汽车照明电源设计

摘要：汽车中大多采用LED和CCFL作为背光源，两种方案均需要特殊的供电电源。设计了LED、CCFL灯源的供电方案，并给出汽车内部照明、背景显示以及外部照明等多种具体的应用电路，可用于汽车的内部和外部照明领域。这些汽车照明电源应用设计电路能够有效散热，并极大节省设计成本。
关键词：MAXl6805

    发光二极管(LED)和冷阴极荧光灯(CCFL)逐渐成为了汽车照明的普通光源。这些光源关键优势是具有较长的使用寿命和更高效率。白炽灯的典型寿命为10 000 h，而荧光灯可达50 000 h，LED则高达100 000 h。使用寿命的延长提高了可靠性，减少了维护工作，降低服务成本。  LED还具有低工作电压、低电磁辐射、抗机械应力强、形状设计灵活、工作温度范围宽和亮度调节范围宽等特点。随着LED技术的发展，用其取代其他电源技术的趋势更加明显，但是，就目前应用情况，CCFL仍占据某些应用领域，如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的场合。
    CCFL和LED光源需要适当的供电电源，而且，不同技术具有不同的特殊要求，电源必须提供特别的应用和功能。这里，针对不同的汽车内部和外部照明装置，为LED和CCFL光源提供了多种电源解决方案。

1 汽车内部照明
    汽车内部照明应用包括仪表盘和仪表盘背光、顶灯和地图灯、安装在门上或车体上的开门灯以及背光。所有内部的照明应用都可使用LED作为光源。地图灯和顶灯通常使用一个高亮度LED，仪表盘和开门灯通常需要一个以上的LED串联实现。串行连接有利于避免不同LED的电流(对应颜色)失配。所有应用都需要一个集成了亮度调节功能的恒流源。
1．1 基于MAXl6800的汽车内部照明设计
    图1为MAXl6800典型的调光应用电路。MAXl6800具有高输入电压范围(达40 V)，可直接连接到汽车电池而不需要保护器件，保护器件一般用来抵御电池负载变化带来的浪涌电压。MAxl6800能够为LED提供恒定电流，电流值可以通过与LED串联的检流电阻RSENSE设置。为了提高电流设置精度，提高对外部噪声的抑制能力，MAXl6800采用差分电流检测输入方式。

    LED的色度随其电流的变化而改变，因此调整LED亮度的最好方法是通过脉宽调制(PWM)信号对一个固定电流进行斩波实现，而不是改变电流的实际幅度。MAXl6800通过在器件的使能输入引脚作用一个PWM信号来调整LED亮度。通过LED的电流按照PWM信号的频率开启和关断。
    电磁干扰(EMI)抑制在汽车应用中非常重要，这一设计要求与不产生EMI同等重要。对LED电流进行通、断控制时无论如何都会产生EMI辐射。因此，为了降低PWM调光时的EMI，MAXl6800集成了波形整形电路，以便平滑开关信号的边沿。
1．2 基于MAX16805／MAXl6806的汽车内部照明设计
    由于很多照明系统没有可利用的微控制器产生PWM调光信号，因此可采用MAXl6805／MAXl6806型LED驱动器。这两款器件均由内部产生PWM信号，PWM信号由加在DIM输入引脚的外部模拟电压设置。不采用模拟调光时，MAXl6806有一个开关输入(SW)，该开关输入不仅检测开关状态，并具有去抖功能，为开关提供湿电流。图2为MAXl6805／MAXl6806典型应用电路。

    汽车照明应用中，必须密切监测LED的温度，这对于空间紧凑，特别是散热条件较差的系统特别重要。LED过热会降低LED的使用寿命，从而减弱该类光源的关键优势。但通过短时间调低LED亮度，在大多数应用中可避免过热现象。因此MAXl6806为外部温度传感器提供一个输入端。当检测到过热时，该器件可以调低亮度，直到温度恢复到可以接受的范围。温度和亮度调节门限可以通过串口编程，并存储到EEPROM。该功能省去昂贵的大尺寸散热器。MAXl6805／MAXl6806的内部基准用于监测反馈回路的LED电流，并通过串口调整。因此，实际应用中可对各路LED使用固定的检流电阻，简化设备生产并降低成本。

2 背光显示
    液晶显示器(LCD)广泛用于仪表盘、车载计算机、广播、导航系统以及娱乐系统。但背光照明需要将光散射到尽量大的面积，而不是产生聚焦光束。传统上，由于CCFL背光效率高、温度低并可提供较高的光照功率，LCD屏主要采用CCFL作为背光源。虽然CCFL控制器在汽车电子以外的领域应用非常成功(例如LCD TV或计算机监视器)，但汽车环境下的设计具有特殊的挑战和需求。

    由于基本的CCFL电路中包含有外部晶体管、变压器和灯管，CCFL架构存在EMI辐射源。图3给出利用DS388l CCFL控制器构建的CCFL灯管电源电路，该设计优化于汽车应用环境。DS388l利用扩展频谱和频率偏移技术大大降低了EMI辐射，并把噪声频谱搬移到系统不敏感的频段，从而克服了EMI辐射。
    汽车电子的另一特殊要求是低温工作，DS388l具有一个特别的灯管电流过驱动模式，当温度很低时，该模式可以迅速加热灯管，从而实现快速启动。该器件还具有多种故障检测，可以监测灯管故障、灯管开路、过流、启动失效以及过压故障。
    由于DS3881具有极高的集成度，只需极少的外部元件，大大降低物料(BOM)成本并有助于简化设计。多个DS388l控制器可以级联使用，支持多灯管的大显示屏设计。所有的性能和功能均可通过引脚或串口设置。并且可将设置存储到内部非易失存储器中。
    对于小尺寸显示屏，可以选择LED阵列用于CCFL背光。多串LED面临独特的设计挑战，特别是需要在整个区域提供均匀的亮度和色彩。图4给出一个特殊的基于LED的LCD背光电路。

    MAXl6807／MAXl6808可工作在BUCK、BOOST或SEPIC模式，具体取决于输入电压范围以及每个输出通道的LED数量。增加一只外部电阻和一只齐纳二极管可以进行抛负载测试。虽然各个通道的电流都由电阻设置，但每串通道的电流可独立调整。在不增加任何外围元件的情况下，该架构可以保证每通道之间的电流匹配度优于3％。对于不同批次，每通道可以分别调节匹配度，也可通过使能引脚统一调节各个通道。采用50 Hz至30 kHz的调节频率，可以实现5 000：1的调光范围。为了在黑暗中以及阳光直射的情况下均可见显示器显示内容，汽车电子所要求的调光比较高。当亮度调节信号的开关频率范围为20kHz～1MHz时，可以避开干扰其他设备(如收音机)的频段。MAXl6808集成了LED开路检测功能，这些控制器也可级联起来构成大型LED阵列驱动电路。

3 外部照明
    外部照明系统对安全性提出新的要求，需要更大的照明功率。外部照明，如尾灯、指示灯或紧急事件报警灯(以及雾灯)必须确保在任何情况下有效工作，以避免严重的安全隐患。
    尾灯必须有较远的穿透距离，但照射区域不能过大。用于内部照明的LED以及电流指标也适用于外部照明应用。也就是说，用于照明驱动的MAXl6800／MAXl6807／MAXl6808驱动电路也可用于此类应用。由于尾灯中的LED数量多于内部照明，必须采用多个驱动器。多器件驱动架构也提供了必要的冗余设计，即使在某些电路故障时仍能确保工作，同样的冗余设计也适用于指示灯及其他信号灯。
    需要较高照明功率的场合，如泛光灯或雾灯，必须使用超高亮度LED(HB LED)。HB LED需要较高的驱动电流，前面讨论的产品无法提供低成本设计，需要过多的驱动器产生所需的电流。最好采用能驱动大电流功率管的控制器，大电流功率管可以为HB LED提供高达30 A的电流，MAXl6818可以满足这种设计要求，如图5所示。

    MAXl6818在高达1．5 MHz的工作频率下允许使用小尺寸外部元件。由于MAXl6818是采用Maxim专利技术的LED驱动器，因此能够满足外部照明应用迅速开启或瞬间切换亮度的要求。利用该专利技术能够使LED的瞬态电流响应达20A／μs。若需要更高电流输出或冗余设计时，MAXl6818含有一个180°延迟时钟输出，用来控制第2个LED驱动器。

4 结论
    本文给出了多种适合汽车常见照明的解决方案，提供短路检测输出、热关断，并可工作在-40～+125℃温度范围。Maxim采用小尺寸、增强散热效果的QFN或TSSOP封装，能够方便地放置在空间紧凑的汽车照明模块中。