汽车照明中LED与CCFL光源的电源方案

中心议题： 
    * 车室照明讲解
    * 外部照明讲解
解决方案：
    * LED采用串联连接方式
    * 监控LED的温度

在汽车发展的历史进程中，照明一直扮演着相当重要的角色，一开始汽车仅配备方便在黑暗中寻找道路的前灯，不久之后，在交通流量逐渐增大的情况下出于安全与秩序的考虑，其它照明源，例如尾灯、指示灯以及其它信号灯则陆续加入，并针对一些特殊情况下加上了警告灯与雾灯，另一方面，车厢内装的光源，例如仪表板灯、车顶灯、地图灯或车门踏板照明灯等也为驾驶者与乘客带来更高的方便性。
　　
除了最早期的车型外，所有这些照明都采用电源，并使用白炽灯泡，最近几年，其它光源，例如发光二极管（LightEmittingDiode；LED）以及冷阴极管（ColdCathodeFluorescentLamps；CCFL）则逐渐应用到汽车上，这些新光源的主要优势在于更长的使用寿命以及更佳的发光效率，白炽灯泡的标准寿命大约在一万小时，荧光灯管则可以达到五万小时，发光二极管甚至可长达十万小时。
　　
LED寿命长而且故障率极低，可以大幅降低维修的成本，LED的其它优势还包括低电压运作、低电磁发射、不受机械应力影响、更轻薄的尺寸、宽广的工作温度范围以及幅度更大的明暗调整范围，通过LED技术的改进，可以预期这项技术将逐渐取代其它光源，不过目前CCFL在部分特定应用，例如大区域背光以及高功率非聚焦照明场合还是拥有相当明显的优势。
　　
CCFL与LED光源都需要一个电源，同时不同的技术也有各自的特殊要求，此外，这些电源也必须执行其它特定应用的额外功能，本文将介绍LED与CCFL光源的电源解决方案，并讨论各种汽车内装与外部灯光应用的设计。



让该亮的地方就有灯光：车室照明
　　
车室照明应用包括了仪表板以及指示背光、车顶灯或地图灯、车门踏板照明灯或后车厢灯以及显示背光等，由于显示背光有其它特殊要求，因此我们在后面再加以讨论。
　　
所有这些汽车内部灯光应用都可以采用LED作为光源，虽然地图灯与车顶灯通常可以使用一颗高亮度LED来解决，但仪表板灯与车门踏板照明灯则通常需要超过一个LED串联形成的光源，之所以采用串联连接方式主要是为了避免不同LED间的电流不同造成颜色差异。所有应用都必须要有内建明暗调整功能的定电流电源，而拥有这些功能组合的一个例子为美商美信（Maxim）公司的MAX16800，这款芯片整合了所有的控制以及电流供应电路，请参考图1（a）。
　　
MAX16800拥有高达40V的输入电压范围，因此能够在不需要加入保护组件的情况下直接连接到汽车电池，这些保护主要用来避免电池电路因负载突降而带来的突波，芯片为LED提供定电流输出，电流大小则可以通过与LED串接的感测电阻RSENSE来加以设定，请见图1（b）。为了改善电流设定的精确度并提高对外部噪声的抵抗能力，MAX16800采用了差动式电流感测输入。
　　
LED的色温会随着流经的电流变化，因此要控制LED的亮度最好采用定电流脉宽调制（PulseWidthModulation；PWM）的方式，而非直接改变实际电流的大小，MAX16800通过在芯片的使能（Enable）输入接脚加上PWM信号来控制LED的亮度，流经LED的电流将由PWM所设定的速度进行亮灭控制。
　　
抗EMI电磁干扰能力在汽车应用中相当重要，同样地也必须注意不要产生任何EMI，将流经LED电流进行开关切换就是造成EMI幅射的来源，因此，为了降低PWM运作时所发出的EMI，MAX16800整合了波形整形电路来使切换边缘变得平缓。

许多照明应用并没有包含可以用来产生明暗控制信号的微控制器，对于这类应用就可以采用MAX16805以及MAX16806，请参考图2（a）、（b）与（c），这些LED驱动器包含了所有需要的功能，例如斜波产生器、脉冲侦测器、稳压电路、带隙参考电路以及其它更多功能，因此可以节省微控制器或开关式转换器的需求，请参考图2（a）。这两款芯片都能够通过加到DIM输入的外部模拟电压控制内部所产生的PWM信号，其中MAX16806同时还提供有可以遮蔽模拟明暗控制设定的开关输入SW（SwitchInput），这个开关输入不仅能够检测开关的状态，同时拥有去弹跳功能，并提供稳定开关用的封闭电流（wettingcurrent）。

在某些照明应用中我们必须紧密地监控LED的温度，这在空间受限同时散热不佳的场合特别重要，LED过热会缩短其寿命，因而影响到采用这项光源的一个主要优势，幸运的是这个过热情况在大部分应用中都可以通过暂时降低LED的亮度来加以避免，要达成这个功能，MAX16806提供有外部温度传感器的输入，请参考图2（c），当侦测到温度过高情况发生时，组件会将亮度变暗，直到温度回到可接受的范围，温度与明暗控制的临界值可以通过串行接口进行控制并存储在EEPROM内存中，这个功能让我们可以避免使用昂贵且大型的散热片。
　　
MAX16805∕806的内部参考电路应用在反馈回路中来监测LED电流，同时可以通过串行接口加以调整，这将能够让所有的LED串共享一个固定的感测电阻，有效简化生产并降低成本。
　　
加强显示背光
　　
目前有越来越多的LCD被应用在仪表总成、车用电脑、收音机、导航系统以及娱乐系统上，用来显示信息，和以上的例子不同，背光主要是将光分散在大区域面积上而非产生一个聚焦光束。
　　
传统上LCD面板使用CCFL灯管作为背光源，主要是这项技术拥有良好效率、低温以及高照明能力等优势，虽然CCFL控制器在非汽车类应用中，例如液晶电视或液晶显示器上相当成功，但汽车的工作环境却对这项技术带来特殊的挑战与要求，为了让元件数减少，CCFL控制器必须包含包括如EMI抑制、灯管电流过度驱动（overdrive）能力，以及将接脚数降到最低的串行控制接口、各信道灯管失效监测、灯管频率与DPWM控制用精确内建振荡电路以及其它功能等，这类解决方案有美信（Maxim）公司的DS3881，请参考图3（a），其只需少许的外加电路，就能够组合出完整的CCFL电源控制子系统，请参考图3（b）。DS3881主要针对汽车应用环境进行最佳化设计，由于所采用的基础电路组态，因此外部晶体管、变压器以及灯管本身就形成了EMI的噪声来源，DS3881通过使用展频与频率偏移技术来降低EMI发射，并将任何未移除噪声移到非关键频带来解决这个问题。



汽车应用的另一个独特要求是能够在低温下工作，DS3881拥有特殊的灯管电流过度驱动模式，可以在低温环境下快速加热灯管，带来几乎立即激活的效果，这款产品同时拥有大量的错误监测功能，例如灯管失效、灯管开路、过电流、激活失败以及过电压等情况。
　　
汽车应用的另一个独特要求是能够在低温下工作，DS3881拥有特殊的灯管电流过度驱动模式，可以在低温环境下快速加热灯管，带来几乎立即激活的效果，这款产品同时拥有大量的错误监测功能，例如灯管失效、灯管开路、过电流、激活失败以及过电压等情况。
　　
由于具有高度整合的特性，DS3881只需搭配相当少的外部元件，因此能够降低材料成本并简化量产流程，对于需要超过一根灯管的大型显示应用，则可以直接将多个DS3881控制器加以串接，所有的功能都能够通过电路联机或串行接口进行控制，而设定值则可以存储在内建的非挥发性内存中。

对于较小型的显示面板，就可以使用LED矩阵来取代CCFL背光，不过使用多个LED串也会带来相对的设计挑战，其中最明显的是如何能够在整个区域提供一致的照明与色彩输出。推动LED背光矩阵的一个方式是采用内含8个LED驱动通道，分别可以提供55mA电流输出的MAX16807与MAX16808，请参考图4（a），图4（b）则显示了采用MAX16807的典型电路如何简化系统，只需少数几个元件就能够完成背光驱动子系统的设计。

 

MAX16807∕808可以应用在降压、升压或SEPIC模式下，依输入电压范围以及每个输出上所串联的LED数量而定，加上一个外部电阻以及一个齐纳二极管就可以让组件不受负载突降的影响。虽然所有LED串的电流只通过一个电阻控制，但是每个LED串的电流也可以独立控制，这样的结构可以达到每个LED串间±3%以下的电流匹配误差，不需外加任何元件。
　　
由于每个LED串可以独立进行控制来调整相互间不匹配的情形，因此所有LED串的明暗可以同时通过使能（Enable）接脚加以控制，通过50Hz到30kHz的明暗控制频率范围，可以达到5000：1的明暗比变化，这么高的明暗比对必须在黑暗以及明亮阳光照射下还能轻松检视的汽车显示相当重要，由20kHz到1MHz的可调切换频率范围更让我们可以选择不会与系统中其它部分，例如收音机接收器干扰的频率，此外，MAX16808更加入了LED开路错误监测等功能，这些控制器也可以通过串接来推动较大的LED矩阵。
　　
外部照明需求
　　
外部照明应用带来了安全性与维护等新问题，因此需要更高功率的照明，外部照明，例如尾灯、刹车指示灯以及紧急警告灯或雾灯等，都必须能够正常运作以避免发生严重的安全问题，尾灯必须在远距离就能看清，同时不会对大区域提供照明，因此汽车内部照明所使用的相同LED与电流规格也可以使用在这些外部照明应用上，这代表了以上所讨论，针对内部照明应用设计的MAX16800、807与808驱动芯片也可以应用在这些场合，由于尾灯所使用的LED数量通常高于内装应用，因此必须使用多颗驱动芯片，使用多颗驱动芯片同时还可以带来单一线路失效仍能保证运作的容错备用功能，相同的作法也可以应用在刹车指示灯或其它信号灯的设计上。
　　
对于需要高照明功率，例如照明灯或雾灯等应用就必须使用多个高亮度LED（HighBrightLED；HBLED），但是高亮度LED却需要超高驱动电流，要产生所需的电流会使用太多的驱动芯片，因此较简单的解决方案是使用可以推动高电流晶体管的控制器，为高亮度LED提供高达30A的电流，这类组件的一个范例为MAX16818，请参考图5。

MAX16818可以以降压、升压以及SEPIC模式运作，同时高达1.5MHz的宽广切换频率范围更使得它可以搭配小型外接元件，外部照明应用通常需要快速激活或立即切换亮度，为了达成这个目标，MAX16818是美信（Maxim）公司第一款可以达到20A∕ms快速电流切换的LED驱动器产品，如果需要更高的电流或容错备用能力，MAX16818拥有一个180°的延迟脉冲输出，可以用来控制第二颗LED驱动器。
　　
以上提出的所有解决方案都能够满足包括短路安全输出、温度过热关机以及-40℃到+125℃工作的汽用应用要求，这些产品以小型强化散热的QFN或TSSOP封装形式，可以简单地安排在汽车照明应用中空间受限的电子模块里。