在汽車應用中，高亮度LED（HB LED）與傳統照明技術相比具有許多優勢。它們更環保，提高了安全性，增強了車輛的外觀和風格，并且使用壽命更長。但是，設計一種高效、低成本、高性能的基于HB LED的照明解決方案面臨著許多挑戰。新一代多串LED驅動器使應對所有這些挑戰變得更加容易。

介紹

當今的汽車制造商正在將更多的照明系統從白熾燈和CCFL（冷陰極熒光燈）轉換為HB（高亮度）LED。這些 HB LED 用于導航和娛樂顯示器的背光、車廂內部照明以及日光行車燈和尾燈等外部照明。平視顯示器等新應用也有望利用HB LED。

第一代HB LED驅動器有一些局限性。它們不允許設計人員優化效率、最大限度地減少外部元件數量、最小化EMI或實現非常寬的PWM調光范圍。最新一代多串HB LED驅動器，如MAX16814，允許開關和線性控制部分之間的相互通信，以獨特的方式解決了這些設計挑戰。本文介紹了日間行車燈或平視顯示器的設計示例。

為什么選擇HB LED？

HB LED在汽車界越來越受歡迎，很簡單，因為它們為汽車設計師提供了許多優勢。HB LED是一種比其他照明技術更環保的技術 - 它們具有卓越的能源效率并且不含汞，因此它們在回收時釋放的有害化學物質更少。HB LED還可以提高汽車安全性。它們比白熾燈打開和關閉得更快，這就是為什么它們通常用于剎車燈的原因。

HB LED使汽車制造商在設計車輛的風格或“外觀”時具有更大的自由度。LED是小型定向光源，幾乎不需要面板后面的深度。由于光發射器的小尺寸和方向性，設計人員可以創建任何形狀的光陣列。作為小型光發射器，它們是帶光導應用的理想選擇。

最后，HB LED 的使用壽命為 50，000 小時或更長時間，比任何其他照明技術的使用壽命都要長得多。這使得它們非常適合任何燈長時間亮起的應用。日間行車燈就是一個理想的例子。

HB LED技術對于推進平視顯示器等新應用也很重要。根據環境光的強度，在非常寬的范圍內調暗LED的能力特別有用。這就是PWM調光變得如此重要的地方。

當您了解HB LED的“原因”時，它們的使用在當今的汽車設計中變得越來越普遍也就不足為奇了。它們的應用包括剎車燈和尾燈;前燈（日間行車燈、中高檔汽車位置燈、超高端車輛遠光燈和近光燈）;和車內燈，其中 RGB LED 允許控制燈光顏色，為車輛賦予獨特的風格。HB LED在導航、娛樂和集群顯示背光中的應用也正在成為主流。

使用 HB LED 進行設計的挑戰

當然，將HB LED集成到汽車應用中也帶來了挑戰。保持盡可能低的成本是一個當務之急。一般來說，LED燈在組件級別比其他技術（例如，白熾燈，鹵素燈，CCFL）更昂貴的照明解決方案。因此，必須將系統級LED解決方案的成本降至最低，以提高該技術的市場滲透率。為了降低解決方案成本，必須盡可能減少驅動器所需的組件數量。這種方法還可以提高可靠性，因為PCB上的每個組件都是系統中的潛在故障點。

另一個挑戰是效率。高能效在汽車中越來越重要，尤其是混合動力汽車。必須優化效率以降低功耗（熱量）。汽車部件在炎熱的環境中工作，發動機艙內部件的最高環境溫度為 +105°C，許多其他應用的最高環境溫度為 +85°C。LED產生相當大的傳導熱量（它們不像其他類型的燈那樣照射紅外或紫外線波段的能量），因此它們的功耗也有助于提高環境溫度。因此，必須最大限度地降低LED驅動器的功耗，以避免IC或驅動器模塊中的其他組件過熱。

毫不奇怪，汽車環境對EMI的要求具有挑戰性。照明子系統可能會干擾其他車輛子系統，其中AM無線電通常是最敏感的。這可能是一個問題，因為LED需要電子開關或線性驅動器電路，這可能會導致EMI噪聲（尤其是開關電路）或EMI敏感性。驅動電路還會引起令人不快的可聞噪聲，例如陶瓷電容器。

多串 LED 的優勢

許多汽車應用要求將LED放置在多個燈串上。串是一組串聯的LED，因此具有相同的電流。顯示器的外形尺寸使得將LED放置在多個背光燈串上變得更加容易。此外，擁有多個字符串可以提高容錯能力。如果一個 LED 損壞，則只有該特定串中的 LED 無法點亮，而不是所有串中的所有 LED。出于安全原因，多個燈串也會限制單個LED燈串的電壓。例如，總電壓為 80V 的單個 LED 串可以分成兩串 40V，從而降低意外接觸 LED 觸點或電線的人受傷的風險。

因此，多串驅動器具有明顯的壓倒一切的優勢：許多串只需要一個IC。例如，多串配置可以包括 LED 串;單個升壓轉換器，將輸入電池電壓轉換為LED串所需的更高電壓;以及多個線性吸電流，用于設置每個串的電流（圖 2）。

圖2.基本的多串驅動器配置使用單個芯片來控制多個LED串的電流。可以添加紅色顯示的組件以執行自適應電壓優化，而升壓轉換器和線性吸電流則獨立工作。

與具有多個開關轉換器的解決方案相比，該解決方案具有更少的元件和更低的成本（需要單個電感和更少的并聯電容器）。與使用單串驅動器并直接并聯LED串相比，串之間的電流平衡具有優勢。如果多個串直接并聯，電流會在它們之間分配不均勻，因為某些LED的正向電壓高于其他LED的正向電壓。此外，由于LED正向電壓隨著溫度的升高而降低，這種電流不平衡會導致熱失控。電流較大的串更熱，其正向電壓降低，因此它吸收更多的電流，變得更熱，依此類推。電流不平衡增加，一個或多個承載更大電流的串可能會失效。最后，如果LED串只是并聯，則驅動器僅控制總電流。當一個字符串發生故障并打開時，其電流將轉移到其他字符串，然后這些字符串可能會失敗，因為它們被過驅動。圖2中的電流平衡解決方案不會出現這些問題。

誠然，圖2的拓撲結構存在局限性：它使用線性MOSFET來設置串電流。為了保持這些MOSFET的低溫，它們兩端的壓降必須盡可能低，但要足夠高，以使它們保持在飽和區域。理想情況下，升壓輸出電壓必須為：

VBOOST = max（VSTRING，I） + VSAT

其中VSTRING，I是串I的總正向電壓，VSAT是線性MOSFET保持飽和所需的VDS。將VBOOST設置為理想值的LED驅動器被稱為執行AVO（自適應電壓優化）。

AVO更加復雜，因為在大多數應用中，LED必須進行PWM調光。它們必須以一定的占空比打開和關閉，這是通過打開和關閉它們的線性電流吸收來完成的。但是，當所有LED串都關閉時，升壓轉換器應該怎么做？正如我們將要討論的，這是另一個設計問題，有許多可能的答案和一些限制。

傳統多字符串驅動程序的問題

采用圖2拓撲結構的傳統多串LED驅動器解決方案包括一個升壓開關轉換器和多個作為獨立實體工作的吸電流。使用這些驅動程序時，實現 AVO 需要一些外部組件，這些組件反過來可能會導致自己的一組問題。

一個問題是外部電路必須檢測哪個LED串具有最高的正向電壓（或最低的陰極電壓）。這可以通過幾個二極管來完成，例如圖2中標記為紅色的結構。該解決方案導致電路板面積和解決方案成本增加。

另一個問題是當發生LED故障時會發生什么。如果 LED 發生故障并斷開電路，則該串陰極處的電壓降至零;二極管電路將該 LED 串檢測為正向電壓最高的 LED 串。因此，它試圖為該串提供足夠的電壓并開始增加V提高.這會導致多個可能的問題。電壓的增加施加到其他串的吸電流MOSFET，這可能導致它們失效。或者，電壓升高可以觸發升壓轉換器（如果存在）的輸出過壓保護（OVP），將其關閉，從而關閉所有串。

第三個問題是當LED變光時，該電路應該做什么。當LED熄滅時，二極管電路沒有串電壓作為設置VBOOST的參考。一種可能的解決方案是通過分壓器增加另一個連接到升壓輸出的二極管，如圖2中標記為紅色的電路一樣。該二極管在 LED 熄滅時打開，并將 VBOOST 設置為預定電壓。該解決方案的明顯問題是升壓轉換器的輸出電壓在PWM調光頻率下具有高紋波。（請參閱圖 3。這種電壓波動會導致EMI噪聲，如上所述，這對汽車應用來說是一個嚴重的問題。電壓紋波也會從輸出電容COUT引起令人不快的可聞噪聲。

圖 3a.使用傳統驅動器執行PWM調光并利用圖2所示的外部電路，V.提高LED電流的導通和關斷時間之間的變化。結果是嘈雜的電壓軌。

圖 3b.使用新一代驅動器時，升壓轉換器在 LED 電流關斷期間停止開關。因此，轉換器的輸出由其輸出電容維持，電壓僅因漏電流而略有降低。

新一代多串驅動程序的進展

新一代多串驅動程序大大提高了性能。它們不是讓轉換器和吸電流器獨立工作，而是允許升壓開關轉換器和設計的線性吸電流部分之間進行通信。因此，這些新的多字符串驅動程序解決了上述三個設計問題。

在這些新一代驅動器中，IC在內部檢測LED串電壓，即每個吸電流MOSFET漏極處的電壓。然后，IC 使用基于二極管或模擬開關的內部電路選擇最低的串電壓（圖 4）。通過這種方式，外部元件的數量和解決方案成本大幅降低。

圖4.在新一代HB LED驅動器IC中，LED灌電流驅動器和升壓轉換器之間的內部通信可實現更有效的控制，并消除了舊驅動器遇到的許多問題。

這種相互通信解決了串中的一個LED發生故障并斷開電路時的中斷問題。如果這種新設計中發生 LED 故障，則 V提高開始增加。一旦該電壓達到OVP閾值，故障串就會被識別、禁用并從AVO控制環路中刪除。其他字符串繼續正常工作。對用戶來說最重要的是，LED故障的影響僅僅是降低光的亮度，而不是完全關閉。

當LED變暗時，LED驅動器的開關轉換器應該做什么，存在一些問題。開關部分和線性部分的集成提供了與圖2所示不同的、更安靜的解決方案。現在，當LED熄滅時，升壓轉換器可以“凍結”，如圖3b所示。當轉換器停止開關時，開關功率MOSFET保持開路，補償電路也斷開。此時，補償電容保持其電荷，這是補償環路的狀態。V提高然后由 C 保留外，由于指示燈熄滅，因此未放電。C的唯一放電電流外是漏電流。當 LED 重新亮起時，轉換器以最小的紋波重新啟動開關。使用此解決方案，V提高在整個PWM調光周期內幾乎保持不變，從而大大降低了EMI噪聲和輸出電容的可聞噪聲。

該解決方案的唯一限制是PWM調光導通時間必須長于幾個（例如，三個或四個）開關周期。需要更長的導通時間，以便升壓轉換器可以為C充電外在休息時間泄漏的電荷。這限制了可以實現的最小占空比。

應用新一代驅動程序

在汽車中，日間行車燈和平視顯示器都有相似的性能要求：每當汽車行駛時，它們都會亮起，并且需要高可靠性/冗余以確保它們始終可用。通過使用MAX16814等新一代多串驅動器，可以實現所需的高可靠性，同時最大限度地減少元件數量，從而提高可靠性，減少故障部件，降低系統成本。

這些生命攸關的應用在系統要求方面也相似：在寬輸入電壓范圍內工作;維持汽車電池通常高達40V的電壓峰值（拋負載）;和低 EMI 產生。

容錯至關重要。至關重要的是，在發生故障時，LED 燈永遠不會完全關閉。采用多串方法與MAX16814結合使用，確保當一個LED打開或短路時，僅關斷該串;其他字符串將繼續正常工作。此外，由于其故障輸出，MAX16814可以向驅動器發出信號，告知一個LED發生故障（圖5）。

平視顯示器還需要非常寬（1000：1或更高）的PWM調光范圍。MAX16814集成了獨特的PWM調光方案，可消除V時的紋波提高（在調光頻率下），從而最大限度地減少 EMI 和可聞噪聲。MAX16814方案與圖3b所示方法類似，但也允許在5000Hz時具有1：200的極寬PWM調光范圍。該調光范圍比任何類似產品都寬，并克服了上述最小導通時間限制。

MAX16814可以驅動4個LED串，每串電流高達150mA，并在開關和線性控制部分之間提供必要的相互通信。因此，該芯片大大減少了外部元件數量。此外，MAX16814還包括一套完整的故障保護和檢測功能。如果任何串的指示燈開路或短路故障，則該串將被禁用，并向系統發出故障條件信號。最后，該IC是一款功能齊全的汽車產品，具有40V最大輸入電壓能力和-40°C至+125°C的工作溫度范圍。

圖5.這是一個針對平視燈或行車燈驅動器子系統的完整汽車設計示例，包括所有外部元件和一個輸入EMI濾波器。由于MAX16814噪聲低，EMI濾波器元件值可以保持在較低水平。

在設計基于HB LED的系統時，可以進行許多權衡，例如組件數量、效率和可靠性。表1比較了各種多LED驅動器解決方案，以幫助設計人員選擇適合其應用的最佳方法。

新一代 LED 驅動器可減少元件數量。此外，通過利用開關和線性部分之間的相互通信，它們提供了更具成本效益的解決方案、更高的效率和改進的功能，包括更好的故障保護和檢測。MAX16814為多串驅動器，具有所有這些優點，比市場上任何類似產品具有更寬的PWM調光范圍。

審核編輯：郭婷