可用于汽车LED照明系统的驱动IC研究

司小平

(黄河科技学院信息工程学院,河南 郑州 450063)



可用于汽车LED照明系统的驱动IC研究

司小平

(黄河科技学院信息工程学院,河南 郑州 450063)

摘要:文中介绍了车用大功率LED照明IC的具体要求，以几个著名IC生产设计公司的经典LED驱动器为例说明了汽车LED照明驱动芯片现状，从性能参数、适用拓扑、封装形式等方面对目前国内外具有代表性的大功率车用LED驱动芯片作了比较和研究，并对车用LED照明驱动IC进行了展望。

关键词：照明；LED；车灯；驱动IC

0　引　言

超高亮LED 具有高可靠性，使用寿命可以达到几万小时，比传统的白炽灯或卤素灯的使用寿命高出几个数量级。基于这一优势，超高亮 LED 已普遍应用在生活的各个领域，如：汽车电子、交通信号灯、背光源、建筑照明、建筑装饰等。超高亮 LED 需要专门的驱动电路来点亮 。而超高亮 LED 驱动器IC(Integrated Circuit集成电路，俗称芯片)作为电源管理芯片中的一个重要组成部分，其研发越来越受到各大集成电路设计厂家的重视。车用恒流LED驱动芯片是目前汽车照明应用中的热点，已经在汽车电子系统占有了一席之地。

1　车用大功率LED照明IC的要求

车用大功率LED 照明IC在稳定性能等方面要求非常严格。汽车在不同的运行状态下输入电压是不规则变化的，在这种情况下产生恒定的LED亮度，要求驱动IC必须是恒流输出，而且必须高效率工作，从而实现较宽的PWM调光范围。

汽车电子系统的供电电源是蓄电池，但其输出电压并不能保证高度稳定。目前小轿车常用的12 V系统的典型工作电压范围在9～16 V之间，而大型车辆的24 V系统的典型工作电压范围在18～32 V之间。在一些特殊的使用环境中，汽车蓄电池的供电电压会有更大的波动，比如在汽车冷启动时12 V系统的蓄电池输出电压可能会跌至6 V，而负载跌落运行时可能会使输入电压陡升到35～42 V[1]。车载电子产品通常对各类噪声非常敏感，如导航系统、无线电系统和中波AM无线电波接收机等[2]。LED 驱动芯片的外围器件要尽可能简单，以降低系统复杂度和节省空间，还要求有极宽的工作温度范围(-40 ℃～125 ℃)。因此，对应用于汽车照明系统中的大功率超高亮 LED，车用 LED驱动芯片必须满足以下设计要求[3]：

(1)具有极宽的输入电压范围，以保护芯片不受冷启动和负载跌落过程中巨大瞬变的影响；

(2)需要低噪声和较弱的EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)，以达到对其他电路干扰较小的目标；

(3)要求外围元件少而小，尽量采用小尺寸封装，使其占印制板的体积更小；

(4)较宽的工作温度范围(-40 ℃～125 ℃)；

(5)为了保证多个LED并联时各LED产生均匀的亮度，也就是各LED电流相匹配，就要求电流精度高；

(6)具有PWM调光功能，以提高输出电流精度，即LED的最大电流ILED可设定，使用过程中可调节；

(7)静态电流小、功耗低，在关闭状态时耗电小；

(8)有完善的保护电路，如：过温保护、短路保护和过/欠压保护等；

(9)尽量采用散热型封装；

(10)使用方便，性价比高。

2　汽车LED照明驱动芯片现状

为适应LED的快速发展，世界上很多著名IC设计生产公司均推出了各种各样的LED专用驱动IC。目前，LED专用驱动芯片生产厂家主要以MAXIM(美信公司，Maxim Integrated Products)、TOSHIBA(东芝公司，Toshiba Corporation)、TI(德州仪器，Texas Instruments)、SONY(索尼公司，Sony Corporation)、SITI(台湾点晶科技)、 Linear(凌力尔特，Linear Technology Corporation)、National(松下电器)、安森美半导体 (ON Semiconductor)等为代表。这些国际知名公司的LED DC-DC专用IC款式较多，性能较强，下面举例说明[4，5]。

LED前照灯大多要求支持单个LED或多个LED串，电压最高可达60 V，并且要具有PWM调光、高效驱动IC、LED串低电磁兼容辐射、诊断和同步接口等功能。针对这样的需求，安美森推出NCV78663功率LED前照灯方案，这是一个集成度非常高、外部元件非常少的方案，是一个Buck-Boost模式的驱动IC，可以恒定LED的输出工作电流，最大输出电流可达2 A，带诊断和热保护模式，通过外部的SPI和OTP来设置整个系统，单个器件可以支持多种系统配置，而且可以直接连接电池，降低EMC辐射，总体能效在90%以上[6]。

凌力尔特在其LED集成驱动IC LT3795、LT3955中采用了恒定频率开关拓扑结构，以期获得极大地降低产生噪声干扰的可能性。另外，用户还可在200 kHz～2 MHz的范围内设置开关频率，使开关噪声远离关键频段，如AM无线电波段。在高开关频率上允许使用小电感器和陶瓷电容器，最大限度地缩减系统的尺寸和成本[2]。

德州仪器 (TI，Texas Instruments) 在2014年5月20日推出汽车产业两款LED车灯集成驱动IC，其中一款是首款具有前照灯双通道开关的 LED驱动IC，另一款是唯一一款支持后灯单短路LED检测的线性LED驱动IC。与目前市面上其它LED驱动IC不同，该TPS92630-Q1和TPS92602-Q1集成驱动器都具有高侧电流感应模拟调光与PWM调光功能，还具有全面诊断和热管理功能，可帮助设计人员搭建符合各国不同交通规则需求的高灵活照明系统；应用范围包括汽车LED前灯、后灯以及车内照明灯等[7，8]。

半导体在汽车电子系统设计中所占的比重不断增加，而汽车生产商对高效率、安全性以及便捷性的需求也进一步推动了这一趋势。目前，Maxim提供具有创新特性的集成驱动芯片，能推动汽车制造商实现这些先进的设计要求。Maxim是电压稳压器和电池管理集成芯片(包括高效LED照明驱动IC在内)的领先供应商。不管是汽车车灯(包括前车灯、尾灯RCL、日间行驶灯DRL)等，还是内部照明包括常规的车体内部照明以及仪表盘背光和显示器背光等，Maxim均提供业内领先、经过AEC-Q100认证的开关稳压器(SEPIC、buck/boost、升/降压)，满足这些车内外照明需求[9]。

MAX16831是典型的一款电流型、高亮LED车灯照明驱动器，可以通过控制2个外部n沟道MOSFET来实现调节单串LED的电流；MAX16831具有6～76 V的宽输入电压范围，PWM调光，电流精度可达5%，具有输出过压、开路、LED短路、过热保护等功能；集成了较宽范围的亮度控制、固定频率HB-LED(High Brightness LED)驱动器所需的全部组件，而且可配置为降压型buck、升压型boost或升/降压型buck-boost电流调节器；可工作于汽车级温度范围(-40 ℃～125 ℃)；可应用于汽车外部照明，如远光灯、近光灯、信号灯、后组合灯(RCL， Rear Combination Lamp)、白天行车灯(DRL，Daytime Running Lamps)、雾灯和自适应前灯等[10]。

3　适用于汽车LED照明驱动的芯片比较研究

随着LED在汽车照明领域的应用需求越来越迫切，而超高亮LED驱动器芯片作为这一领域中电源管理的核心技术和难题，受到世界范围内各大集成电路设计厂家的重视，纷纷开展研发和生产，针对车内外照明的不同应用及需求推出各类LED驱动IC。但也出现了这类产品品种繁多，性能、价格高低不一的状况。如何从这些看起来类似，其实性能相差甚远的大功率LED驱动IC产品中选择出适合自己的产品就成了问题的关键。表1列出了目前市场上具有代表性的大功率LED驱动器芯片及其主要功能比较，以方便这类芯片的选取。

从表1可知，国外各大集成电路厂商推出的大功率 LED 驱动器芯片种类繁多，功能各异。现有的LED驱动电路主要有电阻限流型、线性稳流型、开关电源型和电荷泵型等四种。

(1)电阻限流型的电流会随正向电压升高而变大，在电阻上产生较大的压降，故其对电流的调节能力有限，调节精度很低。另外，该电路依靠在电阻上消耗部分功率来达到平衡输出的作用，效率很低。因此该电路仅适用于小功率、精度要求不高的场合，在汽车大功率LED照明驱动IC中鲜见用此方法。

(2)线性稳流型(又称线性调节器)高亮 LED 驱动器芯片主要是应用于蓄电池供电的场合，由于有了反馈控制，可以得到精确的输出，和开关稳压器型LED驱动相比，这种驱动不会带来EMI干扰问题、纹波抑制比好，且电路结构相对简单，但其调节原理依然是利用耗能元件的能耗平衡输入与输出的能量落差来实现输出稳定的，其效率同样不高，比较适用于小功率场合。

表1　目前具有代表性的大功率LED驱动器芯片主要功能比较[11-27]

(3)开关电源型主要依靠开关在两种电路结构间的高速切换，将能量在各器件间存储和转移来得到所需的输出，其损耗仅限于器件和线路损耗，没有专门的耗能元件平衡能量，有着很高的能量转换效率，特别适用于大功率LED 的驱动。但由于需要外接电感电容，噪声干扰较大，EMI干扰问题严重，而且电路相对复杂、体积大、成本较高。

(4)电荷泵型 LED 驱动器无需用外部电感，只需要电容和少量开关控制元件，这就有利于提高系统的集成度，而且可以保证EMI干扰较小，但是其缺点是效率相对较低[1,3]。

和国外超高亮LED驱动芯片的研发如火如荼的景象相比，国内高亮度LED驱动器芯片的研发工作相对较少，只有少数公司在进行此项研究。美芯晟科技有限公司(Maxic Technology Corporation)的MT7201，及最新推出的MT7282、MT7285等低压恒流DC-DC驱动均可用于车灯LED照明。它们的性能参数如表2所示[28-30]。

表2　Maxic各低压恒流DC-DC驱动IC性能参数比较

武汉芯景科技有限公司2010年推出了AT8860，这款LED驱动芯片是一款能驱动高亮度LED的Buck型恒流驱动芯片，额定工作温度范围为汽车级温度范围(-40 ℃～125 ℃)，能够提供1 A可调输出电流，输入电压范围为5 V～ 40 V，可通过采样电阻设定输出电流，单颗LED最大输出电流可达1 000 mA，电流精度可达±3%；AT8860可以实现宽频率范围的PWM调光，而且包含过温保护功能； AT8860的散热增强型结构效率高达95%，高度的组件集成度可设计组件少、配置简单的紧凑型LED照明解决方案。 AT8860有三种封装形式，分别是SOT89-5、ESOP8、SOP8； 另外，AT8860还集成了一个40 V的NDMOS开关和高端电流检测电路，以设置与外部检测电阻器相关的平均输出电流；AT8860可承受的最高输入电压达40 V，适用于基于 LED的汽车照明、建筑照明电路及日常照明应用[31]。

4　结　论

LED 给汽车照明系统的革命带来了契机。但是由于LED驱动技术的高成本制约了LED在汽车照明中的应用，因此研究与超高亮LED配套使用的车用LED驱动芯片有着极其重大的社会和经济意义。目前，我国市场上经济型车的车灯还是以白炽灯为主，但是，在高位刹车灯和一些运营车辆中已经开始用红光LED代替白炽灯。LED应用呈现向汽车尾灯和高位刹车灯市场渗透的趋势。国内外研究人员正在紧锣密鼓地开展高效大功率白光车用LED照明驱动技术的研究，特别是适用于汽车前照灯的高效大功率LED驱动器的研究。相信随着技术的进步和革新，车用LED照明必将迎来春天。

参考文献：

[1]王强.用于汽车照明系统的LED驱动研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[2]慧聪汽车配件网. LED汽车灯的驱动技术[EB/OL].

http://auto.ifeng.com/usecar/news/20111027/701941.shtml，2011.10.

[3]王福虎.可用于汽车照明的超高亮LED驱动芯片的研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[4]刁智海.汽车前照灯高亮度LED驱动电源的研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[5]李军伟.LED的驱动电路研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[6]安森美公司.安美森半导体汽车LED照明解决方案[EB/OL].中电网在线座谈精华Online Seminar Highlights http://seminar.eccn.com.

[7]德州仪器推出新一代汽车前后灯LED驱动器[EB/OL].http://www.prnasia.com/story/archive/prna_086_1403424_1，2014.5.

[8]汽车前灯与尾灯LED驱动器TPS92630-Q1与TPS92602-Q1[EB/OL]. http://news.eccn.com/news_2014061111325181.htm，2014.6.

[9]Maxim interated.LED驱动器[EB/OL].http://www.maximintegrated.com/en.html，2014.

[10]Maxim公司.高电压、大功率带模拟和PWM调光的LED驱动芯片(MAX16831)[Z].

[11]Maxim interated.White LED Step-Up Converter in SOT23(MAX1848)[EB/OL]. http://www.maximintegrated.com/.

[12]Maxim interated.500Ma,76V,High-Efficiency, MAXPower Step-Down DC-DC Converter[EB/OL]. http://www.maximintegrated.com/.

[13]ON Semiconductor.CAV4201:350 mA High Efficiency Step Down LED Driver[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/CAV4201-D.PDF, 2011.11.

[14]ON Semiconductor. NCP3065, NCV3065 Up to 1.5 A Constant Current Switching Regulator for LEDs[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP3065.PDF, 2009.5.

[15]ON Semiconductor. NCV7680 Linear Current Regulator and Controller for Automotive LED Rear Combination Lamps[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCV7680-D.PDF, 2013.3.

[16]ON Semiconductor. NCV78663 Power Ballast and Dual LED Driver for Automotive Front Lighting[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCV78663-D.PDF, 2013.8.

[17]ON Semiconductor. NUD4001, NSVD4001 High Current LED Driver[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NUD4001-D.PDF, 2011.11.

[18]Linear Technology. LT3956-80VIN, 80VOUT Constant-Current, Constant-Voltage Converter[EB/OL]. http://www.linear.com/product/LT3956.

[19]Linear Technology. LT3755/LT3755-1/LT3755-2-40VIN, 75VOUT LED Controllers[EB/OL]. http://www.linear.com/product/LT3755.

[20]Linear Technology. LT3466 Dual Full Function White LED Step-Up Converter with Built-In Schottky Diodes[EB/OL]. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3466fa.pdf.

[21]TEXAS INSTRUMENTS. LM3421 N-Channel Controllers for Constant Current LED Drivers[EB/OL]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3421.pdf.

[22]TEXAS INSTRUMENTS. LM3409 PFET Buck Controller for High Power LED Drivers[EB/OL]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3409.pdf.

[23]TEXAS INSTRUMENTS. TPS9263x-Q1 Three-Channel Linear LED Driver With Analog and PWM Dimming[EB/OL]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps92630-q1.pdf. 2014.2.

[24]TEXAS INSTRUMENTS. TPS9260x-Q1 Two-Channel Automotive Headlight LED Driver[Z]. TPS9260x-Q1 Two-Channel Automotive Headlight LED Driver, 2014.3.

[25]National Semiconductor. LM3404/LM3404HV Evaluation Board[EB/OL]. http://www.baidu.com/s?ie=utf-8&f=8&rsv_bp=1&ch=&tn=baiduhome_pg&bar=&wd=LM3404HV&rsv_spt=1&rsv_enter=1&inputT=879.

[26]Infineon technologies. TLE4242G Adjustable LED Driver[EB/OL]. http://www.infineon.com/dgdl/TLE4242_DS_11.pdf?folderId=db3a304314dca389011561889ef01fe7&fileId=db3a30431be39b97011c238ca4657836&ack=t, 2007.3.

[27]ANALOG DEVICES. LED Driver/Monitor-AD8420[EB/OL]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8240.pdf, 2004.

[28]Maxic.低压恒流DC-DC驱动[EB/OL]. http://www.maxictech.com/products_alone.php?bigid=14&tid=15

[29]Maxic. MT7282 Boost/Buck-Boost/Buck White LED Driver With High Frequency PWM Dimming[EB/OL]. http://www.maxictech.com/uploads/soft/201406/1_12094340.pdf, 2014.

[30]Maxic. MT7285 Boost/Buck-Boost/Buck White LED Driver With High Frequency PWM Dimming[EB/OL]. http://www.maxictech.com/uploads/soft/201406/1_12094410.pdf, 2014.

[31]武汉芯景科技有限公司.AT8860-1A LED driver with internal switch[EB/OL]. http://www.dzsc.com/uploadfile/company/262873/20101219122535367.pdf，2010.3.

研制开发

Research on IC Driver Used in Automotive LED Lighting

SI Xiao-ping

(Department of Information Engineering, Huanghe Science and Technology College, Zhengzhou 450063, China)

Abstract:This paper introduces the specific requirements of high power LED lighting IC uses in vehicles. With classic LED drivers from several famous IC companies as an example, current situation of automotive LED lighting driver is illustrated. Typical high power automotive LED lighting drivers at home and abroad are compared in aspects of parameters, suitable topology and footprint. Finally, prospects of automotive LED lighting driving IC are outlined.

Key words:lighting; LED; automotive lights; driving IC

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0017-04

作者简介：司小平(1981-)，女，河南太康人，硕士研究生，讲师，主要从事电路与系统方面的教学研究。

基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目，项目编号：14B510006；光电信息技术及应用郑州市重点实验室项目，项目编号：114PYFZX505。

收稿日期：2014-12-15