深度解析典型高功率 Buck LED 驱动器方案

作者：Nazzareno（Rossrtti），Yin Wu
        得益于优异的照明特性和效率，高功率 LED 在汽车外部照明设计中越来越流行。支持 LED 的电子器件必须快速、高效、高精度，以控制照明强度、方向和聚焦。这些器件必须支持较宽的输入电压范围，且能够在汽车无线电的 AM 频段范围之外工作，以避免电磁干扰(EMI)。电子器件还必须支持 LED 矩阵中要求的复杂照明模式，以支持自适应前灯照明系统。本文回顾典型的 LED 电源管理方案，并介绍支持快速、高效、高精度 LED 照明方案的创新 buck 控制器 IC。
        LED 在汽车外部照明中的应用
        由于相对于传统技术具有显著优势，LED 正在汽车行业掀起一场风暴。LED 前灯中的白光具有优异的清晰度，从而减少驾驶员反应时间。自适应前灯照明系统(AFS)由 LED 矩阵支持，能够产生快速、复杂的照明模式变化，提高驾驶员在不良照明条件下的能见度。夜间，AFS 能够根据对向车辆的射束，自动调节照明模式，防止本方驶员被强光致盲。LED 照明开启的上升时间比白炽灯光源快 2 倍，所以基于 LED 的制动灯点亮更快，提前警示驾驶员，提高道路安全。最后，与相当的白炽灯相比，LED 功耗更低，所以在耗能方面拥有明显优势。LED 控制器是负责操作 LED 的电子器件，在保持和增强 LED 固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。
        LED 供电
        LED 在汽车领域应用广泛，被广泛用于从单颗 LED 到 LED 灯串和矩阵的各种配置之中。为了实现最优性能，高亮度(HB)LED 要求恒流。电流与结温及颜色有关。所以 HB LED 必须由电流而非电压驱动。支持长灯串的电源可以是从 12V 汽车电池到高达 60V 升压转换器的任何电源。采用启 / 停技术的汽车在引擎启动时，电池压降比较大，造成电池电压下降到典型 12V 以下，甚至 6V 或更低。
        调光
        调光是许多汽车应用中普遍采用的功能，也是 LED 前灯的重要安全特性。照明灯从 100%调暗至 50%时，人眼几乎觉察不到。为保证清晰辨别，必须调暗至 1%或更低。明白了这一点，就不会奇怪调光比为什么高达 1000:1 或更高。由于人眼在适当条件下能够感知到单个光子，所以实际上该功能没有限制。
        为保证颜色，电流必须保持恒定，最佳的 LED 调光策略是 PWM(脉宽调制)，通过对电流进行时间上的分段式开关来调制光强，而不是更改幅值。为防止 LED 闪烁，PWM 频率必须保持高于 200Hz。
        采用 PWM 调光时，限制 LED 最小“开 / 关”时间的因素是开关稳压器电感中电流上升 / 下降的时间。这可能造成数十微妙的响应时间，对于依赖于快速、复杂调光方法的 LED 前灯组来说，这一时间太慢了。此时实现调光的唯一方法是采用专用的 MOSFET 开关(图 2 中的 SW1-K)对灯串中的每一颗 LED 进行独立开 / 关。对电流控制环路的挑战是能够足够快的从输出电压瞬态变化中恢复，这一瞬态变化由二极管投切引起。
        LED 控制器特性
        为达到最优效果，LED 控制器必须支持较宽的输入电压范围，且具有如上文所述的快速瞬态响应。为降低射频干扰以及满足 EMI 标准，要求较高、受控良好的开关频率，且位于 AM 频带范围之外。最后，高效率能够减少发热，提高 LED 照明系统的可靠性。
        前灯系统
        精良的前灯系统采用升压转换器作为前端，管理输入电压(抛负载或冷启动)和 EMI 辐射的变化。升压转换器提供稳定、足够高的输出电压(图 2)。专用的降压转换器使用该稳定电压作为输入，允许每个降压转换器控制单一功能，例如远光、近光、雾灯、日间行车灯(DRL)、方向等，从而克服控制照明亮度和方向的复杂性。
        该应用中，每个 buck 转换器的主控制环路设置其 LED 灯串中的电流，两个辅助环路实施过压和过流保护。
        典型高功率 Buck LED 驱动器方案
        典型的 buck LED 驱动器方案如图 3 所示。该方案使用 p 沟道、高边 MOSFET，其 RDSON 比 n 沟道晶体管高；并采用非同步结构，肖特基二极管 D 用于电流回流。这两者都是效率不高的因素。

       

        图 2. 高级 LED 照明系统

       

        图 3. 典型非同步 Buck LED 驱动器
        典型瞬态响应
        图 4 所示为典型方案在瞬态响应方面的另一个缺点。本项测试的 12 颗 LED 组成的灯串中，上电二极管的数量从 8 个激增至 12 个。致使输出电压阶跃产生电流和电压波动，需要数十微妙的时间才能熄灭。高调光比 PWM 调光电路只在初始几微妙内将对该电流进行采样，此时幅值正在下降，造成调光亮度和颜色不正确。
        同步高功率 Buck LED 驱动器方案
        理想的方案应满足宽输入电压范围、快速瞬态响应、高且控制良好的开关频率等要求，同时通过同步整流支持高效率。MAX20078 LED 控制器支持这样的方案。(图 5)。

       

        图 4. 带有滞回 Buck 的典型瞬态响应

       

        图 5. 同步高功率 Buck LED 驱动器
        MAX20078 LED 控制器采用专有的平均电流模式控制方法，在调节电感电流的同时保持开关频率接近恒定。器件工作在 4.5V 至 65V 宽输入电压范围，开关频率高达 1MHz，同时支持模拟和 PWM 调光功能。器件采用节省空间(3mm x 3mm)的 16 引脚 TQFN 封装(普通或 SW)或 16 引脚 TSSOP 封装。
        高效
        图 6 所示为基于 MAX20078 的 LED 驱动器的效率与电源电压的关系。两个 107mΩ同步整流 MOSFET 晶体管保证了整个宽输入电压范围内都具有高效率。

       

        图 6.MAX20078 方案效率与电源电压的关系

       

        图 7.MAX20078 瞬态响应
        高工作频率
        MAX20078 的导通时间可编程，开关频率范围为 100kHz 至高达 1MHz。器件的导通时间与输入电压和输出电压成比例，这意味着开关频率几乎是恒定的。MAX20078 具有较高且控制良好的开关频率，且在 AM 频带范围之外，很容易设置。在降低射频干扰的同时，扩频特性满足 EMI 标准。
        总结
        我们回顾了复杂 LED 照明系统供电中存在的诸多挑战，以及最优化 LED 系统性能的要求。我们介绍了 MAX20078 如何通过创新的 LED 控制器架构来克服这些挑战，提供高精度平均电流控制、AM 频带范围之外的高工作频率、支持高调光精度的良好瞬态响应，以及高效率，最大程度降低功耗。这些特性支持优异的汽车外部照明，且效率更高，支持复杂的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。
        编辑：hfy

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