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DC/DC變換器在汽車照明中的應用方案

來源: 發布時間:2017-04-20 18:31:05 次瀏覽

LED照明在汽車領域的應用日益加速和廣泛。本文針對汽車上的特定要求,推出了2種新型DC/DC變換器芯片:LTC3787和LTC3475,并對各自的特性予以介紹,能滿足在不現場合上對轉換的多項要求,促進了現代汽車電子技術的應用與發展。
1 前 言
LED被稱為第四代汽車光源,雖然一次性投入較高,但擁有白熾燈無法比擬的優點,如LED車燈具有無延遲、節能、長壽、低熱、抗震、色純度高等諸多特點,已成為鎢絲燈、鹵素燈的必然取代產品。每臺車內部應用如儀表板、閱讀燈,外部應用則為尾燈、剎車燈、方向燈、頭燈等,汽車用照明已形成目前LED照明發展最快的應用市場。
今天,在一般的汽車上電子系統的成本約占20%以上,有的豪華車上已飆升至30%以上。汽車上設置的應用實例包括:車載信息系統,安全系統,發動機的能源管理,車載收音機、電視的衛星接收、移動電話以及其它無線電系統等等。5年前,這些電子系統僅設置在高檔豪華車上,現在每個汽車制造廠家,已將其集成在中等規格的車輛上,大幅度加速了汽車用集成電路技術的飛躍發展。
2 LED照明取代白熾燈泡
在車用照明產品方面,由于供電電源來自汽車蓄電池,一般為24V、48V直流電壓,故需要有直流電源的LED驅動IC(集成電路),將交流電源直接轉換為直流電源,并完成與LED電壓及電流的匹配。
與此同時,車載電子系統的元器件增加,要求的可用空間卻不斷縮小。大幅度增加了每一系統的電子元器件密度。所有電子系統均需要功率轉換的IC。通常,對每一分支系統還要配置復式的多級電壓干線。由于很高的功率密度和各系統散熱導致的高環境溫度,汽車上的有限空間和工作溫度范圍的限制,故要求高效率的功率轉換是關鍵。
在輸出電壓低和幾百毫安(mA)級以上的電流場合,因發出的熱量多,簡單地用線性調節器來輸出電子系統要求的電壓已不實際。由于這些條件的制約,從而采用開關調節器取代線性調節器。開關調節器的優點是:效率提高,“碳足跡”少,附加設備的簡化以及EMI(電磁干擾)的減小等。
迄今,LED已出現在很多車輛的儀表盤背光(back lighting),車內照明及制動燈上。豪華汽車廠愈益吸取了固態LED照明最新技術的優點,借助這些高科技的電子技術含量和更輕、更小、更可靠的內/外部照明器件,提高了現代汽車的美觀、舒適程度。例如,海拉作為汽車燈具領域的領先者,一直將車燈技術作為一個重要的研究課題。如今海拉已為新一代凱迪拉克白金版成功開發出全LED前照燈,并已投入量產。
LED還可以降低成本和延長使用壽命。對比車內照明用的白熾燈,頭燈用的HID(高強度放電)燈和鹵素燈,它具有明顯的優越性。
3 對驅動電路的要求
由汽車蓄電池驅動LED,要求具有精密調節LED電流的DC/DC變換器,以確保均勻的照明強度和色彩的完整性以及LED的保護。而且,DC/DC調節器應按照指定的用途,頭燈或尾燈,信號燈或車內的閱讀燈等,對特定的功率要進行優化。此外,由蓄電池電壓驅動一個或幾個LED燈串,蓄電池電壓可能會出現大于、等于或小于負載電壓的情況;另一種擔心則是在大的調光范圍內能否有效調節LED的亮度,并在低/高亮度級是否保持顯色特性。因此,要求DC/DC驅動器的有效運行至關重要,尤其是在驅動高亮度(HB) LED時 ,因未轉換成發射光的功率將消耗在發熱上。
在出現某些特殊的工況下,對驅動電路也提出了相應要求。如圖1所示,在負載一斷電(Load-dump)段,這是發電機正給蓄電池充電時,蓄電池的連接線斷電。這有可能發生在車輛正行駛、蓄電池電線松脫,或車在運行中蓄電池電線斷開。無蓄電池的情況下,發電機正進行全充電,此時會產生瞬時高達80V的尖峰電壓。
發電機瞬態吸收(Tran-sorbs)段,通常定位于36V~60V母線電壓的某一位置,吸收大部分的浪涌電流。然而發電機向下配置的DC/DC變換器則承受著這一36V~60V的瞬態峰值,故要求這些變換器及子系統的容量能予以承受。某些實例中,在這一瞬態過程采用調節輸出電壓,關鍵在于DC/DC變換器應能處理這些高的瞬態電壓。通常,有各種不同的保護電路,能在外部執行瞬態吸收,但成本增加,還占用可貴的空間。
“冷曲軸”(cold crank)段,發生在汽車發動機經受冷卻或凝固期間,發動機油變的非常粘滯。因而要求起動機輸出更大的轉矩,相繼需要蓄電池提供更大的電流。這一大的電流負載導致蓄電池/一次母線的電壓降低,甚至低于4V的點火電壓。隨后,又回復至額定電壓13.8V(圖1)。這在某些應用場合,例如發動電機控制、安全系統和導航系統均不可避免。故要求具有良好調節的輸出電壓(一般為3.3V)貫穿“冷曲軸”段,以實現全過程的無間斷(連續)運行。

4 LED驅動器的新IC
美國線性技術公司(LTC)研制成的兩塊新型DC/DC驅動器芯片,能適應汽車內/外部照明的很多嚴格要求,具有運行效率高、負載保護、輸入/輸出電壓范圍寬以及精確的電流調節等特點。因集成電路可構建若干DC/DC拓撲,故能為設計者提供IC的合理選擇,以滿足不同應用場合下的功率轉換需求。
LTC3783是帶恒流PWM調光的電流型多拓撲變換器(圖2),用于驅動大功率LED燈串。本項專利技術可提供非??於鴾蚀_的負載切換,不會產生瞬時的欠電壓或過電壓,能數字式達到3000∶1的調光率(100Hz),純色的PWM調光可確保白色LED和紅綠藍(RGB) LED的顏色完整性。LTC3783利用模擬控制,容許附加100∶1的調光比,因人眼對周圍光線的變化很敏感,故這一比率必不可少。該多功能的控制器可用于升壓、降壓、升降壓雙向變換器或反激式(Flyback)變換器,或作為恒流/恒壓的調節器。利用MOSFET的通態電阻(on-resistance)可取消傳感電流的電阻器,并提高了效率。LTC3783芯片的應用還包括:高電壓LED陣列和LED背光,以及在電訊、自動化與工業控制系統中的調節器。
裝有LTC3783 LED驅動器在汽車上應用時,具有以下很重要的特點:(1)大電流、為輸出大的電流(≥1.5A),LTC3783驅動外部的N溝道MOSFET,可給高亮度(HB)和超高亮度(SHB) LED供電;(2)高電壓、LTC3783 3V~36V的輸入運作和輸出電壓,取決于外部功率元件的選擇,這可按標準確定,易于驅動LED燈串或混串(串+并);(3)保護。對HB LED的保護,需要IC結合精確的電流和輸出電壓調節。附加保護包括過電壓、過電流和軟啟動;(4)調光、以純色PWM3000∶1數字式調光時,在寬廣的調光比下保持LED恒定的顏色。而且,LTC3783還能附加模擬100∶1的調光。
另一種產品LTC3475是雙通道36V、2MHz降壓式DC/DC變換器(圖3)。設計用于恒電流LED驅動電路,能提供每通道1.5A的LED電流。內部的傳感電阻器和調光控制,確保理想的驅動大電流LED,可在50mA~1.5A的電流范圍內,保持高精度的輸出電流,而均勻、純色的PWM電路,能實現3000∶1的調光范圍。
圖3
LTC3475以其寬的輸入電壓范圍(4V~36V,max40V),可調節含汽車動力系統在內的廣闊的電源陣列。它的開關頻率調節幅度為200kHz~2MHz,能利用很小的電感器和陶瓷電容器,與耐熱的TSSOP-16組件結合,在驅動2個或4個大電流LED時,可提供結構非常緊湊的解決方案。
LTC3475利用高側的傳感,能與接地的LED陰極連接,而勿需大多數應用中的接地線,電流型的控制與準確的參考電壓,優化了精心調節的動態回路,LED的電流恒定,波紋小。兩個通道已分隔Vadj和PWM信號,以便獨立操作。每一通道開關相互180°的相位差(異相),減少了兩通道上的輸出波紋,減少了污染“足跡”,降低成本,且附加有LED斷開保護和短路保護。

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