Noval Power Supply Topologies for Automotive Lighting Applications

 

—用于車輛LED照明的DC/DC拓撲結構

 

作者：Andre Suhaus ，產品設計部高級經理，elmos Semiconductor AG

 

摘要：汽車上的轉向燈不再是只能一閃一滅了。現在的LED光帶中發光顆�？梢砸砸欢ù涡蛄翜�，光帶看上去像發光蟲子朝著汽車轉向或者變道的方向直直地游去：現在不僅僅轉向燈可以實現上述功能了，全車的照明都已經發展成可以以上述方式開啟和熄滅。隨著LED燈具應用領域越來越廣泛，研究分析用于控制LED燈的轉換器拓撲結構也就越來越迫切了。

 

關鍵詞：車用LED照明；控制器；拓撲結構

 

 

因為LED燈具有很高的應用靈活性，所以在進行汽車設計時，設計人員可利用LED高可塑性將車輛的燈光作為該汽車品牌外觀亮點。而且LED燈發光效率高，使用壽命長，這也從技術角度解釋了為什么這種光源越來越受到汽車廠家的青睞。汽車上都有很多種類的燈由LED光源扛起了大梁，包括方向燈、尾燈、近光燈和剎車燈，這些LED燈擔任的角色不同，功能不同，對為其驅動的電源也提出了不同的要求，并且驅動電路的拓撲結構必須盡可能地完全滿足LED燈對驅動電源的要求。此外，LED燈的性能也在不斷地發展。一方面，驅動電流僅為10mA級LED燈產生的亮度能持續增強，另一方面，單個LED需要的電流已經達到了數安培，這都給LED的控制提出了不同的要求�，F在沒有，也不可能存在一種通用的拓撲結構能滿足所有LED光源的要求，而且可以兼顧低成本和高效率。這就不難理解，IC設計人員在選擇和協調驅動方案時，涉及的可能使用的驅動方案越多，他們就越要關注各個方案的特點與應用要求的匹配情況。

 

基礎數據

從技術上說，設計用于控制車輛照明LED的控制電路考慮到很多方面。這種電路的設計從幾個不同的方向都取得了進展：一方面，驅動電流在50毫安以下的LED燈的亮度能在不斷增強，另一方面，驅動電流達到數安培的單個LED獲得了長足的發展。在本文中，我們將比較七個可能用于控制車輛照明LED的拓撲結構，并解釋它們的性能和各自應用領域。IC設計人員可以在對各種拓撲結構介紹的基礎上，根據應用要求的特點，在多種拓撲結構中選擇成本與工藝要求相匹配的那一種。但是，這些拓撲結構中并不存在一種低成本同時又高效率的，適用于所有應用領域的通用拓撲結構。

 

只有在得到良好的散熱，并且驅動電流穩定的前提條件下，LED燈才能正常運行并達到它的較大使用壽命。在近幾年來，隨著OLED（有機發光二極管）技術已經進入到這個領域，LED燈對上述基本使用條件的要求更為苛刻了，這是因為，相對于較早出現的，以LED技術制造的LED燈，以OLED技術制造的LED燈對高電流密度更為敏感。此外， OLED驅動方式中所采用的亮度調節方式為模擬驅動方法，即，通過模擬控制電路，而不是通過數字脈沖寬度調制技術（PWM）改變燈的發光強度。

 

如遠光燈和近光燈，這種發光時功率較高的LED燈需要幾乎強制性的時鐘控制功率系統。以電子方式控制的，高效的開關轉換器可以減少LED燈工作過程中出現的功率損耗。相對于傳統的白熾燈，LED燈和電子器件對高溫工作環境更為敏感，所以，在設計轉換器工作環境時，為確保轉換器高效運行，需要將轉換器安裝在足夠大的空間內，也就是說，從冷卻技術方面考慮，足夠大的安裝空間確保轉換器能夠穩定工作。

 

限制和要求

在設計車輛照明電路過程中，設計人員遇到的較典型的挑戰是，要為不同種類的LED燈提供相當寬的驅動電壓范圍，并且不同LED燈要求的輸入電壓和輸入電流之組合各不相同。通常情況下，向LED模塊驅動的電壓下限在4V左右，而向LED模塊驅動的電壓的范圍會受到汽車啟停系統（Start-Stop-System）的影響；位于極性保護電路后的電子器件的驅動電壓下限往往只有3V。因為LED燈輸出功率被設置為恒定，這就導致當其驅動電壓較低時，輸入電流持續升高。

 

前燈典型應用

 

l  DC/DC電源管理

l  步進電機控制器

l  遠光燈/近光燈

l  霧燈

l  日間行車燈

l  方向燈

l  帶總線接口的LIN控制器

elmos Semiconductor公司推出的 E522.xx系列控制器可滿足針對車輛前部照明所需的各種LED燈，并符合解決方案設定的限定條件和要求。

 

為了抵消這種電流升高的效應，在LED燈控制電路的設計任務書中往往要求設計出一種合適的降低輸入電流額定值的電路裝置（例如，一種可以設在燈具中，在燈的驅動電壓較低時，能夠實現線性降低燈輸入電流額定值的電路裝置）。模擬連續驅動電路裝置可以實現連續向LED供電，避免出現照明中斷的情況。上述措施不僅僅在技術上解決了問題，而且在設計極性保護電路的較大電流時以及EMC（電磁兼容性）濾波元件的較大電流時，使用上述措施也有利于降低解決方案的成本。

 

一般來說，如果串聯連接的LED工作電壓大于等于2V，乃至所需的電壓達到55V以上時，以集成電路(IC)驅動方案對其進行驅動是無法產生足夠的驅動電流的。此外，對上述串聯LED進行驅動，電路中的電流可以被調整而實現的電流范圍應該滿足以下條件，即，經模擬調整實現的較大電流與經模擬調整實現的較小電流之間的比應大于10:1。一般情況下，經調整后電流的極值為1.5A，在試驗研究中，模擬輸出的電流的極值已經達到了大于3A小于6A的這個范圍內，此時，用于實現點光源的單個二極管的光通量大于1000流明。

 

現在的問題是，哪種拓撲結構和哪種LED相匹配呢？下面的例子給出了一些用于特定應用領域，實現成本也合適的拓撲結構以及這些拓撲結構潛在的應用領域。選擇這些例子的出發點是體現應用程序開發人員的愿望，也就是編制出一個拓撲結構為一個特定的組合，即，在照明設備上獲得的恒定電流和電壓的組合。如何設計這樣的拓撲結構，有很多種思路。

 

線性拓撲結構

電源集成電路轉換器適合于電流和功率比較小的LED燈，比如，轉向燈、尾燈、霧燈，還有低成本的日間行車燈。這些電源集成電路的總成本比較小，而且典型的電源集成應用起來非常簡單。原則上，電源集成電路工作期間對外的輻射量很小，所以幾乎不需要為電源集成電路配EMC（電磁兼容性）濾波器。本文不討論用于交換解決方案所需的電感式存儲器的相關問題。

 

在選擇對LED進行驅動的驅動方案時，選擇哪種方案往往除了受到LED電路的限制之外，還要受到驅動器內的電流大小的限制。在車輛中常用的線性驅動器的電流極限值一般大于40mA小于70mA。電路設計人員必須針對此限制條件采取措施，以確保驅動器模塊的溫度不至于升至保證電路安全運行的極限值以上。當今業內已經開發出了相應的溫度管理方案，能夠確保在驅動器內的電流極限值能夠大于150mA。elmos 半導體公司推出的E522.80/81/82/83LED控制器就是作為可行的溫度管理方案的一個很好的例子，該系列LED控制器中內置了三個獨立的電流源，在并聯輸出的情況下，向LED驅動的總電流可達450mA。

E522.81線性橫流LED評估板

 

例如E522.80/81/82/83系列線性控制器可以作為電源集成電路型控制器控制如轉向燈，尾燈等工作電流和功率比較小的LED燈，即，工作電流大約在大于40mA且小于70mA這個范圍之內的LED燈。

 

此外，elmos Semiconductor公司還支持多顆芯片級聯使用，當任何一串燈出現故障的時候進行故障診斷。在不同國家里針對處理單個LED故障設定了不同的處理目標和行業規則，這些目標和規則包括對故障公差的規定以及關于不完整的光源完全停止工作的規定和處理目標。如果設有一個本地的控制器，則PWM信號可以將可能存在的硬件缺陷精確地識別出來，并將識別得到的信息發回給控制器。

 

Boost-to-GND-拓撲結構

Boost-to-GND拓撲結構是一種典型的拓撲結構，它也被稱作升壓電路或者Step-Up升壓轉換器。它是一種效率很高且一般情況下EMC（電磁兼容性）非常友好的拓撲結構。然而，只有在所有的工作狀態下，負載電壓都大于輸入電壓時，才可以使用這種拓撲結構。所以在車輛照明電路中幾乎不會使用這種拓撲結構。因為在這種拓撲結構中的驅動處設置了電感存儲器，所在Boost升壓轉換器的輸入電流大致維持不變，因此，這種拓撲結構相對于其他拓撲結構更容易被過濾。當這種拓撲結構的負載處于其可以使用的負載范圍之內時，且考慮到Jumpstart的要求（在較長的一段時間內驅動電壓在不高于28V的水平），則電路的電壓在大于30V且小于60V的區間內。因為LED燈對溫度條件要求非常高，所以從技術角度考慮，在上述電壓區間內幾乎不能在LED燈的電路中使用Boost拓撲結構。

 

較后但同樣重要的一點是，如果輸出電壓超過了60V，則必須采取專門的措施，以確保人員在觸碰相關電子器件不會被電擊傷。當涉及帶有更大的正向電壓OLED stack時，Boost轉換器的作用再一次扮演了更為重要的角色。例如， elmosE522.31/32/33/34就是作為LED控制使用的Boost轉換器的解決方案。

 

Boost-to-Battery-拓撲結構

這種拓撲結構的基本原理和典型的Booster拓撲結構的基本原理類似，在這種拓撲結構中，LED負載的基點不是接地，而是驅動電壓。Boost-to-Battery拓撲結構也可以被簡稱為Boost-to-Bat-拓撲結構，任意規格的輸入電壓在經過這種拓撲結構之后可以輸出任意規格的輸出電壓。因此，從技術的角度上分析，它是一個Buck-Boost拓撲結構。

 

 

 

Boost-to-Battery拓撲結構也可以被簡稱為Boost-to-Bat-拓撲結構，任意規格的輸入電壓在經過這種拓撲結構之后可以輸出任意規格的輸出電壓；然而，必須在這個拓撲結構中配置一個差分式電流檢測放大器。

 

Lowside開關將在第一相中的電流負載在電感器中，在第二相中（即Lowside已經被斷開的狀態），存儲在電路中的能量通過空轉二極管被傳回到輸出端。

 

使用這種拓撲結構必須滿足一個前提條件，即，在拓撲結構中設置一個差分式電流檢測放大器，上述差分式電流檢測放大器通過一個寬共模電壓范圍能實現精確的測量。Elmos出品的LED驅動器E522.31/32/33/34中包括了一個特殊的放大器，可以在大于4V小于55V的范圍內進行測量，其測量的失調電壓小于3mV，測量的溫度范圍為小于150 °C。此外，上述驅動器還可以提供外部頻率同步，以及一個任意可用的內部擴頻調制( frequencyspread modulation)，如果對LED控制裝置提出了很高的EMC（電磁兼容性）要求，那么這種驅動器可以幫助整個系統滿足《CISPR25》中針對汽車電子部件作出的規定。

 

在上述驅動器電子器件的內部和外部電路中都設有不同的診斷功能，本驅動器可以在電壓在60V以下時正常工作，而且通過本驅動器可以實現數字和模擬的調光功能。汽車內部電壓穩壓器(LDOs)可以同時對控制器或者模擬輔助電路以3.3V和5V供電。

 

Buck-to-Ground 拓撲結構

第二個經典的拓撲結構為Buck-to-Ground拓撲結構，簡稱為Buck-to-GND-拓撲結構，這種拓撲結構屬于降壓轉換器（Step-Down-Converter 或者 Buck-Converter）。該轉換器可以讓負載電壓小于輸入電壓，此性能對于解決電子控制問題很有意義。一般來說，此類轉換器可以為一個到兩個LED燈提供大電流。與Boost拓撲結構相反，驅動側的降壓轉換器可以調整電流，負載電流被設定了上限。因此，具有這種拓撲結構的轉換器不像具有Boost拓撲結構那樣，總是需要配置降低輸入電流額定值的電路裝置。

 

降壓轉換器可以配合日間行車燈(DRL)、霧燈、轉向燈、車燈以及倒車燈工作。市場上已經開發出了很多照明產品，比如，針對電流小于2A的照明產品開發出了基于降壓轉換器的elmos E522.10型控制器。對于電流較大，即，小于6A的LED，市場上開發出了基于開關穩壓器IC的解決方案。這種解決方案允許在外部激勵晶體管內靈活選擇導通電阻。這就意味著，設計人員可以根據實際情況降低成本。在有的情況下可以使用Buck-to-Battery拓撲結構，例如帶有LED控制器的E522.31/32/33/34。

 

Buck-to-Battery-拓撲結構

還有一種使用了N型晶體管用在Lowside控制器里形成的拓撲結構，這種Buck-轉換器用于為LED燈驅動（被稱為Buck-to-Battery拓撲結構或者簡稱為Buck-to-Bat拓撲結構）。在這種控制器工作過程中，相對于電池，LED負載為負電荷，因此，LED的電勢永遠在電池驅動電勢和大地電勢之間。在電感器通過一個Lowside開關或者空轉二極管交替充電放電期間，來自電感器的，變化幅度小的電流向串聯的LED燈供電。

 

 

 

Buck-to-Battery拓撲結構可以通過電源開關處較小電壓振幅幫助減少在側面內的開關損失以及通過高交換層級減少向外的輻射量。

 

通過在電源開關較小的電壓振幅，這種拓撲結構可以幫助減少邊緣的開關損失，并通過高交換層級減少向外的輻射量。因為這種拓撲結構可以通過一個外部開關總是能與一個給定的電流條件和電壓條件相匹配，所以這樣的解決方案是相當靈活的。在組件設計過程中拓撲結構設計開發人員必須時時注意，轉換器所決定的較大占空比(Duty Cycle)。Elmos建議，采用經典的Buck拓撲結構平衡這種Buck-to-Battery-拓撲結構。此時，大部分情況下轉換器都允許100 %的占空比(Duty Cycle)，采用經典的Buck拓撲結構進行平衡之后，Buck-to-Battery-拓撲結構可用的輸入電壓區間可以向下延伸。因為Buck-to-Battery-也需要差分放大器，elmos支持采取各種方式給開發人員以支持，如 elmos提供已經完成的、完整的演示電路。

 

在電容器中用于緩沖電源電壓的電路的有效值是一個常常被低估的要求。當涉及Buck-轉換器（和Buck-to-Battery）時，電流往往呈梯形或者矩形。在Buck-轉換器的占空比為50％的例子中，有效的RMS-電流為輸出側負載電流的一半。

 

 

在一些情況下，帶有兩個集成的控制電路的LED轉換器E522.32/34可以解決有效電流問題；上述轉換器也可以用在多相系統中。即，通過將電源電路中的相位偏轉180°，并且對電流進行分流，可以明顯降低不同部件中的功耗。

 

Sepic-拓撲結構

從原理上說，Sepic拓撲結構需要lowside-開關的轉換器，諸如LED控制器系列的E522.31/32/33/34就可以應用于Sepic拓撲結構。不僅僅從輸入電壓，而且也可以從輸出電壓導出應用于Sepic拓撲結構的中晶體管和二極管的電壓要求（一般來講，應用于Sepic拓撲結構的中晶體管和二極管的電壓要求與輸入電壓和輸出電壓的和有關）。因此，建議使用外部電源開關。在市場上，可以買到高質量的多種型號和外部電源開關，在選擇時，可以靈活地選擇不同的耐電強度的外部電源開關，也可以靈活選擇不同工作電流的外部電源開關。高RMS電流要求對耦合電容器規格的選擇起著很重要的作用，因此，通常采用陶瓷耦合電容器用作外部電源開關中的耦合電容器。

 

在進行涉及Sepic-拓撲結構的設計工作時，經常遇到的一個問題是，是否需要一個由兩個線圈構成的耦合。如果從工作原理出發考慮這個問題，得到的回答是不需要，但是：如果核心上設置一個由兩個線圈構成的耦合，則可以說，耦合會限制在兩個線圈的中電流上升。綜上所述可以得出，一個互相耦合的線圈電感值僅僅是兩個分離的電感線圈的一半即可。通常情況下，綜上所述，無論從器件的結構緊湊性還是成本來說，設一個耦合的線圈都是一種合理的選項。從控制技術角度上說，耦合也有它的優點，因為耦合減少了相關磁極的復雜性。

 

Zeta，尚未被人了解的轉換器

從原理上說，Zeta轉換器就是一種頭部被旋轉了的Sepic轉換器。和Sepic轉換器相反，Zeta轉換器作為Highside開關使用。一種可以與Sepic拓撲結構相類比的網絡將能量傳輸到輸出端。這種拓撲結構的優點是具有較低的耐電強度，這一特性對于線圈之間的耦合電容的正常工作是必要的條件。此外，還有其他一些與Sepic拓撲結構相類似的原則，以及對于兩個電感存儲器之間的耦合也適用于Zeta轉換器。

 

一般來說，Buck轉換器集成電路適合于在Zeta拓撲結構中被操作。電源開關必須能夠承受相對于轉換器接地電位電壓為輸出電壓的負漏電壓。出于上述原因，在這種拓撲結構中不宜使用異步激勵級；實際上，必須使用帶有外部P-FET的驅動器或者帶有自由連接的漏機端子內部集成晶體管。此處，可以使用elmos推出的控制器E522.01-09和E522.10。

 

Zeta拓撲結構在EMC（電磁兼容性）方面的表現和Buck轉換器類似。會出現不連續的輸入電流和連續的輸出電流的情況。如果作為需要向小負荷且冷啟動(Cold-Cranking)的用電器進行驅動的電源，Zeta拓撲結構會是一種很有意思的選項。在轉換器E522.10的基礎上進行設計開發或者在控制器系列E522.01-09的基礎上進行開發，可以達到上述應用要求。這種帶有內置驅動器，漏電電壓耐受力小于-10V的Buck轉換器也特別適合于Zeta拓撲結構。