??? LED照明在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，例如車后燈組(RCL)、頭燈、日間行車燈、信號燈及第三煞車燈(CHMSL)等，而該趨勢正同時出現(xiàn)在原設(shè)備制造商及零件市場燈具供應(yīng)商領(lǐng)域。在驅(qū)動車用LED照明方面，市面上有不少適合的開關(guān)電源供應(yīng)拓撲可以使用，但最終的選擇還是取決于LED對電壓和電流的需求，以及必須符合系統(tǒng)的整體目標。對于那些供電電壓遠高于負載電壓的應(yīng)用，降壓轉(zhuǎn)換器可以說是最理想的選擇，原因是它可為LED負載提供穩(wěn)定及持續(xù)不斷的輸出電流。相反地，假若總LED電壓高于系統(tǒng)的供電電壓時，系統(tǒng)設(shè)計人員便須運用升壓/降壓混合拓撲或純升壓拓撲。然而，在某些情況下，LED的電源電壓可以高于、相等或低于負載電壓，這時設(shè)計人員便可能需要運用SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)拓撲。本文將會引用美國國家半導(dǎo)體的LM3406降壓穩(wěn)壓器及LM3421控制器作為例，并透過不同的拓撲配置方式，包括降壓、升壓、降壓/升壓及SEPIC去闡述個別拓撲的優(yōu)點和缺點。
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采用串聯(lián)及并聯(lián)安排的LED車后燈組
??? LED在汽車方面的其中一種比較普遍的應(yīng)用是尾燈/閃燈組合，也被稱作車后燈組。對于那些典型正激電壓(VF)為3V的LED，當流經(jīng)它們的直流電壓為12-14 Vdc時，便可能需要使用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器作為解決方案。在最低電壓為12V下，只能讓3個LED以串聯(lián)方式連接，假若所有LED的總電壓超過12V時，便需采用串聯(lián)/并聯(lián)方式(圖1)。
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圖 1. 同時運用串聯(lián)/并聯(lián)的排列方式
??? 對于需要進行調(diào)光及閃燈的應(yīng)用而言，有幾種方法可以用來切斷LED燈串的電源，最常用的方式之一是脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光控制，通常以專用信號來控制燈光的輸出亮度，因為需要在線路系統(tǒng)中加一條專用線路作為調(diào)光的用途，因此不太適合汽車應(yīng)用。另外一種方式是所謂雙線調(diào)光，當中供給LED驅(qū)動器的電源會周期性地被中斷以控制明暗。美國國家半導(dǎo)體的LM3406便是其中一款內(nèi)置了這種功能的器件(可在http://www.national.com/analog/led 獲取更多有關(guān)LM3406及LED WENEBCH的信息)。圖2所示為LM3406的應(yīng)用電路圖。
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圖 2. LM3406 的雙線調(diào)光配置
??? 這種方式有三大優(yōu)點。第一，LM3406的輸入電壓感測引腳(VINS)可排除使用專用調(diào)光信號，使得LED燈串的PWM調(diào)光可通過調(diào)節(jié)LM3406的電源來實現(xiàn)。第二，至關(guān)重要的一點在于，阻流二極體（blocking diode）D2可允許電路保留輸入電容器CIN，正如在非雙線調(diào)光解決方案中一樣，基于降壓穩(wěn)壓器的非連續(xù)性輸入電流，可保留輸出電容器。第三，這種配置方式可讓器件本身維持驅(qū)動狀態(tài)，無需在調(diào)光周期完結(jié)后再完全重新啟動。這種標準PWM調(diào)光方式所需的附加零件包括阻流二極管D2、VINS 下拉電阻器 RPD及切斷開關(guān)S1所需的零件。
采用升壓/降壓混合拓撲的串聯(lián)LED車后燈組實例
??? 將LED燈串以并排方式連接能夠大幅簡化設(shè)計，原因在于這種安排能使LED的功率級直接采用12-14Vdc直流電源軌進行運行。可是，這種將串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合在一起的配置方法也有其缺點。當閱讀LED制造商的數(shù)據(jù)表時，有兩個數(shù)據(jù)至關(guān)重要：一是LED的光輸出與其流經(jīng)的電流大小成比例，另一個是LED的動態(tài)電阻會隨著正激電壓VF而改變。制造商以bin值表示LED的VF、光通量、與顏色（或色溫），例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51 V（25 °C時）范圍的LED，當涵蓋整個bin值范圍時可以變?yōu)?.8V至4.2V ，因為LED制造商一般都會向客戶銷售多種bin值的LED，對多數(shù)設(shè)計人員而言，假設(shè)所有LED都有接近的VF值是不切實際的。
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圖 3. 實驗設(shè)計
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??? VF變化的影響可從以下例子中看到。圖3所示為一個實驗，當中包含兩個不同的設(shè)置。第一個設(shè)置采用四個LED，每一個均擁有獨立的電流源，而另一個設(shè)置則將四個LED并排連接以共用一個電流源。表1中的數(shù)據(jù)是于25°C下并于開啟電源后5秒內(nèi)錄取，目的是把LED的自我加熱效應(yīng)降至最低。
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??? 從上述數(shù)據(jù)可見當采用并排連接方式時，LED的VF變化會導(dǎo)致電流不平均地分配。即使是同一級bin的LED都會出現(xiàn)類似的反應(yīng)，使得在并聯(lián)方式中的個別燈串無法獲得相同的電流。改善并聯(lián)燈串電流分配的其中一個方法是在每條燈串上加裝一個鎖流電阻器(ballast resistor)，雖然該方法有助電流平均分配，但缺點是鎖流電阻器所消耗的電流會導(dǎo)致效率下降。
??? 假若系統(tǒng)設(shè)計人員對上述有所顧慮，最好還是采用單一串聯(lián)的方式。對于這種解決方案，設(shè)計人員仍然可采用LM3406，但系統(tǒng)的復(fù)雜度則難免會提高，因為需要新的前端來輸送高于12-14 V的電源電壓給LED驅(qū)動器，然后LED驅(qū)動器將這新生電壓降下來供應(yīng)給單一LED燈串。這種作法可透過在直流電源和LM3406之間加入一個升壓直流/直流功率級來完成，正如圗4所見。配合這種拓撲，所有串聯(lián)在一起的LED便可獲分配相同大小的電流，即使它們的VF不盡相同。
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圖 4. 升壓及降壓混合拓撲
??? 此時，我們的腦海中可能出現(xiàn)一個問題：為何要加入降壓功率級，而不干脆使用升壓穩(wěn)壓器去運作？這兩種拓據(jù)之間的一個最重要分別是輸出電容器：升壓穩(wěn)壓器必須采用輸出電容器，而降壓穩(wěn)壓器則不一定需要。毫無疑問，LED能夠成功地被升壓級驅(qū)動(以下將會證明這點)，但如果系統(tǒng)需要調(diào)光，那么輸出電容器便可能成為障礙。當穩(wěn)壓器進入 “調(diào)光”模式后便會停止向LED供電，但如果電路包含輸出電容器，它便可繼續(xù)為LED提供電流。如此，系統(tǒng)在LED真正熄滅前便需額外的時間讓輸出電容器放電。此外，當遇上負載突降時，LED可能會感受很大的線路電壓，而僅僅一個升壓穩(wěn)壓器實不足提供保護。相反地，在升壓及降壓混合拓撲中，降壓穩(wěn)壓器(這里是指LM3406) 可以免于高電壓的損壞或系統(tǒng)崩解。
采用升壓穩(wěn)壓器的頭燈設(shè)計實例
??? 在汽車的另一端，頭燈與日間行車燈也逐漸成為LED替換的熱門選項。這類典型應(yīng)用通常需要把10個白光LED連成一串。對于典型VF為4V的LED而言，假若設(shè)計人員不愿意采用串并聯(lián)的混合安排，便可能需采用某種形式的升壓直流/直流級去驅(qū)動LED，而假若需降低功率級的復(fù)雜度，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器便大派用場。
??? 圖5所示為一個采用了LM3421的10盞LED應(yīng)用(詳細資料可在http://www.national.com/analog/led查詢)，當中的多功能低邊MOSFET控制器可視為升壓功率級的其中一部份。
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圖 5. 采用LM3421構(gòu)成的升壓穩(wěn)壓器驅(qū)動10盞LED
??? 這種拓撲的一個特色是電流感測會于LED的高邊完成，使得串尾LED的陰極能夠就地接地至車身底盤并使感測電壓以差動信號形式反饋回電路。這可說是一個非常重要的優(yōu)點，尤其當LED燈串和電路之間的距離很遠。
采用SEPIC穩(wěn)壓器的頭燈設(shè)計實例
??? 雖然汽車電氣系統(tǒng)一般在12-14 V dc范圍內(nèi)運作，有些特殊情況下，系統(tǒng)零件的電壓會高于或低于這個水平。舉例而言，當冷車啟動時，系統(tǒng)所獲得的電壓可以是4.5V或更低，相反于負載突降的情況下，電壓則可能高至40到60V。若LED必須在這些情況下運作且受保護，設(shè)計人員可能需要選用另一種功率級設(shè)計，使得不管LED的供電電壓是多少都可為LED提供穩(wěn)定的電流。SPEIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)拓撲是一種可同時運行升壓及降壓的開關(guān)穩(wěn)壓器配置，正如圙6中所示。
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圖 6. SEPIC 轉(zhuǎn)換器的基本拓撲
??? 雖然SEPIC轉(zhuǎn)換器的效率不如降壓穩(wěn)壓器或升壓穩(wěn)壓器，但它也有其優(yōu)點。SEPIC除了同時擁有升壓及降壓的能力外，另一個極受汽車應(yīng)用青睞的優(yōu)點在于其CSEPIC電容器，它可為輸入與輸出之間提供非常有效的隔離。然而，SEPIC轉(zhuǎn)換器最明顯的缺點是需要兩個電感器才能運作。然而，兩個電感可以同心圓方式纏繞成對立的兩個分離元件（這是能夠同時兼顧方案尺寸及成本的最佳方法），這個「電感恐懼癥」就可以輕易地被治愈。相關(guān)電路范例參見圖7，其中也采用了LM3421控制器。
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圖 7. SEPIC配置中的LM3421
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結(jié)論
??? 當驅(qū)動LED時，在電源系統(tǒng)設(shè)計方面有許多種選擇，這取決于所需的LED數(shù)量與型號、照明要求、以及所需的系統(tǒng)特性，必須有一種拓撲方式可供選用。由于可用的拓撲方式包括升壓、降壓、或兩者皆可，LED燈串可以偏離汽車電源的范圍運行而不須受限于12-14 V，若設(shè)計人員選擇在12-14 V范圍內(nèi)運作，則可以使用降壓穩(wěn)壓器，如此一來，即使所有LED的總VF 超過系統(tǒng)供應(yīng)的直流電壓也同樣不成問題。若偏好完全串聯(lián)的方式，而不采用串聯(lián)/并聯(lián)設(shè)計，便可采用升壓與降壓穩(wěn)壓器組合，也可以僅用升壓穩(wěn)壓器。此外，假若LED需要在特殊情況下運作且受保護，可以使用SEPIC拓撲，其可依據(jù)輸入電壓與所需之輸出電壓來決定降壓或升壓。最后，除了不同的拓撲方式外，也有許多IC解決方案可以使用，例如美國國家半導(dǎo)體的LM3406與 LM3421，便可有效地成為LED照明的穩(wěn)定電流穩(wěn)壓器。