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激光芯片

冷啟動條件下的LED驅(qū)動器設(shè)計

星之球激光 來源:國家半導(dǎo)體2011-11-19 我要評論(0 )   

1. 簡介 近年來,采用LED燈串為汽車提供LCD面板背光越來越普遍。使用LED的好處包括快速的響應(yīng)時間、更高的對比度和更低的功耗??刂芁ED燈串的LED驅(qū)動器一般由汽車電池供...

1. 簡介

近年來,采用LED燈串為汽車提供LCD面板背光越來越普遍。使用LED的好處包括快速的響應(yīng)時間、更高的對比度和更低的功耗??刂芁ED燈串的LED驅(qū)動器一般由汽車電池供電,為簡化LED的光學和散熱設(shè)計,每個燈串中的LED數(shù)量一般不多于6個。對于標稱電壓為12V的電池,帶有線性穩(wěn)流器的升壓轉(zhuǎn)換器(如圖1所示)可實現(xiàn)此功能。

圖1.由升壓轉(zhuǎn)換器和線性電流調(diào)節(jié)器組成的LED驅(qū)動器

2. 冷啟動條件

在汽車應(yīng)用中電池電壓會發(fā)生改變。通常,一個12V電池,其電壓會在9V到16V之間變化。因此,汽車電池供電的電路在設(shè)計時均應(yīng)考慮輸入電壓的變化情況。此外,如果考慮冷啟動條件,對于15ms左右較短的持續(xù)時間,最壞情況下,電池電壓將低至3V±0.2V,如2.8V。而后電池電壓升到6V,并持續(xù)數(shù)秒,在數(shù)秒的上升時間內(nèi)將恢復(fù)到標稱電壓范圍內(nèi)。冷啟動條件下的電池電壓曲線與之類似,但不同汽車制造商所提供的產(chǎn)品的電平和變化/持續(xù)時間會有所不同。圖2給出了典型示例。冷啟動可能發(fā)生在汽車負載突降及低溫環(huán)境下。盡管冷啟動持續(xù)時間不長,但仍需確保LCD面板和安全電子部件等重要的汽車組件以保證正常運行。

圖2. 典型冷啟動電池電壓曲線

3. 設(shè)計考量

考慮到冷啟動條件,在設(shè)計LED驅(qū)動器時需要強大的升壓轉(zhuǎn)換器。參看圖1,電池電壓的變化僅會影響升壓轉(zhuǎn)換器,如果升壓轉(zhuǎn)換器可以在冷啟動條件下保持輸出電壓,那么線性穩(wěn)流器的工作就不受影響,LED燈串的亮度也會保持不變。由于冷啟動條件下的輸入電壓值極低,因此設(shè)計時還需要考慮一些其他因素,包括:

3.1升壓控制器工作范圍

理論上說,只要沒有達到占空比的上限,升壓轉(zhuǎn)換器(而非升壓控制器)的輸入電壓可以設(shè)置的很低,但是“升壓控制器”(通常是一個IC芯片)的工作電壓則有一個更低的下限值。大部分升壓控制器的工作電壓不得低于3V。不過如前所述,在冷啟動時,最壞情況下電池電壓可以低至2.8V,令升壓控制器工作(而不是上電即可)在低輸入電壓下的常規(guī)方法以雙電源路徑為升壓控制器供電,包括電池電壓和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,通過二極管回連到升壓控制器的輸入端子,如圖3所示。此類情況下,在上電過程中“升壓控制器”由電池供電,之后則由升壓轉(zhuǎn)換器的輸出進行供電。這樣,只要升壓轉(zhuǎn)換器可以提供正常的輸出電壓,輸入電壓的壓降就不會影響升壓控制器的工作。

圖3. 帶雙電源供電的升壓轉(zhuǎn)換器

3.2輸入電流

LED燈串的亮度和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率需要保持不變,所以,輸入電流會隨著輸入電壓的減小而增大。這即意味著在冷啟動條件下,電感器和MOSFET開關(guān)的峰值電流都要遠大于正常工作下的值(當電池電壓降在標稱范圍內(nèi)時)。例如,電池電壓為3V時其輸入電流大約是12V時的4倍。所以在選擇時,電感器需要有更大的飽和電流,而MOSFET開關(guān)需要承受更高的導(dǎo)通電流。

3.3熱管理

冷啟動條件下,MOSFET開關(guān)的電流和占空比都要大于標稱工作時的值,這意味著MOSFET開關(guān)的傳導(dǎo)損耗會大幅增加。盡管冷啟動條件的持續(xù)時間很短,但MOSFET開關(guān)的溫度會大幅上升。如果MOSFET開關(guān)集成在升壓控制器IC內(nèi),為了使元件數(shù)量和解決方案尺寸最小化,那么有效的散熱方案就非常重要,因為不佳的熱管理會觸發(fā)IC芯片的熱保護電路,使LED意外斷電。

4. 推薦電路

圖4示意了考慮到冷啟動情況下,汽車中使用的LCD面板背光普遍采用LED驅(qū)動器的電路,該電路使用了美國國家半導(dǎo)體的LM3492芯片。該電路驅(qū)動2個LED燈串,每個燈串都含有工作電流為100mA的6個LED。電路的標稱輸入電壓范圍為9V至16V,標稱開關(guān)頻率為300 kHz。該電路的基本組成元素包括一個升壓轉(zhuǎn)換器和一個雙通道線性穩(wěn)流器。MOSFET開關(guān)集成在LM3492內(nèi),實現(xiàn)了更小的方案體積。LM3492的VIN針腳通過二極管連到輸入電壓,當電池電壓低于最低要求的4.5V時,芯片內(nèi)部連接了VIN和VOUT引腳(后者連接升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓)的電路就會為LM3492供電。這里選用了一個飽和電流為3.36A的33uH電感器,盡管對于正常輸入電壓而言,1A的飽和電流就已足夠。

圖4. 考慮冷啟動條件的LM3492參考設(shè)計

5. 測量結(jié)果

圖5-6顯示了輸入電壓為12V(標稱值)和2.8V(冷啟動時的最壞情況)下LM3492電路的波形。表1總結(jié)了LM3492電路工作在標稱條件和冷啟動條件下的測量結(jié)果??梢钥吹?,即使輸入電壓低至2.8V時,LED電流也保持不變,這表示背光亮度并不受冷啟動條件影響。從圖6的波形可知,輸入電壓為2.8V時的占空比大于90%,同時還測量了2.61A的大輸入電流,如表1所示。為此,其內(nèi)部MOSFET開關(guān)的功率損耗也就相對較大。LM3492外殼上可測得90?C的溫升(標稱輸入電壓范圍下僅為30?C)。參考表1中的效率可知,冷啟動條件下的效率會下降到56%,盡管標稱輸入電壓范圍內(nèi)的效率可高達90%。

圖5. 輸入電壓為12V時LM3492電路的波形

圖6. 冷啟動條件下LM3492電路的波形

輸入電壓

輸入電流

LED燈串電壓

LED電流

效率

2.8V

2.61A

20.7V

0.1A /

56.7%

6V

0.78

20.7V

0.1A /

88.5%

9V

0.51A

20.7V

0.1A /

90.2%

12V

0.38A

20.7V

0.1A /

90.7%

16V

0.29A

20.7V

0.1A /

92.4%

表1. 測量結(jié)果總結(jié)

6. 結(jié)論

考慮到汽車應(yīng)用中的冷啟動條件,本文介紹了一款普遍用于LCD面板背光的LED驅(qū)動器電路。前面已經(jīng)討論了一些特殊設(shè)計考慮,包括雙電源供電、飽和電流更高的電感器選擇和熱管理。測量波形顯示,LED電流并未受影響,即使輸入電壓降到2.8V時仍可保證正常工作。在9V至16V的標稱輸入電壓下,可以實現(xiàn)約90%的高效率。

 

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