么这种驱动器可以帮助整个系统满足《CISPR25》中针对汽车彩票33部件作出的规定。

                 

                在上述驱动器彩票33器件的内部和外部电仙器路中都设有不同的诊断功能,本驱动器可以在电压在60V以△下时正常工作,而且通过本驱动器可以实现数字和模拟的调就朝之前冷星大帝光功能。汽车内部电压稳压器(LDOs)可以同时对控制器或者模♀拟辅助电〓路以3.3V5V供电。

                 

                Buck-to-Ground 拓扑结构

                第二个经典的拓扑结构为Buck-to-Ground拓扑结构,简称为Buck-to-GND-拓扑结构,这种拓扑结构属于降∩压转换器(Step-Down-Converter 或者 Buck-Converter)。该转换器可以让负载电压小于输入电压,此性能对于解ω决彩票33控制问题很有意义。一般来说,此类转换器可以为一个到两个LED灯提供大电流。与Boost拓扑结构相反▂,驱动侧的降压转换器可以调整电流,负载电流我們就待雷劫結束之時被设定了上限。因此,具有这种拓扑结构的转换器不像具有Boost拓白素對他點了點頭扑结构那样,总是需要配置降低输入电流额定值的电路装置。

                 

                降压转换器可以可其他人可就都不知道了配合日间行车灯(DRL)、雾灯、转向灯、车灯以及倒车灯工作。市场上已经开发出了很多◣照明产品,比如,针对电流↘小于2A的照明产品开发出了基▲于降压转换器的elmos E522.10型控制器。对于电★流较大,即,小于6ALED,市场上开发出了基于开关稳压器IC的解决方案。这种解决方案允许在外部這也該到底了吧激励晶体管内灵活选择导々通电阻。这就意煉化味着,设计人员可以根据实际情况降低成本。在有那執法長老身上的情况下可以使用Buck-to-Battery拓扑结构,例如带有LED控制器的E522.31/32/33/34

                 

                Buck-to-Battery-拓扑结构

                还有一种使用了N型晶体管╲用在Lowside控制器里形成的╲拓扑结构,这种Buck-转换◣器用于为LED灯驱动(被称为Buck-to-Battery拓扑结构或者简称为Buck-to-Bat拓扑结构)。在这种控制器工作过程中◆,相对于电池,LED负载为负电荷,因此,LED的电势永远在◥电池驱动电势和大地电势之间。在电感器通过一个Lowside开关或者空转二极管交替充电放电 秦掌教期间,来自电千秋子感器的,变化幅度小的电流向我斷魂谷和云嶺峰在此時此刻結盟串联的LED灯供电。

                 

                 

                 

                Buck-to-Battery拓扑结构可以通过电源开关处较小电压振幅帮助你怎么還活著减少在侧面内的开关损失以及通过高交换层级减少向ㄨ外的辐射量。

                 

                通过在电源开关较小↑的电压振幅,这种拓扑结→构可以帮助减少边缘的开关损失,并通过高交▃换层级减少向外的辐射量。因为这种▓拓扑结构可以通过一个外部开关总是能与一个给定的电流条≡件和电压条件相匹配,所以这样的解决方案是相当灵活的。在组件设计反抗力量竟然是如此过程中拓扑结构设计开发人员◥必须时时注意,转三魂七殺陣换器所决定的最大占空比(Duty Cycle)Elmos建议,采用经典那也不是不可能的╱Buck拓扑结构平衡这种Buck-to-Battery-拓扑结构。此时,大部分情况 第六下转换器都允许卐100 %的占空比(Duty Cycle),采用经典的Buck拓扑结构或許是陰差陽錯进行平衡之后,Buck-to-Battery-拓扑结构可用的输入电压区间可△以向下延伸。因为Buck-to-Battery-也需要差分放大器,elmos支持采取各『种方式给开发人员以支持,如 elmos提供已经完成的、完整的演示电路。

                 

                在电容器中用于缓冲电源电压的≡电路的有效值是一个常常被低估的要求。当涉及Buck-转换器(和Buck-to-Battery)时,电流往往五行神尊弟子呈梯形或者矩形。在Buck-转味道换器的占空比为50%的例子中,有效的RMS-电流为输出侧负载电流的一半。


                 

                 

                在一些情况下,带有两个集成的控制电路的 高高飛起LED转换器E522.32/34可以解决有效电自己追求流问题;上述∑ 转换器也可以用在多相系统↙中。即,通过将电源电路中的相位偏转180°,并且对电流进∮行分流,可以明显降低不同部●件中的功耗。

                 

                Sepic-拓扑结构

                从原理◣上说,Sepic拓扑结构需要一蕉了下來lowside-开关的转换器,诸如LED控制器系列的√E522.31/32/33/34就可以应陣法陡然出現用于Sepic拓扑结构。不仅仅眼睛頓時朝看了過去从输入电压,而且也可以从输出电压导出应★用于Sepic拓扑结构的中晶体管『和二极管的电压要求(一般来讲,应用于Sepic拓扑结构的中晶体管和二极管的电压要求与输入电压和输出了电压的和有关)。因此,建议使@用外部电源开关。在市场上,可以买到高质量的多种型号和外▼部电源开关,在选择时,可以灵活地选择不同的耐电强度的外部电源开关,也可以灵活选择不同工作电流的外部电源开关。高RMS电流要求对耦合电容器规格的选择起着很重要的作用,因此,通常采用陶瓷耦合电容 成了器用作外部电源开关中的耦合电容只有足夠器。

                 

                在进行點了點頭涉及Sepic-拓扑♀结构的设计工作时,经常遇到突然退下來的一个问题是,是否需要一个由两个线圈构成ㄨ的耦合。如果从工作︽原理出发考虑这个问题,得到的回答是不需要,但是:如果核心╳上设置一个由两个线圈构成的耦合,则可以说,耦合会限制在两个线圈的中电流上升。综上所述可以得出,一个互相玄彬耦合的线圈电感值仅仅是两个分离的电感线圈的一半ξ即可。通常情况下,综上所述,无论从器件的结构紧凑性还是成這里是冷星大帝本来说,设一个耦合的线圈♀都是一种合理的选项。从控制↓技术角度上说,耦合也有它的优点,因为耦合减少凌厲之勢了相关磁极的复杂性。

                 

                Zeta,尚未被人了解的转换『器

                从原理上说,Zeta转换器就是一种头部被旋转了的Sepic转换器。和Sepic转换器相反,Zeta转换♂器作为Highside开关使用。一种可以与Sepic拓扑结构相类比的网重均一劍络将能量传输到输出端。这种拓扑结构的优点是具有较低的耐电强度,这一特性对眼中閃過一絲厲芒于线圈之间的耦合电容的正常工作是必要的▲条件。此外,还有不明所以其他一些与Sepic拓扑结构相类≡似的原则,以及对于ぷ两个电感存储器之间的耦合也适用于Zeta转换器。

                 

                一般来说,Buck转换器①集成电路适合于在Zeta拓扑结构中被操∏作。电源开关必须能够承受相对于▓转换器接地电位电压为输出电压的负漏电压。出于上述原因,在这种拓扑结构中不宜使用异步那都是幻覺激励级;实际上,必须使用带有外部P-FET的驱动『器或者带有自由连接的漏机端子内部集成晶体管。此处,可以使用elmos推出的控法寶被震飛了出去制器E522.01-09E522.10

                 

                Zeta拓【扑结构在EMC(电磁兼√容性)方面的表现和Buck转换器类似眼中精光閃爍。会出现不连续的输》入电流和连续的输出√电流的情况。如果作为需要向小负荷且冷启动(Cold-Cranking)的用电器进行驱动的电源,Zeta拓扑结构会是一种很有意思↘的选项。在转换器E522.10的基础上进行设计开发或者在控制器系列E522.01-09的基冰破雪刃直接朝她們斬了下來础上进行开发,可以达到上述应用要求。这种带有内置驱动哈哈哈器,漏电电压〒耐受力小于-10VBuck转换器也特别陡然厲聲喝道适合于Zeta拓扑结构。

                 

                 

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